Биокомпьютеры
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра информационных технологий
РЕФЕРАТ
по дисциплине: Компьютерные информационные технологии
на тему: «Биокомпьютеры»
Студент
ФМК, 2 курс, гр. ДМР-1
Проверил
МИНСК 2011
СОДЕРЖАНИЕ
|
4
|
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время каждый новый шаг в усовершенствовании полупроводниковых технологий дается со все большим трудом. Ученые ищут альтернативные возможности и пути развития вычислительных систем. Технические средства, создаваемые человеком, становятся продолжением самого человека, его мира и мысли. Постепенно техника все более и более будет составлять суть самого человека. Из бездушного набора механизмов техника превратится в живой биологический саморазвивающийся мир, возвышающий могущество человека. Природные элементы и технические средства будут неотличимы друг от друга. Не осталось сомнения в том, что машины будущего — это машины, выращиваемые по специальной биотехнологии. Уже получен ряд интересных и успешных опытов по созданию таких "живых" компьютеров.
Естественный интерес ряда исследовательских групп (среди них Оксфордский и Техасский университеты, Массачусетский технологический институт, лаборатории Беркли, Сандия и Рокфеллера) вызвали природные способы хранения и обработки информации в биологических системах. Итогом их изысканий явился (или, точнее, еще только должен явиться) гибрид информационных и молекулярных технологий и биохимии – биокомпьютер. Идут разработки нескольких типов биокомпьютеров, которые базируются на разных биологических процессах. Это, в первую очередь, находящиеся в стадии разработки ДНК- и клеточные биокомпьютеры.
Объект исследования – биокомпьютеры.
Предмет исследования – альтернативные возможности развития вычислительных систем
Цель работы: раскрыть понятие и определить содержание термина «биокомпьютер» и его основных видов, проследить развитие альтернативных вычислительных систем.
В данной работе использовалась разнообразная литература, как книги (Дж. Лилли) и статьи из журналов (Докучаев Д.), так и информация научных интернет-сайтов.
1 Биокомпьютеры: понятие и
1.1 Содержание и понятие «
Если
оглянуться и окинуть непредвзятым
взглядом историю мирового компьютинга,
неминуемо обнаруживаешь: огромный
корабль компьютерного
Биокомпьютер — компьютер, который функционирует как живой организм или содержит биологические компоненты. Создание биокомпьютеров основываются на направлении в исследовании — молекулярные вычисления. В качестве вычислительных элементов используются белки и нуклеиновые кислоты, реагирующие друг с другом. [6] Биокомпьютеры представляют собой гибрид информационных технологий и биохимии.
Все люди, достигшие взрослого состояния, являются запрограммированными биокомпьютерами. Такова человеческая природа, и этого нельзя изменить. Все мы способны программировать себя и других. Несмотря на громадное разнообразие возможных программ, набор их у большинства из нас ограничен. Некоторые из них пришли из глубины веков и унаследованы нами от наших животных предков - простейших одноклеточных, губок, кораллов, червей, рептилий и т.д. В базовых формах жизни программы передавались через генетические коды к полностью сформировавшимся организмам, способным к воспроизведению себя в потомстве. Такие программы можно назвать встроенными. Паттерны функций типа стимул-реакция определялись необходимостью приспособления к изменениям среды, чтобы выжить и передать генетический код потомкам.
По мере увеличения размеров
и сложности нервной системы
возникают новые уровни программирования,
не привязанные непосредственно
к целям выживания и
1.2 Расцвет биотехнологии
В конце 90-х годов японцы опубликовали новость: впервые в мире ведутся работы по созданию биокомпьютера, принцип действия которого основан на биологических датчиках. Раньше никто и подумать не мог о такой технологии. Казалось бы, искусственно создать такой организм невозможно, поэтому новость вызвала большое удивление.После многочисленных исследований ученые решили использовать в качестве биодатчиков белковые соединения. Несмотря на то, что поддержать их “живучесть” крайне сложно, был найден выход из положения. Как показали эксперименты, сферическая молекула белка способна выдерживать невероятные нагрузки и быть неприхотливой к любым внешним раздражениям (в том числе и химическим). Особенность такого датчика – упругость.
