Вопрос 10. Биологическая сущность диссимиляции.
Размеры вычислительных устройств постоянно уменьшаются. Когда-то предполагалось, что более мощные машины будут требовать больше места для периферийных устройств, памяти и т. д. Это предположение оказалось неверным. В 1965 году Гордон Мур сформулировал действующее и сейчас правило (названное законом Г. Мура), согласно которому производительность вычислительных систем удваивается каждые восемнадцать месяцев. Мур вывел свой эмпирический закон, построив зависимость числа транзисторов в интегральной микросхеме от времени (рис. 5). Как следствие из этого закона можно вывести темпы миниатюризации отдельного транзистора.
Рис. 5. Оригинальная запись закона Гордона Мура, публикация о котором впервые появилась в Electrinics Magazine
Ежегодное уменьшение на 10-30% размеров элементарных вычислительных модулей приведет в ближайшие 5-10 лет к практическому применению устройств с элементарными модулями размером примерно в 100-200 ангстрем (0,01-0,02 мк). Другими словами, быстрое развитие цифровых электронных технологий приводит к тому, что размер элементарного вычислительного устройства приближается к размеру молекулы или даже атома.
На таком уровне законы классической физики перестают работать и начинают действовать квантовые законы, которые для многих важных динамических задач еще не описаны теоретически. Для описания работы таких устройств неприменимы классические объекты и методы информатики. В частности, в силу квантового принципа неопределенности Гейзенберга, в таких микроскопических системах нет аналога понятию "bit".
Вместо двоичных цифр новые устройства будут оперировать с "волновыми функциями" ("квантовыми битами"). В некотором смысле, информатика в своем развитии в недалеком будущем должна будет перейти от "арифметики" к "функциональному анализу". С одной стороны, это обусловливает переосмысление и замену основных классических (неквантовых) алгоритмов, а с другой - дает возможность вплотную подступиться к решению проблем искусственного интеллекта.
В научно-исследовательских лабораториях крупнейших университетов и транснациональных ИТ-компаний рассматриваются несколько возможных основных направлений создания элементной базы нового поколения вычислительных устройств
на принципах ядерного магнитного или электронного парамагнитного резонанса;
на атомных ионах, помещенных в ловушки Паули или Пеннинга;
с использованием явления сверхпроводимости;
на квантовых точках в полупроводниковых неорганических системах;
на основе оптической симуляции квантовой логики или на металло-биологической гибридной основе.
Многие из указанных направлений имеют существенные недостатки, которые в некоторых случаях приводят к принципиальной невозможности создания конкурентоспособного вычислительного устройства. Характерным примером является проект корпорации IBM, которая в 1999 году только на первый этап разработки молекулярной элементной базы нового поколения выделила 17 миллиардов долларов на 5 лет. В результате был создан макет, оперирующий с 5 или 7 квантовыми битами и весом около 7 тонн, способный решать только примитивные задачи типа разложения числа 15 на два множителя 5 и 3.
В настоящее время наиболее перспективным направлением разработки элементной базы компьютеров нового поколения представляется использование самоорганизующихся квантовых точек в твердотельных системах, которые могут выполнять функции квантовых битов и быть связанными в квантовый регистр на основе, например, электростатического или магнитного типа взаимодействия.
Контрольные вопросы:
1. Что такое программа?
2. Что такое инструменты?
3. Назовите уровни и категории программирования?
Вопрос 10. Биологическая сущность диссимиляции.
А) Гликолиз – первый и самый древний этап диссимиляции (анаэробный).
- возник ранее, чем растительный мир занял свою эволюционную нишу.
- самый надежный механизм извлечения энергии.
- но менее эффективный энергетический механизм.
- в ходе гликолиза клетка может запасти только 2 молекулы АТФ.
-в анаэробных условиях пируват переходит в лактат.
Тканевое дыхание – самый эффективный и сложный из этапов диссимиляции (протекает в митохондриях).
- аэробный процесс.
- появился на более поздних этапах, после возникновения растений.
- самый эффективный энергетический механизм, но зависящий от присутствия кислорода.
- в ходе тканевого дыхания клетка способна запасти 36 молекул АТФ.
Б) Энергообразующая система клетки.
-Состоит из лизосом и митохондрий.
-Служит основным источником энергии клетки в виде АТФ.
-В ней происходят процессы диссимиляции(гликоли и тканевое дыхание).
В) Фотосинтез – механизм, благодаря которому гетеротрофы получили возможность эволюционировать.
Отличие фотосинтеза от дыхания:
- фотосинтез происходит в хлоропластах.
