Структура компьютера и биокомпьютера.
Рецепторы.
Биокомпьютер получает информацию из внешней среды и от других частей тела через органы чувств. Эта информация распространяется в виде сигналов по нервам и достигает спинного или головного мозга. Компьютер получает сигналы через устройства ввода. Устройства ввода и органы чувств будем далее именовать единым термином - рецепторы.
Рецепторы - это устройства, преобразующие физические воздействия в сигналы, которые переносят информацию внутри (био)компьютера.
- Звуковые колебания воспринимаются органами слуха у биокомпьютера и через микрофон у
компьютера. В качестве приемника сигналов в обоих случаях служит гибкая мембрана (у человека
она называется "барабанной перепонкой"). Звук, получаемый через микрофон, сохраняется примерно
как линия на графике: записывается величина отклонения мембраны от нейтрального положения через
равные промежутки времени. В результате звуковая информация попадает в компьютер в виде серии
чисел, отмечающих положение мембраны.
В ухе также происходит разложение сигнала на серию чисел, как в микрофоне, но только для самых низких частот. В основном же ухо работает несколько иначе. Ушная мембрана приводит в действие механику внутреннего уха, которая преобразует колебания барабанной перепонки по принципу преобразования Фурье. Заметьте: преобразование выполняется посредством чисто механического устройства, никаких вычислений с применением нейронов мозга на этом этапе еще не происходит. В результате сигнал представляется в виде суммы из множества синусоидальных сигналов. Мозг получает информацию в виде величины громкости каждого такого подсигнала.
- Световая информация воспринимается органами зрения у биокомпьютера и через цифровую
камеру у компьютера. В качестве приемника в обоих случаях выступают чувствительные поглощающие
свет элементы, расположенные позади линзы. Элементы бывают более или менее избирательными к частоте
света. Более избирательными элементами в глазу человека являются клетки-колбочки.
Есть три типа колбочек: реагирующие на красный, зеленый и синий свет (синих меньше всего).
Промежуточные оттенки вызывают, соответственно, промежуточные реакции. Например, желтый свет
вызывает возбуждение одновременно "красных" и "зеленых" колбочек. Менее избирательными
чувствительными элементами в глазу являются клетки-палочки. Они реагируют на всю видимую
часть спектра от красного до фиолетового. Зато для возбуждения им достаточно неяркого
освещения. Вот почему наше зрение в темноте выглядит как градации серых тонов: реагируют
в основном только палочки, а они цвета не различают. Чем ярче свет, тем сильнее
реагирует клетка. Информация о степени возбуждения каждой клетки передается в нервную систему.
Принцип действия цифровой камеры тот же самый: есть чувствительные элементы, реагирующие на красный, синий и зеленый свет. Элементы разных типов расположены либо вперемешку (технологии CMOS и CCD), либо друг под другом (технология X3). В глазу палочки и колбочки разных цветов расположены вперемешку хаотично.
- Информация о перемещении и наклоне попадает внутрь в обоих случаях через некоторую часть
тела, в которой заключен рецептор, реагирующий на изменение положения. У биокомпьютера
эта часть тела - голова, внутри которой расположен вестибулярный аппарат, а у компьютера - это
механическая "мышь" или джойстик. Что касается оптической мыши, то ее принцип действия более
соответствует человеческим глазам, которые тоже годятся для получения информации о движении.
- Принцип действия электронного пера и клавиатуры такой же, как у органов осязания: в
компьютер или биокомпьютер попадает информация от рецепторов, расположенных в месте
прикосновения. Чувствительные рецепторы биокомпьютера располагаются под кожей и способны
реагировать на прикосновение, давление, тепло, холод и боль. Чувствительные элементы
клавиатуры расположены под клавишами и способны реагировать на давление, не различая его силу.
Неправильно проводить аналогию между глазом и клавиатурой на том основании, что через глаз и клавиатуру вводится текст. В данном случае мы классифицируем рецепторы по тем физическим воздействиям, которые заставляют их генерировать сигналы: свет, звук, механическое надавливание и т.п. То, как интерпретируется информация,- уже не функция рецепторов, а функция внутренней части компьютера или биокомпьютера. Так например, азбука Брайля (для слепых) позволяет вводить текст в биокомпьютер через кожные рецепторы, а на клавиатуру можно нанести вместо букв обозначения нот или оттенки цветов, что позволит вводить звуковую или цветовую информацию, подобно цифровой камере или микрофону. Физические же воздействия на рецепторы от этого не изменятся.
- Вместо органов обоняния к компьютеру может быть подключен электронный газоанализатор.
Есть множество разновидностей таких приборов, самая примитивная - в пожарной сигнализации.
Ввиду дороговизны сложных газоанализаторов персональные компьютеры ими не снабжены, но
технологический препятствий для этого, как вы понимаете, нет.
- Вместо органов вкуса к компьютеру может быть подключен какой-нибудь электронный
анализатор химического состава растворов. Персональные компьютеры
не снабжаются подобными анализаторами так же по причине дороговизны.
