Главная стр 1стр 2стр 3стр 4
скачать



ИНФОРМАТИКА ДЛЯ ХИМИКОВ

КУРС ЛЕКЦИЙ
Проф. Ю.С. Мардашев

Учебное пособие для студентов II курса педагогических университетов

Москва

2003

Печатается по решению Ученого Совета Химического факультета МПГУ

Введение.


Настоящее учебное пособие предназначено для студентов химических профилей педагогических университетов. Основное отличие от большого числа учебных пособий по информатике заключается в акценте на химический аспект информации, ибо, как отметил лауреат Нобелевской премии по химии Жан-Мари Лен, парадигма современной химии это синтез «инструктированных» (т.е. информированных) соединений. Таким образом, данное учебное пособие не является в чистом виде компиляцией из учебников, предназначенных для технических университетов, в нем отражается опыт работы со студентами химического факультета МПГУ. Уровень подготовки школьников, естественно, разнообразен, однако ввиду того, что наш контингент учащихся не готовил себя, в отличие от поступающих на физико-технические факультеты, к серьезному изучению информатики, приходится учить их тому, что они должны были бы знать по школьным учебным программам. Главное отличие от материала учебников для средней школы заключается в большем акценте на искусственный интеллект, нейрокомпьютеры, квантовые компьютеры, а также акцент на химические аспекты, такие, как потенциальный ящик, экспертные системы при химическом анализе, буферные растворы и т.п. Данное учебное пособие является промежуточным (по времени развития информационных технологий), гибридным произведением между «учебником-ликбеза», учебником-справочником и оригинальным учебником. Автор надеется, что доли первых двух частей этого гибрида будут уменьшаться, а последняя расти с бурным развитием информационных технологий, имеющим место в наши дни.

Пособие написано на основании лекционного курса «Информатика», читаемого автором в течении ряда лет на химическом факультете МПГУ. Нормативный базовый курс информатики (как это осуществляется на математическом факультете МПГУ) состоит из трех «китов»: 1) собственно информатика, 2) программирование, 3) информационные технологии. В данном случае материал сжат до одного курса, в течении одного семестра. Это не могло не наложить отпечаток на комплектование материала данного учебного пособия.

Внимательный читатель возможно обнаружит несовпадение определений, приведенных в данном пособии, с некоторыми учебниками. Это связано с многогранностью понятия «информации», которому имеется более 20 определений, причем все они формально обоснованы. Автор полагает, что нечеткие определения не самое плохое, ибо зазубренное определение без понимания его сути – серьёзный недостаток, связанный чаще всего с недостаточной научной глубиной понимания данного закона. Еще Ф.Энгельс отмечал научную недопустимость («hard and fast lines») жестких границ. Академик Л. Мандельштам также отмечал условность и относительность определений в науке. Бурное развитие информационной науки приводит в наши дни к изумительным результатам: синтез музыки в головах участников, который осуществляла компьютерная программа, позволяющая воспроизводить индивидуальные мелодии участника концерта и интегральную музыку многих (Джеймс Фунг из Торонто).

Входит в обращение демосцена, это (произведение) творения искусства в компьютерном исполнении, например, дедективная история. Происходящее на экране формируется в реальном времени, основывается на математических расчетах и программных алгоритмах. Происходящее на сцене сопровождается музыкой, которую сочиняет компьютер и пользователь. Фестивали компьютерного искусства – это уже реальность. Растет в этой сфере и преступность либо это кража, либо иные изощренные формы проникновения в личные электронные хранилища граждан и фирм. Мобильные телефоны скоро станут миникомпьютерами. Все это ускоряет использование компьютеров в образовании, одновременно осложняя создание долговременных стабильных курсов по дисциплине «Информатика».


Понятие информатики.
Выдающийся датский ученый XX века Нильс Бор полагал, что и в обучении отдельным дисциплинам не может быть единого подхода. Быстрое, взрывное развитие естественных наук способствует методическому разобщению. Информатика призвана смягчить это разобщение.

Прежде всего, отметим, что само понятие информации вмещает в себя целый комплект определений, которые характеризуют многообразие каналов общения человеческого сообщества с окружающим миром (или, если угодно, с мирами).

