А внутри — компьютер...
А внутри — компьютер...
"Зачем изобретать молекулярную машину Тьюринга из ничего, когда ее прототип уже существует в каждой клетке нашего тела?" — спрашивает Беннет Дэвис. Немногие люди могут похвастать тем, что им принадлежит идея, которая изменила мир, и британский математик Алан Тьюринг как раз один из них. В 1936 году он описал механическое устройство, которое, по его мнению, могло проверить истинность любой математической теории. Он доказывал, что последовательность действий, осуществляемых машиной, будет эквивалентна определенного рода математическому рассуждению. Это устройство — универсальная машина Тьюринга — стало основой совершенно новой области научных исследований. Выдвинув свою идею, Тьюринг положил начало возникновению информатики.
Несмотря на то, что идеи Тьюринга произвели настоящую революцию, его машина до сих пор не была построена. В сущности, он и сам задумывал свою машину как абстрактный инструмент для размышлений над математическими процессами. Сегодняшние компьютеры и их предшественники основаны на похожей, но все же имеющей незначительные отличия, идее, известной как "электронно-вычислительная машина записанной программы", которая была разработана в конце 1940-ых и основывается на использовании электронных логических элементов и электронной памяти.
В наши дни израильский ученый придумал схему для создания машины Тьюринга, используя простейшие молекулярные строительные блоки, такие как аминокислоты. Он даже предложил вариант того, как они могли бы взаимодействовать, производя вычисления. Такая машина не была бы похожа ни на одну из существовавших ранее на макроуровне. Молекулярная машина Тьюринга читала бы "программу", закодированную в структуре определенных молекул, и выдавала бы ответ в форме другой молекулы. Эта идея не настолько абсурдна, как может показаться на первый взгляд. Очень похожий процесс уже происходит внутри каждой клетки нашего тела. Это — процесс жизни. ДНК — молекула, которая хранит множество программ, отвечающие за синтез белков.
Эти программы приводятся в действие другими молекулами в клетке, и специальные органоиды — рибосомы — осуществляют синтез белков из аминокислот.
Клетки — это, конечно, не машины Тьюринга в прямом смысле слова, но они имеют очень много общего. Так много, что некоторые американские ученые верят в то, что одна молекула ДНК может быть модифицирована, чтобы работать как машина Тьюринга. Они называют это ВНК — вычислительная нуклеиновая кислота — и утверждают, что ее можно запрограммировать решать не только сложные математические проблемы, но и синтезировать лекарства.
Смысл сказанного ошеломляет. Это означает, что наступит день, когда крошечные машины Тьюринга, находясь внутри нашего тела, подобно докторам смогут зорко следить за бактериями и распределять антибиотики или, высматривая симптомы заболеваний, прописывать подходящее лекарство.
Машина Тьюринга — в сущности простое устройство. Для самого Тьюринга машина была математической моделью того, как люди осуществляли вычисления в то время, когда термин "компьютер" обозначал профессию, а не физический предмет. Он представил кого-либо, решающего математическую проблему путем осуществления пошаговых вычислений и постоянно перескакивающего с одного листа бумаги на другой в поисках указателя на следующий шаг в вычислениях.
Лучший способ представить машину Тьюринга как магнитофон со считывающей головкой, которая читает информацию с барабана с лентой и способна удалять и записывать данные на ленту. Сканирующее устройство имеет индикатор, на котором отражается состояние машины в любой момент времени. Суть этого в том, что, осуществляя определенный шаг вычисления, машина находится в определенном состоянии и сканер считывает с ленты определенный управляющий символ.
Наконец, имеется свод правил, которые управляют действиями машины при определенных сочетаниях состояния, в котором находится машина, и управляющего символа. Например, машина находится в состоянии 3 и управляющий символ на ленте — 1, тогда, согласно правилам, машина должна изменить управляющий символ на 0, продвинуться на 1 шаг вдоль ленты влево и перейти в состояние 5. Устройство считывает управляющий символ слева, допустим еще одна 1. Учитывая, что текущее состояние — 5, оно производит определенное действие согласно имеющемуся своду правил. Вычисления продолжаются до тех пор, пока машина не достигнет правила, приказывающего ей остановиться. Если же такое правило не будет достигнуто, машина никогда не остановится.