Рассмотрим пример: имеется несколько
жидкостей с содержанием
Но это лишь часть того, что умеет сенсор. Иногда, контактируя с определенными молекулами, шарик может начать светиться. В зависимости от концентрации белка интенсивность света будет меняться. Свет уловить намного проще, чем зафиксировать изменение размера, поэтому такое свойство белка очень ценится учеными. [2, С.90-91]
2 Архитектура биокомпьютера
Можно представить архитектуру самого простого биокомпьютера. Это ряд биологических сенсоров, которые реагируют на внешнее воздействие. Остановимся на датчиках подробнее. Существует четыре вида датчиков, используемых в биокомпьютерах. Все они необходимы для того, чтобы снабдить компьютер органами чувств.
1. Химический. Аналог вкусовых рецепторов. Сродни языку, химические датчики способны улавливать состав того или иного вещества, пропускаемого через фермент. Таким образом, можно определить (по примеру), какая жидкость будет добавлена в смесь: сладкая или горькая.
2. Оптический. Подобно глазам, белок может определить вид вещества и даже его форму. Это опять-таки фиксируется дальнейшими составляющими биомашины. Благодаря такой фиксации, компьютер реагирует на раздражение должным образом.
3. Механический датчик служит для осязательных рефлексов. Благодаря такому сенсору машина может двигаться и принимать какие-либо решения после срабатывания других датчиков.
4. Электрический сенсор служит для передачи сигнала с датчика на следующий компонент биокомпьютера.
Этот компонент называется биопроцессор. Его задача обрабатывать сигнал и преобразовывать его в цифровой вид. В обратном процессе он принимает сигнал с ЭВМ и передает его датчику (в аналоговом виде). И, наконец, процессор взаимодействует с особой структурой белка - биопамятью, которая способна накапливать колоссальные объемы информации за предельно короткое время. Цифровая ЭВМ управляет механическими процессами (например, прекращает подачу того или иного ингредиента при его избытке). Правильнее сказать, цифровой компьютер посылает сигнал механическому биодатчику, после которого компьютер должным образом реагирует на раздражение. [2, С.92]
Если рассматривать
- получение входных данных
- обработка результатов
- исполнение какого-либо решения.
Вводить данные с клавиатуры очень долго, поэтому был придуман биодатчик, который занимается приемом входных данных. Как только происходит изменение формы либо цвета белка, это мгновенно фиксирует биопроцессор, который преобразует сигнал из аналогового в цифровой вид. Такой процессор состоит из специального белкового раствора, который способен непрерывно менять свое состояние. Это не что иное, как аналог транзисторного цифрового камня. Частички белка мгновенно изменяют свое состояние (как правило, цвет). Для нормального функционирования требуется быстрый обратимый процесс, то есть способность частицы вернуть свое прежнее состояние.
Биопроцессор имеет три
- Быстродействие. Как уже было сказано, аналоговый камешек мгновенно принимает решения, которые не под силу цифровому процессору.
- Надежность. Если кремниевый процессор мог допускать ошибки при вычислениях, биопроцессор практически не ошибается в своих преобразованиях (максимальная относительная погрешность колеблется от 0,001 до 0,02%).
- Компактность. Размеры очень малы. Благодаря тому, что производители научились наслаивать белковую структуру, габариты такого камешка могут быть сопоставимы по размеру с каплей воды.
Правда, у биопроцессора есть и недостатки. В первую очередь, это трудоемкое производство, а также высокая цена. [2, С.93-94]
3 Виды биокомпьютеров
Известно два типа биокомпьютеров: ДНК- и клеточные биокомпьютеры.
3.1 ДНК-компьютеры
В одном кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе СD. Ученые решили использовать изобретение природы и применить молекулы ДНК для хранения и обработки данных в биокомпьютерах.