Лауреат Нобелевской премии Норберт Винер дал краткое определение: «Информация есть информация, а не материя и не энергия». Винер понимал, что дать краткое и емкое определение, включающее в себя все аспекты этой необычной научной дисциплины невозможно и, будучи математиком, избрал кратчайшее из возможных определений.

В книге Д.С. Чернавского « Синергетика и информация» собрано более 20 определений. Нас химиков будут интересовать только некоторые из них. Отметим, что парадигма современной химии есть создание инструктированных веществ, способных воспринимать, перерабатывать и передавать информацию.

Больших успехов в формировании этих новых мировоззрений добились лауреат Нобелевской премии Жан-Мари Лен и его ученики.

Поясним это на простом примере, приведенном лауреатом Нобелевской премии И. Р. Пригожиным.

Перед нами два вида снежинок: а) пушистые, б) плоские пластинчатые. Современная наука позволяет точно указать, в каких условиях формировались снежинки. В случае а) был медленный процесс, температура и давление соответствовали образованию кристалликов близких к равновесному, случай б) соответствует резкому перепаду температуры и давления.

Если у нас есть информация о погоде за неделю, мы можем точно указать, в какие дни вероятнее всего образовалась та или другая снежинка. Можно сконструировать прибор, который умеет считывать информацию и по форме снежинок сообщать о прошедшей погоде. Можно привести другие примеры. Например, создание высокоселективного катализатора, предполагает введение в вещество определенную инструкцию по взаимодействию с реагирующими молекулами.

Полезно следующее утверждение: ВЕЩЕСТВО, ЭНЕРГИЯ, ИНФОРМАЦИЯ суть три вершины, с которых наука смотрит на сложный мир.

Формальное определение предмета информатика следующее: «Информатика это новая информационная индустрия и научная дисциплина, связанная с использованием компьютеров и сети Интернет» (В. А. Каймин).

Часто под информатикой понимают совокупность дисциплин, изучающих свойства информации, таким образом многогранность этой науки обусловлена тем, что, возникнув на стыке нескольких фундаментальных и прикладных дисциплин, она не имеет с ними резких и жестких границ. Теоретическую основу информатики составляют математическая логика, комбинаторный анализ, теория алгоритмов, а в последнее время с информатикой в значительной мере соприкоснулась химия.

Как отмечали академики Глушков и Ершов, без компьютерной грамотности человек XXI века фактически соответствует малограмотному человеку прошлого столетия.

Итак, компьютерная грамотность это важнейшая составляющая, характеризующая образованного человека XXI века.

Отметим два аспекта:

а) интеллектуальный аспект. Умение без ошибок писать, не столь существенно, ибо компьютер поправит, для этого существует текстовой редактор. Важнее те мысли, которые вы хотите передать компьютеру. Специалисты уже давно нацелились на создание машин имитирующих мыслительные способности человека. Эта проблема искусственного интеллекта.

Япония предложила мировому сообществу создать на паях суперкомпьютер, способный, в определенной мере, имитировать мыслительную деятельность. Однако деньги вложило только японское правительство.

США пошло по другому пути, создали серию быстро заменяемых персональных компьютеров (далее везде PC). Предполагается, что сеть из разных РС сможет выполнить те функции, которые соответствуют интеллектуальным способностям среднего человека.

б) второй аспект компьютерной грамотности это использование информационных технологий в преподавании. Преподавание физики, химии, биологии, астрономии и других дисциплин может быть поднято на более высокий уровень, если использовать РС.

Исключительно эффективно и плодотворно обучение иностранным языкам с помощью РС.

РС органично подходит для активизации учащихся на занятиях по любому предмету.

Это не просто новое техническое средство, ибо РС позволяет не только получать новую информацию в разном виде, но и, что наиболее существенно(!), внедряться в процесс обучения более активно, чем это удавалось раньше при традиционном, классическом методе.

Учащийся, внедряясь (а порой и участвуя в создании) в программу, становится более самостоятельным в формировании себя как личности, более подготовленным к тому состоянию, которое может быть сформулировано в шуточной форме: « Высшее образование это то, на что вы способны после того, как вы все забыли».

Курс информатики включает в себя три составляющие: теория информации, программирование и информационные технологии. Это полноценные курсы для будущих педагогов. В нашем университете такой подход практикуется на математическом факультете.

