работа «Биологические компьютеры» (стр. 2 из 9)
Сейчас уже вы догадываетесь, что такое pedaflop? Pedaflop это 1000 tetraflop.Сейчас pedaflop конференции проводятся ежегодно. Там говорят о революции, о том, к чему приведет создание pedaflop машины. И о том, возможно ли использование биологии. Мистер Крєй в своих воспоминаниях о первой pedaflop конференции: «Все присутствующие: группа из 30 технических специалистов, мило улыбались, говорили приятные вещи и рассуждали о развитии. Они, высококлассные специалисты в своих разнообразных сферах, утверждали, что если продолжать то, что сейчас делается, то через 20 лет у будет pedaflop. Они даже показывали доказательства своих слов – прямую линию на полулогарифмической бумаге.»
Сейчас вы увидели, как обстоят дела. Они просто соединили две точки на графике прогресса в компьютерной технике за последние 10 лет, продолжили этот отрезок на 24 года и уверенны, что это приведет к созданию pedaflop.
1.2 Пропорциональное уменьшение компьютера
Что бы это могло значить? Какого прогресса ученые достигли за последние 10 лет? Они делали компьютеры более быстрыми и миниатюрными, а если будут продолжать в том же русле, то какого размера станут компьютеры через 24 года? Так сегодня производится пол-микронная схемотехника. Может, кто-то уже занимается разрабатыванием четверть-микронной. Уже давно, по словам Мистера Крэя, изобретатели говорят о 0.15 микрон технологиях. Так что через 20 лет компьютеры станут и в самом деле крошечными. А на сколько крошечными? Каких размеров может быть молекула?
 |
Рисунок 1‑1 – Строение простейшой молекулы
Неорганические молекулы размером в нанометр, а биологические в десятки раз меньше. 0.1 микрон – это только 100 нанометров, так что нужно немного, что бы достичь размеров биологической молекулы. Если все-таки представить, что через 20 лет будет создан полупроводник, который будет иметь такие размеры, то ученые столкнутся с двумя физическими преградами: принципом неопределенности, основанный на том, что очень маленькие вещи имеют отличные свойства от объектов больших размеров, и жизненной силой, как фактором.
1.3 Возможности биологического программированияМожно с уверенностью предположить, что будет интересно провести экскурс в историю развития возможностей биологического программирования. Но для этого потребуется немного воображения. Будучи компьютерные инженером, необходимо лишь понять некоторые биологические термины.
Представьте себя очень маленьким объектом, размером в 1 микрон, так как биологические объекты и в самом деле крошечные. Давайте заглянем внутрь биологической клетки, к примеру, человеческой, и попробуем выделить характеристики, которые можно сопоставить с сегодняшними компьютерами.
С первого взгляда бросается в глаза – это большое динамическое запоминающее устройство в ядре клетки. Это ДНК.
Рисунок 1‑2 - Двойная спираль ДНК
Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — цепочка, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционированияживых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков. С химической точки зрения, ДНК — это длинная молекула, состоящая из повторяющихся
блоков, нуклиотидов. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали» (рис. 1-2). RNA - (РНК – рибонуклеиновые кислоты) – высокомолекулярные органические соединения, принимает решающие участие при трансляции, т.е. финальной реакцией реализации генетической информации.
Вокруг ядра расположены несколько тысяч микропроцессоров, называемых митохондриями
Митохондрия (от греч. μίτος — нить и χόνδρος — зёрнышко, крупинка) — один из важнейших деталей живой клетки эукариот (надцарства всех живых организмов, кроме бактерий, клетки которых имеют ядро). Метохондрии являются «энергетической фабрикой» клетки и содержат, в частности, дыхательные и другие окислительно-восстановительные ферменты. (рис.1-3)
Давайте вначале рассмотрим большое динамическое запоминающее устройство. Оно состоит из 48 резервуаров, которые называются хромосомами. В них сосредоточена большая часть наследственной информации. Теперь становися вопрос, а ведь хромосомы бывают разных размеров: маленькие, большие, средние, а как такое могло случиться? Это можно объяснить на жизненном примере. Вот когда вы идете в магазин и хотите приобрести самое большое динамическое запоминающее устройство, но должны довольствоваться тем, что есть в наличии. Так и в клетке способности к обработке информации не велики, но они могут расширяться в зависимости от возможностей самой клетки. Число митохондрий в одной клетке варьирует от единиц до нескольких тысяч.
Рисунок 1-3 - Митохондрии
Если лучше присмотреться к большому динамическому запоминающему устройству, то поймем, что состав не так то важен. 48 частиц – не принципиальное число. Можно воспринимать память как единую цепочку из битов, линейную память. Я думаю, сегодня биологи с этим согласны. И на сколько же она велика? Приблизительно, 6 гигабит. Сейчас это довольно много по сравнению с персональным компьютером, даже по сравнению с большинством научных установок. Так что это очень большая память динамического запоминающего устройства.
1.4 Управляющая программа для живых клетокСледующий вопрос – это сколько места в памяти занимает управляющая программа? Известно, сколько хлопот сейчас с управляющими программами, они стают всё больше и больше. У ДНК в человеческой клетке приблизительно 10 процентов занимает управляющая программа. А что же тогда остальные 90 процентов? Ученые говорят, что это в основном помехи и шумы. Если присмотреться ближе - это как старое программное обеспечение, которое не пригодно к использованию, вот, что это.
А что же тогда собой представляет эта управляющая программа? Она состоит из множества подпрограмм – 150000 подпрограмм. Сейчас есть много подпрограмм для каждого программного обеспечения, их называют генами.
Ген – участок ДНК, несущий какую-либо целостную информацию о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Тоесть, это материальный носитель наследственной информации, совокупность которых родители передают потомкам.
Рисунок 1-4 – Геном
В целом мире разрабатывают проект генома (рис. 1-4), то-есть, совокупности всех генов организма, для комплексного решения нескольких инженерных задач с использованием различных данных для определения того, как каждая подпрограмма работает в едином обеспечении. И в конце исследования стоит задача узнать точную последовательность каждой частицы, чтобы подобрать подпрограмму для каждого кода. Работа над этим ведется минимум 10 лет, и хочется надеяться, что пройдет еще хотя бы 20 лет, а не больше, пока результат будет достигнут.
Из них 15-20 процентов для определения функций, только функций, еще даже не последовательности. Перед нами большая оперативная память, 150000 подпрограмм. И сейчас ведется активная работа над их расшифровкой и изучением за что каждая из них отвечает.
1.5 Операционная система для живых клетокСколько в управляющей программе занимает оперативная система? Это еще один интересный факт компьютеров. Оперативная система всегда слишком большая. А на сколько она большая в биологической системе.
Ответ – чуть больше 50 процентов. Это немного удивительно. Как она достигла таких размеров? Каждая система нагромождает дополнительное расширение в специальных папках, и они не когда не уменьшаются. Для того чтобы представить, сколько времени занимает у биологического организма перезагрузка оперативной системы и его инициализация, нужно помнить, что чем больше расширеннее, тем большее количество последовательностей должен обработать компьютер. Интересно, узнать, что процесс инициализации оперативной системы занимает 13 лет.
1.6 Прерывания в живых клетках
Теперь немного о системе, управляемой прерываниями. Это очень быстро развивающаяся сфера из-за количества людей, работающих над проектом человеческого генома. Давайте быстренько пробежимся еще раз для того, чтобы увидеть, как это все работает.
Прерывание происходит, когда система получает сообщение извне о том, что поблизости свободный вирус.
Вирус – микроскопическая частица, способная инфицировать клетки эукариот, т.е. живых организмов.