Biológia és IT kölcsönhatásai

Kömlődi Ferenc

Mélyfúrások aktualizálása

• Mélyfúrások aktualizálása iránti igény • Eredeti mélyfúrások és aktualizált mélyfúrások

közti különbségek– Terjedelmi– Tartalmi– Szerkezeti

Eredeti mélyfúrások szerkezete

Tézis• Megnevezés és rövid leírás• Jelenlegi helyzet• A várható fejlődés eredményének jellemzése• Szükséges technológiai előfeltételek• Néhány folyamatban lévő K+F projekt rövid

ismertetése• Az IKT más területeire való hatások bemutatása• Társadalmi-gazdasági hatások elemzése• Magyar vonatkozások• Következtetések

Aktualizált mélyfúrások szerkezete

Tézis• Témakör• Jelenlegi helyzet

2.1 Technológia2.2 Alkalmazás

3. Folyamatban lévő kutatások, fejlesztések4. A várható fejlődés5. Befolyásoló tényezők (driverek)

5.1 Technológia5.2 Társadalom5.3 Gazdaság

6. Várható hatások6.1 Technológia6.2 Társadalom6.3 Gazdaság

7. Hazai helyzet7.1 Jelenlegi helyzet7.2 Fejlesztések és várható fejlődés7.3 Befolyásoló tényezők és hatások

8. Összefoglalás

Tézis, témakör bemutatása

Biológia és számítástudomány kölcsönösen és egyre erőteljesebben hatnak egymásra: az élővilágból „ellesett” megoldásokat mind gyakrabban alkalmazzák számítógépes rendszerekre, ugyanakkor az informatika széleskörű elterjedése egyrészt felgyorsítja a biológiai kutatásokat, másrészt lehetővé teszi, hogy jobban megértsük, illetve részben átalakítsuk az élővilágot.

A folyamat elsősorban három biológiai jelenségcsoportra vonatkozik:

• az ember és a főemlősök (neuronális) alapú elmeműködése,• az élőlények (DNS-alapú) működési mechanizmusai,• az élőlények kölcsönhatásain keresztül érvényesülő evolúció.

• Miként használjuk fel a szerves anyagokat infokommunikációs célokra?

• Hogyan építsünk belőlük számítógépeket?• Milyen mesterséges-élő szimbiózisok várhatók?• Milyen interaktív összjátékok alakulhatnak ki mesterséges és

organikus rendszerek között?

Folyamat hatására:• új tudományterületek (bioinformatika, szintetikus biológia)

kialakulása, • biológia egyre markánsabb jelenléte a számítástudományban

(evolúciós számítások, mesterséges élet).

Az IT- és az élővilág kölcsönhatásai

Biológiai és infokommunikációs rendszerek közötti különbségek

Élőlények• szaporodásra,• önálló, autonóm működésre,• környezethez való alkalmazkodásra képesek.

Gépek• csak egyes esetekben közelítik az autonómiát,• nincs önálló életük,• nem szaporodnak,• nagyon kezdetleges alkalmazkodás.

Jelenlegi helyzet

Biológia a számítástudományban• Neurális mesterséges rendszerek:

– agyunkhoz, vagy legalábbis annak egyes részeihez hasonló hardver fejlesztése,

– idegsejtek elektromos tulajdonságait lemásoló áramkörök létrehozása (neuromorphing),

– neurális hálózatok.• Élőlények működési mechanizmusairól mintázott gépek:

– biológiai minták infokommunikációs technológiákba történő átvétele,

– az élővilág szolgai másolása helyett a tervezők a természet legjobb „ötleteit”, működési alapelveit építik be a rendszerekbe.

• Evolúció és számítástudomány: – evolúciós módszerek/algoritmusok, – mesterséges élet.

• Élő és élettelen összekapcsolása (neuron-szilícium interfészek):– biológiai szempontból fontos lépés az elektronikus áramkörök és

az élő idegrendszer magasabb szintű szintézise felé,– számítástudományi oldalról a hibrid neuroelektronikus (az

emlősök idegsejt-hálózatainak képlékenységét utánozni igyekvő) eszközök a jövő infokommunikációs technológiáinak alapjai közé fognak tartozni.

Számítástudomány a biológiában• Bioinformatika:

– főként három információtárolási mechanizmusra fókuszál:

• a DNS és a gének egydimenziós szerkezeti adataira,

• a fehérjék háromdimenziós struktúráira, • komplex rendszerekre, azok emergens

viselkedésére. – Bioinformatikai háttér révén valósulhattak volna meg

a genomelemzések.

