Chemical computers question the logic of life — ABC Chemicals


Chemical computers question the logic of life - ABC Chemicals

Источник: © Shutterstock

Является ли жизнь химическим вычислением? История предупреждает нас быть осторожными с такими формулировками. Мы всегда интерпретировали биологию с точки зрения наших новейших технологий, будь то механический ньютоновский часовой механизм или электрическая схема, и нет никаких оснований полагать, что мы поступаем иначе, когда мы применяем информационные технологии. Не случайно, что ДНК представлялась как линейная цепочка хранимой информации как раз в то время, когда магнитная лента начала использоваться для хранения компьютерных данных.

Тем не менее, идея является убедительной. Он основывается на том, что генетическая информация не просто хранится, передается и считывается клетками, но и обработка информации также происходит на этом уровне. Можно сказать, что клетки вычисляют свое состояние на основе сигналов, которые они получают из своего окружения (как правило, из других ячеек).

GATC ++

Но если это представление верно, как именно происходит вычисление? Общее объяснение говорит, что оно происходит от своего рода линии молекулярного реле, в которой одна молекула «активирует» другую, возможно, в результате серии событий связывания и ферментативных превращений. Здесь роль химии состоит в том, чтобы определить, какая молекула будет с чем связываться. Хотя, кажется, мало сомнений в том, что молекулярное распознавание чрезвычайно важно в молекулярной биологии, сейчас есть много причин считать это слишком упрощенным — не в последнюю очередь потому, что иногда оно включает в себя самосборку эфемерных молекулярных комплексов, которая кажется слишком маловероятной, учитывая динамическую, диффузионную ограничения и беспорядок клетки.

Во всяком случае, это также создает однонаправленный поток информации от генома вверх: к белкам, белкам, состояниям клеток и целым тканям. Но все чаще задаются вопросы о том, какие другие способы передачи и обработки информации могут использовать живые системы, которые не зависят от высокоселективных событий на молекулярном уровне.

Известно, что процессы, включающие механизмы реакции-диффузии, где такие результаты, как состояния клеток, могут определяться конкуренцией между диффузионным массопереносом и химической реакцией, контролируют несколько аспектов морфогенеза, а также глобальные состояния бактериальных колоний. Такие химические системы могут создавать как динамические паттерны, такие как химические волны реакции Белоусова-Жаботинского, так и статические паттерны, подобные тем, которые постулированы Аланом Тьюрингом, которые являются вероятным источником многих животных маркировок.

Уже более десяти лет известно, что такие химические системы могут быть сконфигурированы для выполнения подлинных вычислительных задач.1 Но «химические компьютеры» такого типа, как правило, являются довольно искусственными системами. Другое дело, полностью предполагать, что такие вычисления могут возникать в естественных системах, таких как живые клетки.

Диффузное мышление

В недавнем препринте Мэтью Эгберт из Гарвардского университета и его коллеги предложили схему, с помощью которой процесс автокаталитической химической реакции-диффузии может действовать как сеть логических элементов для проведения цифровых вычислений.2 Их система не нуждается в тщательном расположении реакционных камер, соединенных трубками или проводами; это может начаться просто как однородный, несмешанный бак компонентов.

Ранее команда показала, как хорошо перемешанная (однородная) химическая смесь может действовать как единый логический элемент (НЕ или НЕИ) в ответ на навязанные изменения внешних условий, таких как скорость притока или освещенность.3 Ключевым моментом является то, что эти внешние условия не приводят в движение или предписывают обработку информации, а просто включают ее. Вы можете подумать, что они мягко встряхивают химическую систему, чтобы она оставалась достаточно отзывчивой для переключения между двумя различными состояниями (скажем, с разными концентрациями продуктов).

Новая работа объясняет, как одна только диффузия может передавать информацию от одного такого логического элемента к другому в пределах одной ванны реагентов. Если эти два шлюза идентичны, то диффузия сама по себе не будет работать, так как «нижестоящие» ворота действуют обратно на одни «вышестоящие». Но направленность и, следовательно, вычислительная сеть ворот могут быть достигнуты, если существуют внешние градиенты во внешних условиях, таких как температура или свет. Химические затворы имеют размытую окантовку, но тем не менее среда в целом может действовать как цифровая схема и может, например, суммировать входные сигналы.

Пока не известно ни одной живой системы, которая бы использовала подобные принципы для обработки информации — скажем, суммируя входные сигналы в цитоплазме на клеточной стенке и используя выходные данные для включения гена. Возможно, эволюция никогда не использовалась для этого — и исследователи признают, что «кажется маловероятным, что [эволюция] произведет что-то в точности то, что мы разработали здесь». Но, добавляют они, это вариант для взятия.







Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *