გიორგი ღონღაძე

საქართველოს აგრარული უნივერსიტეტი

gghon2021@agruni.edu.ge





ასევე იხილეთ

 

 

გაფართოებული ძებნა

 

 

"ქიმიის უწყებანი" ტომი:5, ნომერი:1, 18-25 გვ.

ქიმიური რეაქციები და ინფორმაციის გადამუშავება ქიმიურ კომპიუტერებში

გიორგი ღონღაძე

რეზიუმე: ადამიანის ორგანიზმში ინფორმაციის გადამუშავება ქიმიური რეაქციების საშუალებით მუდმივად მიმდინარეობს და სწორედ ამიტომაა შესაძლებელი ჩვენი კომპლექსური აზრების შემუშავება თუ მათი გადმოცემა. ადამიანის ტვინის გაიგივება კომპიუტერის მუშაობასთან ხშირად ეუხერხულებათ ხოლმე, რადგანაც ტრანზისტორები ნეირონების ანალოგს არ წარმოადგენენ: ნეირონებში მხოლოდ ელექტრულ იმპულსებს ვხვდებით, მაშინ როდესაც კომპიუტერი მუდმივ დენზე მუშაობს. ამის გარდა, ნეირონებს შორის კავშირი ქიმიური ხასიათისაცაა, ნერვულ სინაფსებში ინფორმაცია ქიმიურ მედიატორებს - ნეიროტრანსმიტერებს გადააქვთ. შესაბამისად, მეცნიერთა შორის აზრი ქიმიური კომპიუტერის არსებობის შესახებ ჯერ კიდევ დიდი ხნის წინ გაჩნდა.

საკვანძო სიტყვები: ქიმიური კომპიუტერები; არაორგანული ოსცილატორები; კომპიუტაცია; ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის რეაქცია; ტიურინგის მანქანა



ადამიანის ორგანიზმში ინფორმაციის გადამუშავება ქიმიური რეაქციების საშუალებით მუდმივად მიმდინარეობს და სწორედ ამიტომაა შესაძლებელი ჩვენი კომპლექსური აზრების შემუშავება თუ მათი გადმოცემა. ადამიანის ტვინის გაიგივება კომპიუტერის მუშაობასთან ხშირად ეუხერხულებათ ხოლმე, რადგანაც ტრანზისტორები ნეირონების ანალოგს არ წარმოადგენენ: ნეირონებში მხოლოდ ელექტრულ იმპულსებს ვხვდებით, მაშინ როდესაც კომპიუტერი მუდმივ დენზე მუშაობს. ამის გარდა, ნეირონებს შორის კავშირი ქიმიური ხასიათისაცაა, ნერვულ სინაფსებში ინფორმაცია ქიმიურ მედიატორებს - ნეიროტრანსმიტერებს გადააქვთ. შესაბამისად, მეცნიერთა შორის აზრი ქიმიური კომპიუტერის არსებობის შესახებ ჯერ კიდევ დიდი ხნის წინ გაჩნდა.

