загрузка...

Молекулы и информация

  • 16.06.2010 / Просмотров: 6638
    //Тэги: мозг   Гордон   ИТ  

    Может ли "думать" компьютер? Чем "электронный мозг" отличает от человеческого? В чем специфика обработки нечеткой информации? Можно ли создать компьютер на молекулярной основе? Что нужно "алгебре", чтобы действительно научиться "проверять гармонию"? О внутримолекулярных процессах и логических преобразованиях - член-корреспондент РАН Лев Грибов, заместитель директора Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского.

загрузка...







загрузка...

Для хранения и проигрывания видео используется сторонний видеохостинг, в основном rutube.ru. Поэтому администрация сайта не может контролировать скорость его работы и рекламу в видео. Если у вас тормозит онлайн-видео, нажмите паузу, дождитесь, пока серая полоска загрузки содержимого уедет на некоторое расстояние вправо, после чего нажмите "старт". У вас начнётся проигрывание уже скачанного куска видео. Подробнее

Если вам пишется, что видео заблокировано, кликните по ролику - вы попадёте на сайт видеохостинга, где сможете посмотреть этот же ролик. Если вам пишется что ролик удалён, напишите нам в комментариях об этом.


Расшифровка передачи


Александр Гордон. …как это принято сейчас в би-
нарной системе.
Лев Грибов. Есть единичный случай, когда была
сделана троичная система.
Александр Гордон. И что это дало, к чему это привело?
Лев Грибов. Вы знаете, это привело, в общем, к некому уско-
рению процесса, но насколько я знаю, одновременно
это привело к существенному усложнению кон-струк-
ции. Поэтому хотя в принципе это возможно и, в част-
ности, есть работа Са-харова, в которой он показывал,
что такая троичная система имеет определённые пре-
имущества, но всё-таки эта конструкция оказалась, по-
видимому, не очень удачной. Осталась навсегда дво-
ичная система. А вот что будет дальше, мы, может
быть, сегодня и поговорим немножко на эту тему.
Александр Гордон. Всякий раз, когда речь заходит об искусствен-
ном интеллекте, высказываются две противополож-
ные точки зрения. Первая, что искусственный интел-
лект в том виде, в каком мы привыкли понимать ин-
теллект человеческий, не будет существовать никогда,
поскольку это принципиально невозможно, мы не зна-
ем, как устроен мозг и не знаем, чем руководствуется
человек, когда при явном недостатке или недостаточ-
ном качестве информации принимает решения, кото-
рые мы называем осмысленными. И вторая точка зре-
ния, что этот барьер будет преодолён, как только мы
выйдем на новое качество самих компьютеров. И тут
называются и квантовые компьютеры, и вот та техно-
логия, о которой мы сегодня будем, видимо, тоже гово-
рить.
Лев Грибов. Вы знаете, я придерживаюсь такой точки зрения,
это моя точка зре-ния, я её не собираюсь никому навя-
зывать, что, конечно, создать такой интеллект, которым
сплошь и рядом оперирует человек, нельзя в принци-
пе. И, прежде всего, по следующим причинам.
Я иногда говорю, что существуют явления научные и
вненаучные. Под вненаучными явлениями я понимаю
отнюдь не парапсихологию или экстрасенсо-рику, вся-
кую такую ерунду. То, что мы называем наукой, и то, что
свойственно логическому мышлению, это всегда некая
система знаний, которая даёт возмож-ность построить
прогноз, но у этого прогноза есть определённые посту-
латы. Пре-жде всего, постулат повторяемости.
Если этой повторяемости нет, то ничего создать не-
возможно. И в этом смысле мы можем говорить о фи-
зике, химии, о каких-то общих положениях той же пси-
хологии – всё, что хотите. Но я очень сомневаюсь, что-
бы когда-то появи-лась какая-то наука, которая пред-
скажет, что, предположим, в 2075-м году в Рос-сии по-
явится новый Пушкин. Хотя это явление, это реальный
факт. Вряд ли такая постановка задачи когда-нибудь
будет научной, то есть предметом науки. Можно из-
учать его творчество, это вопрос другого рода. Но про-
гнозировать такое собы-тие вряд ли удастся. Вы пре-
красно знаете, что человеческий мозг состоит из двух
частей, из двух половин. Одна отвечает за логическое
мышление, а вторая отвеча-ет за образное мышление.
И вот это образное мышление, которое очень тесно
свя-зано с интуицией, это вещь, которую передать ком-
пьютеру очень трудно. Я лично имею здесь свой опыт
вот какого сорта.
Довольно давно мы начали работать над одной си-
стемой. В то время они назывались «системами ис-
кусственного интеллекта», но потом их стали называть
«экспертными системами».
Александр Гордон. Поскромнее чуть-чуть.
Лев Грибов. Поскромнее. Задача таких систем заключалась
в следующем. Это сложная логическая система, раз-
решающая много всяких задач. Предъявляется опре-
делённая совокупность экспериментальных данных,
например, совокупность разного рода спектров, хими-
ческой информации и так далее, и нужно догадаться, с
какой молекулой вы имеете дело, то есть опознать мо-
лекулу. Причём, изначаль-но сведений об этой моле-
куле нет в памяти компьютера, но нужно решить такую
очень сложную задачу, иногда напоминающую «пойди
туда не знаю куда, прине-си то, не знаю что».
Потом мы немножко на эту тему поговорим, разно-
образие здесь гигант-ское. Если молекулы содержат,
скажем, 3-4 десятка атомов, то исходное разнооб-ра-
зие может быть – миллионы. Поэтому база этих суже-
ний информации, когда, в конце концов, нужно полу-
чить всего один ответ, очень большая. Понятно, что это
очень сложная система, которая и считает, и решает
логические задачи, и всё прочее. В начале мы были не-
сколько наивными и думали, что можно создать некий
автомат, который эти задачи решает и проблема толь-
ко в том, что сегодня мы не-достаточно запрограмми-
ровали что-то или ещё чего-то не знаем.
Это было не только у нас, этим занимались мно-
гие люди, создавались, скажем, системы для медици-
ны и тому подобное, то есть это громадная научная
область. И общий вывод был такой, что создать пол-
ный автомат нельзя просто в принципе, ничего не по-
лучится без участия человеческого мозга, который при-
ни-мает решение именно тогда, когда оно нестандарт-
но.
Есть такое понятие: принять на себя риск решения.
То есть компьютеры в некоторых случаях останавлива-
ются и предлагают вам решить, что дальше де-лать. И
здесь, как правило, человек базируется главным обра-
зом на своём каком-то прежнем опыте, на своей инту-
иции, на знании, скажем, истории объекта, это то, мы
будем сегодня об этом тоже говорить, что относится
к так называемой «не-чёткой информации». Вот, ска-
жем, он угадал. Дальше система опять вам может что-
то решать таким формальным образом. И это, в об-
щем, повторяю, не является недостатком, связанным
с тем, что сегодня мы чего-то не умеем делать. Это
принципиальное ограничение.
То есть оказывается, что наиболее эффективным
средством является такой кентавр – человек-компью-
тер. Когда человек не просто нажал кнопку и пошёл
спать, а через какое-то время был выдан тот результат,
какой вы хотите. Он рабо-тает с компьютером, он ис-
пытывает различные варианты. Он заставляет его дей-
ствовать разными путями. Так что это, повторяю, опыт
не только мой собствен-ный, это опыт вообще созда-
телей экспертных систем, отсюда и появился этот тер-
мин.
Понимаете, обязательно участвует какой-то специ-
алист в этой области. Больше того, такие системы
наполняются, есть два понятия в этой области. Есть
«банк данных» и есть «банк знаний». Это разные ве-
щи. Данные – они более формальные, а знания нака-
пливает какой-то специалист, особенно это остро про-
явилось в медицинских вещах. Сколько там приборов
не делают, но всё равно вы получаете о человеке ка-
кую-то минимальную информацию и отсюда роль вра-
ча, талантливого врача оказывается очень важной, да-
же несмотря на всю мощь современной приборной
техники. И исходя из таких соображений, собствен-
ный опыт показывает, что сделать полный автомат не
удастся. И роль интуиции, по-видимому, будет только
возрастать.
Я могу привести ещё один пример. Любой учёный
пользуется литературой. Сейчас столько журналов,
даже по более-менее узкой специальности, и столько
там публикаций, что читать все практически невозмож-
но. Если кто-то возьмётся за это, у него не хватит вре-
мени на собственную работу. И больше того, крупные
учёные, которые стоят во главе какого-то направления,
они, как правило, очень мало читают. И вот возника-
ет вопрос. Сейчас существует Интернет, обилие идёт
информации. Вы можете запросить что-то по ключе-
вым словам, и вам вывалиться гигантское количество
статей. Подойти к этому формально невозможно. Что
де-лает любой разумный учёный – он начинает ориен-
тироваться. Во-первых, в каком журнале опубликован
материал? Журналов тоже много и более-менее оди-
наково-го калибра. Дальше какая фамилия автора, из-
вестен он или не известен?
Александр Гордон. То есть всё равно иерархическая система полу-
чается.
Лев Грибов. Конечно. Дальше, он прочитал название статьи.
Прочитал, может быть, маленькое резюме, несколько
строк. И на основе всего этого он должен вы-брать, чи-
тать ему эту статью или нет. Опять обратите внимание
на то, что этот подход, он, конечно, не чёткий, он не мо-
жет быть сведён к каким-то формальным операциям.
Александр Гордон. Но так же человек делает любой выбор, в супер-
маркете, скажем, вы-бирает продукты…
Лев Грибов. Конечно, конечно, и больше того, я думаю, что
в большинстве случа-ев человек принимает решение
как раз базируясь на интуиции, на этических сооб-ра-
жениях, на соображениях моральных, на чувственных.
Все мы, наверное, когда-то женились. И я очень сомне-
ваюсь, чтобы в этот период мы вычисляли качества
собственной будущей жены.
Александр Гордон. Пример, который вы привели, заставляет ме-
ня сразу заметить, что че-ловеку свойственно делать
ошибки. А компьютер программируется таким обра-
зом, что он не имеет права на ошибку.
Лев Грибов. Вы знаете, компьютер, вообще говоря, тоже мо-
жет делать ошибку. Он может выдавать гораздо боль-
ше материала, чем нужно. В математике существуют
