Психотроника и днк. Искусственный интеллект в битве со старением организма человека. Психотроника и днк

Очень демонстративен выбор Природы в пользу медленно распространяющихся волн в нервной системе. Хотя аксон нейрона представляет собой заполненный электролитом капилляр с изолирующими стенками (шванновскими клетками с миелином) и это позволяет передавать по нему сигналы так же быстро, как по металлическому проводнику, естественный отбор не использовал такую возможность. У человека скорость распространения нервного импульса не превышает 150 м/с. а у многих животных – гораздо меньше. Скорость перемещения нервного импульса для нерва лягушки всего 30 м/с. Такая малая скорость казалась совершенно невероятной. Сегодня ясно, что здесь нет никакой случайности. Природа упустила бы богатые информационные возможности молекулярных процессов, если бы сигналы внутри организмов передавались, скажем, со скоростью света – 300000 км/с, как в сегодняшней электронной технике. Еще заметнее эта тенденция проявляется в мозге. Скорость распространения нервных импульсов в ядрах и коре мозга на два порядка ниже указанной скорости 150 м/с. характерной для периферических нервов человека. Если бы скорость волн нервного возбуждения возросла в мозге, например, вдвое, то для сохранения того же объема памяти и прочих информационных параметров линейные размеры мозга должны были бы увеличиться тоже вдвое, а объем и вес – в восемь раз!

Немного о чипах

До настоящего времени чипы производятся методом гравировки на кремниевых пластинах. Стоимость таких чипов обратно пропорциональна их размерам: чем меньше становятся чипы, тем дороже их производство. Деятельность огромных производственных коллективов, которые используют лазер для гравировки каналов связи на кремниевых пластинах, окажется устаревшей. Эксперты уже говорят о совершенно ином методе – химических реакциях, при помощи которых из определенного числа молекул будут получаться элементарные соединения, и это будет очень дешево. Может наступить настоящий коллапсу крупных производителей компьютеров, поскольку их дорогостоящее оснащение окажется чем-то вроде оборудования по производству свечей в сравнении с производством люминесцентных ламп. Целью проекта является создание устройства снабжённое электронным мозгом, которое будет само развиваться, понимать что делает, самообучаться, решать, разговаривать и превзойдёт мозг человека. Устройство предназначено для нано технологического прорыва в разных областях науки, способного к манипулированию отдельными атомами т.е. созданию молекулярных ассемблеров. Дальнейшая цель проекта создание нано роботов. До сих пор неизвестен чертеж нано робота с детальной расстановкой всех его атомов. Неизвестно как сделать этот чертеж, чтобы атомы при сборке попросту не разлетелись. Общая схема ясна – робот должен иметь двигатель, располагать манипуляторами для перестановки атомов. Но как собрать все части вместе, да и создать недостающие элементы, пока непонятно – строгие методы проектирования не дают ответа, а экспериментальные требуют значительных финансовых затрат.

Современные методы проектирования нано роботов представляют собой либо набор итераций по экспоненциально сходящимся алгоритмам, которые имеют чрезмерно большую трудоемкость, иногда требующую миллионы лет расчетов, либо набор экспериментальных методов, требующих больших финансовых и временных затрат. А для создания проекта нано робота с минимальными временными и финансовыми затратами необходимо создание полиномиального по времени алгоритма с соответствующим программным обеспечением. Таким образом, оптимальное решение задачи необходимо определять на основе компромисса точных и вероятностных методов. Рассмотрим классический метод определения координат атомов и сил, воздействующих на них, – метод молекулярной динамики. В нем определяется структурные, термодинамические, транспортные свойства и их взаимосвязи. Точность результатов определяется размерностью (числом частиц) моделируемой системы. Порядок увеличения эффективности использования вычислительных ресурсов будет возрастать с возрастанием количества частиц в модели. Насколько сейчас понятно для ассемблера нужна модель порядка 1 ООО ООО атомов и соответственно учета их взаимодействий…

Корпорация IBM, создавая грандиозный проект Blue Gene для моделирования процессов сворачивания белка (прототип проектирования нанороботов), намеревалась построить петафлопсный компьютер всего за пять лет, но не преуспела в этом, несмотря на солидные капиталовложения. Но, даже будучи построен, этот комплекс будет проделывать расчеты всего лишь по одному аналогу протеина не менее полугода. Причина – трудоемкость решения сложных систем дифференциальных и интегральных уравнений. Далее рассмотрим альтернативный вариант расчетов по данному проекту.

Общая схема проектирования наноробота на базе метода ветвей и границ.

