Рассказывает член-корреспондент
АН СССР
Генрих Иваницкий
Когда-то фантасты представляли себе электронно-вычислительную машину как нечто отдельное от человека, этакий самостоятельный и всесильный электронный мозг, знающий абсолютно всё и находящий решения любых, самых невообразимых задач. Возник поразивший умы термин "искусственный интеллект", под которым стали понимать некую сложную конструкцию, способную творить и создавать. Разгорелась дискуссия — может ли машина мыслить? Специалисты внесли ясность: нет, не может, ибо любая, даже сверхсложная, ЭВМ умеет делать только то, чему её научат люди. Оппоненты возражали — ничто не мешает соединить электронику с природным мозгом или его биологическим подобием, напрямую связав человеческий способ мышления с машинным. Ведь биологические, а, вернее, биохимические связи природного мозга значительно богаче искусственных, а те способы, которыми он решает некоторые задачи, проще, эффективнее "электронных". Если удастся реализовать подобные связи, появится могущественное подспорье человеческому интеллекту...
Достаточно прочитать несколько научно-фантастических рассказов тридцатилетней давности, чтобы понять сущность такого рода представлений. Мы найдём там биороботов, компактные "вычислительные мозги", гигантские мыслящие "желе", выходящие из-под контроля и подчиняющие себе разум их хозяев... Однако фантастические биосоздания остались лишь на страницах книг. А в нашу реальную повседневную жизнь входили между тем обычные ЭВМ. Именно их разработкой — поколение за поколением — занимаются ученые. Почему? Ответ прост. Живое вещество, из которого планировалось создать биокомпьютер, требует постоянного поддержания условий, необходимых для жизнедеятельности! Условия эти весьма и весьма жесткие. Например, для нормального функционирования всех процессов, происходящих в человеческом теле, нужна температура строго 36.6°С! А обеспечение обмена веществ и питания? Казалось, это возможно лишь в научной фантастике.
И вдруг три года назад в печати появилось сообщение о том, что японские специалисты начали работы по специальному проекту, главная цель которого — создание "компьютера с процессорами на основе элементов нервной системы, снабженного биологическими датчиками, а также исполнительными устройствами, использующими молекулярные механизмы мышечного сокращения. В Японии реализация этого проекта расценивается как новый этап технического переоснащения экономики страны". Так что же, мечте фантастов суждено сбыться?
В каком-то смысле да. Но чтобы понять, что будет представлять собой этот биокомпьютер, придется вспомнить, что такое обычная ЭВМ, как она устроена.
Любой вычислительный процесс состоит из трёх этапов. Вначале возникает задача и условия её решения — исходные данные. Затем идут собственно вычисления, проводимые по определённым правилам (или программе действий), в результате которых появляется решение, которое как-то используется.
Диапазон исходных данных достаточно широк: это и сведения о каких-то этапах технологического процесса, например, о количестве реагентов в химической реакции, и начальные условия вывода на орбиту космического корабля, наконец, это параметры стальной конструкции, которую надо "обсчитать" на прочность. Ясно, что исходные данные можно вводить в ЭВМ различными путями: вручную, набирая их на клавиатуре входного устройства или предварительно зафиксировав на перфокарте, перфоленте или каком-то ином носителе. Если же мы отслеживаем течение какого-то технологического процесса, то сведения о нём периодически будут поступать в компьютер со специальных датчиков, следящих за всеми этапами производства.
Но вот исходные данные попали в "недра" вычислительного устройства. Что происходит дальше? Машина, повинуясь нашим указаниям, должна отыскать (или разместить) в своей памяти программу вычислений, чтобы затем последовательно, по этапам обработать то, что требуется.
А что такое "машинная память"? Это и непосредственно ячейки, встроенные в процессор, в то устройство, где совершаются вычислительные операции, и какие-то внешние аппараты, которые "считывают" предварительно зафиксированную информацию, размещенную на магнитных лентах, дисках или иных носителях. Только в отличие от обычной магнитофонной записи, которая представляет собой аналог акустического непрерывного сигнала, информация для цифровой ЭВМ (а есть ещё и аналоговые) пишется в дискретном виде - на носителе фиксируются числа в так называемом двоичном коде — последовательности нулей и единиц. Это очень удобно, на каждом "шаге" считывания мы просто должны фиксировать, есть сигнал или его нет. Двоичный код — один из самых распространенных не только в вычислительной технике, но и в природе: да — нет, черное — белое, холодное — горячее, влажное — сухое, выпуклость — вогнутость...