ДНК-вычисления впервые были с успехом применены в 1994 году Леонардом Эдлеманом для решения задачи коммивояжера. Суть ее в том, чтобы найти маршрут движения с заданными точками старта и финиша между несколькими городами (в данном случае семь), в каждом из которых можно побывать только один раз.
Рис.3.1.1:Модель молекулы ДНК [8].
В пробирку помещают около 100 триллионов
молекул ДНК, содержащих все возможные
20-нуклеотидные последовательности, кодирующие
города и пути между ними. Затем
за цепочки ДНК сцепляются друг с
другом случайным образом, а специальный
фермент лигаза сшивает образующиеся
короткие молекулы в более крупные
образования. ДНК-компьютер Эдлемана
искал оптимальный маршрут для
7 узлов. Но чем больше городов надо
объехать коммивояжеру, тем больше
ДНК-материала требуется
Команда во главе с профессором Эхудом Шапиро решила создавать технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы. Эхуд Шапиро реализовал модель биокомпьютера, который состоял из молекул ДНК, РНК и специальных ферментов. Биокомпьютер Шапиро смог применяться лишь для решения самых простых задач, выдавая всего два типа ответов: истина или ложь.
Исследователи под руководством Нэдриан
Симан разработали устройство, способное
стать основой для
В том же 2002 году ученые из исследовательской группы Сильвина сконструировали NanoWalker. Назвать данную разработку нанороботом сложно: слишком большие габариты примерно с небольшую монетку.NanoWalker это целая серия роботов, объединенных одним названием. В переводе с английского языка оно означает нанопрохожий и отражает способность роботов автономно передвигаться. Еще одна особенность роботов Мартеля это скорость и плоскость перемещения. Проект NanoWalker должен изменить взгляд на медицинскую диагностику. Теперь медицинский прибор для проведения анализа способен на время внедриться в среду, где существует болезнь.
Научно-исследовательский институт Вейцманна
в Израиле привлек к себе внимание общественности,
усовершенствов разработанное год назад
устройство, поручив одной-единственной
молекуле ДНК роль средства ввода данных
и одновременно источника питания. Устройство
было оценено в научном мире и попало в
Книгу рекордов Гиннеса как самое микроскопическое
биологическое вычислительное устройство.
Ученые из института
Технион в Израиле создали самособирающийся
нано-транзистор. Для разработки этого
устройства они использовали особенности
структуры ДНК и электронных свойств углеродных
нанотрубок.
Ученые из университета Мичигана совместно
с Юнсэон Чой применили молекулы ДНК для
построения наночастиц с заданными свойствами.
Исследователи работали с так называемыми
дендримерами крошечными разветвленными
полимерами, концы которых могут содержать
различные молекулы. Специально спроектированные
полимеры могут использоваться для обнаружения
больных тканей, точной доставки лекарств
к нужным клеткам и т. д. Недостаток данной
технологии в том, что синтез нужных цепочек
может занимать в некоторых случаях по
несколько месяцев.
В
настоящее время область ДНК-вычислений
пребывает на том этапе подтверждения
концепции, когда возможность реального
применения лишь маячит на горизонте.
С уверенностью можно утверждать, что
в ближайшие десятилетия технология громко
заявит о себе, продемонстрировав свои
реальные возможности. А пока можно лишь
гипотетически просчитывать, насколько
полезны или вредны ДНК-компьютеры для
человечества. [5].
3.2 Клеточные компьютеры
Еще одним интересным направлением является создание клеточных компьютеров. Для этой цели идеально подошли бы бактерии, если бы в их геном удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников. И единожды запрограммировав клетку, можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.
В 2001 г. американские
ученые создали трансгенные
Специалисты лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Ученые изменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (по сути – входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок.
Рис.3.2.1: Бактерия Pseudomonas putida [9].
Теперь
ученые пытаются создать на базе этих
клеток более сложные логические
элементы, а также подумывают о
возможности создания клетки, выполняющей
параллельно несколько
По сравнению с обычными вычислительными устройствами биокомпьютеры имеют ряд уникальных особенностей:
- Используют не бинарный, а тернарный код (так как информация в них кодируется тройками нуклеотидов).