О понятиях термина ИНФОРМАЦИЯ уже упоминалось. Нам представляется более подходящей следующая формулировка: Информация – это те сведения, которые живое существо черпает из окружающей среды, чтобы поддержать свое существование.

Информатика проходила много этапов развития. Начальной точкой многие считают 1834 год, когда был создан первый проект механической вычислительной машины, в то же время дочь поэта Байрона Ада Лавелас создала первую программу.

Работа в этом направлении велась учеными разных специальностей многих стран.

Мы не будем повторять интересную историю развития информатики как науки, она должна быть вам известна либо из школьного курса, либо можно почитать в учебниках, отметим только, что за последние десятилетия сменилось четыре поколения РС.

Полная смена ЭВМ происходит каждые 5 лет, и каждые 3 года наблюдалась смена программного обеспечения. Причем имеет место тенденция к снижению этих сроков.

Существенной вехой в развитии информатики была разработанная известным теоретиком Джоном фон Нейманом, так называемая, «архитектура фон Неймана», имеющая следующее строение:


  1. Арифметико – логическое устройство;

  2. Устройство управления;

  3. Запоминающее устройство;

  4. Система ввода;

  5. Система вывода.

Эта архитектура используется во всех современных ЭВМ.

Фактически фон Нейман предложил хранить в памяти машины систему управления (через системный диск).

Предполагается, что существует устройство, способное создавать, передавать, хранить и обрабатывать информацию (далее везде (И)).

Принципы функционирования этого устройства и методы управления ими принято называть информационной технологией. Другими словами информационная технология отвечает на вопрос как:



  1. Принимать и хранить (И);

  2. Обрабатывать, чтобы было удобно человеку;

  3. Использовать ЭВМ с максимальной эффективностью;

В информационной технологии можно отметить два аспекта:

  1. Изучение устройств и принципов действия вычислительной техники;

  2. Систематизация приемов и методов работы с программами.

В нашем курсе мы сосредоточимся на 2 –ом аспекте.
Классификации. Ввиду многогранности понятия (И), имеет место различные аспекты (И), для философов это объективная и субъективная, для физиков это сигналы разных видов (оптические, звуковые, электрические и т.д.), для химиков сигнал есть образ, химия, по сути, охватывает большой раздел (И) – распознавание образов.Физико-химический подход к пониманию возникновения понятия (И) связан с необходимостью различать хаотическую(пары иода) и упорядоченную(кристаллы) части системы.Само представление (И) очень формально может быть разделено на аналоговую и цифровую. Человек привык к аналоговой, РС дает в основном цифровую.

Мы никогда не найдем двух одинаковых листьев на дереве, это аналоговая (И).

Можно разным краскам и разным звукам присвоить номер, тогда аналоговая (И) превратится в цифровую. Цифровая запись музыки – это шаг вперед в восприятии звуковой (И) с расширением в культурно-эстетическом направлении.

Аналоговая (И) непрерывна, цифровая дискретна.

На рояле между нотами ми и фа нет звуков, на скрипке есть (небольшое смещение пальцев великого мастера). Если художник имеет только одну зеленую краску, то для большей точности в передаче аналоговой (И) он вынужден смешивать разные краски, чтобы предать красоту лужайки. В японской графике есть 37 оттенков серого цвета, следовательно, несколько словесных, а также письменных сигналов.

В ЭВМ имеется устройство преобразующее аналоговую (И) в цифровую (И), называемое аналого-цифровое преобразование (АЦП). Пример аналоговой (И) – графики непрерывных функций, в цифровом варианте то же самое выражают гистограммы. Уменьшая дискретность (шаг в масштабе), в пределе цифровая (И) может по качеству практически не отличаться от аналоговой.

Напомним, что в ЭВМ используют двоичную систему исчисления. Единица для представления (И) бит, выбирается один из двух знаков 0 или 1.

Байт – единица обработки или передачи (И) через группу из 8 битов, содержит 256 единиц (И), ибо важна позиция символа. Файл – единица хранения (И), имеющая уникальное имя.

Разрядность компьютера характеризует, со сколькими байтами одновременно может работать компьютер (большинство современных РС - 32 разрядные).

Обработка (И) в компьютере происходит на специальной микросхеме, называемой процессором (П). (П) обрабатывает несколько битов одновременно



Словарик 1.