два понятия – «чёткая информация» и «нечёткая ин-
формация». Современный компьютер, хотя и работает
иногда с нечётко поставленной задачей, но на самом
деле всё равно оказывается, что эта задача чёткая, по-
тому что эта нечёткость за-даётся какой-то функцией,
которую я же ему навязал.
Александр Гордон. То есть она сформулирована так или иначе.
Лев Грибов. Поэтому иногда говорят, что эти экспертные си-
стемы приобретают человеческие черты своих соб-
ственных создателей, вот такая вещь получается.
Больше того, в некоторых научных областях возника-
ет ещё одна проблема, свя-занная с так называемыми
«обратными задачами». Существуют два типа задач в
теории математики: прямые и обратные. Прямые за-
дачи – это когда я записал ка-кое-то уравнение и ста-
вится вопрос, как решить это дело. Это прямая задача.
Об-ратная задача – это когда я имею эксперимент и хо-
чу построить какую-то теоре-тическую модель, которая
этот эксперимент описывает. Скажем, когда мы име-
ем дело с микромиром, есть такие приёмы, когда по
спектру можно установить прочность химической свя-
зи. То есть приписать ей какую-то пружинку, типа обыч-
ной упругости пружинки, и непосредственно получить
какие-то результаты.
Как вы понимаете, в молекулы не залезешь. Значит,
это делается по косвенному эксперименту, значит, я
как бы должен проникнуть внутрь через какую-то фи-
зическую связь, через какую-то теорию. И оказывает-
ся, что такие задачи не решаются в принципе, если вы
изначально не навяжете им какие-то условия, которые
ограничивают решения этой задачи. А это делает че-
ловек. И поэтому получается так, что два человека, ре-
шая одну и ту же задачу, опираясь на один и тот же
эксперимент, но не сговорившись об этом условии, по-
лучат разные результаты. Это сейчас типичный случай
во многих областях, как раз связанных с исследовани-
ем молекул. Другое дело, что расхождение получает-
ся небольшое и, как правило, оно находится в каких-то
пределах. Но эти результаты надо рассматривать так,
что они дополняют друг друга, то есть они дают вам
возможность сказать, что в этих пределах, в таком по-
ле возможных изменений я должен находиться. И точ-
нее я не получу. Просто по постановке не получится.
Так что современная наука наткнулась на целый ряд
таких моментов, ко-торые сейчас заставляют пересмо-
треть очень многие исходные положения, ка-сающие-
ся получения научного знания. Та идея, что мы двига-
емся к некоей абсо-лютной истине, сегодня, как мне ка-
жется, уже просто не соответствует реальной действи-
тельности.
И как раз об этом и хотелось поговорить сегодня.
Я специалист в области молекулярного мира и зани-
маюсь многими аспектами как раз исследования фи-
зи-ческими средствами многоатомных молекул и в сво-
ей работе перебрал довольно много всяких вопросов.
Последнее время я занялся такими вещами, как моле-
кула и информация. Переработка информации моле-
кулой. Сегодня как раз и хотелось об этом поговорить,
потому что это крайне интересный со всех точек зре-
ния во-прос и есть здесь и вопрос общего характера.
Это вопрос о том, почему весь живой мир, начиная
от самых простейших организмов, создан из молекул, а
неживой мир – это в основном кристаллы. Жи-вой мир
отличается целым рядом качеств, это на рисунке пока-
зано. Господь Бог находился в трудном выборе – из че-
го ему создавать мир, и он почему-то предпочёл моле-
кулы. Сегодня я как раз хотел поговорить о некоторых
своих мыслях в этом отношении. Это мои мысли, я их
не навязываю никому, так что многие мои слушатели
могут быть не согласны со мной.
Почему именно молекулярный мир, чем он выгод-
нее, скажем так, по сравнению с кристаллическим ми-
ром? Прежде всего, скажу вот о чём. Мои коллеги по
институту – геохимики и геологи – привыкли мыслить
категориями сотнями тысяч и миллионов лет, и поэто-
му для них неживая природа тоже изменчива. Я при-
вык, как и большинство из нас, всё мерить гораздо
меньшим временем, поэтому можно сказать, что окру-
жающий нас кристаллический мир можно рассматри-
вать как неизменный мир – в пределах сравнительно
короткого времени.
Александр Гордон. В пределах жизни экспериментатора.
Лев Грибов. Да. А жизнь не может быть неизменной, и основ-
ные черты живого ор-ганизма – это прежде всего то,
что живой организм всегда существует как так на-зы-
ваемая «открытая система». Вот на следующем ри-
сунке показана открытая сис-тема. Это приёмно-пре-
образующая система – в том числе любой из нас по-
требля-ет энергию и информацию из внешней среды
и обязательно что-то во внешнюю среду выделяет. Не
бывает так, чтобы движение было только в одном на-
правле-нии, и поэтому всегда есть контакт с внешней
средой. И этот контакт – характер-нейшая черта для
живого мира, без такого контакта жизнь просто не су-
ществует. Это один из моментов, которые мы должны
учесть в нашем последующем разго-воре.
Второй момент заключается в том, что информация,
с которой имеет дело живой мир, она, как правило,
нечётка, более того, её часто невозможно формализо-
вать. Мы с этой нечёткой информацией постоянно име-
ем дело, мы пользуемся многими терминами. Вот тут
изображены прелестные дамы, все они красивы, но да-
вайте поставим вопрос так: можно ли, чтобы компью-
тер выделил из всей этой совокупности по какому-то
признаку самую красивую? Хотя мы все это понимаем
и любой из нас, взглянув на портрет или на живую пре-
лестную даму, всегда вам скажет, да, вот это красивая
женщина. Но сам этот термин, он очень нечёток, опре-
делить его чётко нельзя. Характерная сторона жизни
– это то, что жизнь возможна только тогда, когда это
приёмно-преобразующее устройство способно рабо-
тать в условиях нечёткой информации.
Следующий рисунок. Тут нарочно дан размытый сиг-
нал, то, что носит по-нятие нечёткой информации.
Больше того, это используется в компьютерах, когда
вы задаёте какой-то признак не как чётко ограничен-
ный, а в виде размазанного с помощью какой-то функ-
ции. И весь вопрос в том, что отклик на этот нечёткий
сигнал должен быть чётким, с чётко ограниченными
границами. Если воспринимается только какой-то чёт-
кий сигнал, то жизнь тоже вряд ли может существовать.
Возьмём любое животное, например хищника. Он пи-
тается другими суще-ствами, скажем, лиса может пой-
мать зайца и съесть его и прожить, но если зайца нет,
она будет мышей ловить, мы это знаем.
Александр Гордон. Если нет мышей, будет кур воровать.
Лев Грибов. Да, да, будет кур воровать или что-то ещё де-
лать. Теперь представьте себе, что это живое суще-
ство настроено на то, что должен быть обязательно за-
яц, да ещё какой-то определённой величины, это по-
чти наверняка приведёт к тому, что это животное по-
гибнет. Потому что разнообразие – это тоже характер-
нейшая черта, которая тоже обеспечивает сам факт
существования жизни: приём нечёткой информации и
превращение в совершенно чёткую. Потому что, ко-
го бы хищник не съел, всё равно это пойдёт на функ-
ционирование живого организма. То есть если это ра-
стущий организм это будет использовано для построе-
ния новых тка-ней, клеток, для пополнения их элемен-
тами. Конечно, вы понимаете, что тут очень сложная
вещь, но достаточно чёткая. Хотя приём оказывается
очень разма-занным и очень нечётким – это ещё од-
на характерная сторона живой природы, без которой
она просто не может существовать. Теперь следующий
рисунок. Тут показано растение и пример такого рода
– рост растений. Мы все хорошо знаем, что здесь ра-
ботает фотосинтетический про-цесс. Этот фотосинтез
идёт вне зависимости того, какое освещение. Может
быть утреннее освещение, может быть дневное, ве-
чернее, пасмурная погода, и так далее, всё это пред-
сказать заранее нельзя, может, тучка какая-то набежит.
Значит, организм должен как-то воспринять самый раз-
нообразный спектр, а отреагиро-вать по-прежнему од-
ним и тем же образом. Другое дело, что процесс может
идти быстрее или медленнее.
Александр Гордон. С большей или меньшей эффективностью?
Лев Грибов. Да. С большей или меньшей эффективностью,
но он обязательно должен идти и идти вполне опре-
делённым образом. То есть, если растение растёт, зна-
чит, там появляются какие-то новые ткани, новая часть
ствола. Если растение выделяет что-то в виде кисло-
рода, оно должно выделять этот кислород опять же вне
зависимости от того, происходит это утром, вечером
или когда пасмурная по-года.
Невольно возникает такой вопрос: когда, в какой мо-
мент и на уровне какой природы будут появляться эти
особенности?
Александр Гордон. Каков механизм принятия решения?
Лев Грибов. Механизм – это несколько более сложная вещь.
Давайте пока зададим себе вопрос: когда? Эти при-
знаки проявляются уже в таком сложном образовании
как клетка – это уже сложная вещь. Мы прекрасно зна-
ем, что клетка имеет некую оболочку, ядро, клеточную
жидкость, все прочие вещи, и там очень сложные про-
цессы. Только здесь это начинается или, может быть,
это начинается раньше? Хо-тя это ещё не жизнь, но
уже какие-то признаки, которые необходимы для су-
щест-вования этой жизни. Вот к этому мы сейчас с ва-
ми и подойдём. И попробуем пе-рекинуть мост к тому,
что сейчас иногда называют «молекулярной информа-
ти-кой».
Давайте поставим себе вопрос – какими признака-
ми, схожими с этими, обладает молекулярный мир?
Следующий рисунок. Там показаны две молекулы, обе
имеют одну и ту же формулу С6Н6. Здесь обычно сра-
зу вспоминают бензол, но не очень строгая формаль-
ная теория предсказывает, что кроме привычного бен-
зола, может быть ещё 217 структур, которые все имеют
форму С6Н6. В своё время, когда этот результат был
получен, он был даже вынесен на первую страницу ме-
ждународного журнала. На самом деле это множество
получилось в данном случае из-за того, что правила,
которые были сформулированы, были довольно общи
и на самом деле 217 структур вряд ли существуют, но
я думаю, что 30-40 существуют наверняка. Никто этого
специально не изучал, но когда смотришь на формулы,
то видно, что приблизительно будет такое количество.
