4 Применение идей синергетики в нанонауке 7 (стр. 1 из 6)
Содержание
1 Введение. Нанобиология в нанонауке................................................. 4
2 Две сверхзадачи нанонауки.................................................................. 5
2.1 Проблема гигантских усилений....................................................... 5
2.2 Проблема взаимодействия иерархических уровней....................... 6
3 Нанобиология в масштабах.................................................................. 7
4 Применение идей синергетики в нанонауке........................................ 7
4.1 Парадигма диссипативных структур............................................... 8
4.2 Парадигма динамического хаоса..................................................... 9
4.3 Парадигма сложности.................................................................... 11
5 Клетка – квантовый компьютер?...................................................... 11
5.1 На каком уровне находится «сознание»?...................................... 11
5.2 Нейронные сети и формальные нейроны...................................... 12
5.3 Гипотеза Хамероффа-Пенроуза..................................................... 13
5.4 Проблемы и идеи............................................................................ 16
6 ДНК-вычисления и ДНК-компьютеры.............................................. 16
6.1 Пределы роста................................................................................ 16
6.2 Путь к ДНК-вычислениям.............................................................. 18
6.3 Базовые операции ДНК-вычислений............................................. 18
6.4 Опыт Л. Эдлмана. Поиск гамильтонова пути на графе................ 21
6.5 Опыт Э. Шапиро. Конечный автомат на ДНК.............................. 23
6.6 Задел в молекулярных вычислениях. Проблемы и идеи.............. 24
6.6.1 Парадигма ДНК-вычислений. Внешнее оправдание............. 25
6.6.2 Два пути развития парадигмы ДНК-вычислений.................. 26
6.6.3 Создание эмулятора ДНК-вычислителя................................ 26
6.6.4 Создание языка программирования высокого уровня для ДНК-вычислителя................................................................................. 27
6.6.5 Создание банка задач и алгоритмов для ДНК-вычислителя 28
6.6.6 Среда разработки программ для ДНК-вычислителя............ 28
Список литературы................................................................................. 29
1 Введение. Нанобиология в нанонауке
Почти всегда в нашем творчестве, в частности в занятии наукой, мы ограничены уже существующими рамками: рамками усвоенных теорий, сформированных представлений. Наши знания век от века растут, но незыблем принцип удивления новым: истина всегда оказывается за рамками наших вчерашних представлений.
Сегодня у нас с вами есть замечательная возможность начать обширный круг исследований не с критики существующих теорий и не с проверки их в эксперименте, а с удивления перед фактами, причины которых хочется установить. В этой области у нас нет удовлетворительных физических теорий, разработаны только первые инструменты эмпирического исследования, нет многих необходимых математических моделей, но накоплена богатая феноменология. Речь идет об исследованиях живого вещества в масштабе 10-9м, или в наномасштабе. Именно в этом масштабе природа «программирует» основные характеристики веществ, явлений и процессов [1].
Если рассматривать вещество в наномасштабе, то можно говорить о его особом фазовом состоянии. В этом масштабе, помимо малых размеров структурных элементов, играют роль и квантовомеханические эффекты.
История нанонауки начинается с лекции Р. Фейнмана, прочитанной в канун 1960 г. на обеде Американского физического общества [2]. Прежде всего, Фейнман обращает наше внимание на чудеса биологических систем (он имеет в виду клетки), говоря об огромной плотности записи информации в этих системах и о сложных процессах обработки информации. Фейнман говорит о миниатюризации компьютеров, возможности создания наноструктур путем постепенного уменьшения, возможности манипулирования отдельными атомами, перспективах работы с квантовыми уровнями энергии. Миниатюризация компьютеров произошла, мы уже учимся манипулировать отдельными атомами. Пришел черед квантовых уровней энергии?
Одним из идеологов нанотехнологии стал К.Э. Дрекслер [3]. Его книга, выпущенная в 1986 г., содержит идеи молекулярных вычислений, идеи самосборки наноконструкций, нанокомпьютеров, а также большое количество идей применения нанотехнологии в науке о материалах, космосе, медицине, экологии. Кроме того, книга содержит и анализ возможных рисков, связанных с применением нанотехнологии.
В настоящее время большая часть сверхминиатюрных устройств создается при помощи технических, а не биологических принципов. При дальнейшем уменьшении систем, наделение их необходимой функциональностью будет затруднено, в то время как в биологических системах многие технические задачи успешно решаются при помощи молекулярных двигателей и других внутриклеточных функциональных систем [1,с.160]. Специалисты прогнозируют создание гибридных наномеханических объектов, на основе биологических систем и неорганических устройств.