ქიმიური კინეტიკის ტიურინგ-სისრულე ჯერ კიდევ მეოცე საუკუნის ბოლოს დადასტურდა. ტიურინგის მანქანის თეორიული მოდელი XX საუკუნის შუა ხანებში შექმნა კომპიუტინგის ფუძემდებელმა ალან ტიურინგმა და ეს ჰიპოთეტური მექანიზმი, რომელსაც შეუძლია დღესდღეობით ჩვენთვის ცნობილი ნებისმიერი ალგორითმისა თუ რთული გამოთვლის წარმოება, გამოიყენება თანამედროვე პროცესორების მათემატიკური მოდელირებისათვის. ქიმიური კინეტიკის ტიურინგ-სისრულე გულისხმობს სწორედ იმას, რომ ქიმიურ რეაქციებს აქვთ ისეთივე გამოთვლის უნარი როგორც ტიურინგის მანქანას, ანუ თანამედროვე კომპიუტერებს. ეს პირველად დადასტურდა სწორედ მარსელო მაგნასკოს 1997 წლის სამეცნიერო სტატიაში. მან შეძლო ჩამოეყალიბებინა თეორიული მოდელი ქიმიური კომპიუტერის და დაადასტურა კიდეც ამ კომპიუტერის შესაძლებლობები ციფრული სიმულაციის საშუალებით. აქ მოცემულია ამონარიდი მისი ნაშრომიდან, რომელზეც ასახულია ქიმიური სამ-ბიტიანი შემკრები: a + b = c, სადაც a არის a2a1a0, b - b2b1b0, ხოლო c კი - c3c2c1c0. ცხადია, ეს რიცხვები ჩაწერილია ორობითში, რადგანაც სტანდარტული კომპიუტერები სწორედ ამ რიცხვთა სისტემაში მუშაობენ. საერთო ჯამში ეს ქსელი შედგება 140 ნივთიერებისაგან, რომლებიც 290 სხვადასხვა რეაქციაში არიან ჩართულები. ამით უკვე ნათლად დასტურდება ქიმიური კომპიუტერის არსებობის თეორიული საფუძველი, თუმცა ისმის შეკითხვა რამდენად შესაძლებელია ამის განხორციელება პრაქტიკულად. ერთი შეხედვით ჩვეულებრივი ქიმიური რეაქციები არ გამოდგებიან კომპიუტერის შემადგენელ კომპონენტებად, რადგანაც ორი ქიმიური რეაგენტის ურთიერთქმედების შედეგად რეაქცია მყისიერად მიაღწევს წონასწორობას და ამგვარად შეუძლებელი იქნება რაიმე გამოთვლის წარმართვა. თუმცა სწორედ ამ პერიოდში ბორის ბელოუსოვი წააწყდება ისეთ რეაქციას, რომლის არსებობასაც კი არ დაიჯერებენ იმდროინდელი ქიმიკოსები.

ოსცილაციის რეაქციები

ბელოუსოვის თანამედროვეებს მიაჩნდათ, რომ ქიმიური რეაქციები ერთი მიმართულებით - წონასწორობისაკენ ისწრაფვიან (ეს სინამდვილეში მართლაც ასეა) და ამიტომაც რხევითი ტიპის (იგივე ოსცილაციის) რეაქციებს ეჭვის თვალით უყურებდნენ. ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის რეაქციაში შეფერილობა რხევითად იცვლება მასში არსებული განსხვავებული მუხტების მეტალის იონების გამო. ერთი შეხედვით ეს სისტემა ქანქარის მსგავსად მრავალჯერ გაივლის წონასწორობის წერტილს, რაც ქიმიაში შეუძლებელია თერმოდინამიკის მეორე კანონის გამო - ქიმიური სისტემის ენტროპია არ უნდა შემცირდეს, რაც ნიშნავს იმას, რომ რეაქციაში მონაწილე რეაგენტებმა და პროდუქტებმა უნდა მიაღწიონ წონასწორობის წერტილს.

სინამდვილეში ეს რეაქცია სრულიად არ ეწინააღმდეგება თერმოდინამიკის არცერთ კანონს, რადგანაც რხევითად მხოლოდ შუალედური პროდუქტების კონცენტრაციები იცვლება, საბოლოო ჯამში რეაგენტები გაიხარჯება და ეს რეაქციაც შეწყდება.

სურ. 1. სამ-ბიტიანი შემკრების სიმულაცია. [1] ქვედა სამი ბიტი a-ს წარმოადგენს, შემდეგი სამი ბიტი - b-ს, ხოლო უკიდურესი ზედა 4 ბიტი c-ს. პირველი სვეტი არის 0 + 0 = 0; მეორე - 7 + 7 = 14; მესამე 2 + 2 = 4; მეოთხე - 6 + 3 = 9; ხოლო უკანასკნელი
სვეტი - 7 + 1 = 8.