Огромные возможности "элементарной" математики связаны именно с тем, что мы можем любую, даже самую сложную, информацию всегда представить в двоичном виде. Вот, например, десятичные, знакомые нам с детства числа с легкостью преобразуются в последовательность нулей и единиц. Стоит, пожалуй, вспомнить эту простую метаморфозу. Как известно, в двоичном исчислении после единицы сразу следует число десять — ведь здесь нет двоек, троек, четверок, они не нужны. Двоичная десятка соответствует десятичной двойке. Стало быть, элементарный ряд чисел в двоичном исчислении будет выглядеть так: 1 (единица), 10 (два), 11 (три), 100 (четыре), 101 (пять), 110 (шесть), 111 (семь), 1000 (восемь) и т. д. А как мы понимаем, такую последовательность можно разместить на каком угодно носителе и оперировать ею как в вычислениях, так и в других операциях чрезвычайно просто. Отсюда ясно, что чем больше размещается этих элементарных единиц информации, называемых "битами", на определённой площади, тем ёмче память ЭВМ.
...Итак, исходные данные прошли необходимую обработку в процессоре ЭВМ. Результаты получены. Теперь их можно поместить в долговременную память, записав на носитель, а можно послать потребителю, напечатав на бумаге, отобразив на экране дисплея, или передать по каналам связи, с тем чтобы найденный результат сам, в свою очередь, явился каким-то исходным сигналом для дальнейших действий разных устройств, например станка или робота...
Неограниченны возможности вычислительной техники. Но чтобы они полнее реализовывались, конструкторы постоянно стремятся уменьшать размеры составных частей компьютера и повышать чувствительность его входных устройств, в частности, датчиков. Это основная тенденция технологий XX века.
Какие же узлы или детали ЭВМ могут быть "биологизированы"? С этим вопросом мы обратились к директору Института биофизики АН СССР, члену-корреспонденту АН СССР Генриху Романовичу Иваницкому.
— Мировая печать все чаще сообщает о разработках биологических микроустройств для использования их в качестве датчиков, процессоров и исполнительных элементов, — сказал он. — Возникли фирмы, поставившие своей целью создание технических биосистем. Помимо известного понятия "бионика", появились термины "биоголоника", "биосинергетика". Это названия новых разделов биофизики, изучающих самоорганизацию биопроцессоров... Биологические устройства способны преобразовывать энергию самых различных видов — химическую, механическую, световую, электрическую, причем в ряде случаев возможно обратное её преобразование, что позволяет использовать одни и те же биопреобразователи для разных измерений.
Короче говоря, на органические "рельсы" можно перевести почти все основные агрегаты вычислительной машины. Как это выглядит в действительности?
Структура билогического компьютера.
В биологической ЭВМ сверхчувствительные датчики-преобразователи являются источником входной информации. О том, какие виды энергии им доступны, нам уже известно. Добавим к этому, что коэффициент полезного действия их чрезвычайно высок и иногда близок к 100%. Биодатчики могут реагировать на самые разные вещества, демонстрируя необычайную чувствительность, улавливая в окружающей среде буквально отдельные молекулы. Такой средой могут быть воздух, вода, растворы, прочие жидкости. К тому же они "живучи", то есть обладают повышенной устойчивостью к физико-химическим воздействиям.
— Работы по созданию биопреобразователей уже миновали стадию эмпирического поиска, — говорит Г.Р.Иваницкий. — Сегодня благодаря успехам молекулярной биофизики можно конструировать датчики с нужными нам свойствами, избирательностью и высокой чувствительностью.
Что же собой представляют подобные биопреобразователи? Мы привыкли считать, что белок — нечто чрезвычайно неустойчивое, подвижное, быстроразлагающееся... А между тем его можно получить и в кристаллическом виде или "посадить" на устойчивый носитель. Белки и ферменты присоединяют к специальным подложкам из бумаги, полистирола, нейлона, стекла, металла, после чего с ними легко и удобно работать. К таким подложкам можно присоединять даже колонии микроорганизмов! Исследования, проведенные в Институте биофизики АН СССР, показали, что по ряду показателей молекулу глобулярного (как бы свернутого в шарик) белка можно считать твёрдым телом с механическими характеристиками как у оргстекла или эбонита. А разница только в том, что молекула белка — это конструкция, упругость которой различна в разных направлениях. Зная это, можно конструировать так называемые хемомеханические датчики.
