работа «Биологические компьютеры» (стр. 1 из 9)
РЕФЕРАТКурсовая работа «Биологические компьютеры»: 66стр., 2части, 9илюстраций, 4 дополнительных материала, 10 источников.
Объект исследования - булевое вычисление с помощью биологических процесов.
Целью ставилось продемонстрировать аналогию, существующую между процесами, изучаемыми науками «Молекулярная Биология» и «Компьютерная схемотехника». И языком, понятным для человека с техническим, инженерным образованием объяснить биологические термины и процесы, на которых основываются простейшие биологические компьютеры. Работа основывается на оригинальных, не переведенных с английского языка, отчетах разработчиков, купленых в журнале “Nature Biotechnology”.
Используется вмешательство RNA (RNAi) в клетках почек человека, чтобы сконструировать молекулярное вычислительное ядро, которое обеспечивает выполнение Булевой логики, чтобы принимать решения, основанные на эндогенных молекулярных исходных данных.
Поскольку данная разработка была опубликована в мае 2007 года, результатом проведенной работы является первый, или один из первых в Украине методический материал, с помощью которого можно объяснять студентам или инженерам азы перспективнейшего направления развития вычислительных систем и компьютерной науки.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ, МОЛЕКУЛЯРНЫЙ АВТОМАТ, БУЛЕВОЕ ВЫЧИСЛЕНИЕ, РНК ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ, ДНФ, КНФ, РНК, ДНК, БЕЛОК.
СОДЕРЖАНИЕПеречень условных обозначений, символов, единиц, сокращений................6
Вступление............................................................................................................7
1 ЭВМ и живые клетки…………........................................................................9
1.1 Pedaflop программирование........................................................................9
1.2 Пропорциональное уменьшение компьютера……………..……………10
1.3 Возможности биологического программирования………………..……12
1.4 Управляющая программа для живых клеток………………………....…15
1.5 Операционная система для живых клеток……………………..………..17
1.6 Прерывания в живых клетках……………………..……………………..17
1.7 Главный процессор живых клеток…………………………..…………..18
1.8 Возможности дополнительных кодов для программирования монстров…………………………………………………………………………19
1.9 Биологический источник питания………………………..………….…...19
1.10 Схема управления в клетке……………..……………………………….20
1.11 Отсутствие доказательства существования жизненной силы……...…21
1.12 Нет ли подводных камней в фундаментальных основах?......................22
2. Конструирование биологических компьютеров……………………..……23
2.1Универсальный логический оценщик РНК, оперирующий в клетках млекопитающих……………………..………………………………………….25
2.1.1 Устройство молекулярного автомата для ДНФ выражений…..…....28
2.1.2 Устройство молекулярного автомата для КНФ выражений………..31
2.2 Тестирование индивидуальных молекул…………..……………………35 Выводы……………..…………………………………………………………...40
Перечень источников…………………………………………………………..41
ПРИЛОЖЕНИЕ А Феномен малых РНК. РНК-ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ.............42
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Приложения разработчиков………....................................46
ПРИЛОЖЕНИЕ В A universal RNAi-based logic evaluator that operates in mammalian cells……..……..………………………………………....................53ПРИЛОЖЕНИЕ Г Биография мистера Сеймора Крэя……………………….65
Рисунок 1-1 Строение простейшей молекулы...............................................................................................................11
Рисунок 1-2 Двойная спираль ДНК……….…..……………………………….12
Рисунок 1-3 Митохондрии..………………………………………………...….14
Рисунок 1-4 Геном………..…………………………………………………….16
Рисунок 2-1 Дизайн генной сети молекулярного компьютера на основе DNF формы……............................................................................................................29
Рисунок 2-2 Дизайн генной сети молекулярного компьютера на основе CNF формы……............................................................................................................33
Рисунок 2-3 Таблицы истинности для вычисленых выражений..…………………………..................................................................36
Рисунок 2-4 Тестирование индивидуальных молекул ДНК……..…………..37
Рисунок А-1 Петуньи над которыми проводились эксперементы……..…...42
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, СОКРАЩЕНИЙ, ТЕРМИНОВDNA, ДНК - Дезоксирибонуклеи́новая кислота́
RNA, РНК – рибонуклеиновые кислоты
RNAi – РНК интерференция
siRNA - (small interfering RiboNucleic Acids) - малые интерферирующие рибонуклеиновые кислоты
mRNA, мРНК – матричная, информационная РНК
UTR - untranslated regions
АТФ – Аденозинтрифосфорная кислота.
ВСТУПЛЕНИЕМогут ли компьютеры думать? Пока нет! Было уже множество дискуссий об искусственном разуме, создании программы, которая будет обучаться. Можно сказать с уверенностью, что эта сфера развивается. Есть некоторые доказательства того, что машины делают вещи близкие к мышлению, но еще рано думать, что они обучаемые.
