8. Биологическая и медицинская электроника

8.1. Биомедицинская электроника как новое научно-техническое направление современной электроники

В современной электронике уровень технологий определяется, в первую очередь степенью интеграции элементов, т.е. их минимальным топологическим размером или, точнее, площадью чипа, при конструировании которого не до­пущено ошибок и дефектов строения. Дальнейшее продвижение в этом направ­лении требует расширения спектра используемых физико-химических процес­сов, происходящих как в неживой, так и в живой природе. Уже первые этапы, связанные с переходом от микроэлектроники к наноэлектронике, потребовали применения специальных методов получения мономолекулярных плёнок на твердотельных подложках и открыли широкую перспективу к синтезированию биологически активных структур со специфическими электронными функция­ми. Стала прослеживаться некая логическая цепочка в развитии электронных технологий: микроэлектроника - наноэлектроника-молекулярная электроника-биосинтез белков-генная инженерия (синтез молекул ДНК). Осуществляется переход в оценке качества технологий от критерия МТР к критерию макси­мальной длины бездефектной или генетической цепочки (в 70-е годы XX сто­летия она составляла до 30, а к 2000 году - до нескольких тысяч звеньев).

Возникло и развивается новое направление в физике и электронике, кото­рое в разных информационных источниках, в зависимости от авторских подхо­дов и других субъективных факторов, называют: "медицинская физика", "био­ника" (т.е. биология+электроника), "физика живого", "электронная медицина" и т.д. В Украине уже несколько лет в системе высшего образования существует специальность "Физическая и биомедицинская электроника", название которой, на наш взгляд, наиболее удачно объединяет в себе как сущность классической (прежде всего твердотельной) электроники, так и представление о том, что биомедицинская электроника является и составной частью и очередным этапом

развития электроники в целом.

В этом смысле биомедщинскую электронику следует рассматривать как -в—~„,_ •ашмстпоники, изучающую электронные процессы в живых

„,,„ чяктщомеоностей

электроники как нового этапа в развитии электроники, революционная роль ко­торого вполне сопоставима по масштабам с теми качественными "скачками", которые некогда знаменовали переход от вакуумной электроники к полупро­водниковой, от дискретной электроники к микроэлектронике и т.д.

Таким образом, биомедицинская электроника, как никакая другая состав­ляющая электроники да и техники в целом, способствует процессам ителлек-туализации техносферы.

Базовым понятием биоэлектроники становится биочип ~ единый базовый (матричный) элемент, структура и свойства которого определяют основные по­казатели качества и условия функционирования прибора, микросхемы или уст­ройства.

Биочипы в значительной степени лишены тех недостатков, которые свой­ственны современным твердотельным чипам: усиленное тепловыделение, огра­ничения по разрешающей способности литографии, искажения за счёт межсо­единений, противоречия "частота-мощность" и "быстродействие-память" и т.д.

Эти преимущества биочипов можно было бы суммировать следующим образом:

1. Биологические материалы электроники (белки, вирусы, ферменты и т.д.) отличаются дешевизной, доступностью и неисчерпаемостью ресурсов.

2. Технология их изготовления относительно проста, не требует сложной аппаратуры, выполнения требований вакуумной гигиены, стерильности, высо­ ких температур и т.д.

3. Биоустройства способны обратимо преобразовывать энергию самых различных видов при высоком кпд (иногда до 100%), что объясняется автоката­ литическим характером протекающих в них процессов.

4. Они обладают сверхвысокой чувствительностью (в некоторых случаях могут быть зарегистрированы отдельные молекулы), миниатюрностью, малыми временами отклика, механической и радиационной устойчивостью и т.д.

5. Биоэлектронные устройства можно использовать многократно, они сравнительно легко регенерируются, без проблем гибридизируются и компо­ нуются с обычными твердотельными элементами и устройствами.

Есть все основания полагать, что следующее поколение компьютеров или суперкомпьютеров будет создаваться на биочипах.