И это в случае такой простенькой системы как С6Н6.
Если вы возьмёте ка-кую-то сложную молекулу, ска-
жем, 30-40 – 100 атомов, то, как я вначале сказал, это
могут быть миллионы структур – разнообразие гигант-
ское. То есть одно и то же сочетание атомов может
находиться в колоссальном разнообразии форм. По-
скольку такого рода перестройки происходят в замкну-
том пространстве, можно сказать, что это одна и та же
молекула, которая только принимает различные фор-
мы.
Александр Гордон. А свойства у всех одинаковые?
Лев Грибов. Свойства, конечно, у всех разные, в этом весь и
фокус. Свойства у всех разные, но химики говорят (и
правильно, может быть, делают), что это разные моле-
кулы. Потому что как обычно определяется, что такое
молекула? Это есть мельчайшая частица вещества,
которая обладает вполне определёнными химически-
ми свойствами. В этом смысле бензол и вторая струк-
тура, которая призман называется, – они разные, они
с трудом переходят одна в другую, ведут себя сплошь
и рядом как отдельные молекулы, но это не значит,
что они совсем независимы. В том-то и дело, что су-
ществует вполне определённая возможность перехо-
да одной структуры в другую. Для этого нужно какое-то
внешнее воздействие – это вопрос другого рода, но
такая возможность существует. И возникает невольно
такой вопрос – а зачем это гигантское разнообразие?
Если учесть такую возможность, то перед глазами воз-
никает совершенно бесконечный мир.
Сейчас в литературе описано приблизительно 20
миллионов молекул, но никто не знает, сколько их на
самом деле. И это неизомерные структуры. Если ка-
ждой из этих молекул приписать ещё сотню-другую
изомеров, то у вас вообще возникает нечто совершен-
но гигантское. И невольно возникает такой вопрос: а
зачем? Я буду пользоваться таким выражением: зачем
Господь Бог это создал? Я не утверждаю, что именно
он, это уже вопрос веры, но я говорю: зачем? Зачем
в природе предусматривается такое гигантское разно-
образие?
И один из возможных ответов как раз заключается в
том, что благодаря этой возможности структурной изо-
меризации внутри молекулы может передаваться не-
который сигнал. Хорошо известно, что когда молеку-
ла крупная, то какие-то реакции совершаются в так на-
зываемых реакционных центрах (это то, что носит на-
звание близкодействия). То есть получается, что толь-
ко какая-то часть молекулы принимает участие в реак-
ции. Вся молекула при этом не принимает непосред-
ственного участия в этой реакции. Маленькая молеку-
ла вся сразу начнёт играть, а крупная молекула в ка-
кой-то части сыграет, а остальная часть остаётся бо-
лее или менее неизменной.
Возникает вопрос такого рода – а что дальше? То
есть может ли случиться так, что полученный в ка-
ком-то одном месте сигнал… А сигнал всегда будет,
всегда будет либо поглощение света (то, что носит на-
звание хромофорной группи-ровки), либо реакция при-
соединения, когда какая-то энергия обязательно будет
передана в систему – дальше она может быть израс-
ходована на тепло, на столкно-вение, произойдёт про-
стое присоединение, и на этом всё закончится. Но всё
может быть и не так.
Мы сейчас немножко об этом и поговорим. Что мо-
жет быть в молекуле? Рассматривается такой простой
пример, как приём и запись оптической информа-ции.
Это тоже одно из очень важных свойств молекул. Это в
школе сейчас прохо-дят, наверное, все знают, что кван-
товая система имеет уровни энергии, и, когда проис-
ходит облучение этой квантовой системы электромаг-
нитным излучением, энергия поглощается, и вы може-
те перейти с нижнего уровня на верхний. На ри-сун-
ке это изображено красной линией. А дальше процесс
идёт вниз, потому что молекула не может долго нахо-
дится в возбуждённом состоянии.
Но этот процесс может пойти по двум путям. Пер-
вый: мы сразу возвраща-емся в самое нижнее состоя-
ние, и тогда это достаточно бесполезная вещь, то есть
поглотили, излучили, и ничего не произошло.
А может быть другой путь. Вы попадаете на уровень
энергии, который яв-ляется резонирующим с уровнем
энергии другого изомера, и тогда у вас происхо-дит пе-
реход в другой изомер, то, что часто называют безизлу-
чательным перехо-дом, и после этого происходит вы-
свечивание. У нас появился второй изомер. По-явле-
ние этого второго изомера возможно только тогда, ко-
гда произошло первич-ное поглощение, иначе он не
появится. Значит, происходит следующее – вы как бы
записали информацию, у вас остался след от действия
исходного сигнала. Это тоже очень важное свойство
молекулярных систем – они могут записать инфор-ма-
цию.
Причём эта информация может храниться очень
долго, и это, в конечном счёте, может привести к тому,
что возникает своеобразная память молекул о некото-
ром внешнем воздействии. Это крайне важная вещь. Я
потом немножко об этом скажу – для живого организ-
ма, особенно более-менее сложного, характерно нали-
чие памяти, характерно наличие обучения, и резуль-
тат этого обучения может храниться очень долго. На-
пример, если мы видели какого-то человека, мы запо-
минаем его образ, и он может годами у нас хранить-
ся. При этом нужно, чтобы это сохранение происходи-
ло без особенного напряжения, то есть без специаль-
ной энергетической подпитки. Здесь так и произойдёт
– происходит переход в другой изомер, и он существу-
ет очень долго, он запомнил эту информацию и потом
результат этого воспоминания существует очень долго.
Никакого последующего действия не нужно – вы може-
те обнаружить, что такой эффект произошёл.
Дальше ещё один момент. Мы знаем хорошо, что су-
ществует такой химический эффект, который носит на-
звание миграция связи. Вот здесь на рисунке показа-
но, что двойная связь находится в крайнем левом по-
ложении, то есть близко к радикалу R, а дальше идут
одиночные связи. Но эта двойная связь может пере-
меститься и принять другое положение. В принципе,
она может переместиться и дальше, и происходит как
бы перенос сигнала вдоль по определённом цепи, то
есть молекулярные цепи могут передать информацию
от одного участка молекулы к другому участку молеку-
лы.
Обратите внимание на то, что мы опять начинаем
касаться процессов жиз-ни, где мы всё время имеем
вопрос передачи информации и восприятия инфор-
ма-ции.
Этот процесс можно мыслить себе таким образом,
как показано на сле-дующем рисунке. Тут изображе-
но то, что в науке носит название потенциальной ямы,
она внизу, то есть молекула находится в основном со-
стоянии. Затем проис-ходит какое-то возбуждение, вы
попадаете в верхнюю потенциальную яму, и уро-вень
энергии этой ямы может резонансным образом вза-
имодействовать с уровнем энергии другого изомера,
другой изомер – это другая яма. И дальше начинается
процесс перекачки из одного изомера в другой. Это то,
что явно проявляется, ко-гда двойная связь мигрирует
вдоль одиночных связей, потому что каждое поло-же-
ние этой двойной связи – это другой структурный изо-
мер.
Оказывается, что если в конце такого процесса мы
попадаем в глубокую яму (часто это какая-то реакция),
то тогда вернуться к исходному состоянию очень труд-
но, и тогда весь процесс движения этой двойной свя-
зи в данном случае должен происходить всё время в
определённом направлении, то есть у вас полу-чается
направленная передача сигнала. Обратите внимание,
что это направленная передача сигнала существен-
ным образом отличается от того, с которым мы име-
ем дело в кристаллическом компьютере – там сигна-
лы переносятся с помощью элек-трического тока. То
есть с помощью какого-то электрического воздействия.
Здесь совершенно другая природа, но результат тот же
самый.
Если рассмотреть так называемый фотосинтетиче-
ский центр, то он устроен так. Там крупные плоские мо-
лекулы являются приёмником излучения, вроде па-ра-
болического зеркала, которое может концентрировать
это излучение. Когда они принимают излучение, то с
ними ничего собственно не происходит, реакция идёт в
совершенно другом месте. И нужно передать туда ка-
кой-то сигнал, какую-то энергию. По-видимому, это и
происходит за счёт такой последовательной изоме-ри-
зации. Другое дело, что это может быть гораздо слож-
нее, чем здесь изображе-но, но…
Александр Гордон. Но принцип тот же.
Лев Грибов. Но принцип, по-видимому, тот же. Я думаю так,
может быть, другие думают иначе…
Александр Гордон. Недавно у нас была передача, где мы говори-
ли о фотосинтетике, об основных её элементах. Очень
похоже, что вы не один так думаете.
Лев Грибов. Значит, по-видимому, такие вещи всё же наблю-
даются. Эта крупная молекулярная система оказыва-
ется способной принять сигнал в одном месте, а пе-
редать его в совершенно другое место, и там, может
быть, произойдёт какая-то нужная реакция или будет
записан какой-то сигнал.
Всё это приводит к очень важному рассуждению.
Известно, что одна моле-кула может опознавать дру-
гую молекулу, это в биологических системах типичная
вещь. То есть когда две молекулы сближаются, первый
этап здесь тот, что они по-хожи по форме (это то, что
носит название «ключик-замочек», принцип Фишера),
когда молекула укладывается около другой. На вто-
ром этапе происходят отдель-ные химические реакции
и получается, что сигнал подан в несколько центров
приёмной молекулы.
Теперь зададим себе такой вопрос: что такое распо-
знавание образа? Под распознаванием образа в мате-
матике понимается следующая вещь – у вас есть ка-
кой-то образ, который в идеале записывается цифра-
ми. Это не всегда так, но близко к этому. Скажем, ка-
кой-то спектр можно записать в виде положений ли-
ний, их интенсивности и так далее, получить много-
мерный сигнал. Такой много-мерный образ можно изо-
бразить в виде точки в многомерном пространстве. То
есть, у вас много признаков сводится к одному.
В математической логике то же самое: скажем, мно-
го исходных каких-то положений могут потом привести
к одному выводу, так что когда наблюдается этот сиг-
нал, это доказывает, что вся исходная гамма присут-
ствует. Здесь имеется довольно чёткая аналогия.
Оказывается, что молекулы могут решать такие за-
