Биоэлектронные технологии

2

Гуманитарный университет

“Запорожский институт государственного и муниципального управления"

Кафедра физической и биомедицинской электроники

Реферат

По дисциплине " Новейшие биотехнологии"

на тему: Научно-технические достижения биоэлектронных технологий и материалов

Выполнил:

студент (ка) группи Шарко М.М., гр. ЗЕ-101

Проверил:

д. т. н., профессор Ю.В. Трубицын

г. Запорожье, 2005 г.

Введение

Выдающиеся способности биомолекул к хранению и обработке информации уже около десятилетия привлекают внимание ученых, пытающихся отыскать наиболее достойную замену компьютерным микросхемам на основе кремния. Ведь ДНК, знаменитая молекула в форме двойной спирали, присутствует в ядрах всех живых клеток и способна, занимая объем в один кубический сантиметр, содержать информации больше, чем триллион компакт-дисков.

Постепенно двигаясь по пути создания программируемых компьютеров на основе молекул ДНК, ученые-исследователи приближают эпоху, когда живые "вычислительные машины" смогут умещаться в одной клетке человеческого организма. Подобный "биологический нанокомпьютер" будет настолько мал, что триллион таких компьютеров может работать одновременно в единственной капле воды. Теоретические расчеты дают основания предполагать, что так называемые ДНК-компьютеры в конечном счете способны превзойти кремниевые чипы в решении массивно-параллельных задач, требующих одновременного выполнения множества сходных операций. Но еще более заманчивые перспективы биологические нанокомпьютеры сулят в специальных приложениях, таких как медицина и фармакология.

1. Биокомпьютерные технологии: синтез наперед заданных и новых биовеществ методами нанотехнологии. нанокомпьютеры на биоматериалах

1.1 Биокомпьютер Эдлмана

ДНК-компьютеры создаются последние годы во многих научно-исследовательских центрах мира, пытающихся объединить потенциал биологии и информационных технологий. Сильнейший толчок этим работам дали эксперименты американского исследователя Леонарда Эдлмана (Leonard Adleman), профессора университета Южной Калифорнии, прежде известного как соавтор знаменитой криптосхемы RSA (алгоритм Райвеста-Шамира-Эдлмана). В 1994 году Эдлман, переключившийся с криптографии на биомолекулярные коды, продемонстрировал, что с помощью единственной пробирки с ДНК можно весьма эффектно решать классическую комбинаторную "задачу о коммивояжере", т.е. отыскивать кратчайший маршрут обхода вершин графа. При классических компьютерных архитектурах данная задача требует массивно-параллельных вычислений с опробованием каждого варианта, а ДНК-метод позволяет сразу сгенерировать все возможные варианты решений и с помощью известных биохимических реакций быстро отфильтровать именно ту молекулу-нить, в которой закодирован нужный ответ.

Были, правда, в демонстрационном эксперименте Эдлмана и существенные проблемы, особо отчетливо проявившиеся при попытках развить полученный результат. Во-первых, для организации биомолекулярных вычислений требуется весьма трудоемкая серия реакций, каждую из которых необходимо проводить под наблюдением ученых. Но еще больше трудностей вызывает проблема масштабирования задачи. В ДНК-компьютере Эдлмана оптимальный маршрут обхода отыскивался всего для 7 вершин графа. Но чем больше пунктов-городов надо объехать коммивояжеру, тем больше биологическому компьютеру требуется ДНК-материала. И эти объемы при нынешних технологиях вычислений очень быстро становятся совершенно неподъемными. Так, было подсчитано, что если начать масштабировать методику Эдлмана для решения задачи обхода не 7 пунктов, а 200, то вес ДНК, необходимой для представления всех возможных решений, превысит вес нашей планеты.

Именно данное обстоятельство, надо сказать, стало причиной того, почему компания IBM, к примеру, сразу предпочла сфокусироваться на других идеях альтернативных компьютеров, таких как углеродные нанотрубки и квантовые компьютеры.

1.2 Конечный биоавтомат Шапиро

В новой работе израильских ученых из Вейцмановского института избрано существенно иное направление исследований. Эта команда во главе с профессором Эхудом Шапиро (Ehud Shapiro) решила создавать не специализированную методику для решения строго конкретной задачи, а технологию многоцелевого нанокомпьютера на базе уже известных свойств биомолекул, таких как ДНК и энзимы. По словам Шапиро, создание их ДНК-компьютера вдохновило явное сходство между принципами обработки информации в ДНК и функционированием теоретического устройства, известного в математике как "конечный автомат" или машина Тьюринга.

Машина Тьюринга обрабатывает и хранит информацию как последовательности символов, что совершенно очевидным образом соотносится с работой "биологической автоматики" в живых клетках. В качестве начального этапа нано-биоавтомат, разработанный командой Шапиро, реализует частный случай машины Тьюринга: автомат с двумя состояниями и двухсимвольным алфавитом. Продемонстрировано, что на основе искусственно синтезированных нитей ДНК можно создавать систему, которая автоматически, без участия человека, различает в поступающих на ее вход последовательностях символы двух видов ("нули" и "единицы"), а также подсчитывает четность последовательностей.

Разработанный Эхудом Шапиро и его коллегами биокомпьютер требует для работы лишь составления правильной молекулярной смеси. Затем примерно за час эта смесь самостоятельно порождает молекулу ДНК, в которой закодирован ответ на поставленную перед вычислителем несложную задачу. В этом биокомпьютере ввод и вывод информации, а также роль "программного обеспечения" берут на себя молекулы ДНК. В качестве же "аппаратного обеспечения" выступают два белка-энзима естественного происхождения, которые манипулируют нитями ДНК. При совместном замешивании молекулы программного и аппаратного обеспечения гармонично воздействуют на молекулы ввода, в результате чего образуются выходные молекулы с ответом. В целом же система функционирует как простой конечный автомат.