Это странное устройство воплощает в себе все то, что ученые-компьютерщики понимают под понятием "вычисление". В принципе, при наличии времени и достаточного количества ленты, машина Тьюринга могла бы производить любые вычисления, возможные на электронном компьютере, но дело в том, что никто не пытался создать машину Тьюринга в том виде, в каком ее сформулировал математик. Поскольку, построенная с использованием магнитозаписывающей технологии, такая машина была бы невероятно сложной, ужасно ненадежной и раздражающе медленной.
Но Ехуд Шапиро, математик и ученый из Научного института Вайзмана в Ревохоте, Израиль, верит, что достаточно мощные машины Тьюринга могут быть созданы абсолютно иным путем. В 1994 году Шапиро ушел из института, чтобы создать Интернет-компанию по разработке программного обеспечения. Позже он продал компанию в america on-line. "Когда я стал думать о возвращении в науку, — говорит ученый, — мне хотелось заняться чем-то новым, поэтому я занялся изучением биологии. Мне казалось, что мои знания в области компьютерных языков помогут мне лучше понять сущность эволюции и генетического кода". Результатом явился тесный союз химии и информатики.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАШИНА
Шапиро видит крошечную машину Тьюринга, сконструированную из молекулярных строительных блоков. Молекулярный эквивалент ленты представлял бы собой последовательность различных молекул, образующих полимер. Различные молекулы — Шапиро называет их молекулы первичного кода — выступают в роли различных управляющих символов, таким образом, полимер — это не что иное, как длинная цепочка этих символов. Например, полимер, созданный с использованием молекул 2-х типов, будет эквивалентен ленте с записанной на ней последовательностью нулей и единиц.
Несколько сложнее представить молекулярный эквивалент считывающей головки. В основе лежит другой тип молекул, называемых транспортными молекулами. Они отражают состояние машины, подобно индикатору на считывающем устройстве.
Если машина имеет 5 стандартных состояний, то потребуется 5 различных транспортных молекул, чтобы представить каждое из них. Мы подошли к важному моменту: когда транспортная молекула соединяется с молекулой первичного кода, образуется комбинация состояния и управляющего символа, что является ни чем иным, как машиной Тьюринга, находящейся в определенном состоянии и считывающей определенный управляющий символ. Мы видим, что Шапиро не рассматривает считывающую головку как отдельное устройство, для него это лишь способ проанализировать комбинацию двух молекул. Когда молекулярный компьютер обработал одну из этих молекул, он примет состояние в соответствии с управляющим символом.
А как насчет свода правил, которые управляют работой компьютера? Это несколько проще понять, поскольку это просто химические законы, которые определяют, какие комбинации транспортных молекул и молекул первичного кода способны взаимодействовать с другими комбинациями. Фактически они являются аналогами компьютерных программ, и Шапиро надеется, что достаточно сообразительный химик сможет сформировать набор транспортных молекул и молекул первичного кода, который обеспечит выполнение любой последовательности логических шагов.
Итак, мы имеем полимерную ленту, которая плавает в море молекул-"строительных блоков" с определенными химическими свойствами. Это море содержит также все возможные комбинации транспортных молекул и молекул первичного кода, которые постоянно находятся в контакте с лентой. Последний компонент компьютера Шапиро — устройство, которое фиксируется на сегменте полимера и является своеобразной камерой, из которой и в которую проникают транспортные молекулы и молекулы первичного кода. Только молекулы, которые подчиняются определенному правилу, могут взаимодействовать с сегментом ленты в камере. В результате молекула первичного кода включается в полимерную ленту. Те же действия производит машина Тьюринга, когда записывает нуль или единицу на ленту. Транспортная молекула затем возвращается в море молекул, готовая принять участие в следующем вычислении.