Общая схема реализации алгоритма включает следующие этапы:

Определяется начальное множество GO, которое представляет собой множество всех решений. Для данной задачи в качестве оценки множества будет служить приближенная оценка стабильности всей молекулы, т.е. вероятностная характеристика на основе приближенного расчета всех сил на все атомы. В узлах производится оценка связей между атомами стандартными приближенными методами молекулярных расчетов (либо для еще большего ускорения работы алгоритма их модификациями, которые будут рассмотрены в будущих работах).

Варианты начальных множеств.

Исходное множество GO делится на ряд непересекающихся между собой подмножеств. Принцип разбиения исходного множества на подмножества приведен далее. Для нашего случая, когда необходимо добавить атом или группу атомов к текущей конструкции, количество подмножеств равно количеству возможных пространственных расположений этой добавляемой конструкции по отношению к текущей. На каждом этапе ветвления формируется трехмерная вероятностная матрица, характеризующая приоритеты пространственного соединения к текущей конструкции нового потенциального фрагмента. Эта матрица формируется на основании дробления пространства вокруг потенциальной точки склейки фрагментов конструкции с некоторым шагом.

Фрагмент среза этой матрицы по оси г приведен далее:

В качестве конкурирующих множеств на этом этапе рассматриваются как вновь образованные подмножества, так и подмножества, отброшенные ввиду не перспективности на предыдущем этапе. Все конкурирующие подмножества переобозначаются. В качестве верхнего индекса используется цифра 2, а нижний индекс определяется порядковым номером этого подмножества среди конкурирующих. Для каждого из конкурирующих подмножеств рассчитываются нижние оценки либо учитываются ранее рассчитанные оценки, и в качестве перспективного выбирается подмножество, имеющее минимальную нижнюю оценку. Процесс ветвления продолжается до тех пор, пока не будет выполнено условие оптимальности. Это условие предполагает завершение добавления всех необходимых фрагментов общей конструкции при соблюдении условия на общую жесткость системы (все вероятности нахождения электронов в нужных областях пространства равны единице).

Физическая трактовка ветвления

На некотором текущем этапе в нашей конструкции есть некоторое текущее множество атомов (в самом начале нет ни одного атома или некоторые априорные жесткие конструкции, которые необходимо нарастить, например, углеродные нано трубки, или набор шестеренок для манипуляторов нано робота, двигатель). Текущее множество атомов на текущем этапе в общем случае не обязано быть стабильным само по себе (в этом случае его целостность в реальности должно поддерживаться искусственно, что потребует применения специальной аппаратуры или путем временной склейки текущей структуры с каким-нибудь хим. элементами, с последующим удалением всего лишнего).

В целом же для более быстрой сборки конструкции более привлекательно (но менее реально) выглядят структуры, которые стабильны и без отдельных частей (к таким структурам в основном относятся полимеры). На этапе ветвления есть некоторое множество атомов (не меньше одного в общем случае, но возможны и попытки приклеить к текущей конструкции некоторые заранее известные своей пользой «хорошие» элементы – например те же шестеренки, лифты электронов и т.п.). Сам процесс принятия решения о попытке добавления в текущую структуру новых элементов (с соответствующим ветвлением дерева решений и затратами на расчеты) представляет собой отражение априорных взглядов проектировщика на общую схему будущего нано робота (например, двигатель, пара нано манипуляторов, капсула с лекарством). Однако, даже приведенный алгоритм, несмотря на предварительно показанное улучшение сходимости, нуждается в создании новой сети распределенных вычислений. Это связано с тем, что даже полиномиально сходящийся алгоритм требует времени для создания базы данных молекулярных структур (фрагментов нано роботов). А пока подобные базы и технологии остаются доступными в основном западным организациям. Также нужно, к сожалению, констатировать, что российские проекты таких распределенных сетей остаются пока только проектами. Молекулярные ассемблеры сделают такую революцию, какой не было со времён появления рибосом – примитивных ассемблеров в клетке. Получающаяся в результате нанотехнология может помочь распространению жизни вне Земли – шаг, не имеющий аналогов, начиная с распространения жизни вне морей. Это может помочь машинам обрести разум – шаг, не имеющий параллелей, с тех пор как разум появился в приматах.