სურ. 2. ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის რეაქცია. [6]

სქემა 1. ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის რეაქციის მექანიზმი. [2]
რეაქციებში MA-ით აღნიშნულია მალონის მჟავა, ხოლო BrMA-ით კი ბრომმალონის მჟავა - მალონის მჟავის ბრომირებული ფორმა.

რეაქციის მექანიზმი

ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის რეაქციის მექანიზმი საკმაოდ კომპლექსურია. ამ შემთხვევაში მოყვანილია კლასიკური ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის რეაქციის FKN მექანიზმის (მექანიზმის შემსწავლელი მეცნიერების - ფილდის, კოროსისა და ნოიესის საპატივსაცემოდ) შეკვეცილი ვარიანტი. თავდაპირველად ბრომიდის იონები აღადგენენ ბრომატის იონებს და შედეგად ბრომის ანიონები სწრაფად გაიხარჯება (1). რეაქცია (1)-ისა და (3)-ის შედეგად ბრომის კონცენტრაცია იმატებს, რაც რეაქცია (4)-ს წარმართავს. მას შემდეგ კი, რაც ბრომის ანიონების რაოდენობა ამოიწურება, ახლა უკვე ბრომოვანი მჟავა ჩაერთვება, Ce+3 დაიჟანგება Ce+4-ად და გამოიყოფა ორჯერ მეტი ბრომოვანი მჟავა. ეს გადახრის რეაქციის წონასწორობას ბრომოვანი მჟავის დაშლისკენ (6), ამავდროულად კი 7,8,9 რეაქციები აღადგენენ ცერიუმის იონს და შეავსებენ ბრომის ანიონების რაოდენობას და რეაქცია იწყება თავიდან. თუმცა ეს რეაქცია საბოლოოდ შეწყდება, რადგანაც მალონისა(7) და ბრომმალონის მჟავა გარდაიქმნება ჭიანჭველმჟავად(8), რომელიც შემდგომ დაიჟანგება ნახშირორჟანგამდე. Ce+4 ყვითელი შეფერილობისაა, ხოლო Ce+3 უფერულია და სწორედ მათი მონაცვლეობა ქმნის ამ რხევით ეფექტს.

პირველი ნაშრომი ქიმიური კომპიუტაციის შესახებ

1986 წელს გამოქვეყნდა უმნიშვნელოვანესი ნაშრომი ქართველის თანაავტორობით, რომელმაც ფაქტობრივად საფუძველი ჩაუყარა ქიმიურ კომპიუტაციას. ამ სამეცნიერო სტატიაში აღწერილია თუ როგორ არის შესაძლებელი ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის რეაქციის ერთ-ერთი ფოტოსენსტიური ვარიანტის საშუალებით სურათის დამუშავება. ამ ვარიანტში ტრადიციული ფეროინის ან ცერიუმის იონების მაგივრად გამოყენებულია რუთენიუმის ბიპირიდილ ქლორიდი. დასხივებისას რუთენიუმის ბიპირიდილ-კომპლექსი აკატალიზებს ბრომის ანიონების წარმოქმნას, რომელიც როგორც უკვე ვიხილეთ საკმაოდ ძლიერი აღმდგენია და შესაბამისად მისი მაღალი კონცენტრაცია აინჰიბირებს სუბსტრატის ჟანგვას (ამ შემთხვევაში რუთენიუმის იონების) და შესაბამისად დასხივების ადგილას ტალღების პროპაგაცია წყდება. ამიტომაც ექსპერიმენტის მსვლელობისას სარეაქციო არე დაასხივეს ფოტონეგატივით და დააკვირდნენ ტალღების მიერ ფოტო სურათის დამუშავებას.

ფოტოსურათს თუ დავაკვირდებით დავინახავთ, რომ იგი გაივლის სხვადასხვა ფაზებს და დამუშავდება რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი ტალღების ურთიერთქმედების შედეგად.