Вот первые результаты.

Японская фирма "Сантори ЛТД" создала образцы искусственно выра­щенных белковых структур, ёмкость памяти которых превышает ёмкость памя­ти лучших микросхем в 10⁹ раз. Для получения быстродействия 10¹⁴ операций в секунду на основе современных компьютеров на твердотельных чипах надо было бы объединить 10⁹ микропроцессоров. Построенная по самой современ­ной технологии такая ЭВМ достигла бы габаритов многоэтажного дома. В то же время, природа создала наиболее современную ЭВМ в виде человеческого

104

мозга, представляющую собой 10^й нейронов в полуторалитровом объёме. Если придать компьютерной организации структуру нейронного типа, можно реали­зовать устройство с высокими возможностями при достаточно умеренных габа­ритах. Фирма "Фудзи" в Японии создала нейрокомпьютер, эквивалентный по своей структуре комплексу из 100 тыс. нервных клеток.

В перспективе размер такого суперкомпьютера можно уменьшить, как полагают некоторые специалисты, до габаритов живой клетки.

На данном этапе уже создан макет такого компьютера, представляющий собой ёмкость, заполненную спиралями ДНК или нейронами, отторгнутыми у пиявок и присоединёнными к электрическим контактам.

В Израиле, в Вейцмановском институте естественных наук, Ихуд Шапиро построил пластмассовую модель биокомпьютера высотой 30 см на базе совре­менных твердотельных компонентов. Но если бы эта же схема была реализова­на на настоящих биочипах, его размер был бы меньше клетки - 0,000025 мм.

Билл Дитто из Технологического института штата Джорджия подсоеди­нил микродатчики к нейронам пиявки и обнаружил, что в зависимости от фор­мы и амплитуды входного сигнала эти нейроны перестраиваются, образуя ра­нее неизвестные логические цепочки, т.е. есть надежда, что биокомпьютеры, в отличие от нынешних, основанных на кремниевых микропроцессорах, смогут искать нужные решения путём самопрограммирования.

Специалисты полагают, что к 2030 году может начаться процесс вживле­ния таких биокомпьютеров непосредственно в физическое тело.

Вероятно, наступает такой период, когда между искусственным и естест­венным интеллектом будет происходить постоянное сближение. Возникает ес­тественный вопрос: сможет ли в итоге суперкомпьютер будущего заменить че­ловеческий мозг?

Мозг человека обладает огромной памятью, но он не может конкуриро­вать с современным компьютером в быстродействии. В свою очередь, любой компьютер уступает по своему интеллекту человеческому мозгу, так как не об­ладает столь же совершенной перцепторной (распознавательной) способно­стью.

Человек воспринимает не более 25 битов информации в секунду. Сделаем простую прикидку: за 80 лет жизни, работая сверхнапряженно по 8 часов еже­суточно, мозг получит в пределах 4,2-10¹⁰ битов информации; фактически же эта цифра в сколько раз меньше. Между тем, мозг устроен так, что ёмкость его памяти достигает 10¹⁵ - 10¹⁶ битов. Иными словами, весь этот резерв памяти ис­пользуется лишь на одну миллионную долю. Кроме того, быстродействие чело­веческого мозга оставляет желать лучшего.

Образно говоря, интеллект человека в чём-то уступает возможностям компьютера, равно как и сам компьютер, будь он хоть суперкомпьютером, не дотягивает до потенциала мозга.

105

Ещё Норберт Винер, создатель кибернетики, указывал на то, что челове­ческий мозг и компьютер - антиподы. Дело в том, что искусственный интел­лект, как и любое рукотворное или техногенное образование, в соответствии с законами термодинамики всегда увеличивает энтропию, т.е. рассеяние энергии. В тоже время, человеческий мозг реализует общую для всей живой материи функцию - он уменьшает энтропию.

