بيوکامپيوترها

بيوکامپيوترها از ملکول های زيستی به عنوان داده های اوليه برای انجام عمليات محاسباتی خود استفاده می کنند. يک بيوکامپيوتر از يک مسير يا مجموعه ای از مسيرهای متابوليکی تشکيل شده است که مواد اوليه را بر اساس شرايط سيستم، در مسير معينی هدايت می کند.

روند انجام واکنش ها که در نهايت منجر به تشکيل ترکيبات خروجی می گردد، بر اساس طراحی بيوکامپيوتر است و می تواند نمونه ای از آناليزهای کامپيوتری باشد.

انواع بيوکامپيوترها عبارتست از:
کامپيوترهای بيوشيميايی، کامپيوترهای بيومکانيکی و کامپيوترهای بيوالکترونيکی.

کامپيوترهای بيوشيميايی :

کامپيوترهای بيوشيميايی برای انجام فعاليت خود، انواع زيادی از حلقه های بازخوردی ــ که مشخصه ی واکنش های شيميايی زيستی است ــ را به کار می اندازند. حلقه های بازخوردی در سيستم های زيستی، تنوع فراوانی دارند و عوامل متفاوتی می تواند برای يک مرحله ی بيوشيميايی خاص، بازخورد مثبت يا منفی فراهم آورد و به ترتيب منجر به افزايش يا کاهش بازده توليد شيميايی گردد.
اين عوامل ممکن است ميزان آنزيم های کاتاليتيکی، مقدار مواد واکنش دهنده و يا مقدار محصولات موجود، باشد. وجود ملکول های پيوندی نيز ممکن است فعاليت شيميايی هر يک از عوامل مزبور را تغيير دهد.

ماهيت اين سيستم های بيوشيميايی از طريق مکانيسم های متفاوتی تنظيم می شود؛ به عنوان مثال يک مکانيسم تنظيمی، مسير شيميايی ويژه ای را به گونه ای هدايت می کند که مجموعه ای از ترکيبات ملکولی در شرايط شيميايی خاصی، يک محصول و با تغيير شرايط، محصول ديگری توليد می کند.

محصول ويژه ی حاصل از يک مسير، بر اساس شرايط شيميايی اوليه ی سيستم ــ يعنی ورودی ــ سيگنالی است که همراه با سيگنال های شيميايی ديگر به عنوان خروجی سيستم، محسوب می شود

کامپيوترهای بيومکانيکی:

کامپيوترهای بيومکانيکی از اين جهت مشابه کامپيوترهای بيوشيميايی هستند که اطلاعات خروجی آنها بسته به وضعيت ورودی سيستم، ابزاری برای ارزيابی عملکرد آنها به شمار می رود اما از لحاظ کيفيت سيگنال خروجی با کامپيوترهای بيوشيميايی تفاوت دارند.

در کامپيوترهای بيوشيميايی وجود يا غلظت معينی از مواد شيميايی خاص، نقش سيگنال خروجی را دارد اما در کامپيوترهای بيومکانيکی، شکل مکانيکی يک ملکول ويژه يا مجموعه ای از ملکول ها با احتساب شرايط اوليه، به عنوان خروجی در نظر گرفته می شود.

کامپيوترهای بيومکانيکی برای محاسبات خود به ماهيت ملکول های خاص، برای پذيرفتن اشکال فيزيکی ويژه، در شرايط شيميايی اختصاصی، وابسته هستند. ساختار مکانيکی ــ فضايی انحصاری محصول، خروجی کامپيوتر بيومکانيکی است.

کامپيوترهای بيوالکترونيکی:

بيوکامپيوترها همچنين به منظور انجام محاسبه ی الکترونيکی ايجاد می شوند. در کامپيوترهای بيوالکترونيکی مانند کامپيوترهای بيوشيميايی و بيومکانيکی، محاسبات با در نظر گرفتن شرايط اوليه ــ ورودی ــ بواسطه ی تفسير يک خروجی خاص انجام می شود.

در کامپيوترهای بيوالکترونيکی خروجی قابل اندازه گيری، قطبيت الکتريکی است به اين صورت که بيوملکول های قطبی، جريان الکتريکی را در مسيرهای مشخص، بر اساس شرايط اوليه يا ورودی سيستم بيوالکترونيکی، منتقل می کنند.

طراحی بيوکامپيوترها:

عملکرد بيوکامپيوترها به ملکول های سازنده ی آنها که عمدتا پروتئينی و به ميزان کمتر ملکول های DNA است، بستگی دارد. فناوری زيستی نانو (نانوبيوتکنولوژی)، ابزارهای لازم برای ترکيب اجزاء شيميايی متعدد و ايجاد سيستم بيوکامپيوتری را فراهم می آورد.
ماهيت شيميايی يک پروتئين بوسيله ی توالی اسيدهای آمينه ی آن مشخص می شود. اين توالی در ابتدا بواسطه ی ترادف مخصوصی از نوکلئوتيدهای DNA تعيين می گردد.
برای ساخت هر ملکول پروتئينی که در آن تعداد مشخصی اسيد آمينه ی ويژه با ترتيب خاصی وجود دارد، لازم است ابتدا ضمن فرايند رونويسی، پيام های ژنتيکی از زنجيره ی الگوی DNA به mRNA انتقال يابد و سپس رمزهای ژنتيکی توسط اندامک های مخصوصی موسوم به ريبوزوم ها خوانده شود. به ازای هر رمز ژنتيکی که دارای سه نوکلئوتيد با ترتيب مخصوص است، يک اسيد آمينه به زنجيره ی پپتيدی تشکيل دهنده ی پروتئين وارد می شود.