სურ. 3. ექსპერიმენტის მიმდინარეობა ფოტონეგატივით დასხივების შემდეგ. [3]
სარეაქციო არე დაასხივეს ფოტონეგატივით და როგორც სურათზე ჩანს, თავდაპირველად გამოისახება ფოტოპოზიტივი, ხოლო უკვე 4, 5 კადრიდან იწყებს დეგრადირებას.

სურ. 4. რეაქციის მსვლელობა ფოტონეგატივით დასხივების შემდეგ ნაკლები კონცენტრაციის გოგირდმჟავიან არეში. [3] აქ სარეაქციო არე დაასხივეს დაცალკევებული, გამოყოფილი წერტილებით შექმნილი სურათით. 4, 5 კადრიდან კი უკვე ნათელია, რომ სურათმა დაკარგა დისკრეტული სტრუქტურა და წარმოდგენილია უწყვეტი ხაზების საშუალებით.

აღმოჩნდა, რომ დაშუქების ინტენსივობის რეგულაციით და რეაგენტების კონცენტრაციების ცვლილებით იყო შესაძლებელი დამუშავების უფრო მაღალი ხარისხის მიღწევა. მაგალითად თუ შევამცირებთ გოგირდმჟავას კონცენტრაციას, შესაძლებელია დაზიანებული, უხარისხო ფოტოსურათის გამოსწორება, როგორც ეს არის ასახული ვარსკვლავის დამუშავების შემთხვევაში.

სურ. 5. უჯრედული ტიპის კომპიუტერის სტრუქტურა. [4]. საწყისი კომბინაცია შესაბამის უჯრედებს გააქტიურებს, რაც წარმართავს მეზობელ უჯრედებში ქიმიურ რეაქციებს და ასე გრძელდება ჯაჭვურად.

გლაზგოს უნივერსიტეტის კვლევა

გლაზგოს უნივერსიტეტის სტუდენტებმა შექმნეს უჯრედული ტიპის რხევითად ცვლადი სისტემა. ეს ქიმიური კომპიუტერი შედგება დაფისაგან, რომელზედაც არის გამოყოფილი კომპარტმენტები (უჯრედები), რომელთაგან თითოეულში მოთავსებულია მაგნიტური სარეველები. უჯრედებს შორის არის დატანილი მცირე ზომის ღარები, რომლებიც თითოეულ უჯრედში არსებულ ტალღებს აძლევენ პროპაგაციის საშუალებას, რაც იწვევს მეზობელი უჯრედების გააქტიურებას. ამის გამო, ნებისმიერი საწყისი კომბინაცია იძლევა საბოლოო შედეგს, რომლის წინასწარმეტყველება ადამიანს ფაქტობრივად არ შეუძლია, თუმცა ეს პროცესი წარმოადგენს დეტერმინისტული ქაოსის მაგალითს და ძალიან ზუსტი საწყისი მახასიათებლების მეშვეობით კომპიუტერს შეუძლია დაადგინოს საბოლოო მდგომარეობა. ეს ქიმიური მანქანა შესაძლებელია დამშიფრავად იქნას გამოყენებული. ამ ნაშრომში მათ დაშიფრეს სიტყვა „ENIGMA“. ასოების გადაფარვით მივიღეთ სპეციფიკური მდგომარეობა, რომელიც მიიჩნიეს საწყისად და ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის რეაქტორი დასხივებიდან განსაზღვრული დროის შემდეგ მოგვცემს გარკვეულ, ახალ მდგომარეობას, რომელიც შეგვიძლია გადავამუშაოთ კომპიუტერის გამოყენებით - ნეირონული ქსელის საშუალებით და ამით გავშიფროთ საწყისი შეტყობინება. მართალია ეს არ არის ქიმიური კომპიუტერის კარგი მაგალითი (კომპიუტაციისას ნეირონული ქსელი გამოიყენება, რომელსაც სიმულირებს ჩვეულებრივი კომპიუტერი), რადგანაც აქამდე წარმოდგენილი კომპიუტერები ასახავენ კერძო მიზნების კომპიუტაციას. ახლა კი ვიხილავთ ზოგადი მიზნების კომპიუტაციის მაგალითს, რეალურთან ყველაზე ახლოს მყოფ ქიმიურ კომპიუტერს - ქიმიურ ტიურინგის მანქანას.