- из неорганических веществ, синтезируются органические.
- в атмосферу выделяется кислород.
- необходим свет.
Сходство:
-образуется 38 молекул АТФ.
Г)Сопряженный с окислением процесс образования АТФ – окислительное фосфорилирование.
- в ходе этого окисления часть энергии переходит в энергию макроэргических связей.
Д) Лихорадка – защитная реакция организма направленная, как правило, на борьбу с чужеродным фактором. Усиление окисления сопровождается усилением фосфорилирования – достигается дополнительный приток энергии.
Гипертермия – пагубный процесс, сопровождающийся разобщением процессов окисления и фосфорилирования – перегрев организма не сопровождающийся накоплением дополнительной энергии.
Е) Второй закон термодинамики для открытых систем.
Энтропия возрастает – система стремится самопроизвольно перейти из менее вероятного в более вероятное состояние.
Ж)Энтропия – функция состояния, изменение которой равно теплоте подведенной или отданной системой в обратимом процессе деленной на температуру , при которой осуществлялся процесс.
З) Космическая роль зеленых растений.
- зеленые растения создали запас кислорода на нашей планете, благодаря которому стала возможна дальнейшая эволюция.
- К.А. Тимирязев раскрыл космическую роль растений показав, что необходимые для диссимиляции гетеротрофов вещества создаются и запасаются пигментом хлорофиллом зеленых растений.
- только растения способны использовать неорганические вещества для синтеза органических (глюкоза) и выделять при этом в атмосферу кислород, необходимый гетеротрофам.
Формула Эйнштейна в применении к фотосинтезу:
E=mc
E- энергия,
m – масса,
с – скорость света.
И) Митохондрия – самостоятельный «организм». Она состоит из наружной мембраны, внутренней мембраны, крист и матрикса (митозоль). Они участвуют в процессе клеточного дыхания и запасании для клетки энергии в виде молекул АТФ.
Эндосимбиотическая теория возникновения митохондрий:
Митохондрии – бывшие прокариоты, вступившие в симбиоз с древними эукариотическими клетками.
К) Все энергетические превращения в организме переходят в тепло. Для человека свойственна гомойотермия – сохранение относительно постоянной температуры тела. Температурный гомеостаз = тепловой гомеостаз. Температурный гомеостаз имеет существенные особенности на разных этапах онтогенеза.
Человек – термодинамическая открытая система, находящаяся в постоянном термодинамическом неравновесии со средой.
Центральным звеном, ответственным за терморегуляцию считают гипоталамус.
Энергетический гомеостаз организма человека представляет собой колебательную ритмическую систему.
Проблемы:
Снижение уровня температурного гомеостаза и его суточного ритма. Обусловлено снижением энергетического потенциала в клетках организма.
Отклонение от энергетического оптимума организма. Ведет к снижению неравновесности биосистемы в целом.
Рост энтропии. Изменение важнейшего показателя уровня жизнеспособности – амплитуды суточного ритма.
Снижение уровня обмена веществ.
Снижение амплитуды суточного ритма интенсивности теплопродукции. Обусловлено уровнем траты энергии на синтез белков, углеводов и липидов, уровнем активности транспорта ионов через мембраны клеток.
В процессе онтогенеза по мере удаления от зрелого возраста доля амплитуды суточного ритма к доле амплитуд биоритмом других спектров уменьшается, т.е. удаляется от Золотого сечения в сторону уменьшения порядка и роста энтропии в спектральном составе биоритмов температуры тела.
БИОСИСТЕМЫ И ВТОРОЙ ПРИНЦИП ТЕРМОДИНАМИКИ
В биосистемах протекают процессы, при которых энергия в соответствии с этим принципом переходит с более высокого на более низкий уровень. Это, например, процесс дыхания. В ходе его богатые энергией соединения (углеводы) распадаются до простых низкоэнергетических веществ - воды и углекислоты, а выделившаяся свободная энергия используется для протекания других процессов (например, синтеза АТФ). Однако хорошо известно, что в живых системах осуществляются и такие процессы, в ходе которых энергия переходит с более низкого на более высокий уровень. Так, например, происходит при фотосинтезе. Здесь, как известно, из простых бедных энергией соединений углекислоты и воды при участии квантов света синтезируются вещества (например, углеводы), содержащие значительный запас свободной энергии. Для рассмотрения приложимости второго принципа термодинамики к биосистемам следует брать не организм как таковой, а организм вместе с участком среды, обеспечивающим его нормальное функционирование в течение определенного времени. Такая система получила название условно изолированной системы. К ней второй принцип термодинамики полностью приложим. В отдельных участках этой системы энтропия, казалось бы вопреки второму принципу термодинамики, может даже уменьшаться (например, в зеленом листе при фотосинтезе). Однако это уменьшение происходит за счет возрастания энтропии в другой части такой системы (например, в источнике света, от которого световая энергия поступает в лист). В результате общая энтропия такой системы в соответствии со вторым принципом термодинамики не уменьшается, а имеет тенденцию к увеличению. Таким образом, можно констатировать, что, так же как и к неживым объектам, второй принцип термодинамики приложим и к биосистемам. Протекание процессов в них идет в соответствии с этим принципом и энтропии здесь принадлежит важная роль.