И это может позволять нашим умам обновлять и переделывать наши тела – шаг, вообще не имеющий аналогов. Порядок может появляться из хаоса без чьих-либо распоряжений: хорошо организованные кристаллы конденсировались из бесформенного межзвездного газа намного раньше Солнца, Земли или появления жизни. Из хаоса также появляется кристаллический порядок и при более знакомых обстоятельствах. Вообразите молекулу, возможно – правильную по форме, а возможно – неравномерную и узловатую, как корень имбиря. Теперь вообразите большое число таких молекул, перемещающихся беспорядочно в жидкости, переворачиваясь и толкаясь, как алкоголики, в невесомости и темноте. Вообразите испаряющуюся и охлаждающуюся жидкость, что заставляет молекулы быть ближе друг к другу, замедляя их движение. Будут ли эти беспорядочно перемещающиеся молекулы странной формы просто собираться в беспорядочных «кучах»? В общем случае – нет. Обычно они будут устанавливаться в кристаллическую структуру, каждый аккуратно устраиваясь напротив своих соседей, формируя строки и столбцы, такие же совершенные, как шахматная доска, хотя часто более сложные. Идею о том, что возможно создавать нужные нам устройства и другие объекты, собирая их «молекула за молекулой» и, даже, «атом за атомом» обычно возводят к знаменитой лекции одного из крупнейших физиков двадцатого века Ричарда Фейнмана. Эта лекция была прочитана им в тысяча девятьсот пятьдесят девятом году; большинство современников восприняли её как фантастику или шутку. Современный вид идеи молекулярной нанотехнологии начали приобретать в восьмидесятые годы двадцатого века в результате работ Дрекслера, которые также сначала воспринимались как научная фантастика.

В данном курсе мы будем опираться на представления, сформировавшиеся в более поздних работах Дрекслера и его последователей – таких, как Фрейтас, Меркле и другие. При этом фундаментальная монография «Нано системы. Молекулярная техника, производство и вычисления» имеет, несомненно, основополагающее значение. Сам термин нанотехнология стал популярен именно после выхода в свет знаменитой книги Дрекслера «Машины творения» и последовавшей за этим дискуссии. Оказалось, однако, что этот термин был ранее предложен Норио Танигучи, который понимал под этим любые субмикронные технологии (тогда – дело отдалённого будущего). В конечном счете, Дрекслер стал использовать термин молекулярная нанотехнология для различения предлагаемых им решений с нанотехнологией в смысле Танигучи. На сегодняшний день мы не знаем каких либо физических принципов, которые исключали бы возможность реализации идей Дрекслера. Это не означает, что такие запреты не будут открыты в будущем. Сегодня такая возможность остаётся под вопросом, однако постоянное использование оборотов типа «если это окажется возможным» сделало бы текст курса трудночитаемым. Поэтому принципы изготовления работы молекулярных нано систем излагаются так, как если бы они уже существовали. Следует понимать что сама возможность построения развитой молекулярной нанотехнологии в том виде, как это понимают Дрекслер и его последователи будет доказана только тогда, когда будут продемонстрированы первые нано устройства. В своих работах Э. Дрекслер и его последователи оценивали параметры в основном механических устройств, которые они могли бы иметь при приближении размера компонент к молекулярному масштабу.

Это обусловлено не тем, что они недооценивают важность электрических, оптических и т. д. эффектов, а тем, что механические конструкции гораздо проще и достовернее масштабируются. При этом, разумеется, осознаётся что электрические и прочие эффекты могут дать значительные дополнительные возможности.

Произведя соответствующее масштабирование Дрекслер получил следующие численные оценки:

Позиционирование реагирующих молекул с точностью ~0.1 нм

Механосинтез с производительностью ~10б опер/сек на устройство

Молекулярная сборка объекта массой 1 кг за ~104 сек

Работа нано механического устройства с частотой ~109 Гц

Логический затвор объёмом ~10*26 м3 (~10'8 j3), с частотой переключения ~0.1 нсек и рассеиваемым теплом ~10’21 Дж

Компьютеры с производительностью ~1016 опер/сек/Вт; компактные вычислительные системы на 1015 MIPS

Прежде, чем обсуждать возможность реализации молекулярной нанотехнологии в том варианте, в котором её видят Дрекслер и его последователи будет полезно получить представление о том, как работают «устройства» аналогичного масштаба в живых организмах. В рамках данного обзора приведём лишь один из наиболее ярких примеров. АТФ – синтаза является ферментом, преобразующим разность концентраций протонов по разные стороны мембраны в энергию, запасённую в молекулах аденозинтрифосфата (АТФ).

Последние используется практически всеми механизмами клетки в качестве

универсального носителя энергии. АТФ – синтаза присутствует в «энергетических станциях» растительных и животных клеток – хлоропластах и митохондриях и представляет собой довольно сложную конструкцию из нескольких типов единиц – белковых молекул (рисунок АТФ – синтаза). Одна из этих единиц – а-единица – прочно закреплена в мембране хлоропласта или митохондрии. Из неё выступает двойной «кронштейн» – пара Ь-единиц.

