Calculatoarele vii - o solutie pentru viitor?

Istoria calculatoarelor incepe acum 5.000 de ani in Babilon cu inventarea primului abac. De atunci s-au intamplat foarte multe. Calculatoarele asa cum le stim astazi isi au originea in 1936, cand un

Istoria calculatoarelor incepe acum 5.000 de ani in Babilon cu inventarea primului abac. De atunci s-au intamplat foarte multe. Calculatoarele asa cum le stim astazi isi au originea in 1936, cand un englez, Alan M. Turing, a lansat notiunile de calculabilitate si a adaptat notiunea de algoritm la calculul functiilor. Astfel masina Turing este definita ca masina ce este capabila sa rezolve orice functie calculabila. In 1945 John von Neumann descrie conceptul de functionare al programelor stocate pentru EDVAC. Astazi este clar unde s-a ajuns, nu se mai poate trai fara calculator, acesta fiind practic peste tot, in toate ramurile de activitate. Totusi vrem sa stim incotro va merge aceasta dezvoltare. De cativa ani, matematicienii, biologii si in special informaticienii privesc cu interes spre un domeniu cu totul nou, si anume calculatorul biologic. Acest domeniu foarte tanar a aparut in urma unui experiment al lui Len Aldeman. Acesta a avut ideea de a folosi ADN la rezolvarea unei probleme de matematica. Reusita sa a lansat domeniul calculului cu material organic. In acest domeniu cea mai noua directie a fost lansata in Romania de academicianul Gheorghe Paun. El a inventat modelul matematic al calculatoarelor cu membrana. Acest concept reprezinta o extindere a calculului cu ADN, celula avand o structura mult mai complexa, iar modelele teoretice sunt altele. In doar patru ani de cand Gheorghe Paun a lansat aceasta teorie, peste doua sute de lucrari au fost publicate in intreaga lume iar interesul pentru subiect este urias. Anual are loc un seminar organizat de Consortiul European de Calcul Molecular la Curtea de Arges. Anul acesta peste 50 de matematicieni si informaticieni din Romania, Franta, Germania, Italia, Austria, Spania, Ungaria, Moldova, Olanda, India, Finlanda, Anglia, Canada, SUA, Polonia au sosit la acest seminar. Simpozionul a fost organizat de Institutul de Matematica al Academiei Romane, Universitatea Milano-Bicocca, Italia, si Colegiul National Vlaicu-Voda din Curtea de Arges si a mai fost sprijinit financiar si de Institutul de Microtehnologie din Bucuresti. Academicianul Gheorghe Paun a avut amabilitatea sa ne acorde in exclusivitate un interviu. - Domnule Gheorghe Paun, ce reprezinta calculul biologic? - Cadrul foarte general al calculului natural vrea sa se inspire din natura cu scopul de a avea algoritmi mai buni pentru calculatorul obisnuit fie pentru a construi noi tipuri de calculatoare, "calculatoare vii". Aici sunt foarte multe distinctii de facut. Aldeman a facut un calcul in eprubeta. Deci el a demonstrat ca se poate calcula cu ADN-ul eficient si ieftin. De aici pana la un calculator, care trebuie sa fie programabil, e cale lunga. Nu stiu daca se va realiza vreodata un calculator universal biologic deoarece noi avem calculatoare bune, iar scopul nu este sa fie inlocuite acestea, ci sa facem ceva complet diferit. Sunt anumite probleme pentru care calculatorul secvential de astazi nu este bun. Spre exemplu, un calcul pentru rezolvarea unei probleme de intrari contabile financiare unde complexitatea creste exponential. Timpul necesar pentru rezolvarea unei asemenea probleme pe un calculator obisnuit este prea mare. O solutie ar fi paralelizarea calculului astfel incat sa fie impartit in bucati mai mici ce vor fi calculate simultan. Din pacate, in cazul siliciului apar probleme tehnice extrem de complexe. In acest caz biologia ofera o posibila solutie pentru ca ea opereaza cu seturi de date extrem de compacte. Pe molecula de ADN se pot scrie volume uriase de date, iar aici avem patru litere si nu zero si unu, ca la calculatoarele obisnuite. - Sa intelegem ca un biocalculator nu va mai folosi codul binar, ci unul in baza patru? - Evident, in cazul ADN-ului asa este, totusi se pot folosi si alte proteine ce au mai multe nucleotide dar nu sunt inca suficient studiate. - Care sunt directiile de studiu in acest domeniu? - Algoritmii