- Поскольку вычисления производятся путем одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК, они могут выполнять до 1014 операций в секунду
- Вычислительные устройства на основе ДНК хранят данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков.
- ДНК-компьютеры имеют исключительно низкое энергопотребление.
Однако в разработке биокомпьютеров ученые столкнулись с целым рядом серьезных проблем:
- Считывание результата – современные способы секвенирования (определения кодирующей последовательности) не совершенны: нельзя за один раз секвенировать цепочки длиной хотя бы в несколько тысяч оснований. Кроме того, это весьма дорогостоящая, сложная и трудоемкая операция.
- Ошибки в вычислениях. Для биологов точность в 1% при синтезе и секвенировании оснований считается очень хорошей. Для ИТ она неприемлема: решения задачи могут потеряться, когда молекулы просто прилипают к стенкам сосудов; нет гарантий, что не возникнут точечные мутации в ДНК, и т. п.
- ДНК с течением времени распадаются, и результаты вычислений исчезают на глазах. А клеточные компьютеры работают медленно, и их легко "сбить с толку".
- Биокомпьютеры не рассчитаны на широкие массы пользователей. Но ученые надеются, что они найдут свое место в медицине и фармации. [7].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Технические средства становятся продолжением человека, его мира, его мысли. Постепенно техника все более и более будет составлять суть самого человека.
Биокомпьютерные
технологии привлекательны тем, что
практически все задачи решаются
оперативно. Биокомпьютерные технологии
в бизнесе, науке, в высоких властных
структурах позволяет совершить
переворот в эффективности
Для решения научных проблем биокомпьютер заменит все технические средства научных проблемных лабораторий, оставив им решать незначительные прикладные задачи.
Применение в вычислительной технике биологических материалов позволит со временем уменьшить компьютеры до размеров живой клетки.
Если верить гипотезам фантастов, вскоре биодатчики будут имплантированы в организм человека.
Можно с уверенностью сказать, что в момент расцвета биоинформатики электронные ЭВМ станут вчерашним днем. Почти как ламповые суперкомпьютеры в наше время. Конечно, наряду с биотехнологиями возьмут верх квантовые и нейрокомпьютеры, которые также являются принципиально новыми разработками.
Список использованных источников
1. Джон
Лилли. Программирование и
2. Докучаев Д. Искусственный интеллект в цифровом формате - Биокомпьютеры: миф или реальность // Спецвыпуск Xakep. – 2004. - №38. –С.90-91
3. Докучаев Д. Искусственный интеллект в цифровом формате - Биокомпьютеры: миф или реальность // Спецвыпуск Xakep. – 2004. - №38. –С.92
4. Докучаев Д. Искусственный интеллект в цифровом формате - Биокомпьютеры: миф или реальность // Спецвыпуск Xakep. – 2004. - №38. - С.93-94
5. Ващилко Е. Новые технологии -ДНК-компьютеры// Компьютер-Информ. – 2005. - №16.
6. Википедия - Свобожная энциклопедия [Электронный ресурс] / Биокомпьютер. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki Биокомпьютер. – Дата доступа: 22.12.2011. 7. История компьютера [Электронный
ресурс] / Биокомпьютер. – Режим доступа: http://chernykh.net/content/ |
8. http://www.urano.ru/wp-
9. http://enfo.agt.bme.hu/drupal/
- Биокомпьютеры или живые компьютеры
- Биоконверсия лигноцеллюлозных объектов
- Биокоррозия и биоразрушение конструкционных материалов и сооружений
- Биокоррозия металла и металлоконструкций
- Биокосные системы
- Биоламинирование волос
- Биолгическое действие радиации
- Биоиндикация и биотестирование
- Биоиндикация. Использование растений в качестве биоиндикаторов
- Биоиндикация как метод экологического мониторинга
- Биоиндикация – определение, основные этапы развития
- Биоиндикация состояния почвенного покрова. Фитоиндикация состояния почвенного покрова
- Биоклиматическая архитектура
- Биокомпьютеры
