Естественная информатика: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
[непроверенная версия][непроверенная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
Строка 27: Строка 27:


=== Исследования в биологии и медицине ===
=== Исследования в биологии и медицине ===

[[Системная биология]]  — научная дисциплина, образовавшаяся на стыке [[Биология|биологии]] и [[Теория систем|теории сложных систем]]. Впервые термин используется в статье 1993 года авторов W. Zieglgänsberger и TR. Tölle <ref>[http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8219729 The pharmacology of pain signalling. [Curr Opin Neurobiol. 1993&#93; — PubMed result]</ref>. Но само направление несомненно существовало и раньше. Собственно, сам Берталанфи был биологом, поэтому он может рассматриваться, как патриарх этого направления.

Создание математических или компьютерных моделей для изучения реальных объектов можно признать одним из важнейших признаков современной естественнонаучной дисциплины. Одной из первых численных моделей в биологии является модель британских нейрофизиологов и лауреатов нобелевской премии [[Ходжкин, Алан|Ходжкина]] и [[Хаксли, Эндрю Филдинг|Хаксли]], опубликованная в 1952 году. Авторы создали математическую модель, объясняющую распространение потенциала действия вдоль аксона нейрона<ref>{{cite journal | author=Hodgkin AL, Huxley AF| year=1952| title= A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve|journal=J Physiol| volume=117| pages=500–544| pmid = 12991237| issue=4}}</ref>. Их модель описывала механизм распространения потенциала как взаимодействие между двумя различными молекулярными компонентами: каналами для калия и натрия, что можно расценить как начало вычислительной системной биологии<ref>{{cite journal| author=Le Novere| year=2007| title=The long journey to a Systems Biology of neuronal function |journal=BMC Systems Biology|volume=1|page= 28| doi= 10.1186/1752-0509-1-28| pmid=17567903| last1=Le Novere|first1=N| issue=}}</ref>. В 1960 году на основе модели Ходжкина и Хаксли [[Денис Нобл]] создал первую компьютерную модель сердечного [[водитель ритма|водителя ритма]]<ref>{{cite journal| author=Noble D| year=1960| title= Cardiac action and pacemaker potentials based on the Hodgkin-Huxley equations| journal=Nature| volume= 188| pages= 495–497| pmid=13729365| doi= 10.1038/188495b0}}</ref>.


== Разработки ==
== Разработки ==

Версия от 12:16, 27 февраля 2012

Естественная информатика - это научное направление, изучающее процессы обработки информации, протекающие в природе, мозге и человеческом обществе. Она опирается на такие классические научные направления, как теории эволюции, морфогенеза и биологии развития, системные исследования, исследования мозга, ДНК, иммунной системы и клеточных мембран, теория менеджмента и группового поведения, история и другие.

Вторичной задачей этого направления является реализация полученных знаний в технических системах. Примерами таких направлений являются искусственные нейронные сети, эволюционные алгоритмы, роевой интеллект, ДНК-компьютер, квантовый компьютер.

Промежуточное место между этими двумя подходами занимает компьютерное моделирование естественных процессов. Это такие подходы, как искусственная жизнь, модели самовоспроизведения.

Кибернетика, определяемая, квк "наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в различных системах, будь то машины, живые организмы или общество"[1] представляет собой близкое, но несколько иное научное направление. Так же, как математика и основная часть современной информатики, оно вряд ли может быть отнесено к области естественных наук, так как резко отличается от них своей методологией. (Несмотря на широчайшее применение в современных естественных науках математического и компьютерного моделирования.)

Исследования

Информатика считается обычно чисто технической дисциплиной, если не возникшей, то получившей развитие с появлением компьютеров в середине прошлого века. (Хотя такие древние вычислительные устройства, как абакус, или изобретение книгопечатания могут тоже быть отнесены к предмету этой дисциплины.) Некоторые исследователи придерживаются, однако, мнения, что не люди создали информатику, а информатика создала людей. В частности эволюционную теорию невозможно интерпретировать иначе, чем грандиозный CAD-проект, увенчавшийся созданием столь совершенного самовоспроизводящегося вычислительного устройства, как человек. Очевидно, что принципы этой разработки нам пока или совсем непонятны, или очень слабо понятны. Но это не значит, что их не существует или что они недостойны изучения.

Многие процессы, протекающие в природе, могут рассматриваться, как информационные. Это например, процессы развития, биологический транспорт, процессы в одноклеточных организмах. Усилия понять природу биологических систем включают создание полу-синтетических организмов, и понимание самой Вселенной с точки зрения информационных процесов. Выдвинута даже идея, что информация - это более фундаментальное понятие, чем материя и энергия. Тезис Цузе-Фредкина (Zuse-Fredkin), датируемый 1960 г., состоит в том, что вся Вселенная - это гигантский клеточный автомат, постоянно обновляющий свои правила.[2][3] По другой версии Вселенная - это квантовый компьютер, который вычисляет свое собственное поведение[4].

Эволюционная теория

Чарльз Дарвин
Основная статья: Эволюция

Изучение окаменелостей и разнообразия видов живых организмов к середине XIX века убедило большинство учёных, что виды изменяются с течением времени[5][6]. Однако механизм этих изменений оставался неясен до публикации в 1859 году книги «Происхождение видов» английского учёного Чарльза Дарвина о естественном отборе как движущей силе эволюции[7]. Теория Дарвина и Уоллеса, в конечном итоге, была принята научным сообществом[8][9]. В 30-х годах прошлого века идея дарвиновского естественного отбора была объединена с законами Менделя, которые сформировали основу синтетической теории эволюции (СТЭ). СТЭ позволила объяснить связь субстрата эволюции (гены) и механизма эволюции (естественный отбор).

