Михаил Бухар - Популярно о микробиологии
Микроб-компьютер
Значение информации и методика ее измерения и передачи составляют целый предмет изучения для инженера, физиолога, психолога и социолога.
Н. ВинерМикробная клетка представляет собой маленький химический завод. Расширенно истолковывая это понятие, мы должны допустить, что на нем, несмотря на поистине микроскопические размеры, должны быть представлены все службы, присущие настоящему предприятию. К ним относятся служба главного энергетика, ведающая учетом и распределением энергии; служба главного технолога, ответственная за технологию производственного процесса, и служба главного конструктора, разрабатывающая и передающая в производственные цеха новые разработки. И конечно, на заводе должна быть дирекция, управляющая всем производством. Переводя эти понятия на язык биологии, можно утверждать, что такая сложная структура должна иметь систему для получения энергии, систему для получения пластических веществ, систему анализаторов и, конечно, внутренний компьютер, управляющий ими и множеством других подсистем, без которых невозможно существование микроорганизма.
В самом слове «микроорганизм», особенно в приставке «микро», содержится нечто настолько уменьшительное, что обычно воспринимается только первая половина этого сложносоставного слова; на ней сосредоточивается все его содержание и поэтому зачастую упускается из виду вторая половина — «организм» и заключенный в ней смысл. А организм — это сложнейшая структура с целой совокупностью систем и подсистем, объединенная в едином процессе, который мы называем жизнью.
Из этого множества систем невозможно выделить главные или второстепенные. Все они важны, все так или иначе связаны между собой, и неисправность любой из них в конечном счете может привести к гибели организма. И все же есть одна система — безукоризненная исправность которой в первую очередь обеспечивает слаженное функционирование всех остальных. Это система управления.
Микроорганизмы, как и все организмы, существуют в непрерывно трансформирующемся мире. Изменяется все: температура, влажность, освещенность, кислотность среды, напряженность магнитных полей и множество других факторов, что могло бы привести организмы к гибели, если бы в борьбе с этими изменениями они не предпринимали целенаправленных действий.
Мы, люди, например, уверенно чувствуем себя в окружающем мире, потому что можем противостоять (и постоянно противостоим!) этим изменяющимся факторам, борясь за сохранение своего гомеостаза. Можно предположить, что у всех живых систем должна быть некая общность в функционировании систем управления.
И действительно, у микроорганизмов существует механизм взаимодействия с окружающей средой. Они могут ощущать и учитывать градиент концентраций веществ и условий, с которыми вступают в контакт. Этот механизм — многочисленные и разнообразные таксисы. Существуют хемотаксис, фототаксис, термотаксис, гидротаксис, аэротаксис, магнитотаксис и другие. Бактерии способны ощущать не только градиент активных веществ, но и изменение их концентраций во времени.
Природа устройства, обрабатывающего информацию, поступающую из окружающей среды, и передающего ее тем или иным органеллам бактериальной клетки, почти совершенно неизвестна.
Исторически сложилось так, что наиболее изученной в настоящее время оказалась система управления высших животных.
Условно ее работа состоит из трех последовательных этапов: получение исходной информации, ее обработка и выдача управляющего сигнала. О том, как в живых системах происходит обработка информации, а в сущности, о том, какие процессы протекают после ее поступления в блок обработки и предшествуют выходу управляющего сигнала, мы знаем еще пока не очень много.
Полог таинственности над этой проблемой стал медленно приподниматься после того, как были созданы и стали совершенствоваться первые устройства для обработки информации — электронно-вычислительные машины, предшественники современных компьютеров.
В некоторых случаях они служили для проверки предположений о работе «черного ящика», а изучение работы головного мозга, в свою очередь, дало возможность совершенствовать электронно-вычислительные машины. Их проникновение в сферы управления процессами, протекающими с большими скоростями и со значительным числом параметров, потребовало усовершенствования — в основном за счет увеличения скорости работы составных элементов, или, как принято говорить, элементной базы ЭВМ.