Многие следили за шахматным турниром между Гарри Каспаровым и компьютером IBM. Эта машина, была специально разработана для этого созтязания. Первая игра была выиграна компьютером. Каспаров был очень удивлен. Весь вечер он провел, изучая то, почему он проиграл матч, какая была стратегия компьютера. А что делал компьютер в эту ночь? Естественно, он был выключен и стоял в углу.
Дальше вы знаете, что произошло. Компьютер не смог выиграть следующую игру! Гари Каспаров выиграл три и сыграл две игры вничью. Так что компьютеры пока что не умеют мыслить. По крайней мере, шахматные.
К чему это я? Да к тому, что как бы ученые, проектировщики не стремились создать «живой» компьютер, пока это у них не получилось и врядле получиться. Это понятно.
Но теперь посмотрим с другой стороны. Если представить себе такую абсурдную идею, так-сказать, чисто гипотетически, что ВМ (Вычислительная Машина) будет составлена из неких «Живых» элементов. Можно будет её назвать живой? Конечно же нет. Она будет так же выполнять четкие специализированые алгоритмы, не имея никакой возможности обучаться.
А если представить, опять же, чисто гипотетически, что такая возможность существует, что бы она нам дала? Что бы дал человечеству
навык какого-нибудь ученого, например, из Израиля, создавать вычислительные машины из «живых» элементов? Первое, что приходит в голову, это возможность, путем использования данных машин, повлиять на природные процесы живых организмов и внести коррективы в процесы, которые зарождались милионы лет назад. «Применить к человеку?»-, спросите вы. А почему бы и нет? Ведь человек, как любое другое животное, чертовски похож на ВМ. Можно даже сказать, что Фон-Нейманского типа. Просто настолько сложную, что трудно проследить аналогию с машинами, используемыми людьми каждый день, разработаными INTEL, Apple и другими организациями.Допустим это так. Человек это компьютер. Что бы мы могли сделать, создав некие вычислительные модули? Может быть что-нибудь поменять? Что-нибудь убрать? Что-нибудь подкорректировать?
Приятно вот так сидеть и мечтать, не правда ли? Но, как обычно, кто-то мечтает, а кто-то делает шаги к решению проблемы. Кто-то учит компьютерную схемотехнику, а кто-то биологию. А кто-то учит компьютерную схемотехнику и биологию. И настолько хорошо учит, что смог проследить четкую анологию между понятиями «Живой организм» и «ЭВМ». Данная работа являет собой некий первый шаг к пониманию этой аналогии, и того, как эту анологию можна использовать.
Если говорить о целях написания данной работы, то в первую очередь стоит отметить желание сунуть нос туда, куда никто еще не совал (по крайней мере из ближайшего окружения). Ведь по большому счету, «Биологические компьютеры» это, как «Летающий автомобиль». То есть два соединенных, несоединяемых понятия, которые дают поразительные возможности и не паханое поле для деятельности.
Данная работа состоит из двух частей. В первой описывается, собственно анология, о которой говорилось выше. Во второй будет описание функционирования и отрасли использования простейшего биологического автомата, выполняемого вычисление логических функций.
1 ЭВМ И ЖИВЫЕ КЛЕТКИ1.1 Pedaflop программирование
Итак, от лирики к делу. Так как некоторые, наверное, не знают что такое pedaflop программирование, можно сделать небольшой экскурс. Где-то в 1960-х Группа ученых, в том числе, некий господин Сеймор Крэй, мысли и идеи которого активно пропогандируются в данной работе, принимали участие в разработке некой последовательности для игры на пианино. Детали этой разработки данной работы не касаються, за исключением того факта, что тогда в том компьютере, вместо написания программы, была создана плавающая десятичная запятая. (С биографией мистера Крэя можно ознакомиться в приложении Г). Могли ли мы с тех пор сказать, сколько плавающих запятых (flop) наш компьютер вычисляет? И когда мы смотрим на персональный компьютер, мы говорим, сколько megaflop он вычисляет? Сколько миллионов плавающих запятых в секунду?
Люди, которые могут себе позволить большие вычислительные станции могут сказать, сколько giga flop вычисляет их компьютер. Это 1000 megaflop. Это достаточно для большинства людей. Но, известно, что правительственные лаборатории США всегда хотят чего-то большего. И это, к примеру, Национальная Лаборатория Сандиа в Альбукерке, они захотели tetraflop машину и заказали такую в Intel, эта машина сможет вычислять в tetraflop. Она имеет 9900 процессоров, это настоящий монстр. Конечно, все лаборатории завидовали этому и говорили, мол, она стоит очень дорого, около 40 миллионов долларов, она все равно не будет работать, кому она нужна? Но все-таки это хорошо, что есть tetraflop машина, она нужна. Хотя многие в этом не уверены. Как бы там не было это tetraflop.