Шапиро спешит отметить, что еще никому ни удавалось создать такую молекулярную машину. Все, что удалось ему — это пластиковая модель, которая наглядно демонстрирует его идею, используя детали наподобие детского конструктора "Лего" вместо молекулярных блоков.
Однако, он в состоянии предоставить несколько убедительных сравнений между его устройством и строением живой клетки.
В 1982 году Чарльз Беннет, ученый-компьютерщик из исследовательского центра T.J.Watson в Нью-Йорке, принадлежащего компании IBM, заметил удивительное сходство между тем, как клетки используют информацию, заложенную в ДНК для синтеза белков, и тем, как машина Тьюринга использует информацию для решения задач. Его идея заключалась в том, что ДНК — это своего рода программа для "вычисления" последовательностей аминокислот, которые образуют белки, так же как машина Тьюринга вычисляет последовательность нулей и единиц на ленте.
Внутри клетки аминокислоты играют роль весьма близкую к роли молекул первичного кода, которые в устройстве Шапиро связаны друг с другом и образуют полимер. Аминокислоты связаны таким образом, что образуют белки внутри клеточных органоидов — рибосом. Транспортные молекулы очень похожи по своим функциям на молекулы рибонуклеиновой кислоты с транспортной функцией (Т-РНК). Т-РНК соединяется с аминокислотами так же, как транспортные молекулы соединяются с молекулами первичного кода. Т-РНК имеет свой внутренний код, который напоминает свод правил машины Тьюринга. Шапиро верит, что, после некоторых необходимых модификаций, аминокислоты РНК и несколько ферментов могли бы послужить основанием для создания его машины.
"В ближайшие 20-50 лет мы должны будем узнать, как программировать клетки, чтобы заставить их создавать подобные устройства самостоятельно, точно так же, как они сейчас создают свои собственные компоненты", — говорит Шапиро.
Однако не один Шапиро имеет амбициозные планы. Группа ученых: Куртц и его коллеги Стивен Маханей, Джеймс Ройер и Янос Саймон пришли к такому же выводу, размышляя над экспериментом, проведенным Леонардом Адлеманом, ученым-компьютерщиком из Университета Южной Калифорнии, Лос-Анджелес. В 1994 году Адлеман экспериментальным путем показал, что огромное количество молекул ДНК может взаимодействовать подобно компьютеру. Информация, хранящаяся в ДНК, закодирована в звеньях цепи, образующей знаменитую двойную спираль. Каждое звено спирали состоит из пары азотистых оснований, всего существует 4 вида оснований (Аденин, Тимин, Гуанин и Цитозин).
Порядок расположения этих оснований и определяет программу синтеза белков. Биологи уже в состоянии разделить молекулу ДНК и соединить ее обратно. Идея Адлемана состоит в том, чтобы подготовить несколько цепочек ДНК и использовать каждую из них для представления части математической проблемы. Он гарантирует, что каждая такая цепочка может соединяться с другой только согласно химическим законам, которые заменяют математические методы, необходимые для решения проблемы, — совсем как свод правил для машины Тьюринга. Если миллиарды этих цепочек смешать вместе, образуется своего рода "химический суп", который содержит в себе все возможные комбинации, представляющие решение проблемы. Чаще всего требуется самое простое решение, оно представлено кратчайшей комбинацией ДНК и легко отделяется в конце эксперимента.
Примером проблемы, которая может быть решена таким способом, является "проблема коммивояжера", которая ставит вопрос: в какой последовательности должен посетить коммивояжер ряд городов, чтобы минимизировать расстояние, которое необходимо преодолеть. В этом случае цепочки ДНК представляют города, химические законы — наличие путей сообщения между городами (т.е. цепочки ДНК, представляющие 2 города, не связанных дорогой, не могут соединиться).
Решением будет кратчайшая молекула ДНК, содержащая цепочки, представляющие все города. Такой эксперимент для 6 городов был проведен в 1997 году командой из Исследовательского института NEC в Принстоне.
