суббота, 29 августа 2015 г.

Bio-Inspired Computing

image

http://kiwibyrd.org/2015/01/12/1414/

 

Как многие, вероятно, уже в курсе, геном каждого человеческого существа насчитывает примерно 3 миллиарда базовых пар (база – это буква в коде ДНК), которые образуют около 20 000 наших генов. На взгляд людей посторонних это может показаться странным, но геном человека оказывается куда проще, нежели значительно более сложный геном тех микроорганизмов, что живут в теле человека. Микробы, в частности, в своем геноме имеют 100 миллиардов баз и миллионы генов.

Так что если геном человека можно без проблем записать на единственный DVD, то с коллекциями геномов «более простых» существ начинаются далеко не простые проблемы. Даже для элементарного хранения и накопления (без аналитики) коллекций расшифрованных геномов тех микроорганизмов, что живут в наших  телах, в океане, в почве и повсюду на планете, требуются весьма и весьма внушительные хранилища информации.

 

желательно понимать, что речь идет далеко не только об изучении генома человека и тучи постоянно населяющих его микробов-бактерий (своим числом десятикратно превышающих количество собственно человеческих клеток).

 

даже геном такой важной культуры, как пшеница, более чем в пять раз превышает по своим размерам геном человека. И при этом содержит шесть копий каждой хромосомы –  в сравнении с нашими двумя…

 

наиболее известная книга Брэя – «Мокрое обеспечение. Компьютер в каждой живой клетке» («Wetware: A Computer in Every Living Cell», by Dennis Bray, 2009). По всеобщему мнению, это одна из наиболее удачных работ, где внятно и в общедоступной форме изложена суть новейших открытий биологии. Или, если чуть поконкретнее, показано, что  внутренняя химия живых клеток – это, по сути и форме, процесс непрерывных вычислений.

На первых же страницах этой книги читатели знакомятся с простейшим микроорганизмом – амебой. Хотя это всего лишь одноклеточное создание, оно вполне способно самостоятельно «ползать» или перемещаться от одного места к другому, охотиться за своей пищей, реагировать на внешние раздражители типа света, звука и запахов…

amoeba eating a paramecium

И все это, надо подчеркнуть, делается существом, не имеющим не только мускулатуры, но даже нервной системы… Довольно долгое время у биологов не было ответов даже на самый элементарный вопрос в этой связи: как такое вообще возможно?

По мере изучения одноклеточных организмов на молекулярном уровне, начали появляться и удовлетворительные ответы на подобные вопросы. На следующих страницах книги Брэя показано, каким образом разные белковые молекулы – на конкретном примере амебы – взаимодействуя друг с другом, могут быть использованы для реализации всевозможных функций существа.

В частности, для выявления внешних раздражителей, для выполнения над ними «вычислений» и для принятия решения типа «делать». Далее показано, как все эти вещи становятся причиной того, что амеба движется в «желательном» направлении. И так далее по пунктам.

На основе подобных и постепенно усложняющихся эволюционных моделей  Деннис Брэй описывает, каким образом эти структуры могли зарождаться на самом примитивном уровне, а далее развиваться с течением времени.

В основе же своей, как показывает автор, все живые клетки построены на основе молекулярных схем, которые выполняют логические операции. По сути так же, как это делают электронные устройства, но только с помощью уникальных особенностей жидкой молекулярной структуры.

Главную идею книги Брэя можно выразить так. Вычислительная жидкая среда клеток обеспечивает базис всех отличительных особенностей живых систем. Именно она позволяет организмам воплощать в своей внутренней структуре образ окружающего мира, и именно это отвечает и за их адаптируемость, и за способности к реакциям на мир, и за общую разумность их поведения.

Развивая ту же эволюционную модель далее, автор описывает, как колонии одноклеточных созданий (некоторые из них, вроде амеб, с ядром; другие и без ядра – как бактерии) могут совместно реализовать «коллективное чувствование». А это позволяет им выявлять как наличие других существ подобного типа, так и – что еще более важно – определять, как много их тут имеется (мало, много, очень много…).

 

Биологический микрокомпьютер, о котором пойдет речь, является детищем Дрю Энди (Drew Endy), доцента биоинжиниринга в Сэнфордском университете. В трех научных статьях, последовательно опубликованных за 13-месячный период в 2012 и 2013 годах, Энди и команда исследователей его лаборатории продемонстрировали почти фантастическую вещь – как обычную живую клетку превращать в управляемый многофункциональный компьютер.

Используя стандартные технологии генетического инжиниринга, ученые показали, что могут превращать бактерию E. Coli – главную рабочую лошадку микробиологов – в послушную машину, способную на выполнение базовых функций компьютера: логические операции, хранение данных, передача данных. Кроме того, авторами также продемонстрировано, что их методы успешно работают и с любым другим типом живых клеток, а не только с бактерией конкретного вида.

 

было получены прямые свидетельства тому, что при фотосинтезе важную роль в процессах передачи энергии – от улавливающих свет молекул-фотоантенн в реакционные центры-преобразователи – играет на удивление долго длящаяся квантовая когерентность (то есть взаимно-согласованное волноподобное поведение) электронов в молекулах, поглощающих свет.

Благодаря такой когерентности биосистема, словно квантовый компьютер, отыскивает кратчайший путь передачи среди всех возможных, после чего именно по этому маршруту энергия и передается с минимальными потерями.

Мемы&медиавирусы

Loading...