дачи, то есть может по-лучиться так, что происходит
несколько химических реакций, затем эти результа-ты
приводят к определённым изомерным перестройкам и
в конце концов образу-ется такая изомерная структу-
ра, которая возникает только тогда, когда, скажем, в че-
тырех местах произошёл вполне определённый набор
химических реакций. Вот это – типичный случай распо-
знавания образа. И мы видим, что молекулы дейст-ви-
тельно способны решать подобные логические задачи.
Обратите внимание, что это уже очень сложные логи-
ческие задачи, решать которые не так уж просто нау-
чить кристаллический компьютер.
Что ещё важно? Что молекула может получить ис-
ходную информацию не так, чтобы одновременно
пришёл сигнал от всех четырех реакций, а они могут
в разное время проходить, и больше того – в разном
порядке.
Александр Гордон. Но приведут к тому же результату?
Лев Грибов. Приведут к тому же результату. Это крайне важ-
но. Видите, как это похоже на то, что делается в живом
мире.
Больше того, последовательность таких операций
приводит к тому, что молекулы способны решать ло-
гические задачи. Я потом к этому перейду, а сей-
час я увидел картинку, где показан такой молекуляр-
ный приёмно-решающий элемент, который напомина-
ет жизненный процесс. Мы уже показывали систему
потенци-альных ям. Там слева изображён приёмный
элемент, который принимает внешний сигнал, затем
этот внешний сигнал передаётся в реакционный центр,
в реакцион-ном центре произошла реакция, продукты
этой реакции выведены наружу, и если бы здесь всё за-
кончилось, то элемент сработал бы всего один раз. Но
если у вас имеется связь с внешней средой, и вы мо-
жете произвести такую реакцию, чтобы восстановить
свойство этого элемента, то у вас…
Александр Гордон. Он становится постоянно действующим…
Лев Грибов. Он будет всё время действовать. По-моему, уже
есть такого типа экс-перименты, в которых построены
системы, напоминающие фотосинтетические. То есть,
они под действием света всё время что-то делают.
Обратите внимание, что это опять открытая среда, то
есть молекула срабатывает как система, опять очень
напоминающая работу живого организма в условиях, в
которых он только и может существовать, в условиях
открытой среды. Потому что закрытая среда приводит
к однократному процессу. Он может быть полезен, так
можно записать какую-то информацию, сделать диск
какой-то, на котором вы что-то записали, но это одно-
кратный процесс. А вот если всё время подпитывать
извне, то это может быть непрерывный процесс, напо-
минающий живой.
На следующей картинке показано, как первый изо-
мер переходит во второй, второй поглощает свет, пе-
реходит в какой-то третий. Видно, что третий изомер
появится только тогда, когда было поглощение света ?
1 и ?2. Такой процесс, когда какой-то результат появля-
ется только тогда, когда есть воздействие номер 1 и
воздействие номер 2 – одинаковые оба – это есть то,
что носит название логического умножения, то есть мо-
лекула решает логическую задачу.
Видите, как много свойств, напоминающих действие
живого организма, фактически, заложено в способно-
сти молекул преобразовываться под действием внеш-
него сигнала. В интерпретации этих свойств, мне ка-
жется, я уже могу разой-тись с другими авторами.
Сейчас очень много делается работ, связанных с но-
ся-щейся в воздухе идеей молекулярного компьютера.
И большинство работ связаны с тем, что пытаются по-
строить молекулярный компьютер по аналогии с кри-
стал-лическим, то есть тоже работающим по принци-
пу «ноль – единица». Там надеют-ся на что, что это
будет меньшего размера, и так далее. Но мне кажет-
ся, что не стоит это делать, а стоит использовать те
свойства молекулы, о которых мы сей-час говорили. Те
свойства молекулы, которые связаны с тем, что она,
как слож-ный приёмник, способна решать сложные ло-
гические задачи, вплоть до распозна-вания образа. Я
думаю, что такой компьютер может оказаться медлен-
нее, чем кристаллический, но он может оказаться го-
раздо выгоднее для решения многих сложных логиче-
ских задач.
А теперь давайте опять вернёмся к живому организ-
му. Скажем, к человеку. Мы с вами, по-видимому, очень
плохо вычисляем.
Александр Гордон. Хуже компьютера, очевидно, да.
Лев Грибов. Не просто хуже. Я буду говорить про себя, про
вас я не буду говорить, вполне реально, что вы это все
умеете делать, но если трехзначное число умно-жить
на трехзначное, я могу это сделать на бумажке, а в уме
не могу.
Александр Гордон. Я тоже.
Лев Грибов. Вы, скорее всего, тоже. Но возьмите любого ди-
каря – у него есть только десять пальцев, но он раз-
личит след животного, куда оно пошло, ответит вам на
вопрос самец это или самка, вес определит и многое
другое. А ведь следы – следы все разные, он работа-
ет в условиях нечёткой информации и решает очень
сложную задачу распознавания. Я однажды прочитал
слова, которые мне очень понравилась, и я их очень
часто цитирую: любой ребёнок на расстоянии 10 мет-
ров легко отличит кошку от собаки, но попробуйте на-
учить это сделать компью-тёр… Во всяком случае, сей-
час пока нет таких устройств, и думаю, что вряд ли по-
явятся, тем более если ставить задачу распознавания
в любом ракурсе и тому подобное.
Мне кажется, что здесь есть какой-то момент, свя-
занный с молекулярным миром, потому что молекулы,
может быть, гораздо лучше будут приспособлены для
создания компьютеров, решающих логические задачи
– причём, в условиях нечёткой информации – чем кри-
сталлический компьютер.
Возьмём воздействие света на молекулу. Спек-
тральный состав может быть очень разный, сильно
различающийся по интенсивности, пусть даже будут
одина-ковые длины волн, но очень сильно различаю-
щиеся по интенсивности. Можно показать, что такое
устройство будет давать один и тот же ответ (типа рас-
позна-вания некоего образа) в условиях гигантского из-
менения интенсивности отдель-ных спектральных по-
лос.
Александр Гордон. То есть, мы имеем нечёткую информацию на
входе и…
Лев Грибов. Да. Причём заранее можно не задавать этой
информации, вы можете действовать разнообразным
образом, результат будет один и тот же. Время, ко-
то-рое будет потребно на создание этого сигнала, ока-
жется разным, но результат бу-дет один и тот же.
Если вы возьмёте кристаллический компьютер и на-
чнёте менять напряжение от 220 до 100 вольт – ду-
маю, он просто работать не будет. А вот молекулярное
устройство работать будет.
Мне кажется, повторяю, это моё мнение, что инте-
рес к молекулярному ми-ру и построению молекуляр-
ных компьютеров должен быть направлен именно на
это. То есть на попытки реализовать те специфические
возможности, которые, в принципе, заключены в моле-
кулярных системах. Я уже не говорю о том, что можно
построить не только двоичный код, но и более серьёз-
ный, потому что вы можете в одном и том же месте,
переводя молекулу из одного изомера в другой, запи-
сать ноль, один, два, три – можно и больше сделать.
Конечно, сейчас не совсем ясно, во-первых, как это
сделать технически. На простых примерах это понят-
но, но как это сделать технически? Как извлекать эту
информацию, что должно быть действующим факто-
ром? Может быть, свет?
Александр Гордон. Напрашивается свет, да.
Лев Грибов. Напрашивается свет, да. Но как создать конкрет-
ный чип, когда у вас будет много молекул и когда будет
много мест, где будет излучаться и погло-щаться энер-
гия – сегодня я не берусь обсуждать этот вопрос, я не
знаю. Но те ра-боты, которые мы ведём и я веду, они
связаны с тем, что мы пытаемся как-то по-нять, как мо-
лекулярные системы могут срабатывать как действи-
тельно очень сложные логические элементы и каким
образом можно построить какую-то слож-ную систему,
опираясь на отдельные свойства отдельных частей в
сложной моле-куле.
Сейчас очень большой интерес проявляется имен-
но к сложным молекулам. Есть целая область хи-
мии, которая носит название супрамолекулярная хи-
мия, где изучаются как раз сложные системы, связан-
ные, например, эквивалентными водородными связя-
ми – сложные вещи. В своё время за создание основ
такой химии была выдана Нобелевская премия. Сей-
час всё больше и больше интереса проявляется к этим
молекулярным системам. Думаю, что они могут слу-
жить и хорошей основой, во всяком случае, для изуче-
ния и, может быть, создания специфических устройств,
которые рассчитаны на такую работу.
Иногда пользуются термином «молекулярная маши-
на», сейчас появился такой термин. Это может быть
и компьютерное устройство, это может быть хи-ми-
ческое устройство, то есть воспринимающее свето-
вую информации и выдаю-щее результат в виде дру-
гой молекулы, в виде реакции. Это тоже крайне инте-
рес-но, потому что компьютер может воспринять и вы-
дать только электрическую ин-формацию.
Александр Гордон. Я подумал о том, что, может быть, инженерные
решения будут заключаться в том, чтобы не отказы-
ваться от существующих кристаллических компьюте-
ров, а попытаться сделать гибрид?
Лев Грибов. Может быть, гибрид, а, может быть, совсем дру-
гие устройства. Я как раз считаю, что кристаллические
компьютеры и их развитие безусловно полезно. Но в
целом ряде случаев они работать не будут, но они бу-
дут именно хорошо считать.
Александр Гордон. Почему я и говорю о гибридизации, скорость
реакции молекулы всё-таки уступает быстродействию
кристаллических машин. Поэтому, если бы можно бы-
ло сделать так, что какая-то часть функций ложится на
обычную вычислитель-ную машину, а там, где она не
способна справиться с задачей, где используются не-
полные, недостаточные данные, включается вот этот
модуль.
Лев Грибов. Вполне реальная вещь. Я просто хотел сказать,
что, насколько я знаю эту область (хотя, конечно, я
не могу знать всё), сейчас к этому проявляется очень
большой интерес. Здесь очень много идей носится в
воздухе, их пытаются реализовать теми или другими
способами, либо подражая кристаллическому компью-
теру, либо думают о том, чтобы создать нечто принци-
пиально новое. Это передовой фронт науки…