Задачи, которые способен решать этот автомат, зависят от подаваемых на вход молекул и от молекул программного обеспечения. Пользуясь формальным языком, сейчас автомат способен обрабатывать "регулярные выражения", т.е. находить ответы на несложные вопросы относительно содержимого списков, содержащих два типа символов, таких как "0" и "1", или "a" и "b". Например, четно ли число единиц в последовательности? Или есть ли в последовательности по крайней мере один символ "b"? В общей сложности биомолекулярный нанокомпьютер израильских ученых сейчас можно запрограммировать на отыскание ответов для 756 подобных вопросов.

1.3 Перспективы био-нано

Понятно, что реализованный группой Шапиро конечный автомат - это пока что достаточно узкоспециализированное устройство, существенно уступающее по своим возможностям современным компьютерам общего назначения. Однако, полагают ученые, в течение ближайшего десятилетия биомолекулярные устройства такого типа вполне можно будет научить выполнению нетривиальных лабораторных приложений, а еще через несколько десятилетий станут возможны и медицинские приложения. "Живая клетка содержит совершенно немыслимые молекулярные машины, которые манипулируют кодирующими информацию молекулами типа ДНК и РНК. Делается это с помощью способов, которые на фундаментальном уровне чрезвычайно похожи на компьютерные вычисления, - говорит Шапиро. - Пока что мы просто не знаем, каким образно можно эффективно модифицировать эти машины или по аналогии создавать собственные. Весь трюк заключается в том, чтобы отыскать эти естественно существующие машины и принципы их работы, чтобы начать их комбинировать и приспосабливать для нужных нам вычислений".

Израильские ученые вовсе не ставят перед собой задачу создать устройство, конкурирующее в эффективности с традиционными компьютерами. Заставить ДНК работать в качестве полноценного микропроцессора - эта задача пока еще очень далека от разрешения и многие ученые полагают, что биомолекулярные вычисления скорее будут дополнять, а не заменять компьютеры на основе кремниевых чипов.

1.4 ДНК хранит огромные массивы информации

Израильские ученые разработали компьютер, который бьет все поставленные до сих пор рекорды миниатюризации ЭВМ. В обычную лабораторную пробирку поместится около триллиона таких машин. Нанокомпьютер - именно так называется этот аппарат - состоит из сочетания молекул ДНК и молекул энзимов, веществ, "анализирующих" ДНК. Элементы компьютера работают в жидком состоянии - они взвешены в веществе, залитом в ту самую пробирку, о которой речь шла несколькими строками выше. Исследователи рассчитывают, что следующим шагом станет создание устройства, способного анализировать живые молекулы ДНК. Оно поможет в поисках патологий и в разработке новых лекарств. Однако это - планы на отдаленное будущее. Пока что нанокомпьютеры будут использовать для того, чтобы облегчить задачу анализа ДНК в лабораторных условиях. Прежде всего, речь идет о расшифровке геномного кода живых существ. Эту процедуру сейчас проделывают с самыми разными лабораторными объектами - от мух-дрозофил и обычных помидоров до человеческих организмов. Как только ДНК будет расшифрована, ученые смогут узнать массу новых подробностей о том, как функционируют природные механизмы хранения и передачи данных.

Руководитель исследовательского коллектива из Израиля профессор Эхуд Шапиро говорит, что новый компьютер способен работать полностью автономно. Человек этой миниатюрной ЭВМ совершенно не нужен. "Пока что, - говорит профессор Шапиро, - нанокомпьютер способен обрабатывать только синтезированную ДНК. Но очень скоро дело дойдет и до настоящих молекул". В интервью Би-би-си доктор Шапиро рассказал о том, как именно функционирует нанокомпьютер. Все его составляющие - прежде всего, устройства ввода, вывода и обработки информации - представляют собой молекулы ДНК. На особом сочетании этих молекул построен и программный код новой машины. Израильские ученые считывают результаты работы нанокомпьютеров, пропуская жидкость, в которой растворены молекул ДНК, через особый гель, тот самый, который используют при анализе обычных молекул ДНК.

О создании компьютеров на основе молекул ДНК говорят уже очень давно. Прорыв произошел в 1994 году, когда американский ученый Леонард Адельман с помощью именно такой машины решил так называемую "задачу коммивояжера". Этим термином математики окрестили любопытную теоретическую проблему - как следует действовать некоему идеальному коммивояжеру, чтобы объехать всех клиентов с наименьшими затратами времени. Профессор Адельман позже использовал результаты, полученные в ходе этого теоретического исследования, в работах над системой шифрования данных в интернете. Уже тогда, в 1994 году, он говорил, что работать с компьютерами на базе ДНК куда удобнее, чем с обычными машинами. Они способны хранить огромные массивы информации. Плотность размещения данных в таких машинах примерно в 100 тысяч раз выше, чем на обычном жестком диске. Более того, что бы там ни говорили программисты Microsoft, обычный компьютер не в состоянии делать несколько дел одновременно. Он решает задачи поочередно - но очень быстро, настолько быстро, что пользователи этого даже не замечают. Молекулы ДНК работают "в команде". Именно они обладают истинной многозадачностью, над достижением которой так давно бьются лучшие компьютерные умы планеты. Профессор Шапиро и его команда, впрочем, говорят, что подошли к проблеме создания ДНК-компьютера совсем не так, как доктор Адельман. Прежде всего, это объясняется тем, что они ставили себе совсем другие цели.