სურ. 6. ქიმიური დამშიფრავის მოქმედების დიაგრამა. [4] თავდაპირველი კომბინაცია გადამუშავდება ბელოუსოვ-ჟაბოტინსიკის სისტემის მიერ, რომელსაც შემდგომ გაშიფრავს სტანდარტულ კომპიუტერზე მომუშავე ნეირონული ქსელი (ეს არის სპეციფიკური ალგორითმი, რომელსაც შეუძლია გარკვეული კანონზომიერების დაფიქსირების დასწავლა).

ჰარვარდელების ნაშრომი სხვადასხვა სიმძლავრის ქიმიურ ავტომატონებზე

ენათმეცნიერმა ნოამ ჩომსკიმ მოახდინა სხვადასხვა ენების კლასიფიკაცია და დააჯგუფა ისინი. როგორც აღმოჩნდა, თითოეული ენის გრამატიკის, სიტყვათწყობის კომპლექსურობა შეესაბამება სხვადასხვა ტიპის ავტომატონების (იგივე კომპიუტერი იგულისხმება, ამ ტერმინს თეორიულ ინფორმატიკაში იყენებენ სხვადასხვა აბსტრაქტული მანქანებისა და სისტემების აღსანიშნად) სიძლიერეს. ჰარვარდის კურსდამთავრებულებმა მოახერხეს ყველა სიმძლავრის კომპიუტერის შექმნა, გარდა ჭეშმარიტი ტიურინგის მანქანისა (მათ შექმნეს ტიურინგის მანქანის ერთ-ერთი შეზღუდული ქვეტიპი).

სურ. 7. ავტომატონების იერარქია [5] იერარქიის ზედა საფეხურზე მყოფი კომპიუ-ტე¬რები არიან ნაკლებად შეზღუდულები, უფრო კომპლექსურები და რაც მთავარია, უფრო მძლავრები.

სურ. 8. პარკინგის მანქანის ყველა შესაძლო მდგომარეობის ამსახველი დიაგრამა. [7]

სურ. 9. ქიმიური სასრულ მდგომარეობათა ავტომატონის მუშაობის მიმდინარეობა. [5] პირველ შემთხვევაში დადასტურდა მიწო¬დე-ბუ¬ლი კომბინაცია, რაზეც მიუთითებს ვერც¬ხ-ლის იოდატის თეთრი ნალექი. მეორე შემთ-ხვე¬ვაში კი ნალექი არ გვაქვს, ე. ი. სისტემა არ აღიქვამს ასეთ მიმდევრობას.

