ДНК-компьютеры, Часть 1

В этой статье я хочу рассказать тебе о такой
мощной технологии, как "ДНК-компьютеры". О том, насколько это перспективная технология, смогут ли биокомпьютеры заменить своих железных братьев, мощнее ли они, да и вообще, зачем это нужно и стоит ли вникать в эту тематику?

Однозначный и строгий ответ: СТОИТ!
[ http://files.geometria.ru/pics/original/24990411.jpg ]

Сразу переходить к плюсам этой технологии
и её преимуществам я считаю нецелесообразным без хоть какого-нибудь введения. И чтобы не получилась картина "коня в вакууме", начнем с азов, связанных с ДНК-компьютерами и вычислениями на них.

Итак, прежде чем приступить к определению
ДНК-компьютера, нужно сначала вспомнить, что такое просто ДНК.

ДНК (ДезоксирибоНуклеиновая Кислота) -
это макромолекула (молекула с высокой молекулярной массой, представляющая из себя многократно повторяющиеся звенья по своей структуре).
[ http://files.geometria.ru/pics/original/24990415.jpg ]

ДНК - это одна из трех основных макромолекул
(две другие - это РНК (РибоНуклеиновая Кислота) и белки). РНК очень тесно связана с ДНК в биохимических процессах, связанных с информацией, которая хранится в клетках.

Чтобы лучше понять мощь, которая содержится
в ДНК, стоит отметить тот факт, что в одном кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе флэшек размеров в 1 Гб.

Представляете! Это всего лишь маленький
крохотный кубический сантиметр! Всего лишь!!! А такая мощь! Как впечатляет сам размах возможностей по объемам хранимой информации!

ДНК в клетках, в основном, занимается хранением
информации о структуре РНК и белков. Стоит отметить различную структуру ДНК и РНК:
[ http://files2.geometria.ru/pics/original/24990418.jpg ]

Так же как и ДНК, РНК состоит из длинной
цепочки, но отличие в том, что ДНК - двухцепочечная, спирализованная молекула, а РНК, в свою очередь, является одноцепочной молекулой. Также стоит отметить, что ДНК и РНК состоят из различных групп азотистых оснований, как: цитозин (Ц), гуанин (Г), аденин (А), урацил (У), тимин (T).

ДНК состоит только из: аденина, гуанина,
тимина и цитозина. РНК только из аденина, гуанина, цитозина и урацила.

Можно создать такую мини кодовую структуру
из информации, описанной выше:
ДНК - А, Г, T, Ц.
РНК - А, Г, Ц, У.

Данная кодировка далее поможет нам понимать
процессы, связанные с ДНК-компьютерами.

Стоит также упомянуть такое понятие, как
"комплементарность" (взаимное соответствие молекул, которое обеспечивает образование водородных связей между их фрагментами), т.е.: в ДНК аденин соединяется только с тимином (А-T), а гуанин только с цитозином (Г-Ц).

В случае же РНК связь гуанина и цитозина
(Г-Ц) существует также, как и в ДНК, но аденин соединяется с урацилом, а не тимином (А-У), а также между гуанином и урацилом (Г-У), однако существуют исключения, когда можно встретить даже такую связь, как аденина с гуанином (A-Г).
[ http://files.geometria.ru/pics/original/24990424.jpg ]

Хочу отметить в крайне упрощенной и абстрактной
форме, что разные фрагменты ДНК, связанные водородными связями, можно представить как структуру данных, как, допустим, байт (условно провожу такую ассоциацию только для понимания того, что ДНК-компьютер может использовать молекулы как условную единицу хранения информации).
[ http://files2.geometria.ru/pics/original/24990429.jpg ]

Напомню, что байт - это единица информации,
состоящая из 8 битов (где бит равен 1 или 0). К примеру, возьмем число 255 (максимальное значение одного байта), 255 в бинарном представлении выглядит так:

11111111

А теперь, вернемся к схеме комплементарности
ДНК/РНК:
[ http://files2.geometria.ru/pics/original/24990475.jpg ]

Присмотрись хотя бы к первой последовательности:
АГЦТТЦАГЦЦТЦ.

А теперь снова посмотри на структуру 255
в битовом представлении (1 байт):

11111111

Чувствуешь, что последовательность ДНК
напоминает кодировку информации?

Да, именно, по схожему понятию ДНК-компьютеры
оперируют со своими данными, только там не 1 и 0, а молекулы, но общий принцип, я думаю, ты уяснил.

Естественно, аденин или цитозин не равен
одному байту, если еще учитывать, что в начале статьи я вообще сказал, что в одном кубическом сантиметре находится больше информации, чем на триллионе флэшек размером в 1 Гб.

Данную ассоциацию ДНК-структуры с байтом
я провел только ради того, чтобы ты зрительно понял, как оперирует ДНК-компьютер хоть на каком-то начальном уровне представления.

Естественно, что реальность вычислений
ДНК сложнее в тысячи раз, но у нас с тобой обычная статья для обычного человека, а не университет Беркли, в котором готовят ученых такого профиля.
[ http://files2.geometria.ru/pics/original/24991536.jpg ]

В Беркли готовят не только мощных DNA-инженеров,
славный ВУЗ может похвастать тем, что в нем изобрели циклотрон, исследовали антипротон, сыграли ключевую роль в разработке атомной бомбы и лазера, открыли химические элементы плутоний, берклий, сиборгий и калифорний... Смотришь на наше текущее образование в стране и слезы просто наворачиваются... А Задорнов говорит, что американцы - тупые...

ДНК-компьютеры представляют реальную угрозу
кремниевым собратьям только за счет параллелизма химических реакций, производимых ДНК-компьютером. За счет высокой и параллельной скорости реакций, производимых ДНК, становится возможным решить ряд задач, ранее невыполнимых на мощных серверах (мэйнстримах), а не простых по мощности компьютерах.

Также стоит упомянуть про успех одного
из наших соотечественников, но только в плане концепта. Дизайнер из города Чебоксары Юрий Дмитриев разработал концепцию холодильника будущего для конкурса Electrolux Design Lab, который проходил еще в 2010 году, и где Юрий занял 2-ое место, что являлось на тот момент рекордом для россиян, т.к. на подобных конкурсах наши соотечественники призовых мест ранее не занимали.
[ http://files2.geometria.ru/pics/original/24990500.jpg ]

Юрий Дмитриев закончил Чувашский Государственный
Университет И.Н. Ульянова. Он выдвинул концепт биохолодильника, который хранит в себе продукты при помощи геля-полимера.

Принцип работы данного устройства - это
преобразование невидимых невооруженному глазу инфракрасных лучей в свет. Охлаждает он поглощая энергию тепла и выдает её в другом масштабе длин волн. Сам цикл охлаждения не требует каких-нибудь энергозатрат. Продукты опускаются в гель, а поверхностное натяжение делает отдельную капсулу каждому продукту.
[ http://files2.geometria.ru/pics/original/24990519.jpg ]
Так хранились бы бочонки пива в таком холодильнике!
[ http://files.geometria.ru/pics/original/24990522.jpg ]
Скетчи
[ http://files.geometria.ru/pics/original/24990523.jpg ]
Процесс охлаждения
[ http://files.geometria.ru/pics/original/24990527.jpg ]
Конкурсное описание к проекту
[ http://files2.geometria.ru/pics/original/24990530.jpg ]
Как бы выглядел холодильник в реальности!

Напомню, что это только концепт, реально
такого холодильника пока не существует, поэтому не надо бежать в магазины и пугать продавцов, показывая изображения этого холодильника!

Видео к проекту:



Продолжение следует...