Обзор темы


Наверное, основной проблемой начинающегося века будет проблема разработки новых носителей информации, новых возможностей, увеличивающих объемы памяти этих носителей, а также – выработка неких принципиально новых технологий, направленных на разработку принципиально новых задач. К этим новым задачам можно отнести, в частности, создание таких носителей информации, которые могли бы и совершать самостоятельно разного рода классификации полученной базы данных, и принимать на основе обработанной информации новые решения и делать соответствующие «шаги». В общем, идея создания своего рода «компьютерных слуг» человека, роботов, у которых в голове находится сверхмощный процессор, достаточно стара и широко эксплуатируется и в фантастической литературе, и в кино. Однако, подобный «электронный мозг» отличает от человеческого мозга принципиальная неспособность принимать нетривиальные решения, с одной стороны, и улавливать нечеткую информацию, с другой. Как бы ни был огромен объем памяти компьютера, производимые им действия нельзя назвать «мыслью». Компьютер не думает. Строго говоря, утверждая это, мы должны будем до этого ответить на вопрос: а что такое – думать? Всегда ли нейтронные реакции в мозгу человека являются «думаньем»? И «думают» ли в таком случае животные? Бытовой язык и язык науки, естественно, совпадают далеко не всегда. Если человек принимает нетривиальное решение внезапно, подчиняясь каким-то, даже ему самому не ясным импульсам, это не означает, что он действует «не думая», а лишь «чувствуя». Если, как кажется человеку, он «не умеет думать», это означает, что на самом деле скорость принятия решений для него такова, что отдельные ходы алгоритма выбора оптимального решения для него остаются невербализованными, отчего и создается эффект иллюзии «недумания». Но в этом особенность человеческого мышления и состоит. Компьютерный мозг также проходит последовательно много этапов, на каждом из которых он делает выбор из нескольких возможных решений, однако возможность принятия решений оказывается в значительной степени ограниченной способностью системы, построенной на кристаллах, воспринять информацию. Пользуясь довольно банальным сравнением, скажем, что сканирующее устройство может быть обучено множеству шрифтов и языков, но лишь человек понимает «корявый» почерк и способен понять, где писавшим была просто допущена орфографическая ошибка. То, что оказывается хаосом для кристалла, может представлять собой информационную систему для живого организма.
Можно ли в таком случае говорить о реальном создании так называемого «искусственного интеллекта», т.е. систем, способных на распознавание нечетких образов и конкретное восприятие зрительных образов и речи, ассоциативную обработку информации и логические выводы по неполным, искаженным и даже противоречивым данным, т.е. на решение таких задач, с которыми с легкостью справляется практически любой человеческий мозг, даже мозг ребенка? Да, наверное, можно. Но можно это сделать лишь в том случае, если от мертвых кристаллических носителей информации мы перейдем к живым носителям, из которых и состоит так называемая «природа», т.е. – к молекулам.
В чем же принципиальная новизна?
В последние десятилетия в литературе активно обсуждаются возможности использования в качестве элементной базы для построения компьютеров не кристаллических систем, а молекулярных. Причина интереса к молекулярным объектам понятна. Известно, например, что молекулы обладают способностью к структурной изомеризации, которая стимулируется резонансным фотовоздействием. Предположим, что существует три такие изомерные формы. Тогда в одной и той же ячейке (в одном месте пространства) может быть записано три сигнала: 0 (первая изомерная форма), 1 (вторая) и 2 или -1 (третья). Поскольку все изомерные формы существенно различаются, например, по своему ИК- или КР-спектру, то записанная информация может быть прочитана. Получаем устройство, способное оперировать не двоичным, а троичным кодом. На преимущества компьютеров, оперирующих с троичным кодом, указывал еще А.Д. Сахаров, более того, в 50-е годы прошлого века троичный код использовался в ЭВМ "Сетунь".
Казалось бы, надо думать о том, как создать компьютеры с молекулярной элементной базой. Однако традиционные компьютеры используют движения электронов, перемещающиеся во много раз быстрее, чем тяжелые ядра при совершении изомер-изомерных структурных преобразований. Поэтому весьма сомнительно, что даже на основе многомерной арифметики удалось бы создать компьютерную базу, по своему быстродействию конкурентную с современной кристаллической. Существуют ли преимущества у "молекулярных" компьютеров и какие?
Молекулы и нечеткая информация. Обратимся вначале к некоторым особенностям биологического растительного или животного мира. Он непрерывно в разной форме получает из внешней среды информацию и преобразует ее так, что в организме происходят нужные весьма разнообразные реакции. В живых организмах нет ни проводов, ни кристаллических образований, подобных тем, что имеются в компьютерах, и хотя постоянно говорят об аналогиях в работе мозга человека и компьютера, забывают о том, что человек плохо и медленно вычисляет, однако мгновенно справляется с образными задачами. У компьютера же все наоборот.
Обратим внимание еще на одну важнейшую особенность - на детерминированность. Она не абсолютна, а как бы размазана в очень малых пределах. Природа не терпит абсолютного порядка, а человек, создавая компьютер, как раз к такому порядку стремится. Даже очень небольшой разброс в конструкции и свойствах чипов приведет к тому, что компьютер не будет работать, а молекулярная преобразующая информацию система функционирует, и весьма эффективно. Более того, именно небольшой беспорядок необходим для того, чтобы молекулярные приемно-преобразующие устройства действовали эффективно. В чем же дело?
Вспомним прежде всего, что в математике имеются лишь два типа множеств (понятий): четкие и нечеткие. В свою очередь, и входная информация поставляется либо в четком, либо нечетком виде. Все традиционные компьютеры воспринимают и перерабатывают только четкую информацию. Даже в тех случаях, когда решаются задачи с использованием нечеткой логики, все равно нечеткость характеризуется определенно заданной функцией. Живые же организмы имеют дело с нечетко вводимой информацией. Это может быть меняющаяся в течение дня освещенность, соленость воды, рН среды, концентрация элементов в почве и др. Заранее охарактеризовать подобную информацию численно невозможно. При этом требуется, чтобы реакция системы была одной и той же вне зависимости от неопределенности и вариации исходного сигнала. Молекулярные приемно-преобразующие системы лучше всего приспособлены для решения подобных задач.
В качестве примера, поясняющего высказанную мысль, воспользуемся молекулярной структурой, преобразующей достаточно неопределенный световой сигнал в химический. Эта система состоит из акцептора световой энергии (свето-коллектора), линии передачи энергии в реакционный центр на конце цепи и концевой атомной группы, способной к разложению и выделению свободной молекулы. Цепь содержит одну мигрирующую кратную (для определенности, двойную) связь. Система может существовать в виде многих изомерных форм, где одна отличается от другой расположением двойной связи в цепи. Каждой изомерной форме соответствует своя потенциальная "яма". Предположим, что нулевой колебательный уровень первого электронно-возбужденного состояния исходной изомерной формы по энергии равен высоковозбужденному обертонному колебательному уровню также первого электронно-возбужденного состояния второй формы. Допустим, что система в исходной изомерной форме поглотила квант световой энергии, достаточный для заселения нулевого уровня первого электронно-возбужденного состояния. В результате безызлучательного изомер-изомерного перехода будут возбуждены колебания большой амплитуды во втором изомере. Возбужденный уровень второго изомера может резонировать с уровнем третьего и т. д. Тогда колебания большой амплитуды будут передаваться от одного изомера к другому, что и обеспечивает миграцию двойной связи и энергии по цепи от поглощающего элемента системы А к концевой группе цепи. Переданный в конец цепи излишек энергии способен привести к реакции разложения.
Для наглядности (но не более того) примем следующую систему: A-CH=CH-(CH2)n-R, где А - светоакцепторная группа, R=COOH - кетонная группа.
Эта система за счет последовательного перемещения двойной связи С=С может перейти в изомерную форму:
A-(CH2-CH2)n-CH=CH-R.
В дальнейшем будем обозначать всю цепь в промежутке от светоакцептора А до кетонной группы R символом В. Светоакцепторной обычно является крупная плоская атомная rpуппировка с сильно развитым сопряжением связей, например, порфириновая.
