Nanosystemy informatyki Wyższa Szkoła Biznesu w Dąbrowie Górniczej Nanosystemy informatyki Nowak Sławomir

NEMS

Wprowadzenie Przez systemy informatyki rozumiemy systemy realizujące odpowiednie procesy kodowania, przechowywania, przetwarzania i przekazywania danych. System – grupa interaktywnych komponentów stanowiących razem całość, rozróżnialnych od otoczenia. System rozpatrywany na „wyższym” poziomie opisu wykazuje się nowopowstałymi właściwościami (emergentnymi), które nie wynikają bezpośrednio z budowy i własności poszczególnych komponentów. Informatyka jako dziedzina nauki zakłada różnorodność w reprezentacji informacji, umożliwiając wykorzystanie nowych koncepcji obliczeniowych (komputery kwantowe) Struktura: mówi się o części programowej jak i urządzeniowej

Możliwa jest, poza organizmami biologicznymi, techniczna realizacja systemów informatyki służących do bezpośredniej realizacji niektórych, potrzebnych nam materiałów i produktów

Wprowadzenie Techniczne systemy informatyki Główne zastosowanie wspomaganie człowieka w realizacji procesów obliczeniowych Obecnie także powszechne jest wykorzystywanie przy realizacji procesów technologicznych (sterowanie) Cele realizacji systemów informatyki: systemy obliczeniowe systemy bezpośredniego wytwarzania Informatyka jako dziedzina nauki zakłada różnorodność w reprezentacji informacji, umożliwiając wykorzystanie nowych koncepcji obliczeniowych (komputery kwantowe) Struktura: mówi się o części programowej jak i urządzeniowej Przetwarzanie informacji zapisanych w postaci odpowiednich molekuł prowadzi do otrzymania w rezultacie określonych struktur materialnych (materiałów i produktów). Systemy biologiczne jako przykład systemów informatycznych bezpośredniego wytwarzania

Techniczne nanosystemy Mechaniczne (koncepcja Babbage’a), logika prętów Elektroniczne – wykorzystanie nanorurek Problem - specyfika nanotechnologii: miliardy współpracujących nanomaszyn Konieczność koordynacji i komunikacji Trudność w lokalizacji w przestrzeni 3-D Ograniczona pamięć itp.

Techniczne nanosystemy Nanotechnologiczne wytwarzanie d) c) b) a) komponenty np. atomy węgla nanoasemblery Sterownik matryca a) tworzenie matrycy; b) samoorganizacja assemblerów w pobliżu matrycy (dzięki procesom dyfuzji); c) proces pozycjonowania atomów w ramach struktury; d) zakończenie procesu wytwarzania struktury

Nanotechnologiczne wytwarzanie systemy polimorficzne pojedyncza „kostka” układu a) b) c) d) a) system A; b, c) reorganizacja; d) system B;

Życie to obliczenia Systemy biologiczne jako systemy informatyki Materialny charakter informacji Najlepiej poznane molekuły systemów biologicznych to: Kwasy nukleinowe DNA i RNA Informatyka jako dziedzina nauki zakłada różnorodność w reprezentacji informacji, umożliwiając wykorzystanie nowych koncepcji obliczeniowych (komputery kwantowe) Struktura: mówi się o części programowej jak i urządzeniowej

Biologiczne systemy informatyki Nanosystemy informatyki systemy informatyki, w których symbolami terminalnymi stosowanych w nich języków programowania, oraz elementami stosowanymi w ich częściach urządzeniowych są atomy i molekuły ALGORYTMY realizowane w nanosystemach informatyki to zbiory operacji technologicznych na argumentach którymi są struktury fizyczne (molekuły i atomy) po wykonaniu których otrzymujemy jako wynik określone struktury materialne Nanosystemy wytwarzające Jak wytworzyć strukturę o pożądanych własnościach (funkcjach, kształcie) działając w warunkach specyficznych dla nanosystemów?