Израильтяне не решали абстрактные математические задачи. Они пытались построить компьютер, который был бы способен работать с природной информацией, которая зашифрована в молекулах ДНК. Специалисты говорят, что достижения доктора Шапиро - огромный шаг на пути к решению этой проблемы. Исследования в области создания ДНК-компьютеров начались, когда ученые заметили поразительное сходство между тем, как работает ДНК и тем, как могла бы быть устроена идеальная вычислительная машина - так называемая машина Тюринга. Профессор Шапиро говорит: "Машина Тюринга должна воспринимать информацию и хранить ее в виде цепочки символов. Так же ведет себя и живая ДНК". Пока что израильтяне создали лишь один из вариантов машины Тюринга. Их нанокомпьютер работает лишь с двумя символами - так же, как и обычные ЭВМ, оперирующие понятиями "логический ноль" и "логическая единица". Конечная задача израильских ученых - расширить список доступных их машине понятий.

2. Конверсия энергии солнца в технически удобные виды энергии и топлива с помощью биотехнологий

Если строго подходить к определению возобновляемых источников электроэнергии, то основным источником первичной энергии на Земле является Солнце, поскольку и движение атмосферного воздуха (ветер), и морские течения, и движение волн, и таяние льдов, и производство биомассы есть естественные преобразования солнечной энергии. Человечество научилось использовать эту естественным образом преобразованную энергию солнца в своих целях для получения электрической энергии с помощью ветроэнергетических установок, морских и волновых электростанций, электростанций на биомассе, и т.п.

Но традиционно в возобновляемой электроэнергетике солнечной энергией мы называем получение электричества либо в теплосиловых установках, где тепло от сгорания топлива заменяется потоком концентрированного солнечного излучения, либо в установках прямого преобразования солнечного излучения с помощью полупроводниковых фотоэлектропреобразователей. Причем специалисты утверждают, что системы прямого преобразования энергии Солнца в электрическую представляются наиболее перспективными и доступными из всех видов возобновляемых источников.

В конце 70-х - начале 80-х годов в разных странах мира было построено семь пилотных солнечных электростанций (СЭС), так называемого башенного типа с уровнем мощности от 0,5 до 10 МВт. Самая крупная СЭС мощностью 10 МВт (Solar One) была построена в Калифорнии. Эти СЭС были построены по одному принципу: поле размещенных на уровне земли зеркал-гелиостатов, следящих за солнцем, отражает солнечные лучи на приемник-ресивер, установленный на верху достаточно высокой башни. Ресивер представляет собой солнечный котел, в котором производится водяной пар средних параметров, направляемый потом в стандартную паровую турбину.

Существуют и другие проекты, в которых используется гибридная солнечно-топливная СЭС, мощностью 30 МВт с объемным ресивером, в котором подогревается атмосферный воздух, направляемый затем в паровой котел, где производится водяной пар, работающий в цикле Ренкина. На тракте воздуха от ресивера к котлу предусматривается горелка для сжигания природного газа, количество которого регулируется таким образом, чтобы в течение всего светового дня поддерживать заданную мощность. При этом стоимость электроэнергии вырабатываемой СЭС ожидалась на уровне ТЭС на органическом топливе.

В 90-ые годы в мире повысился интерес к фотоэлектрическим установкам (ФЭУ), непосредственно преобразующим солнечную радиацию в электроэнергию. Правда, стоимость электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими установками на сегодня в несколько раз выше, чем СЭС с тепловым циклом, но тем не менее ФЭУ активно внедряются как в развитых, так и в развивающихся странах при активной поддержке международных организаций, в том числе Мирового банка на основе выдвинутой им "Солнечной Инициативы".

Интерес к ФЭУ увеличивается еще и потому, что динамика изменения их технико-экономических показателей позволяет прогнозировать их конкурентоспособность по сравнению с другими источниками электроэнергии для ряда областей применений.

Основные мировые производители фотоэлектрической продукции изготавливают солнечные элементы в основном из кристаллического (моно-, поли-) кремния, аморфного кремния, CdTe, CuZnSe и других тонкопленочных структур. Соотношение объемов выпуска таково: кристаллический кремний - 75%, аморфный кремний - 20%, другие - 5%.

Массовое производство ФЭС связано с созданием технологий и материалов, позволяющих снизить стоимость установленной мощности примерно в 2-3 раза. Принципиальным ограничением для такого снижения стоимости является высокая цена кремния солнечного качества. В настоящее время для получения чистого кремния используется хлорсилановая технология производства, разработанная около 35 лет назад и имеющая много отрицательных моментов, в том числе высокую энергоемкость, низкий выход кремния и экологическую опасность. Поэтому создание новых технологий получения кремния, обеспечивающих радикальное снижение его стоимости - задача номер один в перечне альтернативных технологий в энергетике.

Подобные технологии стали создаваться и в России. Напомним, что научные и технологические позиции нашей страны в области фотоэлектричества при активной поддержке государства оставались лидирующими до 80-х годов. К сожалению в начале 90-х эта поддержка свелась к нулю и, в первую очередь, это коснулось наземной фотоэнергетики, то есть той сферы, где существует рынок. Несмотря на то, что в России есть компании-производители фотоэлектрических систем, можно смело утверждать, что рынок фотоэнергетики в России отсутствует. Однако наши фотоэлектрические модули востребованы за рубежом. Отечественным производителям даже реклама не нужна. У некоторых из них мощности на несколько лет вперед загружены заказами от иностранных компаний.

