Können wir eine Zelle als organisches Rechengerät verstehen? In diesem Fall kann der gesamte Organismus als ein Ensemble einer großen Anzahl von interagierenden Rechengeräten betrachtet werden?
Wenn dies der Fall ist, kann Biologie mit Methoden der Graphentheorie, Netzwerktheorie, Computational Theory und Complex Systems Theory studiert werden.
Wenn Sie genug abstrakt sind, kann alles als Rechengerät betrachtet werden. Das Problem dabei, dies mit Zellen zu tun, ist die schiere Anzahl von Variablen.
Für jede gegebene Zelle existieren die folgenden internen Variablen:
Diese Liste ist nicht vollständig.
Es ist auch erwähnenswert, dass die obigen Variablen auch für mehrere separate "Fächer" innerhalb der Zelle existieren können; Vesikel, das endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat sind drei, die einem sofort in den Sinn kommen.
Das andere Problem ist, dass Zellen nicht im Vakuum existieren; Die äußere Umgebung spielt eine wichtige Rolle für ihr Funktionieren. Der menschliche Körper steht zu jedem Zeitpunkt in direktem Kontakt und Wechselwirkung mit den folgenden extrazellulären Umgebungen:
...und die Liste geht weiter. Jedes dieser Kompartimente erfordert die Verfolgung derselben Variablen wie einzelne Zellen.
Dies wird noch weiter erschwert durch die Tatsache, dass einige dieser Kompartimente aufgrund der Bedeutung räumlicher Beziehungen nicht ohne weiteres als ein großes Kompartiment betrachtet werden können. Zum Beispiel ändern sich die Sauerstoff- und Kohlendioxidkonzentrationen von Blut (sowie die Konzentrationen anderer Substanzen wie Alkohol) von Zentimeter zu Zentimeter. Ein weiteres Problem ist die Tatsache, dass Zellen in Bezug auf ihre Beziehungen zueinander nicht statisch sind; rote Blutkörperchen bewegen sich mit dem Blutfluss und erfahren Turbulenzen und andere Effekte, und andere Zellen (wie Makrophagen) sind in der Lage, sich im Blut und im Gewebe "absichtlich" zu bewegen.
Sie müssten auch mit körperlichen Störungen rechnen - Dinge wie eine Stichwunde oder sogar ein Nadelstich sind auf zellulärer Ebene lächerlich komplex.
Natürlich sind Menschen sehr komplexe Organismen, und es gibt viel einfachere Organismen. Sie könnten an OpenWorm interessiert sein , das ein Versuch ist, Caenorhabditis elegans , eine Spulwurmart, auf zellulärer Ebene rechnerisch zu simulieren. Dies selbst für einen so einfachen Organismus wie C. elegans zu tun, ist ein gewaltiges Unterfangen, wie die Tatsache zeigt, dass das Projekt trotz der Beiträge von Dutzenden von Experten auf ihren Gebieten schon seit einiger Zeit läuft und noch nicht die erste Phase erreicht hat.
Die Kurzfassung: Geht das ? Womöglich. Ist es einfach ? Definitiv nicht.
Als Mathematiker, der sich für Biologie interessiert, bin ich sehr neugierig auf fundierte Antworten, hier füge ich meine hinzu, mit dem Verständnis, dass sie in keiner Weise vollständig sind und in Bezug auf Biologie sehr voreingenommen oder ignorant sein könnten.
Wir können eine Zelle als ein auf Chemie und Physik basierendes Programm verstehen, das von selbst läuft. Die Zelle ist ein Rechengerät in dem Sinne, dass die Ergebnisse ihrer Aktivität berechenbare Funktionen ihrer Eingaben sind (eine vernünftige Hypothese), aber mehr noch: Auf Zellebene gibt es keinen Unterschied zwischen dem Computer und dem Programm, das auf dem Computer läuft Computer, Eingabe- und Ausgabedaten UND die Ausführung des Programms. Alles ist auf der gleichen Ebene, dh jede Abstraktion ist in einem konkreten chemischen oder physikalischen Ding verkörpert.