Biologiczne systemy informatyki Systemy biologiczne jako nanosystemy informatyki Można je scharakteryzować opierając się na trzech podstawowych cechach: molekularny zapis programu synteza molekularna metodami „lepkiej matrycy” zdolność replikacji i samoorganizacji

Biologiczne systemy informatyki

Synteza molekularna produktu Biologiczne systemy informatyki Synteza molekularna produktu Ekspresja genów: transkrypcja, translacja, obróbka posttranslacyjna

Biologiczne systemy informatyki Przepisanie genu na matrycę RNA: <kodonRNA> ::= <nukleotydRNA><nukleotydRNA><nukleotydRNA> <nukleotydRNA> ::= U | A | G | C

Sekwencji nukleotydów przyporządkowuje aminokwas Biologiczne systemy informatyki Sekwencji nukleotydów przyporządkowuje aminokwas Tabela kodu genetycznego

Biologiczne systemy informatyki Kształtowanie białek przebiega w trzech etapach, nazywanych strukturami odpowiednich rzędów Ogólna liczba białek w systemie biologicznym przekracza liczbę genów zapisanych w sekwencji DNA

Biologiczne systemy informatyki Zdolność replikacji Jeśli więc w wyniku rozwoju obiektu w systemie następuje jego podział na kolejne obiekty zdolne do niezależnego kontynuowania procesów rozwoju z zachowaniem zdolności do kolejnych podziałów, to nazywamy to zjawiskiem samoreplikacji (replikacji) Samoreplikacja zapewnia wytworzenie w systemie dużej liczby niezależnie funkcjonujących obiektów, równolegle wykonujących własne programy działania

Najszybszy wzrost całkowitej liczby obiektów ma miejsce dla ich dychotomicznych podziałów, to znaczy dla n = 2, co ma np. miejsce w przypadku samoreplikacji komórek organizmów biologicznych Systemy replikujące się: Integralną częścią wytwarzanych obiektów są zakodowane w tej samej technologii, w której budowany jest obiekt, programy budowy tego obiektu

1) informacja w postaci „lepkiej” matrycy Realizacja technicznych systemów... Koncepcja lepkiej matrycy opiera się na twierdzeniu, że jeśli „fizycznie” jest możliwe istnienie danej molekuły, to można ją otrzymać poprzez odpowiednie zbliżenie składowych atomów molekularna struktura produktu „Lepka” matryca 1) informacja w postaci „lepkiej” matrycy 2) integracja produktu 3) uwolnienie gotowego produktu Modyfikacja istniejących systemów biologicznych Zaprojektowanie nowych systemów, opartych o inny niż w systemach biologicznych zbiór molekuł, bardziej użyteczny z punktu widzenia technologicznego

Realizacja technicznych systemów... Funkcje systemu, system operacyjny System informatyczny - zbiór powiązanych ze sobą elementów, którego funkcją jest przetwarzanie informacji Ogólnie: system operacyjny „steruje” procesami przenoszenia, przechowywania i przetwarzania danych. Funkcjonuje on na tych samych zasadach (w taki sam sposób) jak oprogramowanie komputera, to znaczy jest programem wykonywanym przez procesor.

Cecha – własność danego obiektu Determinowanie cech przez program genetyczny Cecha – własność danego obiektu cecha DNA cecha 1 cecha 2 cecha DNA

Realizacja technicznych systemów... Funkcje systemu, system operacyjny System operacyjny, w pojęciu klasycznym (związanym z technicznymi systemami informatyki) jest programem, którzy zarządza zasobami komputera, obsługuje programistów i szereguje wykonywanie innych programów. Wśród głównych celów stosowanie systemów operacyjnych wymienia się sprawność (system operacyjny umożliwia sprawne eksploatowanie zasobów systemu komputerowego). system operacyjny DNA