Между тем полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, превышает энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана и других энергетических ресурсов, а в России с этим еще лучше: солнечная энергия, поступающая за неделю на территорию нашей страны, превышает энергию всех российских ресурсов нефти, угля, газа и урана. Поэтому солнечная энергия может стать энергетической основой и первичным источником энергии будущего устойчивого развития экономики для некоторых регионов России. Отметим наиболее благоприятные районы для использования солнечной энергии в России - это Северный Кавказ, Астраханская область, Калмыкия, Тува, Бурятия, Читинская область, Дальний Восток.

Существует два основных способа сооружения СЭС (использующих термодинамическое преобразование солнечной энергии).

Из солнечной энергии методом термодинамического преобразования можно получить электричество практически так же, как и из других источников энергии, однако, солнечное излучение, падающее на землю, обладает рядом характерных особенностей:

1. низкой плотностью потока энергии;

2. суточной и сезонной цикличностью

3. зависимостью от погодных условий.

Поэтому при термодинамическом преобразовании этой энергии в электрическую следует стремиться к тому, чтобы применение тепловых режимов не вносили серьезных ограничений работы системы и, чтобы не возникало трудностей, связанных с ее использованием, т.е. подобная система должна иметь аккумулирующие устройства для исключения случайных колебаний режимов эксплуатации или обеспечение необходимого изменения производства энергии во времени.

Термодинамический преобразователь солнечной энергии должен содержать следующие компоненты:

1. систему управления падающей радиации,

2. приемную систему, преобразующую энергию солнечного излучения в тепло, которое передается теплоносителю,

3. систему переноса теплоносителя от приемника к аккумулятору или к одному или нескольким теплообменникам, в которых нагревается рабочее тело,

4. тепловой аккумулятор,

5. теплообменники.

Существует два подхода к созданию солнечных станций, работающих по термодинамическому циклу.

1. использование небольших (централизованных) станций для отда ленных районов.

2. создание крупных солнечных энергетических установок мощностью в несколько десятков мегаватт, рассчитанных на работу в энергосистеме.

2.1 Коллекторы солнечной энергии

Основным конструктивным элементом солнечной установки является коллектор, в котором происходит улавливание солнечной энергии и ее преобразование в теплоту и нагрев воздуха, воды или другого теплоносителя.

Различают два типа солнечных коллекторов:

1. плоский,

2. фокусирующий.

В плоских коллекторах солнечная энергия поглощается без концентрации, а в фокусирующих - с концентрацией, т.е. с увеличением плотности поступающего потока радиации.

Концентраторы солнечной энергии.

Концентраторы - это оптические устройства в виде зеркал или линз, в которых достигается повышение плотности потока солнечной энергии.

Зеркала плоские, параболоидные или параболоцилиндрические изготавливаются из тонкого металлического листа или фольги или др. Материалов с высокой отражательной способностью.

Солнечные станции строятся в основном двух типов:

1 - СЭС башенного типа,

2 - СЭС модульного типа.

Система, состоящая из множества небольших концентрирующих коллекторов, каждый из которых независимо следит за солнцем - модульная СЭС.

Концентраторы не обязательно должны иметь форму параболоида, не обычно это предпочтительно. Каждый концентратор передает солнечную энергию жидкости теплоносителя. Горячая жидкость ото всех коллекторов собирается в центральной энергостанции. Тепло несущая жидкость может быть водяным паром, если она будет прямо использоваться в паровой турбине или какой-нибудь термохимической средой - например, диссоциированный аммиак. Основные недостатки систем с сосредоточенными коллекторами:

1 - для каждого отражателя требуется сложный по конструкции термический приемник, который размещается в его фокальной области.

2 - для съема энергии 20000 параболоидных отражателей привод генератора мощностью 100 МВт необходим дорогой высокотемпературный обменный контур, соединяющий рассредоточенные концентраторы.

Указанные выше трудности разрешаются, если вместо этих 10-20 тысяч приемников сделать один аналогичный по своим размерам и параметрам паровому котлу обычного типа, и поднять его над поверхностью Земли.

Таким образом, возникает концепция гелиостанции башенного типа. В этом случае все параболоиды заменяются практически плоскими отражателями, производство которых значительно дешевле.

2.2 Солнечные пруды

Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода.

Достаточно большой водоем может быть просто вырыт (могут быть использованы и природные водоемы, например, в Израиле использовано Мертвое море в качестве солнечного пруда), что относительно недорого.

Солнечный пруды содержат в себе и накопители тепла, поэтому область их использования может быть довольно широкой. Солнечные пруды могут быть использованы в гелиосистемах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, для получения технологической теплоты, в системах кондиционирования воздуха абсорбционного типа, для производства электроэнергии, т.е., солнечный пруд служит одновременно коллектором и аккумулятором теплоты.

В солнечный пруд заливается несколько слоев воды с различной степенью солености, причем наиболее соленый слой (0,5 м) располагается на дне. Солнечное излучение поглощается окрашенными в темный цвет дном водоема и придонный слой воды нагревается.

Придонный слой воды берется настолько более соленым, чем слой над ним, что плотность его хотя и уменьшается при нагревании, но все-таки остается выше плотности более высокого слоя. Поэтому конвекция (подъем вверх более теплой - более легкой - воды) подавляется и придонный слой нагревается все сильнее до 90° С, иногда - до кипения, при этом температура поверхностного слоя остается на уровне температуры окружающей среды. Пруд глубиной до 2-х м способен обеспечить непрерывную работу СЭС при прекращении инсоляции на срок до недели, пруды большей глубины могут обеспечить сезонный цикл аккумуляции. Правда, для этих СЭС требуются большие площади земельных угодий, в остальном - экологически приемлемые сооружения, тем более, что соленые пруды в естественных условиях существуют веками.