• Biotechnológia és szintetikus biológia:– Fordulópont a biológiában: analízis után szintézis.– Biotechnológia szintetikus biológiát készíti elő– Szintetikus biológia alapvetése:

biológiai elemekből, „alkatrészekből” új, a biológiai szerkezet hierarchiájának minden szintjén (molekula, sejt, szövet, organizmus) működtethető kombinációk, élő rendszerek hozhatók létre, melyekkel az eddigieknél is jobban kiaknázhatók az élő anyagban rejlő lehetőségek.

Folyamatban lévő kutatások, fejlesztések(MOBIUS)

(Mesterséges élet)

(Biobricks)

(J. Craig Venter Intézet – Mycoplasma genitalium)

Várható fejlődés

• Elmekutatás és IT: – trináris számítások - míg a számítógépek a

zérók és egyesek bináris rendszerében kezelik az információt,

– az idegsejtek hármas (trináris) kódokban (zérókban, egyekben és mínusz egyekben) kommunikálják elektronikus jelzéseiket.

• Szerves számítógépek: – mik válthatják fel a szilíciumalapú számítógépeket? Lehetséges

megoldások: • hagyományos informatikai áramkörök jellegének megőrzése

és a szilícium méretéből adódó problémák felszámolása, – molekulákból álló logikai áramkörökön alapuló

számítógépek = klasszikus architektúra + virtuálisan (majdnem) végtelen gyorsaság,

• DNS-számítások – DNS-kombinációk módja elvben kiszámítható, előre

jelezhető,– DNS-darabkák processzorokká alakításával elvileg

többmilliárd művelet szimultán elvégzésére képes parányi (nanoszintű) számítógép hozható létre,

• párhuzamos architektúrák, • kvantum-számítógép.

• Evolúciós modellek: a hagyományos tervezési módszerek mellett és helyett hardver- és szoftverszinten egyaránt elterjednek az evolúciós technikák– (elektromos áramköröket hoznak létre velük, – evolúciós algoritmusokkal optimalizálnak, – vagy az evolúciós jellegű szoftverfejlesztés során az

apró változtatásokat, előrelépéseket azonnal tesztelik).

– Rendszerevolúció: olyan „önmagukat tervező” rendszerek fejleszthetők, amelyek akkor is végrehajtják feladataikat, ha a rendszert működtető embernek fogalma sincs, mitévő legyen, mihez kezdjen.

– Élő gépi rendszerek felé: – mikor és mitől válhat élővé egy gépi rendszer? Komplexitás egy

bizonyos szintjének elérése után, ha• önteremtő, • önszervező, • önfenntartó.

– Szintetikus biológia: • folytatódik a rendszerek alapjaként funkcionáló biológiai

építőkockák fejlesztése és tesztelése. • Integrációjuk hatékonyabbá tételéhez:

– a szintetikus részeknek teljes összhangban kell működniük a biológiai komponensekkel,

– a sejtet és moduljait úgy kell módosítani, hogy új tulajdonságokkal és funkciókkal rendelkezzen,

– szabványosítás, specializáció.

Befolyásoló tényezők

Várható hatások

Technológia

Infokommunikációs technológiák

Medicina (bio- és orvosi informatika összekapcsolódása)

Társadalom, gazdaság

Fokozódó igény az IT-t és a biológiát egyesítő megoldások iránt

Oktatási innováció

Csökken a környezetszennyeződés

„Láthatatlan” környezetszennyeződés

Bioterroritmus

Gyógyászat, gyógyszeripar, mezőgazdaság

Hazai helyzet

• Biotechnológiai hagyományok• Analogikus számítógép• Élőlények működési mechanizmusai, evolúció

és számítástudomány• Idegélettani kutatások• Bioinformatika, szintetikus biológia

Összegzés

• elme- és mesterségesintelligencia-kutatás összefonódása,

• élőlények működési mechanizmusainak és az evolúció elveinek beépítése számítógépes rendszerekbe,

• szerves anyag processzorokká, számítógéppé alakítása,

• számítástudományi elvek és módszerek alkalmazása biológiai, genetikai kutatásokban,

• mesterséges élet és szintetikus biológia közötti párhuzamok és átfedések.

Köszönöm a figyelmüket!