Однако решение такой проблемы для 100 городов потребовало бы количество ДНК, сравнимое по размерам с земным шаром. "Мы занялись изучением биологических систем и поняли, что на основе синтеза белков можно создать более совершенную модель осуществления любых вычислений общего характера, чем модель Адлемана", — говорит Куртц.
МОЛЕКУЛА НА ЗАКАЗ
Куртц и его коллеги полагают, что если сегодня человечество в состоянии искусственно изменять ДНК и РНК, то в скором времени подобные технологии позволят создать "нечто, что мы называем ВНК, или вычислительная нуклеиновая кислота".
Он говорит: "ВНК могла бы быть создана таким образом, что каждая молекула синтезировала бы не белок, а измененный вариант самой себя". Сырье для ВНК было бы изолировано с одной стороны мембраны, содержащей молекулярные механизмы для осуществления вычислений. Внутри этих механизмов ВНК каждая молекула ВНК осуществляла бы синтез своих модификаций и каждая последующая молекула являлась бы следующим шагом в вычислении. Окончательные молекулы проходят сквозь мембрану. В конце концов появляется молекула, которая содержит решение поставленной задачи. Куртц говорит, что эта молекула может быть изолирована путем использования стандартных биохимических процедур.
"Цель, которую мы ставим перед собой, отличается от цели Шапиро, — заявляет Куртц. — Мы хотим использовать внутриклеточные процессы для решения вычислительных задач, а Шапиро хочет использовать их для синтеза молекул. Но обе эти цели достаточно близки и, возможно, могли бы быть модифицированы таким образом, чтобы взаимодействовать, дополняя друг друга."
Каждый торопится высказаться. "Когда я рассказал о нашей модели выдающемуся биохимику, — вспоминает Куртц, — она сказала мне, что это невозможно, мы не сможем создать это еще лет 20". Тогда я спросил: "Всего-то?" А Шапиро считает, что все это станет возможным только через 50 лет.
Мечта Шапиро — поместить машины Тьюринга внутрь каждой клетки нашего организма. Основанные на биохимических условиях внутри клеток, эти молекулярные врачи могли бы ставить диагнозы, назначать определенные молекулы-лекарства при заболеваниях и даже сами вырабатывать эти лекарства. Доктор-компьютер мог бы обнаруживать бактерии и распределять антибиотики, помечать дефектные РНК и ДНК и заменять их здоровыми, а также осуществлять синтез какого-либо белка, если наблюдается его недостаток в организме.
Можно также разработать специальные машины для поддержания работы и обеспечения уникальных функций отдельных органов. "Если компьютер обнаруживает, что не в состоянии справиться с заболеванием, он может посылать сигналы тревоги, — говорит Шапиро, — например, окрасив выделения в синий цвет или поместив в кровь молекулы, сигнализирующие об опасности, которые можно распознать внешним устройством. Все это теоретически возможно".
Но некоторые ученые возражают. Они заявляют, что коль скоро Шапиро не знает, как создать свою машину, то, конечно, он может надеяться на чудо. Другие менее категоричны: "Лет через 20-50 у нас будет оборудование, способное создать системы, подобные тем, о которых мечтают Беннет, Куртц и Шапиро", — говорит Эрик Уинфри, профессор компьютерных наук в области вычислений и нейросистем из Калифорнийского технологического университета в Пасадене. В качестве примера прогресса в этой области он привел работу Петера Шульца, биохимика из Университета Калифорнии, Беркли, который запрограммировал рибосомы использовать искусственные РНК для синтеза искусственных белков.
Что бы ни случилось в будущем, Шапиро не теряет спокойствия. Он говорит: "Никто не думал о машине Тьюринга как о практической базе для создания реальных компьютеров. Это был бы весьма интересный поворот истории, если бы люди, работающие над созданием биокомпьютеров, вдруг поняли, что концепция Тьюринга — это как раз то, что им нужно".
Беннет Дэвис, журналист, Нью Гемпшир.
New Scientist, 8 January 2000
www.newscientist.com
перевел Денис Сотников
(c) компьютерная газета
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 45 за 2000 год в рубрике разное :: мелочи жизни