3. Традиционные методы получения и очистки биополимеров

Технологии получения биополимеров клетки включают следующие направления:

биопроцессинг с использованием живых клеток как продуцентов биополимеров - нуклеиновых кислот, белков, гормонов, стероидов, углеводов, полисахаридов, моно - и поликлональных антител и др.;

антисенс-технологии (антисмысловые), в основе которых лежит химический синтез биополимеров клетки на основе исходного сырья биологического происхождения.

При высокоскоростном получении биополимеров клетки (белков, гормонов, ферментов, углеводов, полисахаридов, моно - и поликлональных антител) медицинского, сельскохозяйственного и промышленного назначения используются такие продуценты как живые растительные, микробные, животные клетки и клетки человека, культивируемые in vitro в суспензиях; иммобилизованные клетки и ферменты; культивируемые in vitro инкапсулированные гибридомы.

Антисенс-технологии с использованием антисенс-олигонуклеотидов (фрагментов нуклеиновых кислот), антисенс-РНК (рибонуклеиновых кислот), рибозимов - антисенс-РНК или антисенс-олигонуклеотидов с ферментативными свойствами, ДНК-триплексов нацелены на создание ген-направленных биологически активных веществ, способных избирательно подавлять в живом организме активность вирусов, онкогенов и ростовых факторов, а также изменять структуру клеточных рецепторов при различных патологиях.

Преимуществами современных технологий биопроцессинга являются:

возможность многократного использования клеток-продуцентов биополимеров, что обеспечивает экономию сырья и трудовых затрат;

достижение максимального обособления фаз роста биомассы и биосинтеза целевого продукта;

упрощение процедуры очистки и выделения конечного продукта;

проведение синтеза биополимеров в асептических условиях;

реализация технологии получения биополимеров при нормальных температуре и давлении;

использование необходимых химических веществ в питательной среде для целенаправленного воздействия на культивируемые клетки-продуценты биополимеров;

возможность включения биопроцессинга как технологической стадии в промышленное производство биологически активных веществ с помощью тонкого органического синтеза с целью его оптимизации;

перспективы организации биопроцессинга как малотоннажного, так и крупномасштабного производства.

Антисенс-технологии характеризуются значительной экономичностью, высокими скоростью синтеза, избирательностью и чувствительностью комплиментарного взаимодействия антисенс-соединений с целевыми участками нуклеиновых кислот, а также эффективностью воздействия на живые системы.

Область применения. Данная технология находит применение в здравоохранении и ветеринарии (получение нового поколения диагностикумов, противовирусных и противоопухолевых лекарственных препаратов; генодиагностика и генотерапия), отраслях промышленности (использование биополимеров как биокатализаторов, получение пищевых добавок, повышение нефтеотдачи, оптимизация процессов добычи редких металлов из руд), сельском хозяйстве (инсектициды и биоудобрения), для защиты окружающей среды (биоремедиация почв, очистка воды).

Основания для выбора. Технология получения биополимеров клетки имеет большое значение для развития многих областей народного хозяйства, т.к. обеспечивает высокую скорость синтетических процессов, экономична. Она позволяет организовать в стране крупномасштабное производство биополимеров - биологически активных веществ.

Антисенс-технологии имеют особую ценность для диагностики и терапии наследственных, вирусных и онкозаболеваний человека, для ветеринарии и фитотерапии.

Разработка фундаментальных основ биопроцессинга и исследование возможностей использования его продуктов проводится украинскими учеными на уровне, сравнимом с зарубежным. Резкое отставание наблюдается в Украине в области масштабированного производства биополимеров, объемы ежегодного финансирования которого недостаточны.

В настоящее время необходимо создать в стране оптимальную систему передачи новейших технологий биопроцессинга, успешно разрабатываемых в отечественных лабораториях, в промышленное производство.

В области антисенс-технологий приоритет принадлежит украинским ученым, что признано мировой научной общественностью. За рубежом фундаментальные и прикладные аспекты антисенс-технологии получили широкое развитие благодаря их многообещающим перспективам в здравоохранении и ветеринарии.

Дальнейшее усовершенствование и повышение эффективности действия технологии предполагает:

создание синтетических антисмысловых олигонуклеотидов с различными реакционно-способными группами, что необходимо для повышения стабильности внутриклеточных комплексов;

освоение механизма доставки антисенс-соединений в клетку.

Развитие антисенс-технологии в стране требует увеличения финансирования работ, наличия современной аппаратурно-приборной базы, подготовки научных кадров и освоения технологии производством.

Электрофорез (от электро... и греч. phoresis - несение, перенесение), направленное движение коллоидных частиц или макроионов под действием внешнего электрического поля. Электрофорез был открыт Ф.Ф. Рейссом в 1807 и считается важнейшей разновидностью электрокинетических явлений.