Любая материальная система, согласно второму началу термодинамики, стремится к состоянию с максимальной энтропией (т.е. к хаосу). Однако, в ре­альном мире существуют своеобразные островки стабильности, представляю­щие собой некие структуры, подпитываемые источниками внешней энергии и материи и способные к самоорганизации, чья энтропия может уменьшаться. Возникла новая наука, получившая название синергетика, которая изучает за­кономерности самоорганизации термодинамически неравновесных систем.

Вероятность возникновения таких "островков жизни" крайне мала. Тем более удивительно, что развитие мира и зарождение жизни и Разума связаны именно с этими случайными и маловероятными событиями.

Оказывается, строгие, количественные и, казалось бы, незыблемые физи­ческие законы допускают вариационную трактовку, т.е. они могут быть сфор­мулированы в терминах минимизации некоторой величины.

Вариационные принципы определяют некую "высшую целесообразность" в природе, т.е., можно утверждать, что начальные условия движения любой фи­зической частицы предопределяют конечный результат.

Наука формулирует для живой природы закон минимума диссипации энергии, суть которого заключается в том, что из множества состояний систе­мы, описываемых фундаментальными законами, реализуется то, при котором рассеивание энергии системой (или рост её энтропии) будет минимальным.

Иными словами, для живой материи справедлив принцип экономии эн­тропии, т.е. постоянное повышение организованности природы, который при­нимает на себя всю ответственность за направленность эволюционных процес­сов.

Развивая идею о возможностях человека по реализации функции умень­шения энтропии, В.М. Инюшин выдвинул и обосновал тезис о существовании так называемой "холодной" биоплазмы, характеризующей собой четвёртое со­стояние вещества (помимо твёрдого, жидкого и газообразного), и на основе этого понятия вполне научно объяснил загадочные парапсихологические фено­мены, такие как телепатия, телекинез, ясновидение, психотронное воздействие. Поскольку вещество и поле - это две связанные субстанции, человек, кроме атомно-молекулярного тела, обладает невидимым, но энергетическим мощным биоплазменным телом, которое осуществляет энерго-информативную связь с космосом. Ещё до рождения человека, одновременно с его зачатием, генетиче­ски задаётся индивидуальная биоплазменная форма (предморфа), которая оста-

106

ётся даже после физической смерти индивидуума в виде информационно на­полненной части космоса.

Пока ещё никто не смог предложить рабочую модель искусственного ин­теллекта, максимально приближающую его к естественному (Ногао 8ар1епз). Сейчас под выражением "искусственный интеллект" технократическая научная общественность, как правило, подразумевает условия и возможность резкого увеличения концентрации информационного потенциала в компьютере с целью придания ему функций творческого мышления. Однако следует иметь в виду, что эту задачу можно решить только путем заимствования или реконструкции биоструктур, создаваемых самой живой природой. Парадокс заключается в том, что человечество на протяжении всей своей истории стремится обуздать при­роду, достигая при этом выдающихся успехов, но по мере осуществления этой своей мечты всё больше и больше попадает в зависимость от неё, поскольку только в природе можно черпать новые идеи дальнейшего развития.

Именно природа подсказывает найденный ею исключительно эффектив­ный, если не единственно возможный, механизм дальнейшей концентрации информации, описываемый генетикой и хромосомной теорией наследственно­сти.

Вся живая материя от микроорганизмов до человека построена с исполь­зованием универсальной и помехозащищенной системы передачи наследствен­ной информации, сжатой до предельно малых габаритов. Изменчивость (адап­тация к окружающей среде) живой материи связана с тем, что определённые случайные внешние импульсы вызывают соответствующие искажения наслед­ственной информации, которые приводят к мутациям. Дальше действует закон естественного отбора и закрепления вновь приобретенных признаков с после­дующим их введением в наследственный код.

Это позволяет утверждать, что биомедицинская электроника в сочетании с генной инженерией и биотехнологиями вливается в число важнейших сфер технических, социальных и философских запросов человечества, с развитием которых тесно связано его будущее.