С помощью (» -единицы на кронштейне крепится блок из чередующихся ±– и I- единиц.

Рядом с a-единицей в толще мембраны свободно вращается цилиндрический блок с-единиц. Очередная с-единица может захватывать протон из пространства под мембраной, где их концентрация высока. При этом она начинает притягиваться к отрицательно заряженной a-единице. С- блок проворачивается до тех пор, пока заряженная с-единица не сблизится с a-единицей. При этом протон через имеющийся в a-единице канал переходит в пространство над мембраной, где их концентрация низка. Выделяющаяся при переходе из нижнего пространства в верхнее энергия и приводит с-блок во вращение. На этом блоке закреплена очередная молекула – i-единица. Она играет роль коленчатого вала. По мере вращения она давит на очередную I-единицу, заставляя её переходить из одной конформации – закрытой – в другую – открытую. В открытой конформации 1- единица захватывает пару молекул – аденозиндифосфат (АДФ) и неорганический фосфат. При закрытии она с силой прижимает их друг к другу; это приводит к механосинтезу АТФ. При очередном открытии готовая молекула АТФ выходит в окружающую среду и I-единицу готова к очередному циклу. Таким образом можно сказать, что АТФ – синтаза представляет собой довольно сложную молекулярную машину, состоящую из электромотора (ротор – с-блок; статор – а-единица), коленчатого вала (i- единица) и блока рабочих инструментов (I-единиц), осуществляющих механический синтез молекул АТФ из двух исходных компонент. Интересно, что АТФ-синтаза может работать и «в обратную сторону». Если над мембраной исходная концентрация АТФ высока, то уже I-единицы будут вращать с-блок через i-единицу, закачивая протоны под мембрану. Таким образом, «электромотор» может работать и как «электрогенератор». Это только один из примеров расшифрованных природных нано устройств.

Всё живое на Земле состоит из соединений углерода. Значение этого элемента трудно переоценить. Оно определяется огромным разнообразием его форм в соединениях. Углеродные цепочки могут образовывать линейный скелет молекул, циклические и сложные объёмные скелетные структуры; углерод представляет огромный интерес и в чистом виде, принимая различные формы от алмаза до молекулярных волокон и нано трубок. Ковалентная связь углерод-углерод является наиболее прочной из известных. До сравнительно недавнего времени известны были только две разновидности упорядоченного чистого углерода – алмаз и графит. Потом были обнаружены и другие – сначала были синтезированы молекулярные волокна, затем открыты полые сферические молекулы – фуллерены; при поиске эффективных методов синтеза последних были обнаружены углеродные нано трубки. Именно материалы на основе углерода Дрекслер рассматривает в качестве основных кандидатов для изготовления конструкций нано механизмов (хотя, разумеется, свои места находят и другие элементы – водород, азот, кислород, фосфор, кремний, германий и т. д.) В нанотехнологических устройствах будущего, разумеется, могут быть использованы самые разнообразные явления – магнитное и электростатическое взаимодействия, перенос электронов, электромагнитной энергии (фотонов), различных квазичастиц. Однако в рамках «дрекслерианского» подхода обсуждаются в основном чисто механические конструкции. Делается это не потому, что остальные явления недооцениваются. Просто, такой подход позволяет наиболее наглядно продемонстрировать возможности молекулярной нанотехнологии, дать им как бы «пессимистическую оценку». Использование же всех остальных явлений а также квантово механических свойств нано компонент должно позволить значительно эти возможности расширить.

The elementary shesteryonchatye transfers

Various variants nano bearings

Миниатюризация компонент вычислительной техники, увеличение частоты их функционирования представляют собой магистральное направление развития нано технологий. На сегодняшний день продемонстрирована работоспособность целого ряда активных компонент – транзисторов, диодов, ячеек памяти – состоящих из нано трубок, нескольких молекул или даже из единственной молекулы. Передача сигнала может осуществляться одним единственным электроном. Пока не решены проблемы, связанные со сборкой таких компонент в единую систему, соединения их нано проводами. Тем не менее, можно не сомневаться, что решение этих проблем – вопрос времени. Оценки показывают, что компьютер, собранный из нано электронных компонент и по своей сложности эквивалентный человеческому мозгу сможет иметь объём в 1 см3 одном сантиметре в кубе – но будет работать в 107 десять седьмой степени раз быстрее (быстродействие будет ограничено возможностью отвода тепла). Компьютер (точнее, процессор + память), эквивалентный современному «Пентиуму» будет, предположительно, иметь объём в 10'6 см3 – 0.Г0.1Г0.1 мм3.