Электрофорез используют в электрохимии для изучения двойного электрического слоя, адсорбции ионов на поверхности, в медицине (см. Электрофорез лекарственный). В промышленности Электрофорез используют для выделения каучука из латекса, очистки воды, отделения каолина от песка и др. В биохимии Электрофорез служит для анализа, разделения и очистки биополимеров (главным образом белков), бактериальных клеток, вирусов, а также аминокислот, витаминов и др. Практическое применение Электрофорез началось после создания шведским учёным А. Тиселиусом специального аппарата для фронтального (или свободного) Электрофорез белков в растворе (1937). Наиболее широкое распространение нашли электрофоретические методы с использованием инертных носителей (бумаги, гелей и др.), получившие общее название зонального Электрофорез, т.к фракции разделяемых веществ образуют в толще носителя отдельные, несмешивающиеся зоны. Электрофорез часто сочетают с другими методами разделения биоорганических соединений (например, с хроматографией). Разработана техника концентрирования электрофоретических зон биополимеров в гелях, значительно повышающая разрешающую способность метода (диск-Электрофорез). Применение реакции антиген-антитело в сочетании с Электрофорез послужило основой для создания метода иммуно-электрофорез. Электрофоретический анализ биологических жидкостей, например сыворотки крови для исследования главным образом белков, широко используют в диагностике многих заболеваний.

4. Биоинформационные технологии: принципы синергетики и их использование. Стахостический резонанс

За последние тридцать лет синергетика, исследующая процессы самоорганизации сложных, открытых эволюционирующих систем, обрела статус общего междисциплинарного подхода при решении самых разнообразных задач человеческой практики. Стартовав в точном естествознании, ее методы проникли в биологию, экологию, социологию, экономику, политологию. В основе синергетических моделей лежат процессы самоорганизации, отражающие определенные фазовые переходы в условиях сильной неравновесности состояний систем по вещественно-энергетическим или информационным параметрам. Ее методы чрезвычайно актуальны, так как большинство проблем, стоящих сегодня перед Человечеством, отличаются глобальностью, сложностью, нелинейностью, необходимостью выработки стратегии безопасного развития общества.

Синергетика сегодня - это удивительный сплав мощных коммуникационных процессов переноса знаний частных дисциплин до уровня системных универсалий и, затем, часто неотрефлексированной трансляции, экспансии этих знаний в иные области человеческой практики, от материаловедения, до психотерапии, образования и пиар-технологий. Стремления к коммуникации, по большей части, стихийны и мы видим роль философа-методолога не только в том, чтобы подать свой голос в нестройном хоре междисциплинарного хаоса сегодняшнего дня, но и попытаться отыскать ключевые параметры его самоорганизации. Идеи теории самоорганизации, синергетики все в большей степени резонируют сегодня в гуманитарной среде, все ярче звучат ее антропологические мотивы, поэтому так необходимы работы по ее философско-методологического сопровождению в решении проблемы "двух культур". Кроме того, широкий спектр проблем и междисциплинарный язык синергетики, восходящий к базовым структурам обыденного языка, создают единое пространство встречи и взаимопонимания профессионалов и дилетантов, гуманитариев и естественников, теоретиков и прикладников, ученых и обывателей, педагогов и учащихся, которое так же требует социокультурного осмысления.

Стохастический резонанс - что значит это словосочетание?"Стохастический" - это относящийся к области хаоса, к беспорядочному поведению, к процессу, динамика которого случайна и непредсказуема. Известным примером такого процесса является броуновское движение. Слово "резонанс" в самом общем смысле означает сильный отклик какой-либо системы на небольшое внешнее воздействие (знаменитый пример из военной истории: разрушение моста из-за того, что по нему в ногу прошла рота солдат). Важно то, что такой сильный отклик - избирателен, то есть он возникает только при определенных параметрах внешнего воздействия. Например, при вынужденном колебании маятника резонанс возникает, если частота внешнего воздействия сравнивается с собственной частотой колебаний системы.

Вместе же эти два слова означают очень интересное и, на первый взгляд, противоречащее здравому смыслу явление, которое имеет место во многих совершенно различных системах и даже, как оказывается, уже давно используется Природой. Удивительно еще и то, что хотя это явление достаточно простое (для его понимания хватит школьного курса механики), оно было открыто и осознано совсем недавно, в 80-х годах.

Суть явления стохастического резонанса заключается в том, что добавление в систему шума, т.е. хаотического движения, не уменьшает, а наоборот усиливает отклик системы на слабенькое периодическое воздействие. Другими словами, шум не подавляет сигнал, а помогает ему проявиться! И что интересно - наиболее сильный эффект возникает при некоторой вполне определенной, оптимальной интенсивности шума.

Давайте рассмотрим сначала какую-либо бистабильную систему. Слова "бистабильная система" говорят сами за себя - это система с двумя положениями устойчивого равновесия. Простой механический пример - это движение материальной точки в потенциале с двумя минимумами (см. рис.1а). Если на частицу действует еще и сила трения, то ясно, что какие бы мы ни выбрали начальные условия, колебания, в конце концов, затухнут, частица "свалится" в одну из потенциальных ям и будет находиться там неограниченно долго.

Для того, чтобы частица все-таки попала в другую потенциальную яму, надо приложить внешнюю силу. Если эта сила достаточно велика, то она "вытащит" частицу из первой ямы и перекинет ее во вторую. Легко понять, насколько велика должна быть эта сила. На языке потенциала (в данном тексте потенциал используется как синоним потенциальной энергии)"приложить внешнюю силу" означает добавить линейно растущий потенциал, как это показано на рис.1б. Если V (x) - бистабильный потенциал, то внешняя сила должна превосходить величину F₀ = |V (x) |, взятой в точке перегиба, т.е. там, где возвращающая сила, создаваемая потенциалом, самая большая. Тогда суммарный потенциал модифицируется так, как показано на рисунке, и частица скатится во вторую яму.