Представления о ходе реакции изомеризации и бимолекулярных реакций изложены в монографии Л.Грибова «От теории спектров к теории химических превращений». В ней доказано, что состояния, отвечающие всем изомерным формам молекулярной системы, включая и состояния первой стадии реакции разложения, когда, например, переносы протонов за счет колебаний большой амплитуды приводят к таким перераспределениям электронной плотности, при которых предельно ослабляются одни химические связи и образуются другие, могут быть математически объединены в энергетическую матрицу Н. Объединяющими величинами являются недиагональные элементы матрицы Н.
Если на такую "объединенную" систему с квазивырожденной парой уровней наложить зависящее от времени возмущение общего вида (от простой ступеньки до практически произвольного) и считать, что в начальный момент времени система находилась в состоянии Ψ (к )ev , то возникнут периодические переходы из состояния с функцией Ψ(к)ev в состояние с функцией Ψ(n)ev. Эти переходы, совершаемые без изменения энергии ("вдоль вырожденного уровня") и являются изомер-изомерными или реакционными.
Миграция кратной связи возможна за счет больших колебаний (высокие обертоны) атомов скелетов цепей и переносов протонов в результате таких колебаний. В рассматриваемой модельной системе колебания большой амплитуды в цепи могут возбудиться только тогда, когда нулевой колебательный уровень первого электронно-возбужденного состояния исходного изомера (ABR) резонирует с очень близким по энергии высоким колебательным уровнем электронно-возбужденного ее состояния другой изомерной формы, причем величина недиагонального матричного элемента достаточно велика, чтобы обеспечить быстрый процесс изомеризации. Причем изомер-изомерные ходы всегда локальны и являются электронно колебательными и неадиабатическими.
Математическое моделирование показало: для того, чтобы исходная изомерная форма полностью "очистилась", а последняя (это может быть и состояние первой фазы реакции разложения) заселилась, необходимо, чтобы конечная "яма" была намного глубже исходной. Процесс идет в направлении уменьшения энергии. Наиболее глубокая конечная "яма" получится, очевидно, как раз для реакции разложения. Поэтому самым выгодным процессом передачи энергии является тот, который заканчивается такой реакцией. Значительная доля энергии затратится при этом на отделение продуктов разложения от цепи.
Очень важно, что результат не зависит от длины цепи: полное заселение переносится на конец цепи. Время прохождения процесса зависит от длины цепи. Зависит оно и от вероятностей переходов из одной "ямы" в другую, в частности, от соотношения их глубин.
Для возвращения системы к исходному состоянию надо, чтобы на конце ее после реакции разложения произошла реакция присоединения. В рассмотренном нами примере А-(СН=СН)-(CH2)-R, (R=COOH) возможна реакция декарбоксилирования с выделением СО2.
В результате на конце цепи образуется группа -СН=СН2. Если теперь принять, что эта группа соединена с резервуаром, содержащим молекулы Н2О, О2, СО, то вполне может произойти восстановление концевой структуры -СН=СН-СООН.
В случае, когда при реакции разложения общая энергия системы резко падает (на языке потенциальных ям это означает, что система переходит в состояние с очень глубокой ямой), процесс всегда развивается в одном направлении и первоначальная заселенность соответствующего уровня энергии первого изомера целиком переходит в заселенность состояния реакции с выделением СО2. При этом необязательно "ямам" промежуточных изомерных форм идти в порядке увеличения глубин. Они могут "прыгать". Важно, чтобы различия были не очень сильными, это наблюдается в изомерах с неодинаковым расположением двойной связи в цепи. Необходимо также, выполнение следующего условия: исходная "яма" первого изомера должна быть значительно менее глубокой, чем "яма" реакционного состояния.
Таким образом, рассматриваемая модельная система способна принять сигнал в виде светового кванта, передать его в форме электронно-колебательного неадиабатического возмущения (вибронный механизм) на некоторое расстояние и преобразовать в химический сигнал с выделением молекулы, ранее в системе отсутствовавшей. Происходит не просто кодировка информации, а ее принципиальное изменение.
Даже достаточно крупная молекула в отсутствие межмолекулярных взаимодействий обладает ярко выраженным тонкоструктурным спектром, например, порфириновая группировка. Если бы была создана молекулярная система, содержащая большую совокупность абсолютно одинаковых молекул, то такая система поглощала бы свет только в нескольких узких интервалах спектрального диапазона. КПД такой системы был бы низок. Представим себе, что все молекулы немного отличаются друг от друга: их структуры "размазаны". Такую совокупность молекул можно получить, если поместить их в жидкую среду. В этом случае поглощение будет наблюдаться уже в широком интервале: спектр имеет вид бесструктурных полос.
Если межмолекулярное взаимодействие слабо меняет структуру молекулы, то какой бы квант света или группа квантов с энергиями достаточно широкого диапазона ни попали бы в систему, она все равно отреагирует единственным образом - выделит молекулу СО2. Другими словами, рассматриваемая система будет реагировать на световой сигнал с произвольным заранее не определенным спектральным распределением, лишь бы это распределение хотя бы частично перекрывало область собственного поглощения молекулярной системы. Это означает, что система приобретает способность воспринимать нечеткую информацию, выдавая единственный четкий сигнал о поступлении данной информации.
Вернемся к сделанному выше замечанию о том, что природные биологические объекты, с одной стороны, детерминированы, а, с другой, слегка "размазаны". Единого порядка нет. Если обратиться к молекулярным объектам, то детерминированность будет определяться молекулярной структурой системы, а "размазанность" возможностью при сравнительно слабом воздействии менять эту структуру. Для осуществления такой "размазанности" нужны достаточно "мягкие" упругие объекты. Ими и являются молекулы. Кристаллические структуры к данному случаю не подходят.
Итак, молекулярные системы обладают свойствами, во-первых, принимать внешнюю информацию в разнообразной форме, во-вторых, передавать ее, предварительно преобразовав, в другую область пространства, в-третьих, благодаря своей способности при межмолекулярном воздействии находиться в несколько разных состояниях, системы могут воспринимать нечеткую информацию. Такой элемент может постоянно работать в условиях открытой системы, то есть при постоянной подаче регенерирующего реагента, восстанавливающего в результате химической реакции структуру концевой группировки.
Подводя итог, можно сделать вывод: генеральным направлением создания компьютеров на молекулах вряд ли может явиться повторение принципов, отработанных в существующих "кристаллических" машинах. Преимущества «молекулярных» компьютеров заключается в способности их к восприятию и переработке нечеткой информации, и именно в этом направлении целесообразно вести поиски. Причем создать универсальные устройства, по-видимому, не удастся. Как и в природе, они, скорее всего, будут узко специализированными, но очень полезными для решения некоторых конкретных проблем.
Внутримолекулярные процессы и логические преобразования. Внутримолекулярные процессы могут быть интерпретированы в терминах логических уравнений разного вида, вводимых в булевой алгебре. В качестве примера рассмотрим фотохимические реакции изомеризации, когда входным сигналом служит электромагнитное облучение или любые другие действия в форме химических реакций присоединения, замещения и др. Просто "фотохимическая картина" более наглядна.
Чтобы все дальнейшие рассуждения были понятными, напомним, что в существующих построениях на базе кристаллических элементов элементарной преобразующей сигнал ячейкой является комбинация двух транзисторов. Она может менять свое состояние под действием одиночного импульса напряжения. Таких состояний может быть только два, условно обозначаемых 0 и 1. Переход элемента из одного состояния в другое совершается при наложении входного импульса. В терминах формальной логики можно сказать, что входной импульс имплицирует переход элементарной ячейки из состояния 0 в состояние 1.
Любая молекула обладает значительно большими возможностями. Например, она может поглощать свет при многих длинах волн. Поглощение легко регистрировать. Оно выражается в снижении уровня регистрируемого всеволновым приемником излучения сигнала при воздействии на расположенную перед ним кювету с веществом электромагнитной волной подходящей длины. Предположим, что облучающий сигнал содержит волны с частотами ω1, ω2, ω3 и ω4 (все или часть), при действии каждой из которых происходит поглощение энергии молекулой и, следовательно, появление одного и того же отклика (А), размещенного за поглощающим объектом приемника.
Если никакого диспергирующего устройства нет, то наблюдаемые результаты могут быть записаны в форме логических уравнений, имеющих вид:
ω1 + ω2 + ω3 + ω4 → А /…./ ω1 → А (4 уравнения).