Она развивалась от электронных ламп к транзисторам, от транзисторов к интегральным схемам, включающим десятки транзисторов, и, наконец, от интегральных схем (ИС) к большим интегральным схемам (БИС), содержащим до 1000 элементов. Одним из последних элементов развития элементной базы являются СБИСы — сверхбольшие интегральные схемы со степенью интеграции до 1 000 000 элементов на одном кристалле. Разработки (2006 г.) фирмы Hewlett-Packard позволяют разместить на маленьком участке, равном по площади торцевой поверхности человеческого волоса, 10 000 элементов.
Соответственно, по использованным элементам различают машины первого поколения — на электронных лампах, второго — на полупроводниках, третьего — на интегральных схемах и четвертого — на сверхбольших схемах.
С увеличением числа рабочих элементов росли и скорости. Если первые ЭВМ (БЭСМ-1) могли производить 10 000 операций в секунду, то современные компьютеры способны провести за эту единицу времени несколько сотен миллионов операций. Но такой путь увеличения скорости работы ЭВМ имеет предел, хотя число параллельно работающих элементов, казалось бы, можно легко увеличить.
Однако быстродействие ЭВМ определяется не только числом операций в секунду, но и временем, необходимым для прохождения сигнала от одной интегральной схемы к другой. Это не позволяет бесконечно увеличивать число элементов и требует максимальной компактности, которая, в свою очередь, предполагает соблюдение микроразмеров — главного требования, предъявляемого к электронным схемам.
Высокая плотность упаковки устройств в интегральных схемах приводит к их перегреву, поэтому приходится отводить образующееся тепло с помощью различных, иногда довольно сложных приспособлений.
Требования высокой плотности, ограничение общего числа рабочих элементов и тепловые затруднения, о которых мы только что говорили, привели к созданию нового класса полупроводниковых устройств — твердотельных структур.
На сегодняшний день они представляют одну из наиболее быстро развивающихся областей физики твердого тела. Композиционная твердотельная сверхструктура — это периодическая решетка чередующихся сверхтонких слоев двух различных полупроводников. Толщина каждого слоя — не более нескольких сотен атомов. Сложные электронные процессы, протекающие в этих структурах (мы не будем здесь вдаваться в их детали), позволят использовать их как новую элементную базу для современных ЭВМ, значительно превосходящую по своим эффективным параметрам даже интегральные схемы. Получение твердотельных структур основано на самой новейшей и совершеннейшей технологии с использованием лазерной техники и сверхчистых веществ.
Несмотря на впечатляющие успехи в области ЭВМ, головной мозг человека продолжает оставаться недосягаемым образцом для создателей и разработчиков электронно-вычислительных машин. И по числу рабочих элементов, и по энергоемкости, и по компактности он оставляет далеко позади лучшие образцы ЭВМ. Достаточно привести всем известные характеристики головного мозга: объем — несколько кубических дециметров, потребляемая мощность — несколько ватт, а число рабочих элементов 10–15 млрд!
Однако даже максимально приближенные по своим показателям к головному мозгу электронно-вычислительные машины значительно уступают ему по скорости обработки информации, хотя каждый отдельный его «элемент» (нейрон) работает медленнее. Возникло предположение (впоследствии подтвердившееся), что структура или, как принято говорить, архитектоника ЭВМ устроена хуже. Хотя электронно-вычислительные машины и строились по «образу и подобию» процессов, протекающих по принципу рефлекторной дуги на основе известной триады: входной сигнал — обработка — выходной сигнал, тем не менее несостоятельность этой схемы, особенно при управлении быстро протекающими процессами, заставила физиологов более детально исследовать процессы, происходящие в нашем «персональном компьютере» — головном мозге. Это позёволило обнаружить принципиально новую схему обработки информации.
Оказалось, что рецепторы — источники входных сигналов не ведут себя пассивно, они непрерывно информируют центр о производимой работе, получая в ответ новые сигналы и точно рассчитанные поправки. Согласно концепции академика П. К. Анохина, работа каждого органа и управляющего им центра совершается как бы кольцеобразно, в обстановке полного доверия и взаимной осведомленности. Причем в зависимости от меняющихся условий внешней и внутренней среды тотчас же следует коррекция из центра, и весь кольцевой рефлекторный аппарат перестраивается на новый рабочий режим. По такому принципу параллельной обработки информации функционируют все рефлекторные системы. В соответствии с ним работают и новые образцы ЭВМ, что значительно увеличивает их быстродействие.