Dieser Konkretheitsteil trägt, glaube ich, zur Schwierigkeit bei, denn das übliche Denken in der Informatik dreht sich alles um die Strukturierung von Abstraktionen, während in der Biologie alles letztendlich nur auf einer Ebene ist: real, Physik und Chemie verkörpert.
Dies ist eine Behauptung, die starke Belege benötigt. Da es sich um ein Prinzip handelt, kann es nicht rigoros bewiesen werden, aber es könnte eine rigorose Unterstützung durch die Konstruktion einfacher Prinzipbeweismodelle erhalten.
Es gibt viele Computermodelle, die von der Chemie inspiriert sind, daher können sie im Gegenzug als solche Beweise für Prinzipien angesehen werden.
Es gibt Modelle für chemische Reaktionsnetzwerke und Petrinetze, die eher Strukturierungswerkzeugen als real verkörperten Berechnungsmodellen ähneln, da sie weder die Struktur von Molekülen berücksichtigen (sie sind nur Knoten in einem Diagramm) noch die Art und Weise, wie chemische Reaktionen ablaufen (sie sind Kanten in einem Graphen). Sie sind jedoch sehr nützliche Werkzeuge, und die hier gegebene Beschreibung ist sehr vereinfacht.
Es gibt die CHAM (Chemical Abstract Machine), G. Berry und G. Boudol. Die chemische abstrakte Maschine. Theoretische Informatik, 96(1):217–248, 1992 . In diesem Modell sind Zustände der Maschine (stellen Sie sich vor: eine Zelle) "chemische Lösungen, in denen schwebende Moleküle nach Reaktionsregeln interagieren können" (Zitat aus der Zusammenfassung). In diesem Modell bedeutet "Lösung" eine Vielzahl von Molekülen, Reaktionsregeln gelten zwischen Molekülen und sie gelten nicht innerhalb von Molekülen. Dies ist eine Einschränkung des Modells, da die Struktur des Moleküls nicht so wichtig ist wie die Anzahl der Moleküle in einer Spezies.
Ein weiteres sehr interessantes Modell ist die Algorithmic Chemistry von Fontana und Buss . Die Hauptidee ist, dass Chemie und Berechnung im Grunde dasselbe sind. Die Begründung geht wie folgt. Es gibt zwei Säulen des rigorosen Begriffs der Berechnung: die Turing-Maschine (allgemein bekannt) und Churchs Lambda-Kalkül. Der Lambda-Kalkül ist außerhalb der Informatik weniger bekannt, aber ein Formalismus, der für Chemiker oder sogar Biologen hilfreicher sein kann als die Turing-Maschine. Fontana und Buss schlagen vor, dass der Lambda-Kalkül eine Art Chemie ist, in dem Sinne, dass seinen Grundoperationen, nämlich Abstraktion und Anwendung, chemische Analogien gegeben werden können. Moleküle sind wie mathematische Funktionen, Abstraktionen wie Reaktionsorte und Anwendungen wie chemische Reaktionen.
Die Algorithmic Chemistry ist fast so nahe wie möglich an der Beantwortung der Frage (Beweis des Prinzips).
Schließlich erwähne ich Chemlambda oder die chemische Betonmaschine , die der algorithmischen Chemie ähnelt, aber viel konkreter ist. Moleküle sind Graphen, Anwendungen und Abstraktionen sind Moleküle, chemische Reaktionen sind Umschreibungen von Graphen.
Was meiner Meinung nach an all diesen Modellen sehr interessant ist, ist, dass sie darauf hindeuten, dass die Beantwortung der Frage "Können wir eine Zelle als organisches Rechengerät verstehen?" ist irgendwie relevant für die Informatik-Frage "Wie gestaltet man ein asynchrones, dezentrales Internet?".
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