Рисунок Валерия Лотова
Схема работы белкового хемомеханического биопреобразователя:
1 - молекула белка;
2 - ковалентные сшивки;
3 - молекула "постороннего"
вещества, на появление которой
реагирует датчик, изменяя
свои размеры.
Допустим, что на "вход" ЭВМ, следящей за ходом какого-нибудь технологического процесса, поступают определенные химические вещества, подлежащие обнаружению и анализу. Датчик должен зарегистрировать их концентрацию и выдать определенный сигнал. При этом молекулы иммобилизованного, присоединенного к подложке белка, улавливая молекулы или атомы других веществ, меняют свои размеры — расширяются или сжимаются, что легко фиксируется. Затем датчик "отмывается", сбрасывает присоединенное вещество и возвращается в исходное положение.
Белок можно заставить изменить свою геометрию не только с помощью химических методов. Вспомним знаменитый волосяной психрометр. Обыкновенный конский волос прикрепляется к стрелке, натягивается, и, как только влажность или температура воздуха меняется, фибриллярный белок каротин, из которого состоит волос, изменяет свои размеры — стрелка отклоняется...
Есть у белков и другая особенность. При некоторых окислительных реакциях с участием ферментов (тоже белков) они начинают светиться. Явление это называют биолюминесценцией. Изучено оно еще недостаточно, но многое уже известно. Можно, например, использовать в качестве рабочего тела датчика фермент люциферазу, которая реагирует с самыми различными белковыми соединениями. В зависимости от концентрации белка интенсивность свечения меняется, её можно регистрировать. Таким способом уже анализируют десятки соединений, участвующих в обменных процессах живой клетки. Очищенная люцифераза и реагенты для биолюминесцентных анализов нужны прежде всего в медицинской диагностике. Можно представить себе, как с помощью набора биолюминесцентных датчиков, соединенных с ЭВМ, врач, быстро проведя обширнейшее обследование больного, тут же ставит диагноз. Его выводы основываются на точных данных о функционировании организма, к тому же от ЭВМ поступят необходимые дополнительные сведения...
Чувствительность биолюминесцентных датчиков при обнаружении некоторых веществ очень высока. И если на одну подложку нанести не только люциферазу, но и другие, сопряженные с нею ферменты, такой "слоеный" датчик станет универсальнее, а это значит, что его можно будет использовать не только в медицине, но и в других областях научных исследований. Промышленности не придется каждый раз "подгонять" свою продукцию под требования заказчика, а посему выпускаемые ею биопреобразователи будут недорогими, что удешевит и био-ЭВМ.
Ведь именно здесь совершается таинство обработки информации. Здесь она раскладывается на составные части, преобразуется, синтезируется вновь. Какие перспективы сулит нам биологизация этого агрегата? Может быть, имеет смысл встроить в него некое подобие нервной системы?
— Известно, — говорит Г.Р.Иваницкий, — что скорость распространения нервного импульса по аксону равна примерно 20 м/с. Длительность импульса возбуждения — около 3 мс плюс рефрактерный "хвост", приблизительно в два раза превосходящий по времени сам импульс. Получается, что быстродействие вычислительного устройства на нейронной сети составляет не более 102 операций в секунду, тогда как у существующих сегодня микропроцессоров этот показатель уже превысил 106. В ближайшее время мы ждём появление ЭВМ с производительностью выше 109, а к началу следующего столетия она достигнет 1012 операций в секунду!