Системный загрузочный диск – С:;

Загрузочный сектор – Boot Record;

Корневой каталог – Root Directory;

Таблица FAT –(File Allocation Table)

Подчеркивают буквы первые в аббревиатуре.

Вирусы – специальные саморазмножаемые программы. Их задача испортить или уничтожить программу, заражение при копировании (также через Internet) – интернет – международная компьютерная сеть, связывающая компьютеры во всех странах, хранящая гигантские объемы (И).

Доступ в Internet свободен, при надлежащей небольшой оплате.

Серверы – компьютеры, подключенные к сети ЭВМ, помогающие работать менее мощным машинам.

Программа – упорядоченная последовательность команд.


Информатика и химия.
Как отметил лауреат нобелевской премии ЖанМари Лен: «В химии, как и в других областях знаний, язык информации приходит на смену языку состава и структур, по мере того как наука развивается в направлении создания все более сложных архитектур и процессов». За последние 10 лет ученые значительно продвинулись в понимании химии как науки об информации. Этому способствовало бурное развитие новейших методов исследования на наномолекулярном уровне. Сформировался новый раздел химии  супрамолекулярная химия, которая граничит практически со всеми классическими химическими дисциплинами: неорганической, органической, физической и коллоидной. Именно супрамолекулярная химия позволила сформулировать информационную парадигму. Супрамолекулярная химия включает в себя как отдельный подраздел супермолекулярную химию, в отличие от которой она охватывает такие поддающиеся расчету понятия, как поверхность соприкосновения, фазовая граница, которые необходимы для понимания взаимодействия сложных объектов. Ключевое слово в супрамолекулярной химии не размер, а информация, а задача  проложить дорогу к пониманию сложности. Отметим, что пограничное положение супрамолекулярной химии предполагает не жесткость, а размытость границ. Вообще границы в науке условны, что отмечали многие ученые прошлого столетия, в частности, Ф. Энгельс.

Начиная с алхимиков, целью химиков был синтез веществ с заданными свойствами. Это может быть достигнуто, если используются инструктированные компоненты, способные вступать в процессы, предопределенные заложенной в них информацией. Супрамолекулярная химия  есть химия молекулярных ансамблей, удерживаемых нековалентными взаимодействиями (HBз). НВз  например, взаимодействие диполей, молекулярных пленок, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, а также взаимодействия, обусловленные корреляцией электронных спинов и т.д.

При наличии молекулярной информации и способности ее считывать возможны процессы самоассоциации и самоорганизации, воспроизведения, а также создания программированных супрамолекулярных систем. Для обозначения свойств супрамолекулярных комплексов используют математические символы включения С, пересечения ∩. Символ   означает субстрат,   означает рецептор. Субстрат несет информацию, рецептор выступает как приемник информации.

Химия превращается в науку о несущем информацию веществе. Например, пушистая объемная снежинка и в форме плоской пластинки несут информацию о погоде, при которой каждая формировалась. Химические системы могут хранить информацию либо в аналоговой форме, закодированной в виде геометрических образов, т.е. это форма, расположение центров распознавания, либо в цифровой  в виде различных состояний, разных степеней окисления и т.п. Центральной проблемой в хемионике (так называется раздел химической информации) является проблема распознавания. Распознавание базируется на структурной информации, хранящейся во взаимодействующих партнерах. Один из взаимодействующих партнеров называется рецептор (обозначается греческой буквой ), а другой  субстрат (используется буква ). Информация, хранящаяся в партнерах (в обоих!), определяется надежностью считывания. Зависящей от различий в свободной энергии взаимодействия между разными комбинациями (позициями, численными соотношениями, расстояниями и т.п.) рецептор  субстрат. Существенно, что в отличие от электронных информационных устройств, это не процесс двоичного типа «да/нет», это пороговый процесс, репером которого служит параметр КБТ! Здесь КБ  константа Больцмана, Т  температура в шкале Кельвина. Репер  указатель позиции в каком-либо устройстве. Понятие порогового процесса может служить оценка числа линий, проявляющихся спектральным устройством в спектре атома водорода. Согласно математической формуле Ридберга



,где(N=1,2,3,…..; M=N+1, N+2……)

Здесь N и M квантовые числа, R  постоянная Ридберга, dE  энергия перехода. Несложно составить программу, регистрирующую количество линий, соответствующих переходу электрона с уровня, характеризуемого квантовым числом N на уровни M, при данном N число таких уровней должно быть бесконечно много. Прибор фиксирует конечное число уровней, число которых можно взять в любом учебнике по строению атома. Если же мы в программу введем ограничитель в виде min dE=КБТ, то число линий численно окажется практически равным числу, выявляемому с помощью физического прибора.