Realizacja technicznych systemów... Funkcje systemu, system operacyjny Mechanizmy kontroli w DNA nie zostały w pełni poznane Sekwencje bezpośrednio kodujące geny zajmują jedynie ok. 3% długości łańcucha DNA Należy też zwrócić uwagę na równoległość funkcjonowania systemu biologicznego już na poziomie DNA. W ramach jednego łańcucha DNA może działać wiele aktywnych głowic odczytujących, przez co jednocześnie może być realizowanych wiele programów genetycznych. Można powiedzieć, że w ramach systemu DNA pozostaje wiele aktywnych procesów, które mogą jednocześnie realizować wiele sekwencji programów genetycznych. W systemach biologicznych nie można wyodrębnić żadnego centralnego zegara (czas realizacji zadań wynika z czasu potrzebnego na wykonanie określonych reakcji chemicznych). Wiele podobieństwa – kompresja informacji - chromatyna

Sekwencje sterujące są programami, zapisanymi w pamięci Realizacja programów w systemach technicznych odpowiada odczytywaniu sekwencji nukleotydów w łańcuchu DNA Podobnie jak w systemach technicznych na przemian odczytywane są sekwencje sterujące i na ich podstawie odpowiednie sekwencje programu genetycznego (przekazywanie sterowania) Biologiczny system operacyjny DNA reguluje i synchronizuje wykonywanie programów genetycznych w zależności od określonych, dynamicznie zmieniających się potrzeb i wymagań. Brak centralnego zegara systemowego

Realizacja technicznych systemów Realizacja technicznych systemów... Pojęcie czasu, systemy czasu rzeczywistego Systemy biologiczne jako systemy z przesyłem komunikatów, komunikaty te mają określoną postać materialną (są określonymi produktami, półproduktami) System składa się z procesów, których realizacja uzależniona jest od spełnienia określonych warunków. Ponieważ nie istnieje centralny mechanizm synchronizacji zachodzących w systemie biologicznym procesów, procesy te możemy traktować jako asynchroniczne Można więc określić biologiczny system informatyczny jako rozproszony, asynchroniczny system sterowany za pomocą przesyłu komunikatów

Zdolność do samoorganizacji (wraz z samoreplikacją) Realizacja technicznych systemów... Pojęcie czasu, systemy czasu rzeczywistego Hierarchiczność Emergentność Zdolność do samoorganizacji (wraz z samoreplikacją) wzrost złożoności źródło efektywności systemu

(informacja genetyczna) Realizacja technicznych systemów... Hierarchiczność Prosty podział Organizm Organ Tkanka Komórka Jądro komórkowe (informacja genetyczna) Udostępnianie informacji genetycznej Zmniejsza się zróżnicowanie organizmów System hierarchiczny - układ wzajemnie powiązanych podsystemów, z których każdy ma również strukturę hierarchiczną, aż do osiągnięcia najniższego poziomu – podsystemu elementarnego Poziom określa odpowiednia struktura, czyli sposób wzajemnego powiązania składników oraz funkcje, które określają działanie poszczególnych składników jako części struktury

Realizacja technicznych systemów... Emergentność Trudne jest przewidzenie własności białek na podstawie sekwencji nukleotydów Zasadnicza różnica polega na tym, że własności te w systemach technicznych wynikają wprost z własności i organizacji komponentów danego podsystemu. Są nie tylko przewidywalne, określone przez projektanta lub programistę. Ta oczywista właściwość systemów technicznych nie ma jednak zastosowania w systemach biologicznych, w których własności kolejnych w hierarchii komponentów systemu nie wynikają wprost z własności elementów składowych. Możemy jedynie obserwować „pojawianie się” nowych cech w systemie. Taką własność nazywamy emergentnością.