И всё же при определённых условиях — а именно при переходе на молекулярный уровень организации — биокомпьютер вполне способен конкурировать с любой цифровой ЭВМ. За счёт чего? Специалисты знают, что аппарат математической физики приспособлен прежде всего для описания линейных процессов или же нелинейных, однако протекающих лишь вблизи от состояния равновесия. При анализе нелинейных процессов, далеких от состояния равновесия, приходится прибегать к численному решению. Допустим, мы исследуем динамику системы, состоящей из А частиц В видов, распространенных в какой-то среде и взаимодействующих между собой. Пусть это будет какая-то система химических реакций в живой клетке. В результате взаимодействий частиц разных видов постоянно появляются частицы с новыми качествами. Зададим математически характер подобного взаимодействия, предложим формулы поведения той среды, где проходят реакции, учтём, как изменяющиеся условия будут изменять саму среду, то есть создавать нелинейность в её поведении. Нам надо узнать, как долго будут оставаться определенные частицы "незадействованными", как и куда будет эволюционировать вся система, какие факторы ускоряют эволюцию в желательном для нас направлении, а какие замедляют, возникают ли в системе фазовые переходы, новые структуры... Сегодня способ решения таких задач состоит в прямом численном интегрировании с помощью ЭВМ уравнений движения частиц в частных производных для каждой конкретной взаимодействующей группы частиц. Однако, поскольку подобные методы весьма трудоемки, расчеты становятся невозможными, как только количество частиц А становится больше 106 — и это даже с учётом перспективы роста быстродействия цифровых ЭВМ. Но задачи эти решать надо, потребность в таких расчётах постоянно возникает в науке и технике, скажем, при решении проблемы удержания в ловушках плотной плазмы, при исследованиях образования кристаллических структур, кинетики химических процессов, биологического морфогенеза, эволюции биологических популяций... Один из путей преодоления этих трудностей — переход от дискретной, численной процедуры расчёта к аналоговой.
Итак, аналоговые ЭВМ. О них сегодня говорится как-то меньше, чем о цифровых, поскольку применяются они не так широко. Каков же принцип их действия?
Представим себе, что в бассейн вливаются по сотне трубок какие-то химические реагенты, а из сотни других выливаются продукты реакции, сепарированные специальными фильтрами. Нам надо узнать, при каких условиях мы будем получать максимальное количество нужного нам продукта. Конечно, можно всё это попытаться подсчитать "цифровым" способом, но мы поступим иначе — меняя на входе количество входящих реагентов, на выходе будем следить за поведением системы, ожидая, после какой операции возникнет интересующий нас максимум. Так на каком-то этапе мы получим решение задачи. Систему с трубами и бассейном можно заменить устройствами, работающими на активных биологических плёнках или на плёнках, использующих специальным образом организованные химические реакции, например автоволновые. Простейшая модель таких реакций — бикфордов шнур. Энергия — химическая — уже запасена здесь в пороховой начинке, а бегущая как раз вдоль шнура волна горения и является автоволной. Частицы пороха, сгорая, передают часть энергии другим, ещё не загоревшимся частицам, те возбуждаются, вступают в реакцию, и процесс продолжается. До каких пор? Пока не выгорит весь порох, естественно. Но можно представить себе в такой процесс, при котором сгоревшие частицы постоянно обновляются энергетически, восстанавливаются через какое-то время. В этом случае, как только одна волна дойдет до границы активной зоны, другая может вновь возникнуть в её начале. Каким образом? Или мы снова поднесем к концу шнура спичку, или замкнём его в кольцо, или включим в его систему "самовозгорающиеся" элементы. Процесс станет непрерывным.
Автоволновая реакция Белоусова - Жаботинского.
На её основе можно создать специальный химический реактор процессор для аналоговой ЭВМ.
Аналог такой реакции открыл в 1956 году советский ученый Б.Белоусов. В 1970 году А.Жаботинский и А.Заикин создали химически активную среду, где воочию можно было наблюдать автоволновой химический процессор: тонкий слой раствора через определенные промежутки времени менял свою окраску, словно живой.
Автоволновые колебания сопровождают нас повсюду. Это и передача информации в живом организме, и сокращение сердечной мышцы, и начальные этапы морфогенеза у некоторых простых организмов, и процессы активации катализаторов, и многое, многое другое. Каким же образом эти реакции можно приспособить для ЭВМ?
В цифровой ЭВМ быстродействие в конечном итоге определяется скоростью переключения логических элементов (тех, что хранят элементарную информацию в двоичном коде и обрабатывают её с 0 на 1. Если мы возьмем молекулу белка размером 30—50 A, то увидим, что перед нами не что иное, как активный элемент активной среды, который может находиться в нескольких устойчивых состояниях. Пусть по такой среде движется автоволна со скоростью, например, 0.1 мм/с (хотя скорости автоволн могут быть и более высокими). В пересчёте на цифровой вариант быстродействие соответствующего устройства составит 106 операций в секунду. Если белковые молекулы прикрепить к плёнке, то кусочек её размером 1 см2 может содержать свыше 1012 активных молекул. При движении плоской волны по такой плёнке каждую секунду будет происходить 1012 переключений — завидное быстродействие. Автоволны имеют ряд особенностей, выгодно отличающих их от обычных волн. Они сохраняют постоянными такие свои характеристики, как период, длина волны, амплитуда и фаза, вернее, характеристики эти зависят только от свойств самой среды, но не от начальных условий. Определяющим оказывается сам процесс распространения автоволн, картина, возникающая при этом процессе, её трансформация, которой можно управлять с помощью различных "возмущающих" воздействий. Оказалось, что законы, обнаруживаемые при изучении подобных трансформаций на активной химической среде, справедливы и для других явлений! Значит, их можно переносить и на другие экспериментально не исследованные объекты. Достаточно на "вход" подавать определенные возмущающие воздействия — вид образующейся картины автоволновой реакции явится искомым решением задачи. То есть перед нами — тот же аналоговый процессор.