genetici, retele neurale, DNA computing - calculul pe baza de ADN si Membrane computing - calculul pe baza de membrane reprezinta cele patru domenii de baza ale calculului natural. Algoritmii genetici si retelele neurale sunt implementate pe calculatorul obisnuit, DNA computing-ul vrea un nou tip de calcul pe un suport viu si calculul cu membrane care este mai tanar si care nu stiu unde se va aplica, fie pe calculatorul obisnuit ori laboratorul de biochimie sau chiar la un calculator de tip nou, electronic dar cu o alta structura total diferita. Bineinteles exista posibilitatea sa ramana la nivel de teorie. - Presupunand ca am realiza un calculator viu, calculele executate cu acesta sunt exacte? - In teorie da, in practica nu. Biochimia lucreaza cu probabilitati, cu intamplare, cu aproximatii. ADN-ul se bazeaza pe un model exact de perechi ce nu sunt respectate intotdeauna in natura. Aceasta este principala problema a acestor calcule. - Avand in vedere ca se opereaza cu materie organica, aceasta nu moare, defectand posibilul calculator viu? - Aceasta intrebare este prematura deoarece pe matematician nu il preocupa acest lucru, iar cu acest material se face un singur calcul. Pe de alta parte ADN-ul face parte dintr-un material ce nu este viu. E adevarat ca la calculul cu membrane lucrurile se schimba. Dar noi vorbim deocamdata despre partea teoretica. Punctul de plecare este daca celula vie calculeaza. - Ce inseamna celula din punctul dumneavoastra de vedere? - O structura de membrane, de compartimente si chimicale care reactioneaza in interior, comunicare intre compartimente. Teoretic cu aceasta structura se pot face foarte multe si ca putere de calcul, si ca performanta. Se pot rezolva probleme exponentiale in timp liniar. Nu exista deocamdata nici un experiment reusit. - Din punct de vedere al exactitatii calculului nu trebuie introduse anumite controlere care sa elimine rezultatele gresite? - Rezultatele sunt aproximative dar daca sunt suficient de exacte le putem folosi in practica. Spre exemplu nu putem proiecta un avion cu aproximari, in schimb putem sa calculam cu probabilitate de 99% ca un numar este prim sau nu, aceasta este suficient pentru a introduce acel numar intr-un algoritm de criptare. O alta provocare ar fi aceea sa gasim probleme care sa admita erori. Aici intervine modul diferit de lucru cu aceste materiale; un paralelism ar putea fi acela ca se opereaza cu multimi ce interactioneaza cum vor ele si nu sunt bazate pe un determinism exact. De exemplu daca amesteci un numar de molecule de hidogen cu o multime de molecule de oxigen, vei obtine cu o probabilitate de 100% apa fara sa te intereseze care molecula interactioneaza si cu cine. - Care sunt sperantele dumneavoastra? - Domeniul creste, din punct de vedere matematic este un succes, matematicianul informatician inca mai are mult de lucru in acest domeniu. - De ce nu exista experimente reusite si cu membranele asa cum au fost cu ADN-ul? - In primul rand domeniul este foarte tanar, apoi membranele au fost descoperite mult mai tarziu decat ADN-ul. Spre exemplu, o structura a unei celule cu cinci compartimente nu poate fi realizata cu tehnica de astazi. De aceea nu sunt foarte optimist in implementarile in biochimie. Conceptele studiate de mine pot fi aplicate si in alte domenii. Ar fi amuzant sa va spun ca se poate calcula pe harta Europei. Se indeplinesc toate cerintele matematice ale unei celule. Exista granite ce pot fi considerate membrane, iar informatia circula prin trecerea oamenilor peste granita in mod legal sau ilegal. Exista si modele mai exotice cum ar fi reprezentarea matematica a trei populatii: ierburi, carnivore si ierbivore unde ierburile cand sunt mancate lanseaza un miros ce este receptat de carnivore si in acest fel incepe vanatoarea de ierbivore iar ierburile scapa. - Daca facem o comparatie intre calculatoarele clasice si cele biologice in ce an de dezvoltare ne aflam? - In anii 30 cand se dezvolta teoria matematica ce a fost folosita ulterior pentru realizarea computerelor de astazi. Inca se mai asteapta idei noi care sa dea noi avanturi acestor domenii. Avem nevoie de un Von Neumann.