ავტომატონთა პირველ დონეს წარმოადგენს დეტერმინისტული სასრულ მდგომარეობათა მანქანა (Finite State Automaton). ასეთი ტიპის კომპიუტერს ფაქტობრივად არ აქვს მეხსიერება და ძლიერ შეზღუდულია. ასეთი ავტომატონის მაგალითია პარკინგის მანქანა. ეს მანქანა მხოლოდ მაშინ მოგცემთ ბილეთს, როცა თქვენ 25 პენსს ჩააგდებთ, მაგრამ ამ 25 პენსამდე მისასვლელი გზა საკმაოდ ბევრია (ყველა შესაძლო ვარიანტი გამოსახულია დიაგრამაზე). თუ ეს მანქანა იმყოფება მაგალითად 20-ის მდგომარეობაში, თქვენ, რომ მას ჰკითხოთ აქამდე როგორ მოვიდა, ის ვერ გიპასუხებთ, რადგანაც ამისი უამრავი ვარიანტი არსებობს და მას კიდევ მეხსიერება არ აქვს. ამის მოდელირება სულ მარტივად არის შესაძლებელი ქიმიური რეაქციების საშუალებით. კომპიუტაციის თეორიაში განსაზღვრულია, რომ სისტემას აქვს დეტერმინისტული სასრულ სიმრავლეთა ავტომატონის სიმძლავრე, თუ შეუძლია აღიქვას, დაადასტუროს (accept) ისეთი მიმდევრობა, რომელიც შეიცავს მინიმუმ ერთ a-ს და მინიმუმ ერთ b-ს (შესაძლებელია ეს გავიაზროთ როგორც ე.წ. AND Gate, რომელიც მხოლოდ მაშინაა ჭეშმარიტი, როცა ორივე შემავალი სიგნალი არის ჭეშმარიტი). ქიმიური ანალოგის შემთხვევაში a იქნება განსაზღვრული მოცულობის კალიუმის იოდატი, ხოლო b - ვერცხლის ნიტრატი. დადასტურებად მივიჩნევთ თეთრი ნალექის წარმოქმნას:

KIO3 +AgNO3 → AgIO3(ნალექი) + KNO3.

ავტომატონების მეორე დონეს წარმოადგენს მეხსიერების მქონე სასრულ მდგომარეობათა მანქანა (ე.წ. Push-down Automaton). ამ კომპიუტერს უკვე აქვს მეხსიერება, რომლის მათემატიკურ მოდელშიც ის არის უსასრულო სიგრძის ფირი ე.წ. „stack“. ამ ფირზე შესაძლებელია ახალი ინფორმაციის ჩამატება (push) და ფირის სათავედან ინფორმაციის წაკითხვა-ამოშლა (pop). ამ შემთხვევაში ვხედავთ, რომ მეხსიერების არსებობის მიუხედავად ეს კომპიუტერიც გარკვეულწილად მაინც შეზღუდულია, რადგანაც მას არ აქვს ერთდროული წვდომა მეხსიერების ყველა კომპონენტზე. ქიმიურად ამის მოდელირება შესაძლებელია ძლიერი ტუტის (ამ შემთხვევაში ნატრიუმის ჰიდროქსიდის), სუსტი ორფუძიანი მჟავის (მალონის მჟავის), pH ინდიკატორის (მეთილწითელის) გამოყენებით. კომპიუტაციის თეორიის თანახმად, მეხსიერების მქონე სასრულ მდგომარეობათა მანქანის სიმძლავრე აქვს ისეთ სისტემას, რომელსაც შეუძლია აღიქვას თანაბარი რაოდენობის a და b (ამ შემთხვევაში a და b მაგივრად გამოყენებულია „(“ და „)“, თუმცა ამას გამოთვლისთვის არსებითი მნიშვნელობა არ აქვს), ანუ aabb, aaabbb და ა.შ. ძლიერი ტუტე იქნება - „a“; სუსტი მჟავა კი - „b“, რეაქციის მიმდინარეობისას გამოყენებულია ინდიკატორი, ამ შემთხვევაში შეარჩიეს მეთილწითელი, რათა pH-ის გადასვლის ზღვარი ყოფილიყო ოპტიმალური. შესაბამისად, თუ ორივე რეაგენტი არის თანაბარი რაოდენობის, მაშინ მეთილწითელი შეიფერება ნარინჯისფრად, ჭარბი ჰიდროქსიდის შემთხვევაში გაყვითლდება, ხოლო ჭარბი მჟავის შემთხვევაში მოვარდისფრო-წითელი შეფერილობას მიიღებს.