Сегодня открыто уже около 50 автоволновых химических и биохимических реакций, аналогичных реакции Белоусова — Жаботинского. Некоторые из них цветные, флюоресцентные. А это значит, что их можно непосредственно наблюдать и регистрировать. В принципе, на основе реактора автоволновых процессов, объединенного с цифровой ЭВМ, снабженной сканирующим устройством, которое будет "читать" образующиеся картины, можно создавать гибридные аналого-цифровые компьютеры. Решения нелинейных дифференциальных уравнений будут выглядеть здесь как меняющиеся, автоволновые структуры, эволюция которых будет анализироваться "обычной" вычислительной техникой.
Мы уже говорили, что на машинном носителе фиксируется информация в двоичном виде, состоящем из нулей и единиц. Если же мы будем иметь перед собой прозрачную пленку, где фигурируют черные и белые (или другие) контрастные элементы, расположенные последовательно, то их будет нетрудно прочитать и перевести в необходимые для ЭВМ сигналы. Нужно только, чтобы мы могли быстро стирать написанное, освобождая место для новой записи, и так же быстро заносить её. Короче говоря, фотоматериал должен уметь быстро "переключаться".
Десять лет назад в АН СССР по инициативе академика Ю.А.Овчинникова были объединены усилия биохимиков, биофизиков и физиологов для детального изучения структуры и функционирования белка — бактериородопсина. В Институте биологической физики АН СССР было выяснено, что он может обратимо действовать в растворе и в тонкой пленке — как влажной, так и полностью обезвоженной, не утрачивает нужных свойств при нагревании почти до 100°С, устойчив к действию многих химических веществ, электротока и электромагнитных полей. Обнаружилось также, что обезвоженный бактериородопсин может "останавливаться" на определенной стадии фотохимического цикла, сохраняя записанное на нём изображение, а значит, есть возможность использовать его как фотоноситель. По светочувствительности и разрешающей способности молекулы этого белка — удачные кандидаты на роль фоторегистрирующего материала. Они легко кристаллизуются, образуя плёнку с шагом решётки около 40 A, а каждая молекула при воздействии на неё лучом лазера меняет свой цвет. Плёнки эти можно использовать многократно, записывая и стирая изображения. Ну чем не микроэлементы оптической памяти?
В 1978 году удалось получить первую такую пленку. К 1982 году она была усовершенствована, появился новый фотоноситель. Стало ясно, что на основе материалов с такой высокой разрешающей способностью (ведь цвет меняет единичная молекула!) в сочетании с лазерной техникой, которая способна обеспечить быструю запись и стирание информации, можно создать уникальные запоминающие устройства. Предельная ёмкость памяти таких устройств - 1014 бит/см3. Колоссальная цифра! Это значит, что на диске из подобного фотоносителя размером с долгоиграющую пластинку можно записать текст нескольких десятков тысяч книг!
Схема записи информации на биологический фоторегистрирующий материал, созданный на основе белка бактериородопсина. Сфокусированный луч лазера, воздействуя на единичные молекулы, меняет их цвет. На диске из такого материала размером с долгоиграющую пластинку можно записать текст нескольких десятков тысяч книг.
Эти разработки следует рассматривать как практическое начало использования биологических регистраторов информации в технических целях.
Сегодня микротехника, создаваемая на базе биологических материалов, делает свои первые шаги. Но, судя по всему, лет через 10—15 она будет играть заметную роль в науке и технике. Биокомпьютеры начнут управлять роботами, машинами, они станут неотъемлемыми участниками самых разных производственных процессов в химическом и сельскохозяйственном производстве, медицинской и пищевой промышленности. Без них будет трудно обойтись в научных исследованиях, при решении вопросов охраны окружающей среды. Короче говоря, будущее у этих замечательных устройств самое перспективное!