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  Введение.................................................................................................... 1    Биокомпьютеры: понятие и истоки ................................................ 1.1 Содержание и понятие  «биокомпьютер».................................... 1.2 Расцвет биотехнологии ..................................................................... 2     Архитектура  биокомпьютера........................................................... 3    Виды биокомпьютеров...................................................................... 3.1 ДНК-компьютеры .............................................................................. 3.2 Клеточные компьютеры………………………………………....... Заключение……………………………………………………………… Список использованных источников………………………………….   3 4 4 5 6 8 8 10 12 13

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 истоки

1.1 Содержание и понятие  «биокомпьютер»

Если  оглянуться и окинуть непредвзятым взглядом историю мирового компьютинга, неминуемо обнаруживаешь: огромный корабль компьютерного приборостроения  находится в движении. Он медленно, но верно разворачивается от чисто  счетной техники, через машины с  массовым параллелизмом к так  называемому биокомпьютеру –  машине, которая должна вобрать в  себя все лучшее, присущее «счетному  железу» и живому человеческому  мозгу. И если раньше биологические, эволюционные вопросы были для профессионального  компьютерщика интересны не более, чем экологические, политические и  прочие чисто человеческие проблемы, то теперь все изменилось.

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 обстоятельствам  размножения. Встроенные программы  лежат в основании этих новых  уровней и находятся под контролем  высшего порядка.[1, с.3-4].

 

 

 

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 алкоголя. Задача - составить раствор, не превышающий 20 градусов, без погрешностей, не используя  спиртометр или иные приборы.  При пропускании через белок (как потом станет ясно, подложку с прикрепленными на ней ферментами) раствора ингредиентов, реакция сенсора с повышением процента алкоголя будет разной. Необходимо ждать, когда градус примет предельное значение, и остановить процесс. Когда раствор попадает на белок, он не разрушает его структуру, а лишь заставляет немного изменить форму. После небольших расчетов (их выполняет привычная ЭВМ) молекула инородного вещества отделяется от белка. Затем биодатчик приобретает прежний вид. Таким образом, если белок вступит в контакт с водой, он каким-либо образом изменит свою форму. Если вместо воды будет чистый спирт, изменения будут другие. Важно понимать, что временная утрата формы связана со всеми параметрами изучаемого вещества (концентрация, температура, состав), а после того как контакт с ферментом пропадает, белок примет прежний вид.

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 архитектуру  биопроцессора, то можно сказать, что  в  устройстве биодатчика нет ничего сложного. Все подчиняется правилам обычного вычислительного процесса. Он состоит из трех шагов:

• 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 преимущества, благодаря которым применяется  в архитектуре машины.

• 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 биологическому компьютеру. Было подсчитано, что если увеличить количество узлов до 200, то потребуется ДНК-цепочка, вес  которой превышает вес Земли.

 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.