Но было бы, вероятно, забавно попробовать
на вкус бокал вина, предложенный собеседником на другом конце земного шара. Правда,
для этого понадобится не только анализатор (на той стороне), но и химический генератор
(на этой).
- И компьютер, и биокомпьютер способны получить информацию о внутренних органах,
хотя методы получения такой информации очень сильно различаются.
- Компьютер способен принимать электрические сигналы другого компьютера через
сетевой кабель. Роль рецептора играет сетевая плата. Передача сигнала через сеть
уникальна тем, что сигнал, распространяющийся по кабелю, имеет ту же природу,
что и сигналы внутри компьютера, то есть, электрический ток. Ничего похожего в
человеческой нервной системе нет, но встречается в человеческих мечтах - я имею
в виду идею о телепатии, чтении мыслей.
- Прочие чувства, которые есть у животных и которыми технически несложно оснастить компьютер. Акулы и некоторые другие животные способны воспринимать электрические импульсы и находить таким образом добычу. Существуют животные, которые видят в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах света, в инфразвуковом и ультразвуковом диапазоне звуков. Дельфины и летучие мыши используют звуковую эхолокацию. Многие птицы способны чувствовать магнитное поле Земли.
Заметьте тот факт, что методы получения информации об окружающей среде у компьютера и биокомпьютера довольно похожи, а вот способы получения информация о внутренней среде - очень разные. В компьютере происходит диагностика микросхем или блоков обычно с помощью программ-тестов. А внутри биологического организма о неполадках свидетельствуют химические, температурные, механические раздражения: боль, тошнота, жар. Этот факт легко объясним: внешняя среда у компьютера и биокомпьютера - одна, зато основа внутреннего строения - принципиально разная: вместо белковых соединений - полупроводники, вместо циркуляций жидкостей - циркуляция электронов. Вот и выходит, что внешние рецепторы могут быть похожи, а внутренние - нет.
Не следует относить к рецепторам разного рода съемные носители информации - дисковые и прочие накопители. Накопители относятся к памяти (см. ниже). Они не преобразуют воздействия окружающей среды в сигналы.
Эффекторы.
Если через рецепторы информация поступает извне, то через что она выходит обратно, что происходит с сигналами, покидающими нервную систему? У человека они приводят в движение различные мышцы. Выходящая наружу информация представляет собой жесты, мимику, звук, печатный или рукописный текст, рисунки. Органы биокомпьютера или устройства компьютера, через которые информация поступает во внешнюю среду, будем именовать общим словом - эффекторы (от англ. effect - действие). Компьютерные устройства вывода информации (эффекторы) - это дисплей, динамики, принтер и сетевой кабель.
Эффекторы - это устройства, преобразующие внутренние сигналы (био)компьютера, в физические воздействия на внешнюю среду.
Дисплей и принтер соответствуют рисованию, письменности и мимике. Лицо у человека не столь подвижно, как у обезъяны, много на нем не изобразишь - так что приходится применять вспомогательные средства: бумагу и что-нибудь пищущее. Зато каракатицы способны обойтись без дополнительных орудий. У них есть нечто вроде дисплея - на коже множество цветных "пикселов", которые можно прятать и показывать. Это позволяет моллюску воспроизводить то изображение, которое он видит глазами, и некоторые абстрактные "картинки".
Динамики компьютера и мембраны в них соответствуют горлу и голосовым связкам, так что и здесь человек создает ЭВМ по своему образу и подобию. И лишь сетевой кабель не имеет аналога у биокомпьютера. К сожалению, невозможно мозг соединить с мозгом, напрямую прередавая электрохимические импульсы в другой мозг именно как электрохимические импульсы. Только такой эффектор мог бы быть прямым аналогом сетевого кабеля.
Разнообразные измерительные приборы могут служить продолжением рецепторов как компьютера, так и биокомпьютера. То же самое можно сказать и о механизмах - ими может управлять и человек, и ЭВМ, то есть, они могут действовать как продолжение эффекторов.
Процессоры.
Мозг человека состоит из миллиардов клеток нейронов, а также прочих клеток, например глиальных (выполняющих роль механической основы) и клеток, из которых состоят кровеносные сосуды. От каждого нейрона отходит множество отростков - дендритов и аксонов. Внутри нейрона повышена концентрация одних ионов, а снаружи - других, в результате чего возникает электрическое напряжение между внешней и внутренней поверхностью отростка. Импульс в нервной системе представляет собой цепную химическую реакцию, напоминающую горение бикфордова шнура или падение костяшек домино. Когда по аксону или дендриту проходит сигнал, то на его поверхности открываются своего рода "каналы", через которые устремляются ионы, что вызывает скачок напряжения в обратную сторону. Соседние каналы реагируют на этот скачок тем, что тоже открываются, отчего по соседству тоже происходит скачок напряжения, и так далее, и так далее. В результате импульс распространяется вдоль аксона. После того, как импульс проходит, "каналы" закрываются, и включаются микроскопические "насосы", которые очень быстро восстанавливают прежнюю концентрацию ионов; и вскоре нейрон оказывается готов к передаче следующего импульса.