Вероятно, наиболее быстрые и производительные компьютеры будущего будут использовать именно нано электронную технологию, возможно они будут использовать спинотронику или фотонику. Однако не исключено, что самые маленькие компьютеры будут созданы на совершенно другой элементной базе. Дрекслер предполагает, что такой базой может стать нано механика. Дрекслер предложил механические конструкции для основных компонент нано компьютера – ячеек памяти, логических гейтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга.

При ширине стержня в несколько атомных размеров (например, при использовании углеродных нано трубок) компьютер эквивалентный современному, содержащему 1 млн. транзисторов может иметь объём в 0.01 мк3 ноль целых одну сотую микрона кубического, компьютер с памятью в 1 терабайт – объём в 1 мк3 один микрометр кубический. Как и в случае с нано электроникой, быстродействие нано механического компьютера будет определяться возможностью отвода тепла. Расчёты Дрекслера показывают, что при температуре окружающей среды ~300°К на один ватт рассеиваемой мощности такой компьютер будет осуществлять ~1016 операций в секунду. При мощности 100 нВт (предполагается, что такую мощность сможет без специального охлаждения рассеять упомянутый выше компьютер с объёмом 0.01 мк3 одна сотая микрометра в кубе) это даёт производительность 109 операций в секунду, что примерно эквивалентно мощному современному настольному компьютеру. Пока рано говорить, будут ли нано технические устройства середины двадцать первого века похожи на те, которые рисуют сейчас последователи Дрекслера. Более вероятным представляется, что использование многочисленных электрических, магнитных, фотонных, квантово-механических и других эффектов сделает нано мир ещё богаче и позволит построить технологию ещё более удивительную, чем та, которую увидел Дрекслер.

Существа разума

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АССЕМБЛЕРЫ сделают такую революцию, какой не было со времён появления рибосом – примитивных ассемблеров в клетке. Получающаяся в результате нанотехнология может помочь распространению жизни вне Земли – шаг, не имеющий аналогов, начиная с распространения жизни вне морей. Это может помочь машинам обрести разум – шаг, не имеющий параллелей, с тех пор как разум появился в приматах. И это может позволять нашим умам обновлять и переделывать наши тела – шаг, вообще не имеющий аналогов. Эти революции принесут опасности и возможности, слишком обширные, чтобы их могло вместить человеческое воображение. Порядок может появляться из хаоса без чьих- либо распоряжений: хорошо организованные кристаллы конденсировались из бесформенного межзвездного газа намного раньше Солнца, Земли или появления жизни. Из хаоса также появляется кристаллический порядок и при более знакомых обстоятельствах. Вообразите молекулу, возможно – правильную по форме, а возможно – неравномерную и узловатую, как корень имбиря. Теперь вообразите большое число таких молекул, перемещающихся беспорядочно в жидкости, переворачиваясь и толкаясь, как алкоголики, в невесомости и темноте. Вообразите испаряющуюся и охлаждающуюся жидкость, что заставляет молекулы быть ближе друг к другу, замедляя их движение. Будут ли эти беспорядочно перемещающиеся молекулы странной формы просто собираться в беспорядочных «кучах»? В общем случае – нет.

Обычно они будут устанавливаться в кристаллическую структуру, каждый аккуратно устраиваясь напротив своих соседей, формируя строки и столбцы, такие же совершенные, как шахматная доска, хотя часто более сложные. Этот процесс не включает ни волшебство, ни какие-то специальные свойства молекул и квантово-механических сил. Не требуется даже специальных соответствующих друг другу форм, которые позволяют молекулам белка самостоятельно собираться в машины. Если положить мраморные шарики одинакового размера на поднос и встряхнуть, они также образуют правильные рисунки. Кристаллы растут путём проб и удалением ошибок, путём варьирования и селекции. Никакие крошечные руки их не собирают. Кристалл может начинаться со случая молекул, собирающихся в группу: молекулы блуждают, сталкиваются и собираются в группы случайным образом, но группа держится вместе лучше всего, когда она упакована в правильную кристаллическую структуру. Далее в первоначальный маленький кристалл ударяются другие молекулы. Некоторые тыкаются в неправильные места или с неправильной ориентацией; они плохо прилипают и от колебаний вновь отваливаются. Другие случайно попадают нужным образом; они лучше прилипают и часто остаются. Слой строится на слое, расширяя кристаллическую структуру. Хотя молекулы сталкиваются случайным образом, они не прилипают случайно. Порядок растёт из хаоса путём варьирования и селекции. В росте кристаллов каждый слой образует шаблон для следующего. Однородные слои накапливаются и формируют твердый блок. В клетках нити ДНК или РНК также могут служить в качестве шаблонов при помощи ферментов, которые действуют как молекулярные копировальные машины.