Энергетическую характеристику открытой биологической системы в соответствии со вторым принципом термодинамики можно дать на основе баланса (обмена) энтропии. Это впервые сделал бельгийский ученый, лауреат Нобелевской премии И. Пригожин. Если обозначить dS / dt - скорость изменения энтропии открытой системы, diS / dt - скорость образования энтропии в системе за счет внутренних необратимых процессов, deS / dt - скорость обмена энтропией с внешней средой, то уравнение Пригожина имеет вид
причем член diS / dt, по определению, всегда положителен, а член deS / dt может быть как положительным, так и отрицательным.
Таким образом, это изящное уравнение в лаконичной и обобщенной форме выражает суть энергетических процессов, происходящих в открытой биологической системе.
РОЛЬ ЭНТРОПИИ В БИОСИСТЕМАХ
Энтропия как мера рассеяния энергии при необратимых процессах. В этом аспекте данная функция полностью приложима к биосистемам. Чем больше возрастание энтропии при каком-либо процессе, тем больше рассеяние энергии и тем более необратим данный процесс.
Энтропия как мера возможности процесса. В этом качестве энтропия выполняет важную роль, и приговор ее непререкаем. Самопроизвольно могут протекать только такие процессы, при которых эта функция или увеличивается (необратимые), или остается постоянной (обратимые). Процессы, при которых энтропия уменьшается, самопроизвольно протекать не могут, то есть термодинамически невозможны. Эта роль энтропии полностью приложима и к биологическим системам.
Энтропия как мера упорядоченности системы. Мы уже говорили, что энтропия отражает ту часть энергии системы, которая деградировала, то есть равномерно рассеялась в виде тепла. Таким образом, чем меньше порядка в системе, то есть чем меньше градиенты энергии, тем больше ее энтропия.
Особенно четко связь энтропии с упорядоченностью системы проявляется в формуле Планка-Больцмана, которая связывает энтропию с термодинамической вероятностью:
S = k ln W,
где S - энтропия, k - постоянная Больцмана, равная 1,38 " 10- 23 Дж " К-1, или 3,31 " 10- 24 энтропийных единиц (1 энтропийная единица равна 1 кал " град-1), и W - термодинамическая вероятность, то есть число способов, которыми достигается данное состояние. Она всегда больше единицы. В общем виде она равна:
где (если речь идет о молекулах) N - общее число молекул, Ni - число молекул в i-м фазовом объеме.
Основные формы обмена веществ.
Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен, синтез органических веществ.)
Одна из сторон обмена веществ. Включает процессы синтеза аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов , а также макромолекул белков, полисахаридов, жиров, нуклеиновых кислот, АТФ. Процесс происходит в три этапа:
1 этап
Синтез промежуточных соединений из низкомолекулярных веществ (органических кислот, альдегидов);
2 этап
Синтез «строительных белков» из промежуточных соединений (аминокислот, жирных кислот, моносахаридов);
3 этап
Синтез из «строительных белков» макромолекул белков, нуклеиновых кислот ,полисахаридов, жиров. Идет с поглощением энергии и участием ферментов.
Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен, распад органических веществ)
Одна из сторон метаболизма, происходящего в любой живой клетке. Катаболизм, или процесс расщепления сложных органических веществ(пищевых, запасных), осуществляются постепенно, в три этапа:
1 этап подготовительный
2 этап бескислородный (гликолиз)
3 этап кислородный.
При этом обязательно участвуют ферменты и выделяется энергия, необходимая для синтеза АТФ и согревании организма(тепловая). Вся энергия, необходимая гетеротрофному организму для жизнедеятельности, получается в результате расщепления органических веществ пищи. Чем больше огранизм испытывает физических нагрузок, тем больше энергии должна содержать пища и, наоборот, при легкой физической нагрузке пища должна быть малокалорийной.