Скорость распространения нервного импульса составляет всего порядка 25 метров в секунду. Это значит, что одиночный нервный импульс может пересечь мозг из конца в конец примерно 200 раз в секунду. Конечно, это не идет ни в какое сравнение с быстродействием современных процессоров, выполняющих триллионы операций в секунду.
В компьютере информация кодируется в виде битов, каждый из которых представляет собой одиночный (дискретный) скачок электрического напряжения за счет сдвига электронов вдоль проводника. Биты посылаются группами, чаще всего по 8, 16, 32, 64 штуки, и каждая группа кодирует определенное число в двоичной системе счисления. В биокомпьютере информация кодируется серией нервных импульсов. "Величина" сигнала тем больше, чем выше частота импульсов. Нейроны способны генерировать до 100 импульсов в секунду. Частота импульсов может плавно меняться (по крайней мере у некоторых нейронов). Такое кодирование информации называется аналоговой частотной модуляцией. Метод кодирования в современных компьютерах называется дискретной амплитудной модуляцией. При любом типе модуляции аналоговый сигнал может кодировать гораздо более широкий спектр величин и нести больше информации, чем дискретный сигнал, однако эта информация гораздо сильнее подвержена искажениям и может быть легко потеряна "в дороге" частично или полностью. В результате компьютер оказывается более надежным хранилищем информации, а биокомпьютер - более емким.
По сложности современные компьютеры в 2005 году сильно уступают биокомпьютерам. В микросхемах самой современной персоналки содержится 100-300 миллионов транзисторов (~108). В мозгу человека содержится по разным оценкам от 10 до 1000 миллиардов нейронов (1010 - 1012). При этом каждый нейрон имеет в среднем 1000 соединений с другими нейронами и очень сложную внутреннюю структуру, в то время как транзистор имеет всего три соединения и примитивнейшее строение. Это значит, что нейрон как минимум в 333 раза сложнее транзистора, а мозг в целом по самым-самым скромным и заниженным подсчетам в 10 тысяч раз сложнее процессора Pentium 4 или процессора видеоплаты. Это значит, что компьютер также проигрывает мозгу и в вопросе миниатюризации, поскольку 10 тысяч процессоров Pentium 4 никак не влезут в объем черепной коробки.
Память.
При оценке сложности мы не учли объем памяти, поскольку сравнивать еще нечего. Объем памяти компьютера известен - он может достигать 1015 битов и более. Но объем памяти биокомпьютера оценить крайне трудно. Информация в нем передается аналоговым способом, так что количество этой информации проблематично перевести в те же единицы (биты). Но это - еще полбеды. Главная проблема в том, что способ хранения информации для биокомпьютеров пока неизвестен. Быть может, внутри самих нейронов есть какие-то элементы памяти.
Компьютерная память по большей части находится вне центрального процессора, в дополнительных микросхемах и устройствах. Внутри процессора есть своя память, но ее объем невелик: порядка несколько миллионов бит.
Неизвестно и то, какая часть информации, поступающей в мозг, остается в нем. Есть вероятность, что очень большая часть, поскольку под гипнозом человек способен вспомнить очень многое из того, что, казалось бы, напрочь забыл.
Многие свойства памяти создатели компьютеров также скопировали у природы. Например в данной статье автор находит множество совпадений в том, как выглядит работа человеческой памяти (с субъективной точки зрения) и как работает память реального компьютера. Все эти понятия, которые употребляет автор,- ссылка, объект, локальный и глобальный объект - взяты из языков программирования. Также можно добавить, что в компьютере существует своя кратковременная и долговременная память, причем, в полном соответствии с живой памятью кратковременная - быстрее, а долговременная - вместительнее.
Однако кибернетики, естественно, не стали воплощать в комьютерах то свойство памяти, которое нас постоянно раздражает - способность забывать то, что не хочется забывать и неспособность забыть то, что хочется забыть. Компьютер этим недостатком не обладает: он безотказно вспоминает и безотказно забывает.
Мы отделяем память от остальных внутренних элементов компьютера и биокомпьютера по причине примитивности и очевидности ее работы: информация просто записывается однажды и считывается позднее столько раз, сколько нужно в том же виде, в котором была записана. Понятно, что эта схема работы не идет ни в какое сравнение с главным содержимым: алгоритмами, программами. Сами программы записываются в память, конечно, но программы имеют свою дополнительную сложную структуру.
Схема.
На схеме показаны основные элементы компьютера и биокомпьютера и направление потоков информации между элементами. "Процессорами" называется та часть компьютера или биокомпьютера, которая находится на пути информационных потоков от эффекторов, от памяти к акцепторам и к памяти. Направление информации от процессоров к памяти соответствует запоминанию. Направление от памяти к процессорам соответствует воспоминанию.