Здесь знак плюс означает логическую операцию дизъюнкции, а стрелка - операцию импликации. Допустим, что возможно поглощение только четырех длин волн, тогда получим, что поглощающая совокупность молекул может отреагировать одинаковым образом (приемник показывает снижение падающего на него светового потока) на 19 различных по составу сигналов. Разнообразие воспринимаемых сигналов молекулярными приемниками информации резко увеличивается по сравнению с кристаллической ячейкой. В этом громадное преимущество первых. Но, к сожалению, описанный способ получения и преобразования информации не является селективным и не отличает состав одного сигнала от другого. Кроме того, невозможны прием и запись информации в рамках одной и той же системы, так как после поглощения света система немедленно возвращается к исходному состоянию. Молекулярный объект может, однако, не только принимать и преобразовывать информацию, но и записывать се, когда он способен к структурной фотоизомеризации.
Рассмотрим в качестве примера систему, обладающую пятью уровнями энергии. Пусть возможны переходы с поглощением электромагнитных волн с разными частотами. В результате "высвечивания" заполняемых при поглощении возбужденных уровней энергии заселяется уровень, когда может наблюдаться резонанс с уровнем энергии другого изомера и безызлучательный переход в новое изомерное состояние. Если уровень этого второго изомера будет тоже возбужденным, то система может перейти в устойчивое изомерное состояние второго изомера. Результат воздействия внешнего сигнала будет "записан".
Данный процесс отвечает логическому уравнению:
ω1 + ω2 + ω3 → А2
Символ А2 означает появление устойчивого изомера № 2, что может быть обнаружено оптическим путем по характерному поглощению света.
Рассмотрим теперь систему, где за счет поглощения света с длиной волны ω, происходит заселение уровня энергии, при котором возможен безызлучательный переход изомера № 1 в изомерное состояние № 2. Предположим, что новое изомерное состояние за счет характерного поглощения электромагнитного излучения с частотой ω2 перейдет в состояние № 3, тогда логическая операция будет иметь следующий вид: ω2 → А3.
Допустим, что существует такая молекула, которая при поглощении электромагнитного излучения с длиной волны со, способна перейти в изомерное состояние № 2, а при поглощении волны с частотой ω2 - в изомерное состояние № 3. При этом изомер № 2 не может поглотить излучение с частотой ω1 а изомер № 3 - с частотой ω2. Тогда после поглощения и фотоизомеризации система окажется нечувствительной либо к сигналу ω1, либо к ω2. Это отвечает высказыванию: "Входной сигнал содержит либо волну с частотой ω1, либо волну с частотой ω2”, что описывается разделительной дизъюнкцией.
Продолжая рассуждения, можно убедиться, что любые одно- и многоступенчатые фотохимические процессы в молекулярных системах, способных к изомеризации и более сложным фотохимическим превращениям (реакции разложения), можно записать в терминах логических уравнений.
Мы рассмотрели поведение отдельных молекул. Если же собрать более сложную систему из нескольких решающих отдельные логические задачи элементарных молекулярных ячеек, то ее реакция на сложный входной сигнал описывается системой логических уравнений: Т(А, ω) —— {R (A) —— f (ω), где ω - множество составляющих входного сигнала, а A - множество ответов каждой элементарной молекулярной ячейки. Символом Т(А, ω) обозначена булева функция, описывающая все взаимосвязи между частотами ωi, и ответами Ak. Комбинация ответов Ak представляется булевой функцией R (A). Искомая функция обозначена как f (ω). Как известно, эффективным методом решения логических уравнений является метод изображающих чисел, который и применяется для решения соответствующих задач на обычных ЭВМ.
Примем во внимание, что с появлением конечных для описываемых выше процессов изомерных форм полная последовательность изомеризации может не заканчиваться. При фотовозбуждении молекулы часть полученной ею энергии может перейти в форму распространяющейся вдоль по одномерной цепи, входящей в состав молекулы, квазичастицы - виброна (электронно-колебательного возбуждения). С химической точки зрения, это процесс переноса вдоль цепи кратной связи или, например, атомов водорода. Такой процесс становится направленным, если на конце цепи есть группировка, которая при поглощении энергии виброна способна к разложению с выделением энергии и продуктов реакции в виде молекул. В результате сигнал переносится в область, далекую (по молекулярным меркам) от светопоглощающего центра (светоколлектора).
Если представить далее, что в крупной молекулярной системе есть несколько светоколлекторов и что продукты реакции образуются в одном месте пространства с помощью цепей, то между продуктами снова может произойти реакция. В результате возникнет сигнал в форме новой молекулы или группы молекул, который и будет означать, что сработали все светоколлекторы. Это действие равносильно совокупному решению системы нескольких логических уравнений.
Пример фотоприемно-преобразующих молекулярных элементов выбран лишь для наглядности. Возбуждение определенных концевых функциональных групп с последующей сложной изомеризацией может идти не только за счет светопоглощения, но и за счет реакций присоединения. При этом крупная молекула может контактировать с несколькими функциональными группами. Результаты реакций и последующей изомеризации записываются в виде логических соотношений. Такое рассуждение позволяет понять, каким образом идет опознание одной сложной молекулы другой. Известно, что именно опознание лежит в основе всех биологических процессов на молекулярном уровне.
В результате получаем естественное физическое объяснение нескольких общих фактов:
• Разнородность вида входных и выходных сигналов в микромире делает рациональным построение соответствующих приемно-передающих и преобразующих устройств именно на молекулах, что связано с их разнообразием.
• В изучаемых внутримолекулярных процессах, связанных с приемом, передачей и преобразованием информации, определяющую роль должны играть процессы последовательной структурной изомеризации. Это объясняет факт громадного множества структурных изомеров. Изомеризация должна образовывать определенные последовательности, обеспечивающие перенос квазичастиц.
• Молекулярные системы, преобразующие входную информацию, должны содержать много функциональных элементов для восприятия совокупности признаков, характеризующих сложные объекты. Отсюда следует, что способность системы принимать и обрабатывать сложную информацию требует перехода от малых молекулярных систем к крупным - супрамолекулярным.
• Только молекулярные системы способны принимать и перерабатывать информацию, предоставляемую в нечетком виде.
• Чтобы система была способной постоянно принимать и преобразовывать информацию, требуется ее возвращение к исходному состоянию после совершения одного цикла. Это возможно при условии, что система является открытой - в нее постоянно вводятся восстанавливающие химические реагенты. Они обеспечивают легкость прохождения реакций восстановления. Другими словами, супрамолекулярные образования должны быть погружены в жидкости. Присутствие жидкости необходимо для любых процессов в живой природе. Ясно поэтому, что объяснение сложных, лежащих в основе всех жизненных процессов и явлений на уровне замкнутых молекулярных моделей, не может быть адекватным природе.
Все, сказанное выше, укладывается в рамки знаменитого «принципа дополнительности», сформулированного Нильсом Бором. В частности, он писал, что «…наша способность анализировать гармонию окружающего мира и широта его восприятия всегда будут находиться во взаимоисключающем, дополнительном соотношении». Чем более мы увлекаемся анализом деталей, пытаясь разделить сложное явление на составляющие, тем труднее становится воспринимать это явление как целое, выделить главное и сделать обобщение. Слишком же смелое отбрасывание деталей может привести к тому, что полученная модель явления будет настолько далека от реальности, что ее ценность станет равной нулю. Требование достижения ясности в науке приводит к необходимости пользоваться различными представлениями об одном и том же объекте исследования. Например, в молекулярной физике и химии используются модели молекул в виде брутто-формулы, в которой указываются только типы и количества составляющих молекулу атомов, в форме жестких и упругих геометрических фигур, а также модели, в которых указываются заряды на атомах и др. В результате получается желаемая ясность, и возникает возможность прогноза свойств соединений, но при этом становится невозможным дать молекуле какое-то одно информативное определение. Прямым результатом действия открытого Н.Бором принципа дополнительности является появление элемента субъективизма при получении окончательного вывода уже в так называемых точных науках: в физике, например, при определении численных характеристик тех или иных сложных моделей молекул. Реальный мир всегда богаче модели.
Окончательные выводы могут быть представлены скорее в виде вопросов:
Можно ли создать ли в таком случае «модель» человеческого мозга?
Чем же отличается живое от неживого? В чем состоит собственно «феномен жизни»?
Противостоит ли в таком случае наука религии?
Может ли (сможет ли) человек научиться создавать жизнь?