Молекулярное распознавание составляет основу передачи и обработки информации на супрамолекулярном уровне. Результат распознавания связан с изменением электронных, ионных, оптических или конформационных свойств, которые обеспечивали генерацию сигнала (или сигналов). Способность к молекулярному распознаванию определяется как спецификой энергии взаимодействия, так и информацией, считываемой при СЕЛЕКТИВНОМ связывании субстратов с молекулой рецептором. Простое связывание не есть еще распознавание, которое является целенаправленным связыванием. Рецепторы можно назвать целенаправленными лигандами. Распознавание осуществляется посредством структурно хорошо организованного определенного набора межмолекулярных взаимодействий. Только при селективном (избирательном) связывании  с  происходит обмен и энергией и информацией. Если проводить аналогию с классической физической химией, то энергообмен аналогичен энтальпии, а энтропия аналогична информации. О смысловой близости энтропии и информации вам уже сообщалось. Эта идея особенно четко продвигалась в науку французским ученым Бриллюэном. Образование комплекса предполагает определенный уровень термодинамической или кинетической устойчивости. В последнем случае необходимо, чтобы время существования комплекса было больше, чем время считывания информации.

Молекулярное распознавание предполагает хранение информации на молекулярном уровне и считывание ее на супрамолекулярном уровне. С 1970 года химики использовали термины молекулярное распознавание и информация при обобщенном рассмотрении селективного комплексообразования ионами металлов. Выходит журнал Journal Molecular Recognition (журнал молекулярного распознавания). Селективное связывание конкретного какого-то субстрата с соответствующим рецептором 0 предполагает обязательное молекулярное распознавание. Распознавание предполагает комплементарность в двойственном отношении: а) геометрическую, б) на уровне энергии взаимодействия. Отсюда следует принцип оптимального соотношения в объеме информации, которую способен воспринять субстрат. Поскольку процесс селективного взаимодействия симметричен, можно в этом принципе  и  поменять местами. Отметим лишь, что этот принцип является аналогом теоретического принципа мультиплетной теории катализа А.А. Баландина, который утверждает, что для того, чтобы катализатор ускорял реакцию необходимо соблюдение принципа геометрического и энергетического соответствия.

Вводится термин плеромеры  комплементарные партнеры; этот термин есть гибрид двух греческих слов плерома  дополнение и мерос  часть, что следует понимать как части дополняющие друг друга до целого. Предлагается использовать скобочные обозначения, введенные в квантовую механику Дираком для описания двух взаимно сопряженных векторов. Обозначения  означает, что А и В две плероментарные единицы (плеромеры), либо комплементарные центры связывания.

Для достижения максимальной способности i-го рецептора к распознаванию необходимо соблюдение определенных условий:



  1. Пространственная комплементарность i и k (форма, размер, симметрия)

  2. Комплементарность на уровне взаимодействий, центры i и k должны быть расположены в благоприятных участках супрамолекулярных объектов. Иными словами участки должны быть гидрофобными (или гидрофильными).

  3. Большая площадь контакта i и k , обеспечивающая

  1. Множественность взаимодействия нескольких центров связывания (ибо одно нековалентное взаимодействие слабее ковалентного)

  2. Необходимо сильное суммарное взаимодействие

  3. Должен соблюдаться эффект благоприятной среды, т.е.  и  должны иметь подходящий набор сольвофобных и сольвофильных участков.

Различают положительное и отрицательное распознавание (отталкивание). Молекулярные рецепторы рассматриваются как обобщенная координационная химия.