Если теперь внешняя сила будет периодична по времени, то в результате наша частица будет "скакать" из одной ямы в другую и обратно. Итак, что мы получили: наша бистабильная система откликается на сильное внешнее воздействие. При этом частота, с которой система перескакивает из одного устойчивого состояния в другое, совпадает с частотой внешнего воздействия.

Пока здесь нет ничего удивительного. Если внешнее воздействие очень сильное, то система будет послушно повторять все изменения и колебания этой силы.

Посмотрим, что будет, если внешнее воздействие окажется не столь сильным, т.е. F < F₀. Тогда частица не сможет покинуть яму и так и останется в ней, несмотря на внешнее воздействие. В результате мы получили, что наша система обладает неким порогом чувствительности: при внешней силе F > F₀ система начинает перескакивать из одного состояния в другое с частотой внешней силы, а при F < F₀ система не чувствует внешнее воздействие вовсе. (В принципе можно возразить, что в этом случае частица будет колебаться под действием внешней силы внутри одной ямы. Однако чаще всего, наблюдая реальную бистабильную систему, мы можем сказать только одно - в каком из двух состояний она находится. В этом случае, при F < F₀ мы будем просто видеть, что система "застыла" в одном из своих положений и все. Именно такой случай мы имеем в виду)

Итак, вывод: у бистабильной системы существует некий порог чувствительности к внешним воздействиям. Слишком слабые, т.е. подпороговые воздействия остаются для системы незамеченными.

Возникает вопрос: неужели никак нельзя заставить систему чувствовать подпороговый сигнал? Оказывается, можно! И возможность эту предоставляет именно стохастический резонанс.

Итак, рассмотрим вновь бистабильную систему в отсутствии внешних сил. Система замерла в одном из положений равновесия. Пусть теперь на частицу действует случайная сила, то есть давайте наложим на систему случайное внешнее воздействие, попросту говоря, шум. Под действием этой силы частица будет случайно колебаться. При этом может оказаться и так, что частица, блуждая по одной потенциальной яме, вдруг перескочит и во вторую. Среднее время между такими перескоками равно:

t = exp (DV / D).

Здесь DV - высота барьера, разделяющего две потенциальные ямы, а D - интенсивность шума. Видно, что чем сильнее шум, тем меньше это время, т.е. тем чаще частица перескакивает из одной ямы в другую. Если изобразить зависимость координаты частицы от времени, то получится приблизительно такая картина, как на рис. 3.

4.1 Суть и свойства стохастического резонанса

Что произойдет, если к внешнему шуму добавить и слабенький, подпороговый периодический сигнал? Заметьте, подпороговый, т.е. который сам по себе, без шума, не смог бы вызвать переход системы из одного состояния в другое!

В этом случае частица будет по-прежнему скакать из одной ямы в другую, но характер этого процесса изменится: в нем появится периодическая компонента с периодом, равным периоду внешнего слабого сигнала. То есть, перескоки осуществляются за счет случайной силы, а периодическая добавка лишь "модулирует" эффект (т.е. добавляет свою собственную периодичность). Именно так это подпороговое возмущение и проявляется: шум как бы устраняет непреодолимый ранее потенциальный барьер и заставляет систему откликаться на подпороговый сигнал. Это и есть явление стохастического резонанса.

Самая интересная особенность стохастического резонанса - это то, что существует некая оптимальная интенсивность шума, при которой отклик системы на периодический сигнал самый сильный. Как определить, насколько велик этот отклик, мы уже знаем. Для этого надо построить зависимость координаты частицы от времени и с помощью преобразования Фурье выделить периодическую составляющую сигнала. Тогда амплитуда дополнительного "горба" фурье-образа (рис. 2) будет служить количественной характеристикой чувствительности системы. Действительно, чем выше горб, тем сильнее проявляется внешний периодический сигнал в движении частицы.

Проиллюстрировать эту особенность стохастического резонанса поможет рис.4. На нем показана зависимость координаты частицы от времени при одном и том же слабом периодическом сигнале, но при разных интенсивностях шума. Значения координаты +1 и - 1 соответствуют дну первой и второй потенциальной ямы. Видно, что когда интенсивность шума мала, частица долго находится в одной потенциальной яме, прежде чем перепрыгнуть в другую (рис.4, нижний график). Внешний периодический сигнал здесь никак не проявляется. Когда мы увеличиваем интенсивность шума до оптимальной, частица под суммарным воздействием шума и периодической силы будет синхронно прыгать из одной ямы в другую (рис.4, средний график). Явно видна периодическая составляющая отклика системы, период которой совпадает с периодом внешней силы. Наконец, при дальнейшем усилении шума движение частицы станет все более и более хаотичным; периодическая компонента в отклике будет уменьшаться (рис.4, верхний график). Типичная зависимость отклика системы от интенсивности внешнего шума показана на рис.5. Ясно видно, что при некоторой интенсивности отклик максимален.

Осталось теперь понять, почему вообще существует оптимальная интенсивность шума и чему она должна равняться. Как мы видели выше, заданной интенсивности шума отвечает вполне конкретное среднее время перескока t из одной ямы в другую. Так вот, условие на оптимальную интенсивность шума таково: надо, чтобы вызываемое этим шумом время перескока равнялось половине периода слабого периодического возмущения:

t = T/2.

Как можно понять это требование? Можно условно сказать, что, подождав время t, частица "созрела" для того, чтобы прыгнуть во вторую яму. С другой стороны, мы знаем, что когда мы прикладываем внешнюю силу, мы слегка "наклоняем" потенциал так, как это показано на Рис.6. То есть, мы помогаем частице перепрыгнуть в другую яму, и потому вероятность прыжка в момент наибольшей внешней силы очень велика. Через полпериода T/2, когда частица уже "созрела" для перескока обратно в первую яму, потенциал уже наклонился в другую сторону, опять же способствуя перескоку. Поэтому именно в этот момент частица наиболее охотно совершает прыжок.

