بیوكامپیوتر, كامپیوتری كوچك تر از یك قطره آب

نانوكامپیوتر, عبارت است از یك كامپیوتر با مدارهای بسیار كوچك كه تنها توسط یك میكروسكوپ دیده می شوند

سال ۱۹۹۴ م. دانشگاه كالیفرنیای جنوبی، دانشكده مهندسی كامپیوتر. همه چیز مهیا بود تا دكتر لئوناردو آدلمان، ایده حیرت‏آور خود را مطرح كند؛ ایده‏ای كه مدت‏ها پیش با خواندن كتاب بیولوژی مولكولی ژن، نوشته جیمز واتسون در ذهنش نقش بسته بود و حالا می‏رفت تا از یك جرقه ذهنی به پروژه‏ای جدی در مراكز تحقیقاتی پژوهشی جهان تبدیل شود.

لئوناردو آدلمان توانست توانایی مولكول DNA را در حل مسائل پیچیده ریاضی به اثبات رساند. نتایج این تحقیقات كه در ژورنال Science (آگوست ۱۹۹۴ م.) برای اولین بار منتشر گردید، جهان را شگفت‏زده نمود. به طوری كه انجام محاسبات در سطح مولكولی و با كمك مولكول حیات، یعنی DNA سرآغاز تحولی تاریخی در عرصه محاسبات و پیدایش نسل جدید كامپیوترها گردید.

آدلمان به كمك تكنیكی جالب توانست برای یكی از مشهورترین مسائل محاسباتی، یعنی مسئله مسیر هامیلتونی - - (HP)/ Hamiltonian Path Directed یا همان مسئله فروشنده - دوره‏گرد (TSP)/ Traveling Salesman Problem - راه حلی پیدا كند.

مسئله از این قرار بود كه یك فروشنده فرضی سعی داشت تا بهترین مسیر را در عبور از یك سری شهر انتخاب كند؛ به طوری كه می‏بایست از هر شهر تنها یك بار عبور كند و البته از همه شهرهای مورد نظر نیز بگذرد.

آدلمان، این مسئله را برای هفت شهر مورد نظر حل كرد. هرچند حل این مسئله با هفت شهر، به آسانی و حتی بر روی كاغذ هم قابل حل است؛ اما چنان چه تعداد شهرها افزایش یابد، مسئله بسیار دشوار شده، در نهایت به چندین سال زمان برای حل مسئله نیاز خواهیم داشت.

اهمیت ایده آدلمان را می‏توان این گونه بیان داشت:

۱. تشریح امكان استفاده از مولكول DNA در حل مسائل كلاسیك ریاضی كه به كمك روش‏های مرسوم محاسباتی غیرممكن می‏نمود.

۲. انجام محاسبات در سطح مولكولی و رفع موانع كوچك‏سازی قطعات الكترونیكی در صنعت

نیمه‏هادی.

۳. اثبات جنبه منحصر به فرد بودن DNA، به عنوان یك ساختمان داده‏ای.

۴. اثبات این كه DNA به روش پردازش موازی، محاسبات را انجام می‏دهد.

●DNA جای‏گزینی برای سیلیكون‏

مطابق قانون مور (۱(Moor Law هر ۱۸ ماه، تعداد قطعات الكترونیكی موجود در تراشه‏های كامپیوتری (Chip) دو برابر می‏شود و سرعت نیز چند برابر افزایش می‏یابد. از طرفی هر روز شاهد كوچك‏تر شدن وسایل الكترونیكی هستیم؛ اما بالاخره سرعت فیزیكی و كوچك‏سازی برای ریزپردازنده‏های (Microprocessor) سیلیكونی (نیمه‏هادی به كار رفته در ساخت مدارهای الكترونیكی) به پایان خواهد رسید؛ به طوری كه از نظر ساخت كارخانه‏ای با مشكل روبه‏رو خواهیم شد.

تراشه‏سازان، سال‏هاست كه به دنبال جای‏گزینی برای سیلیكون هستند كه این جای‏گزینی، همان مولكول DNA موجود در سلول‏های ارگانیسم زنده است؛ منبعی فراوان و ارزان كه بر خلاف مواد سمی ریزپردازنده‏های رایج، از نظر مسائل زیست محیطی، منبعی پاك محسوب می‏شود. از طرفی مطابق نظریه دانیل ایلی، مولكول DNA همانند یك سیم مولكولی، هادی جریان الكترون‏هاست.

