Книга: Популярно о микробиологии

Глава 23 Микроб-компьютер

Глава 23

Микроб-компьютер

Микробная 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.

«Однако при чем же здесь микроорганизмы?» — спросите вы. Логично предположить, что и у этих биологических систем, стоящих на более низком уровне развития, процессы обработки информации и управления должны быть основаны на таких же принципах. Ведь сам факт их существования и жизнеспособности в изменяющихся условиях свидетельствует о наличии у микроорганизмов практически безынерционных систем обработки информации, хотя и не таких сложных, как головной мозг высших животных.

Как происходят передача и обработка информации в ультраструктуре микробной клетки и какова та элементная база, из которой состоит ее ЭВМ? Ответа пока нет. До сих пор не удалось обнаружить среди разнообразных субклеточных структур микроорганизма такие, которые могли бы выполнять функции блоков обработки информации. Однако эти функции каким-то образом успешно выполняются в клетке. Можно предположить, что здесь не обошлось без одного из основных ее компонентов — белков.

Еще в 1941 г. американский биохимик А. Сент-Дьерди предположил, что в них содержатся делокализованные электроны, которые могут обеспечить передачу в другие места изменений, начавшихся в каком-либо месте белковой макромолекулы. Таким образом, эти переходы аналогичны тем, которые хорошо известны в физике полупроводников и на основе которых функционируют многие электронные приборы и устройства. По мнению французского ученого Л. Бриллюэна, белки также могут служить полупроводниками электронного типа благодаря присутствию в них боковых цепей, действующих так же, как примеси в полупроводниках.

Когда мы говорили о композиционных структурах, предсказанных квантовой теорией твердого тела и воплощенных в металле и керамике, то следовало заметить, что у них есть близкие аналоги в живой природе. Это — клеточные мембраны. По структуре они тоже представляют собой «сэндвичи», но не из тонких слоев различных металлов, а из тончайших слоев белков и липидов.

Не исключено, что это, как принято говорить в биологии, морфологическое сходство ведет к функциональной общности: такие структуры способны играть роль элементов, служащих вентилями в электронных схемах, т. е. выполнять функции полупроводников.

В последнее время в научной и коммерческой литературе появились сообщения о разработке и использовании на базе достижений биотехнологии и микроэлектроники новых структурных элементов ЭВМ — биочипов. Специалисты японской фирмы Suntory Ltd. полагают, что емкость их памяти примерно в 1 млрд раз больше, чем у полупроводников на базе кремния.

Найти микроструктуры, выполняющие роль элементной базы, изучить архитектонику их компоновки в системе СИС (сложных интегральных схем) и условия, обеспечивающие стабильность, надежность и мизерную энергоемкость этих биологических микроЭВМ, разработать биотехнологические схемы их синтеза — вот задача для микробиологов, биотехнологов, специалистов в области микроэлектроники; задача, поставленная американским ученым Норбертом Винером и взятая в качестве эпиграфа к этой главе.

И это не фантастика. В этом направлении уже сделаны первые шаги, и открывающиеся перспективы поистине удивительны! Успехи генетической инженерии позволяют получать в больших количествах белки определенной структуры, обладающие специфическими свойствами. Не исключено, что, применяя методы генной инженерии, можно будет получать структуры, напоминающие полупроводниковые, а используя методы их иммобилизации, — стабилизированные биоструктуры, которые могут служить аналогами сложных интегральных схем и быть основой элементной базы последующих поколений ЭВМ.

Вычислительная техника, создаваемая на элементной базе из биологических материалов, так называемых биочипов, делает первые шаги. И может быть, недалеко то время, когда эта элементная база станет основой для создания компактной, надежной и малоэнергоемкой вычислительной техники будущего.