Итак, благодаря тому, что "созревание" и период внешней силы синхронизированы, возникает наиболее сильный отклик системы на внешнее периодическое возмущение. Если эти два процесса не синхронизированы, чувствительность к слабой периодической силе уменьшается. Перед нами - типичный пример избирательного воздействия, т.е. резонанса.

Вывод

Биологическим нанокомпьютерам предстоит еще очень долгий путь к тому, чтобы стать сколько-нибудь практической технологией. Однако недавняя работа группы израильских исследователей, опубликовавших статью в журнале Nature (Y. Benenson, T. Paz-Elizur, R. Adar, E. Keinan, Z. Livneh & Ehud Shapiro, "Programmable and autonomous computing machine made of biomolecules", Nature, 414, pp.430-434, 2001), показывает, что ученые уже научились создавать несложные программируемые вычислительные устройства, способные работать в условиях натурального биологического окружения типа клетки. В суммарном подсчете коллективная вычислительная мощь биологических компьютеров в израильском устройстве составляет миллиард операций в секунду при точности вычислений более 99,8%. Затраты же энергии на эти вычисления составляют менее одной миллиардной доли ватта, что делает возможным функционирование таких нанокомпьютеров внутри человеческого тела.

Представляется маловероятным, что в обозримом будущем мы отправимся в ближайший компьютерный магазин покупать ПК на основе ДНК. Однако информационно-биомолекулярные исследования вполне могут привести к технологии, чрезвычайно полезной, к примеру, в фармакологической индустрии. Например, просматриваются возможности создания "живых автоматов", способных обрабатывать ДНК внутри человеческого тела, отыскивая аномалии и вырабатывая исцеляющие препараты. Другая область применения - создание диагностических тестов внутри "умной" бактерии, перепрограммируя ее геном для включения небольших логических схем, которые способны, например, активизироваться в присутствии определенного химиката. А в качестве промежуточного этапа на данном пути видится создание удобного инструментария для ускорения нынешних необъятных работ по секвенсированию ДНК, т.е. восстановлению генома интересующих человека живых организмов.

Пока что вся область ДНК-вычислений пребывает в самом раннем этапе "подтверждения концепции", однако в течение ближайших десяти лет, считают эксперты, эта технология начнет выходить на рубеж реальных применений.

Многие эксперты полагают, что в 2010-2020 гг. будет отмечаться снижение предложения углеводородного сырья. Вследствие этого к 2025 году доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе возрастет с нынешних 5% до 10%, а к 2050 году до 50%, в странах ЕС к 2010 году эта доля увеличится до 12% (против 6% в 2000 году), а в общем производстве электроэнергии до 22%.

Согласно расчетам Международного экономического форума возобновляемых источников энергии IWK, суммарная выработка электроэнергии с использованием возобновляемых источников составила примерно 2,8 трлн кВт/час, а общемировая выработка электроэнергии - 14 трлн кВт/час. Среди возобновляемых источников на первом месте - ГЭС - 2,7 трлн, на втором месте геотермальная энергетика - 50 млрд, на третьем - ветроэнергетика - 23 млрд. По их оценке, в 2010 году возобновляемые источники энергии обеспечат выработку 3,5 трлн кВт/час электроэнергии. Наиболее высокие темпы роста прогнозируются в ветро- и солнечной энергетике. Объем продаж оборудования для выработки электроэнергии с использованием возобновляемых источников возрастут с 12 млрд евро в 2000 г. до 30 млрд в 2010 г.

Перечень литературы

Пивоварова З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. - Л., Гидрометеоиздат, 1988.

Евдокимов В.М. Некоторые новые теоретические модели фотопреобразователей и перспективы повышения их КПД. /Под ред. Семёнова Н. Н., Шилова А.Е. Москва, Наука, 1995г.

Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М., Наука, 1985г., 280 стр.

Журнал "ГЕО". №11, ноябрь 1999г. Статья Ханне Тюгель "Гигаватты солнечного электричества".

Тихомиров О.К. Проблемы искусственного интеллекта. - М.: Высш. шк., 1987. - 211с.

Акапкин Ю.К. и др. Биотехника - новое направление в компьютеризации- М.: Наука, 1990. - 144с.

Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. - М.: Мир, 1990. - 342с.

Синергетика и фракталы в материаловедении/ В.С. Иванова, А.С. Баланкин, И.Ж. Бунин, А.А. Оксогоев. - М.: Наука, 1994. - 383 с.

Хакен Г. Информация и самоорганизация: Макроскопический подход к сложным системам. - М.: Мир, 1991. - 240 с.

Займан Дж. Модели беспорядка. - М.: Мир, 1982. - 591 с.

Морозов А.А., Ященко В.А. Интеллектуализация ЭВМ на базе нового класса нейроподобных систем. - Киев: Тираж, 1997. -125 с.

Шаповалов В.И. Основы синергетики. М.: Испо-Сервис, 2000. -354с.

Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М.: Наука, 1990. - 226с.

Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. -279с.

http://www.biochip.ru/.

Вопрос №1: Нанокомпьютер - это...

Вопрос №2: солнечное излучение, падающее на землю, обладает рядом характерных особенностей

Вопрос №3: антисенс-технологии (антисмысловые) - это …

Вопрос №4: Электрофорез - это …