В настоящее время решаются проблемы переноса генной информации внутрь клеток. Идеальным решением данной проблемы было бы использование наночастиц ДНК с заданным набором параметров. Это позволило бы создать новые методики введения генов in vivo, т.е. в живом объекте (в отличие от in vitro – вне живого оргнизма, в пробирке).
Нанобиология уже сейчас эффективно используется для скрининга новых лекарственных соединений. Разработка лекарств нового поколения требует развития технологий направленной доставки лекарств.
Многие из специалистов по нанотехнологии, принимавших участие в выпуске сборника [1], делают акцент на том, что одна из основных проблем сегодняшней нанонауки – это проблема разработки методов самосборки наноконструкций. Начиная с наноуровня и переходя к оперированию отдельными молекулами и атомами, мы не можем позволить себе сборку методом «сверху вниз», приходится поневоле принимать во внимание тот факт, что вещество состоит из атомов.
Совершенно естественно обратиться к возможностям биологических наноструктур (органелл клетки и биомолекул) и предположить, что эти возможности удастся использовать для сборки желаемых наноконструкций.
Итак, один из мотивов, побуждающих нас к изучению живого вещества в наномасштабе – это мотив технологический.
Существуют еще по меньшей мере два столь же весомых мотива: первый из них озвучен Р. Пенроузом [4], а второй – C. Хамероффом [5]. Первый заключается в том, что создание современной картины мира требует проверки гипотезы об объективной квантовой редукции, а второй – в том, что современная нейронаука исчерпала возможности парадигмы мозга как молекулярно-химической машины для объяснения механизмов работы сознания.
В основу настоящей работы положен доклад на семинаре «Математическое моделирование процессов в наномасштабе» 22.03.2005 г. [6].
На наш взгляд, на самом высоком уровне, в нанонауке на данный момент можно сформулировать две самые важные задачи: проблему гигантских усилений и проблему взаимодействия иерархических уровней.
2.1 Проблема гигантских усилений
Борьба с вирусами и бактериями – большая часть всей современной медицины. Объекты размером не более 10 мкм оказывают существенное влияние на организм человека вплоть до прекращения его функционирования. В то же время, если представить себе человека в роли микрообъекта, то тогда он должен был бы оказывать влияние на космические объекты, вроде отдаленных планет и звезд. Сегодня нам трудно себе это представить, что свидетельствует о недостаточном понимании механизмов усиления в интервале масштабов 10-9-1м.
Другой пример гигантского усиления дают классические эксперименты квантовой механики – например, дифракция электронов на двух щелях (рис.2.1). Сама возможность наблюдать частицу во время прохождения щели принципиально меняет картину дифракции. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, вызывающий сейчас очередную волну интереса, показывает, что сами свойства микрочастиц коренным образом зависят от того, какие параметры мы готовы наблюдать. Но наблюдение – это ни что иное как перевод объекта с микро- на макроуровень, когда он становится доступным наблюдателю. Сама проблема наблюдателя – один из узловых пунктов квантовой механики – это также проблема усиления.
Рис. 2.1 Опыт по прохождению пучка электронов через две щели
2.2 Проблема взаимодействия иерархических уровней
Эта проблема тесно связана с проблемой гигантских усилений.
Мы привыкли к иерархичности биологических систем. Мы можем рассматривать систему на молекулярном уровне, уровне клеток, уровне тканей, органов, организмов, популяций, биоценозов. На каждом из уровней строятся модели соответствующего класса. Естественно, приведенная шкала уровней является достаточно грубой: иерархических уровней гораздо больше. От уровня к уровню могут меняться не только типы моделей, но и законы, по которым эти модели строятся. Недостаточно понимания процессов на каждом, отдельно взятом уровне иерархии. Для сборки наноконструкций необходимо научиться действовать сразу на нескольких уровнях иерархии создаваемой системы. Необходимо научиться создавать новые уровни иерархии, устанавливать связи между объектами на разных уровнях иерархии. Для этого нужны соответствующие модели.
Рис. 3.1 Наномир в масштабах
На рис. 3.1 A - атом углерода, 0.15 нм в диаметре, B – молекула аминокислоты аланин, состоящая из 13 атомов, 0.33 нм в диаметре, С – фрагмент молекулы ДНК, 2 нм в диаметре, D - молекула тубулина, 8 нм в длину, E- микротрубочка в разрезе, 25 нм в диаметре, F - аксон нервной клетки в разрезе, 1000 нм в диаметре, может содержать 100 микротрубочек и 1000 филаментов меньшего размера, G – животная клетка 100-1000 мкм, H - нематод, маленький червь, состоящий из менее чем 1000 клеток, 170 мкм в «диаметре», 450 мкм в длину, I – четверть человеческого волоса и 50 нематодов, диаметр окружности 5 мм.