هدف از طراحی چنين بيوکامپيوتری اين است که از طريق توالی های نوکلئوتيدی DNA، ترکيبات پروتئينی لازم برای يک سيستم زيستی محاسباتی فراهم گردد. همچنين ملکول های DNA مصنوعی (سنتزی) ممکن است خود را تابع عملکرد يک سيستم بيوکامپيوتری ويژه کنند؛ بنابراين فناوری زيستی نانو، امکان طراحی و توليد پروتئين های مصنوعی را ميسر می سازد ضمن آنکه ملکول های DNA مصنوعی نيز می توانند ساختمان بيوکامپيوترهای در حال کار را بپذيرند.

ارزش اقتصادی بيوکامپيوترها:

از خصوصيات همه ی موجودات زنده و واحدهای شيميايی تشکيل دهنده ی آنها، توانايی همانندسازی است که تداوم حيات بدون آن، ممکن نيست. ارزش اقتصادی بيوکامپيوترها بر توانايی همه ی سيستم های زيستی برای همانندسازی در شرايط اختصاصی، استوار است. برای مثال همه ی پروتئين های ضروری برای يک مسير بيوشيميايی مخصوص که طرحی از يک بيوکامپيوتر است، می توانند از يک رشته ملکول DNA چندين بار بيشتر از آنچه درون سلول زيستی ساخته می شوند، توليد گردند و ملکول DNA نيز می تواند چندين بار همانندسازی کند.
اين ويژگی ملکول های زيستی، توليد آنها را بسيار کارآمد و نسبتا اقتصادی می سازد.
در حاليکه بخش های مختلف کامپيوتر غير زيستی به فرايندهای توليد گسترده، نياز دارد، اجزاء بيوکامپيوترها می تواند از طريق مراحل همانندسازی ممکن در هر سلول زيستی، به مقدار زياد توليد شود و به صورت يک منبع مناسب در دسترس باشد.

پيشرفت های جالب توجه در فناوری بيوکامپيوتری:
معمولا بيوکامپيوترها توانايی های عملکردی متفاوتی دارند و محاسبات رياضی و منطقی را انجام می دهند. نخستين بار T. Knight از آزمايشگاه هوش مصنوعی MIT يک طرح محاسباتی بيوشيميايی را پيشنهاد کرد که بر طبق آن غلظت های پروتئينی به عنوان سيگنال های دوتايی به کار می رود. نزديک يا بيش از يک غلظت معين از يک محصول بيوشيميايی ويژه در يک مسير شيميايی بيوکامپيوتر، سيگنالی را نشان می دهد که به طور مثال معادل 1 است و غلظت کمتر از اين سطح، سيگنال معادل 0 را نشان می دهد.
با استعمال اين روش به عنوان تحليل محاسباتی، کامپيوترهای بيوشيميايی می توانند اعمال منطقی را در مواردی که نتيجه همراه با بازده دوتايی مناسب است، انجام دهند.

علاوه بر انواع اعمال منطقی، بيوکامپيوترها توانايی های ديگری نظير محاسبات رياضی را از خود نشان داده اند. چنين نمونه ای توسط W.L. Ditto در سال 1999 ارائه شد. او بيوکامپيوتری متشکل از سلول های عصبی خفاش طراحی کرد که توانايی انجام جمع ساده را داشت.

اين موارد، تنها نمونه های اندکی از کاربرد قابل توجه بيوکامپيوترهايی است که در گذشته طراحی شده اند و امروزه توانايی های بيوکامپيوترها به طور فزاينده ای در حال افزايش و پيچيدگی است. با توجه به دسترسی آسان و کارآيی اقتصادی توليد بيوملکول ها و بيوکامپيوترها، فناوری بيوکامپيوترها يک موضوع کاربردی مهمی است که انتظار می رود در آينده پيشرفت بسياری داشته باشد.

چشم انداز آينده ی بيوکامپيوترها:

تاکنون انواع بسياری از بيوکامپيوترهای ساده طراحی شده اند اما قابليت های اين بيوکامپيوترها در مقايسه با کامپيوترهای غير زيستی در دسترس، از نظر تجاری، هنوز به طور کامل شناخته نشده است. به طور قطع بيوکامپيوترها پتانسيل بالايی دارند که به زودی در بازدهی عملکردی آنها آشکار خواهد شد. گواه پتانسيل واقعی در قابليت های محاسباتی بيوکامپيوترها، بيوکامپيوتر مغز انسان است که قدرتمندترين دستگاه پيچيده ی محاسباتی به شمار می رود.
روش های زيادی برای بهبود بخشيدن توان محاسباتی بيوکامپيوتر می تواند وجود داشته باشد که دستيابی به آنها، دانش بيوکامپيوترها را با تحول شگرفی مواجه خواهد ساخت

نگاهی به بيوکامپيوتر مغز انسان:
دستگاه عصبی انسان شامل بخش ورودی حسی، سيستم عصبی مرکزی و بخش خروجی حرکتی است. گيرنده های بخش حسی، دريافت وضعيت داخلی بدن يا محيط اطراف را بر عهده دارند؛ سيستم عصبی مرکزی که از مغز و نخاع تشکيل شده است، واکنش های متناسب با داده های بخش حسی را تعيين می کند و سپس سيگنال های مناسب از طريق بخش خروجی حرکتی صادر می شود.