Библиография


Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М., 1961
Владимиров Ю.А. Биологические мембраны и незапрограммированная смерть клетки//Соросовский образовательный журнал. 2000. № 9
Грибов Л.А. Введение в теорию и расчет колебательных спектров многоатомных молекул. Л., 1965
Грибов Л.А. Введение в молекулярную спектроскопию. М., 1976.
Грибов Л.А. Молекулы как информационные приемно-образующие системы//Вестник Российской Академии Наук. 2002. Т. 72. № 7
Грибов Л.А. От теории спектров к теории химических превращений. М., 2001
Грибов Л.А. Ума холодных наблюдений… М., 2002
Ледли Р. Программирование и использование вычислительных машин. М., 1966
Лен Ж.М. Супрамолекулярная химия. Новосибирск, 1998
Микаэлян А.Л. Ассоциативная обработка информации и проблема памяти//Вестник Российской Академии Наук. 2002. Т. 72. № 2
Сахаров А.Д. Научные труды. М., 1995
Lent Cr.A., Isaksen B., Lieberman M. Molecular Quantum-Dot Cellular Automata//J. Am. Chem. Soc. 2003. V.125
Raymo Fr.M., Alvarado R.J., Giordani S., Cejas M.A. Memory Effects Besed on Intermolecular Photoinduced Proton Transfer//J.Am. Chem. Soc. 2003. V. 125
Рекомендуем О том, как происходит охота на зайца, читайте на сайте oboxote.ru.

  • ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ РАЗДЕЛА:
  • РЕДАКЦИЯ РЕКОМЕНДУЕТ:
  • ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ:
    Имя
    Сообщение
    Введите текст с картинки:

Интеллект-видео. 2010.
RSS
X