●DNA چیست و چه ارتباطی با سیستم‏های كامپیوتری دارد؟

همان گونه كه اشاره شد، آدلمان، ریاضی‏دان و دانشمند علوم كامپیوتر، با مطالعه كتاب بیولوژی

مولكولی واتسون و بررسی ساختار DNA در مدل واتسون - كریك (آوریل‏۱۹۵۳م.) توانست به عمل‏كرد مشابه مولكول DNA و سیستم‏های كامپیوتری پی ببرد.

نكات برجسته مدل واتسون - كریك را در عبارات زیر می‏توان خلاصه كرد:

۱. مولكول ۲ DNA مارپیچی دوگانه است و برای تجسم این مارپیچ، «ستون فقرات» متناوبی از گروه‏های فسفات و قند را در نظر بگیرید كه حول یك استوانه فرضی بلند، پیچیده شده باشد؛ این یكی از رشته‏های مارپیچ دوگانه است.

در مارپیچ DNA، دو رشته وجود دارد كه توسط بازهایی كه بیرون از رشته‏ها به سمت مولكول قرار دارند، با تشكیل پیوندهای شیمیایی ضعیف یكدیگر را نگه می‏دارند.

۲. در DNA، چهار نوع نوكلئوتید (واحد ساختاری DNA)وجود دارد كه عبارتند از آدنین(A)، تیمین(T)، سیتوزین(C) وگوانین(G).

بر طبق مدل مذكور، میزان آدنین و تیمین برابر است؛ زیرا بازهای آدنین در یكی از دو رشته،همیشه به تیمین رشته مقابل می‏پیوندد. به طور مشابهی میزان گوانین با سیتوزین نیزبرابر است؛ زیرا دو باز در مولكول DNA، همواره به هم پیوند می‏خورند. از این‏رو، اگر دو رشته مولكول DNA با شكستن پیوندهای بین بازها جدا شوند، هر رشته تمام اطلاعات لازم جهت سنتز رشته مقابل را فراهم می‏كند.

توانایی خود همانندسازی DNA، قابلیتی است كه هر مولكول فرضی به عنوان ماده ژنتیكی باید آن را داشته باشد. DNA نیز این گونه است؛ به طوری كه با جدا شدن هر دو رشته مارپیچ از هم و سپس الگو قرار دادن هر رشته برای سنتز رشته جدید، همانندسازی می‏كند. مهم‏تر این‏كه مدل واتسون - كریك نشان داد كه اطلاعات ژنتیكی به نحوی در ردیف بازهای مولكول DNA رمزشده است؛ درست و همانند آن چه كه در كامپیوترها اتفاق می‏افتد؛ یعنی ذخیره داده‏ها به صورت رشته‏های دودویی (Binary) متشكل از دو رقم ۰ و ۱ می‏باشد.

یك رقم دودویی، بیت (Bit) خوانده می‏شود. اطلاعات در كامپیوترهای دیجیتال، به وسیله گروه‏هایی از بیت نشان داده می‏شوند. با استفاده از تكنیك‏های كدگذاری، بیت‏ها نه تنها برای نمایش اعداد دودویی، بلكه برای سایر سمبل‏های گسسته، همچون ارقام ده‏دهی و یا حروف الفبا نیز به كار برده می‏شوند. با استفاده صحیح از مجموعه‏های دودویی و به كارگیری روش‏های مختلف كدگذاری، می‏توان گروه‏های بیت‏ها را برای ساخت مجموعه‏های كامل دستورالعمل‏ها جهت انجام محاسبات به كاربرد. در مباحث علوم كامپیوتر، داده‏ها را به طرق مختلفی سازماندهی می‏كنند. مدل منطقی یا ریاضی یك سازمان معین برای داده‏ها را اصطلاحاً ساختمان داده‏ها می‏نامند. ساختمان داده‏ها، در واقع به گونه‏ای است كه می‏توان داده‏ها را در چارچوب آن ساختمان پردازش نمود.

نوشته شده توسط: مهندس رضوان‏السادات میرمحمدی

---