سيستم عصبی مرکزی از بيش از 100 بيليون سلول عصبی (نورون) تشکيل شده است. سيگنال های ورودی از طريق سيناپس های موجود بر روی دندريت ها و جسم سلولی، وارد نورون می شوند. سيناپس، نقطه ی ارتباط يک نورون با نورون بعدی است و محل مناسبی برای تنظيم انتقال سيگنال ها به شمار می رود. در انواع مختلف سلول های عصبی ممکن است چند صد تا 200 هزار ارتباط سيناپسی از فيبرهای ورودی وجود داشته باشد. از سوی ديگر سيگنال های خروجی از طريق يک آکسون که نورون را ترک می کند، خارج می شوند. آکسون، شاخه های مجزای متعددی به قسمت های ديگر سيستم عصبی يا محيط بدن می فرستد.

قسمت عمده ی فعاليت سيستم عصبی به بخش ورودی حسی وابسته است که از گيرنده های حسی بينايی، شنوايی، لمسی و يا ساير انواع گيرنده ها آغاز می شود. يک تجربه ی حسی می تواند موجب يک واکنش فوری گردد و يا برای مدت زمان طولانی در مغز به حافظه سپرده شود و باعث تسهيل واکنش ها در آينده گردد.

مهمترين نقش نهايی سيستم عصبی، تنظيم فعاليت های انسان است که از طريق انقباض عضلات اسکلتی در سراسر بدن، انقباض عضلات صاف در اندام های داخلی و ترشح غدد برون ريز و درون ريز صورت می گيرد و در مجموع، اعمال حرکتی سيستم عصبی ناميده می شود.

پردازش داده ها و ذخيره ی اطلاعات در سيستم عصبی:
از ويژگی های قابل توجه سيستم عصبی، پردازش داده های ورودی است که طی مراحلی به بروز پاسخ های حرکتی مناسب می انجامد. بررسی ها نشان می دهد بيش از 99 درصد ورودی های حسی بوسيله ی مغز، بی اهميت تشخيص داده می شود و حذف می گردد. به عنوان مثال انسان معمولا به طور دائم از وضعيت قسمت هايی از بدن خود که با لباس ها يا کفش هايش تماس دارند، آگاه نيست يا سر و صدای دائمی محيط اطراف معمولا در زمينه قرار می گيرد و احساس نمی شود.
بعد از اين مرحله، داده های مهم به نواحی مناسب مغز هدايت می شود تا پاسخ های مطلوب ايجاد گردد.

بخش اندکی از داده های حسی مهم موجب پاسخ حرکتی فوری می شود و بخش عمده ی آنها برای تنظيم آينده ی فعاليت های حرکتی و يا به منظور استفاده در روند تفکر ذخيره می گردد.

مقايسه ی سيستم عصبی با يک کامپيوتر الکترونيکی:
همه ی سيستم های کامپيوتری الکترونيکی دارای مدارهای ورودی قابل مقايسه با بخش حسی و مدارهای خروجی قابل مقايسه با بخش حرکتی سيستم عصبی هستند. در مسير هدايتی بين مدارهای ورودی و خروجی، مکانيسم هايی برای انجام انواع مختلف محاسبات وجود دارد.
در کامپيوترهای ساده، سيگنال های خروجی مستقيما بوسيله ی سيگنال های ورودی تنظيم می شوند که قابل مقايسه با واکنش های ساده ی سطح نخاعی شوکی ــ نخستين سطح عملی سيستم عصبی در مسير تکاملی ــ است. در کامپيوترهای پيچيده تر، سيگنال های خروجی هم بوسيله ی سيگنال های ورودی و هم بوسيله ی اطلاعاتی که قبلا در حافظه ی کامپيوتر ذخيره شده است، تنظيم می شوند. اين عملکرد قابل مقايسه با واکنش های پيچيده تر پردازش سيستم عصبی است.
با افزايش پيچيدگی کامپيوترها، واحد پردازش مرکزی، توالی اعمال محاسباتی را تعيين می کند. نقش اين واحد به موازات مکانيسمی در مغز است که به انسان اجازه می دهد تا توجه خود را ابتدا به يک فکر يا حس يا عمل حرکتی معطوف کند و سپس به فکر يا حس يا عمل حرکتی ديگر بپردازد تا در نهايت توالی های پيچيده ی تفکر يا عمل، انجام شود

__________________
دل حریم خداست