Brak centralnej kontroli Odporność i elastyczność Realizacja technicznych systemów... Samoorganizacja Samoorganizacja jest rezultatem działania każdego elementu układu w ramach systemu, w warunkach stworzonych przez oddziaływanie innych elementów tego systemu. W wyniku tych oddziaływań można obserwować pojawienie się globalnej struktury a jednocześnie komponenty systemu mogły oddziaływać ze sobą jedynie lokalnie. Cechy biologicznych systemów informatyki: Brak centralnej kontroli Odporność i elastyczność Zdolność do regeneracji Zdolność do adaptacji - Różnorodność W systemach biologicznych samoorganizacja jest podstawowym zjawiskiem, na którym opiera się funkcjonowanie tych systemów.

Symulator nSIM Realizacja technicznych systemów... Badania symulacyjne pozwala na badanie zachowania elementarnych obiektów, poruszających się swobodnie w przestrzeni, a także zachowania obiektów złożonych (konglomeratów). Symulacja posługuje się czasem dyskretnym.

Trywializując, można powiedzieć, że samoorganizacja jest rezultatem "dbania o własne interesy" każdego elementu układu w warunkach działania konkurencji ze strony innych elementów tegoż układu. W przyrodzie "dbanie o własne interesy" jest zazwyczaj dążeniem każdego atomu lub molekuły do obniżenia swej energii swobodnej (redukcji wszelkiego rodzaju gradientów w swoim otoczeniu) tak bardzo, jak to możliwe.

Przykładem samoorganizacji w społeczeństwie jest mechanizm działania dużych, nowoczesnych społeczności, np. Manhattanu. Tam nie ma centralnego planisty; każdy z członków społeczności - działając w sprzężeniu ze swoim bliskim otoczeniem - dba o własne interesy lokalne, nie zaś o miasto, a całość funkcjonuje znakomicie.

Realizacja technicznych systemów... Badania symulacyjne Prosta koncepcja samoorganizującego się systemu złożonego z n elementów składających się na pożądaną strukturę

Realizacja technicznych systemów... Badania symulacyjne Rozkład obiektów w systemie

Przedstawiona koncepcja technicznej realizacji produktów Podsumowanie i wnioski Przedstawiona koncepcja technicznej realizacji produktów w nanosystemach opiera się na podstawowym mechanizmie biologicznym, związanym z budową białek, tzw. „lepką matrycą”. Dwie fazy wytwarzania: Wytwarzanie oraz powielanie elementarnych obiektów w systemie (w systemach biologicznych – budowa I rzędowej struktury białka oraz replikacja DNA i inne mechanizmy związane z udostępnianiem informacji genetycznej) Kształtowanie struktury przestrzennej oraz funkcjonalnej produktu w wyniku samoorganizacji i samoreplikacji (w systemach biologicznych – kształtowanie przestrzennej struktury białek, tkanek, organów, procesy podziałów komórek itp.)

Współczesne komputery budowane są wg tzw. schematu von Neumana. Podsumowanie i wnioski Rozwiązanie problemu wytwarzania w oparciu o koncepcję „lepkiej matrycy” nie rozwiązuje problemu kształtowania struktur wyższego rzędu o określonej strukturze funkcjonalnej. Współczesne komputery budowane są wg tzw. schematu von Neumana. W nanosystemach informatyki postuluje się odejście od tej architektury. Powstaje więc problem opracowania odpowiednich systemów operacyjnych oraz struktury urządzeniowej systemu. ogromna liczba współpracujących elementów dysponują ograniczoną pamięcią zdolnych do samoreplikacji kształtowanie struktur następuje w wyniku samoorganizacji

Podsumowanie i wnioski Systemy realizujące bezpośrednio procesy wytwarzania: rozproszone, asynchroniczne systemy sterowane za pomocą przesyłu komunikatów, oraz hierarchicznie zorganizowane, dynamiczne systemy samoorganizujące dalekie od stanu równowagi. Badania nad przewidywalnością oraz funkcjonalnością takich systemów (w określonych zakresie). Dalsze badania w oparciu o przedstawione w pracy podstawowe założenia oraz model teoretyczny stanowi szeroki i ciekawy temat do dalszych prac. Szczególną rolę odgrywają tutaj prace symulacyjne.