В эволюционной теории выделяются следующие важнейшие феномены, способствующие развитию вида: наследственность, изменчивость и естественный отбор. За редким исключением эти категории не имеют пока отражения в теории и практике современной информатики.

Системные исследования

Основная статья: Общая теория систем

Австро-американский биолог Людвиг фон Берталанфи в 1930-е годы предложил Общую теорию систем[10]. Многие понятия этой теории имеют корреляты в современной информатике. Это объекты (ср. Объектно-ориентированное программирование), отношения (Реляционная база данных).

Исследования в биологии и медицине

Системная биология  — научная дисциплина, образовавшаяся на стыке биологии и теории сложных систем. Впервые термин используется в статье 1993 года авторов W. Zieglgänsberger и TR. Tölle [11]. Но само направление несомненно существовало и раньше. Собственно, сам Берталанфи был биологом, поэтому он может рассматриваться, как патриарх этого направления.

Создание математических или компьютерных моделей для изучения реальных объектов можно признать одним из важнейших признаков современной естественнонаучной дисциплины. Одной из первых численных моделей в биологии является модель британских нейрофизиологов и лауреатов нобелевской премии Ходжкина и Хаксли, опубликованная в 1952 году. Авторы создали математическую модель, объясняющую распространение потенциала действия вдоль аксона нейрона[12]. Их модель описывала механизм распространения потенциала как взаимодействие между двумя различными молекулярными компонентами: каналами для калия и натрия, что можно расценить как начало вычислительной системной биологии[13]. В 1960 году на основе модели Ходжкина и Хаксли Денис Нобл создал первую компьютерную модель сердечного водителя ритма[14].

Разработки

Существует множество разработок вычислительных систем, опирающихся на принципы, подсмотренные в природе. Собственно, это является одним из предметов бионики, дисциплины, которая наряду с изучением, например полета птиц или гидродинамики дельфинов, с целью повторения из в технических устройствах, занимается, например, также изучением информационных процессов в организме.

В сущности, все существующие методы и алгоритмы теоретической информатики являются "вдохновленными природой" алгоритмами [15] включая клеточные автоматы, эволюционные вычисления, роевой интеллект и другие. Детальный обзор может быть найден во многих книгах [16][17]

Моделирование

Моделирование естественных систем обработки информации служит, с одной стороны, их изучению и лучшему пониманию, а с другой - продуцирует идеи для реализации технических вычислительных систем.

Примечания

  1. ↑ Norbert Wiener (1948), Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine, (Hermann & Cie Editeurs, Paris, The Technology Press, Cambridge, Mass., John Wiley & Sons Inc., New York, 1948)
  2. ↑ Fredkin, F. Digital mechanics: An informational process based on reversible universal CA. Physica D 45 (1990) 254-270
  3. ↑ Zuse, K. Rechnender Raum. Elektronische Datenverarbeitung 8 (1967) 336-344
  4. ↑ Lloyd, S. Programming the Universe: A Quantum Computer Scientist Takes on the Cosmos. Knopf, 2006
  5. ↑ Ian C. Johnston. History of Science: Early Modern Geology. Malaspina University-College (1999). Дата обращения: 15 января 2008.
  6. ↑ Bowler, Peter J. Evolution:The History of an Idea. — University of California Press, 2003. — ISBN 0-52023693-9.
  7. ↑ Darwin, Charles. On the Origin of Species. — 1st. — John Murray, 1859. — P. 1.. Related earlier ideas were acknowledged in Darwin, Charles. On the Origin of Species. — 3rd. — John Murray, 1861. — P. xiii.
  8. ↑ AAAS Council. AAAS Resolution: Present Scientific Status of the Theory of Evolution. American Association for the Advancement of Science (26 декабря 1922).
  9. ↑ IAP Statement on the Teaching of Evolution (PDF). The Interacademy Panel on International Issues (2006). Дата обращения: 25 апреля 2007.
  10. ↑ Берталанфи Л. фон Общая теория систем — Критический обзор / В кн.: Исследования по общей теории систем.— М.: Прогресс, 1969. С. 23—82. На английском языке: L. von Bertalanffy, General System Theory — A Critical Review // «General Systems», vol. VII, 1962, p. 1—20.
  11. ↑ The pharmacology of pain signalling. [Curr Opin Neurobiol. 1993] — PubMed result
  12. ↑ Hodgkin AL, Huxley AF (1952). "A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve". J Physiol. 117 (4): 500—544. PMID 12991237.
  13. ↑ Le Novere, N (2007). "The long journey to a Systems Biology of neuronal function". BMC Systems Biology. 1: 28. doi:10.1186/1752-0509-1-28. PMID 17567903. {{cite journal}}: Указан более чем один параметр |author= and |last1= (справка)Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
  14. ↑ Noble D (1960). "Cardiac action and pacemaker potentials based on the Hodgkin-Huxley equations". Nature. 188: 495—497. doi:10.1038/188495b0. PMID 13729365.
  15. ↑ Yang, X.-S., Nature-inspired metaheuristic algorithms, Luniver Press, (2008).
  16. ↑ Olarius S., Zomaya A. Y., Handbook of Bioinspired Algorithms and Applications, Chapman & Hall/CRC, 2005.
  17. ↑ de Castro, L. N., Fundamentals of Natural Computing: Basic Concepts, Algorithms, and Applications, CRC Press, 2006.

Литература

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Естественная_информатика&oldid=42153027