სურ. 10. მეხსიერების მქონე სასრულ მდგო¬მა¬რეო-ბა¬თა ავტომატონის მუშაობის მსვლელობა. [5]

სურ. 11. სხვადასხვა რეაგენტის გავლენა რეაქციის მიმდინარეობასა და ჟანგვა-აღდგენით პოტენციალზე. [5] A-ზე გამოსახულია ნატრიუმის ბრომატის დამატებისას მიმდინარე ცვლილებები, როგორ იმატებს ჟანგვა-აღდგენითი პოტენციალის რხევის სიხშირე - f, თუმცა იკლებს სხვაობა - D, B-ზე გამოსახულია მალონის მჟავის დამატების შემთხვევაში მიმდინარე ცვლილებები, C-ზე ნატრიუმის ჰიდროქსიდის შემთხვევა, ხოლო D-ზე რუთენიუმის ბიპირიდილის შემთხვევაში წარმართული ცვლილებები.

ავტომატონთა მესამე დონეს კი უკვე მიეკუთვნება წრფივად შეზღუდული ავტომატონი (Linear Bounded Automaton), რომელიც ტიურინგის მანქანის შეზღუდულ ფორმას წარმოადგენს. ეს იგივე სასრულ მდგომარეობათა მანქანაა ორი ან მეტი უსასრულო ზომის მეხსიერების ფირით (მისი მოდელირება ასევე შესაძლებელია ტიურინგის მანქანის მათემატიკური მოდელის საშუალებით, რომელსაც აქვს შეზღუდული სიგრძის მეხსიერების ფირი). ქიმიურად კი ამის განხორციელება შესაძლებელია ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის ოსცილაციის რეაქციის საშუალებით. ამ შემთხვევაში რეაგენტებად გამოიყენება ნატრიუმის ბრომატი, მალონის მჟავა, რუთენიუმის ბიპირიდილ-კომპლექსი კატალიზატორად და რეაქცია წარიმართება გოგირდმჟავიან არეში. იმისათვის, რომ სისტემამ დაადასტუროს თავისი ტიურინგ-სისრულე (იგულისხმება წრფივად შეზღუდული ავტომატონის ფორმით) მან უნდა აღიქვას სპეციფიკური მიმდევრობა L = {anbncn , სადაც n ≥ 1}, მაგალითისთვის „abc“, „aabbcc“, „aaabbbccc“ და ა.შ. ამიტომ როგორც ვხედავთ დაგვჭირდება სამი სიმბოლოს შესაბამისი რეაგენტი: a იქნება ნატრიუმის ბრომატი, b - მალონის მჟავა, ხოლო c - ნატრიუმის ჰიდროქსიდი. ამ შემთხვევაში ჩვენ ვაკვირდებით ორ მახასიათებელს: კატალიზატორის ჟანგვა-აღდგენის პოტენციალის რხევის (ოსცილაციის) მყისიერ სიხშირეს - f, რომელიც f ~ [BrO3-]α x [MA]β x [NaOH] და ასევე ჟანგვა-აღდგენის მაქსიმალურ პოტენციალსა და მყისიერ პოტენციალს შორის სხვაობას -

,

სადაც Vmax არის დაჟანგული კატალიზატორის მაქსიმალური ჟანგვა-აღდგენითი პოტენციალი, VT - რხევითი ცვლილების მინიმუმი, ხოლო VP კი - ჟანგვა-აღდგენითი პოტენციალის ოსცილაციის მაქსიმუმი. ექსპერიმენტის მსვლელობისას შესაბამისი მიმდევრობის რეაგენტები შეაქვთ სარეაქციო არეში და აკვირდებიან ჟანგვა-აღდგენით პოტენციალს. საბოლოო ჯამში შესაძლებელია დავუკავშიროთ ერთმანეთს f და D, რომელთა შორისაც არის არაწრფივი კავშირი და შესაძლებელია ამ კავშირის დადგენა ექსპერიმენტულად. საბოლოოდ ამ მონაცემებს თუ შევადარებთ f(D) გრაფიკს შეგვიძლია დავასკვნათ მოახერხა თუ არა სისტემამ შესაბამისი მიმდევრობის აღქმა.

სურ. 12. სიხშირისა და ჟანგვა-აღდგენით პოტენციალებს შორის სხვაობის ერთმანეთზე დამოკიდებულების მრუდი. [5] დიაგრამაზე წარმოდგენილია ექსპერიმენტულად დადგენილი ჟანგვა-აღდგენითი პოტენციალის რხევითი სიხშირის სხვაობაზე დამოკიდებულების გრაფიკი. ამ გრაფიკზე დატანილია წარმატებული და წარუმატებელი მიმდევრობები, რომლებიც ემთხვევიან გამოთქმულ ვარაუდს: a2b2, a3b3c4 და ა.შ არ არიან მოთავსებულები მრუდზე.


დასკვნა

საბოლოოდ უნდა აღვნიშნოთ, რომ შესაძლებელია ტრანზისტორის მსგავსი ცალკეული ქიმიური კომპონენტების შემუშავება, თუმცა პრობლემად რჩება მათი ერთმანეთთან დაკავშირება ლოგიკური აზრის დაკარგვის ან და დაქვეითების გარეშე. ამის გადაჭრას წარმოადგენს ზემოთ მოცემული ბელოუსოვ-ჟაბოტინსკის ტიურინგის მანქანა, რომელიც თავს არიდებს ლოგიკური კომპონენტების არსებობას და იყენებს რეაქციულ-დიფუზიურ სისტემას. ასეთ სისტემებს ვხვდებით ბუნებაში - ჩვენს ორგანიზმში ქიმიური კომპიუტაცია სწორედ ერთიან სივრცეში მიმდინარეობს. თუმცა აქ მეორე პრობლემა იკვეთება: ენზიმებს ძლიერი სპეციფიკურობა ახასიათებთ სუბსტრატის მიმართ, მაშინ როცა არაორგანული ნაერთები ასეთ თვისებას არ ავლენენ, შესაბამისად ძალიან რთულია რეაქციულ-დიფუზიური სისტემების რეაგენტების სწორად შერჩევა და რაც მთავარია ამ სისტემის დაპროგრამება. ამიტომაც შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ამ დარგში ჯერჯერობით რჩება მრავალი გამოწვევა, რის გამოც სამომხმარებლო დონის ქიმიური კომპიუტერი არ არსებობს, თუმცა ეს სფერო კვლავ წარმოადგენს მეცნიერების ინტერესს და სიახლეებს ქიმიური კომპიუტინგის მიმართულებით მუდამ უნდა ველოდოთ.

გამოყენებული ლიტერატურა

  1. Magnasco, Marcelo. (1997). Chemical Kinetics is Turing Universal. Physical Review Letters - PHYS REV LETT. 78. 1190-1193. 10.1103/PhysRevLett.78.1190.
  2. Hill, D.C., & Morgan, T.D. (2003). Pattern Formation and Wave Propagation in the Belousov-Zhabotinskii Reaction.
  3. Kuhnert, L., Agladze, K. & Krinsky, V. (1989). Image processing using light-sensitive chemical waves. Nature 337, 244–247.
  4. Parrilla-Gutierrez, J.M., Sharma, A., Tsuda, S. et al. (2020). A programmable chemical computer with memory and pattern recognition. Nat Commun 11, 1442.
  5. Dueñas-Díez M, Pérez-Mercader J. (2019). How Chemistry Computes: Language Recognition by Non-Biochemical Chemical Automata. From Finite Automata to Turing Machines. iScience.19:514-526.
  6. https://www.flickr.com/photos/nonlin/4297013382 (უკანასკნელად გადამოწმებულია - 14/12/2022)
  7. http://arrow.cs.nott.ac.uk/computerphile/chomsky-handout.pdf (უკანასკნელად გადამოწმებულია - 14/12/2022)

 

გამოქვეყნებულია: 19-12-2022