Геометрическая комплементарность зависит от того, достаточно ли хороша подгонка архитектур  и , благоприятно ли расположение центров связывания. Если поверхность контакта достаточно велика, чтобы  был способен обволакивать  так, чтобы реализовалась большое число нековалентных взаимодействий, что позволит рецептору «почувствовать» молекулярную форму, размер и архитектуру субстрата. Это реализуется для , содержащее внутримолекулярные полости, щели или карманы, в которые может заходить конкретный . Если геометрия  имеет вогнутую форму, то центры связывания располагаются внутри полости, такие  называют эндорецепторы, если же центры вне полости, то это экзорецепторы. Однако возможны (особенно для биосистем) гибкие рецепторы, способные подстраиваться к конкретному i . Многие рецепторы суть макрополициклы, причем эти циклы могут иметь цилиндрическую, сферическую и бициклическую формы. Гибкость рецепторов имеет огромное значение для специфического селективного взаимодействия  . Создавать гибкие , осуществлять контроль над их динамическими свойствами намного труднее, чем подобрать жесткие рецепторы. В данном случае компьютерное моделирование и компьютерный молекулярный дизайн могут оказать существенную помощь.

Известно, что распознавание ионов щелочных металлов основано на применении краун эфиров или других макроциклов. Способность макроциклов более селективно образовывать определенные устойчивые комплексы называют макроциклическим эффектом. Связывание и распознавание нейтральных молекул основано на действии водородных связей, а также на определенным образом организованных (в инструктированных структурах) электростатических и донорно-акцепторных взаимодействиях. Распознавание анионов галоидов осуществляется с помощью устройств, содержащих протонированные макроциклические полиамины. На эффектах селективного распознавания базируется каталитическая селективность. Мы уже упоминали о близости принципов распознавания с принципами мультиплетной теории Баландина. Существенным обстоятельством является в этих случаях множественное узнавание. Так, например, высокая селективность при гидролизе АТФ обусловлена действием многофункционального анионного рецептора, содержащего макроциклический полиамин, связывающий анионы и акридильная группа способствующая -стэкингу, а также, естественно, каталитический центр, осуществляющий гидролиз. Ферменты  самые селективные и достаточно активные катализаторы, созданные природой. Но их действие происходит в строго нормированных природой условиях (рН,Т). Если использовать имеющиеся у природных ферментов центры узнавания, то можно создать искусственный биокатализатор, работающий в более жестких условиях, кроме того, его можно перепрофилировать на другой субстрат (вместо этанола взять, например, бутанол).

Создаются каталитические антитела (абзимы), способные снижать энергию активации химической реакции за счет понижения энергии образования переходного комплекса. Абиотические (т.е. искусственные, но использующие части природных) катализаторы  это супрамолекулярные катализаторы, которые могут работать в условиях, слишком жестких для работы природного фермента. Абиотический подход позволяет предполагать, что можно сформировать (например, на стадии формирования силикагеля) «отпечаток»  аналог переходного состояния, что создаст возможность оформить технологически желательный химический процесс.

Разделение сложных смесей в настоящее время стремятся осуществить с помощью селективных мембран. Транспорт частиц через мембраны  раздел физической химии, который по темпам развития превосходит другие подразделы. Селективный транспорт через пористую перегородку (мембрану) бурно развивающаяся область физической химии, которую уже принято выделять в отдельную дисциплину и называть мембранологией. Можно сказать, что мембранология  это супрамолекулярная химия в действии. Селективный транспортный перенос через мембрану связан с молекулярным распознаванием. Рассматриваются, как правило, два пути селективного переноса:


  1. При посредничестве носителя (см. схему рис. а)

  2. С
    оздание трансмембранных каналов (см. схему рис. б)

В некоторых случаях имеет место сопряженный процесс транспорта частицы (иона) 1, сопровождаемый транспортом в том же направлении другой частицы (иона) 2. это, так называемый, симпорт. Но бывают случаи движения в противоположных направлениях, так называемый антипорт. Носители, иначе переносчики, должны иметь соответствующее сочетание липофильных и гидрофобных свойств, ибо им приходится обволакивать частицу плохо растворимую в воде, но комплекс должен быть достаточно хорошо растворимым.

Отметим, что молекулярные и супрамолекулярные образования, в которых акты молекулярного распознавания могут быть преобразованы в сигналы (или процессы), представляют собой информационные устройства на молекулярном уровне.

В частности генерирование особого молекулярного сигнала связано с распознаванием, которое выражается в химическом превращении. Особый (избирательный) сигнал зависит от того, какие продукты и с какой скоростью образуются. Молекулярные устройства  это структурно организованные и функционально интегрированные химические системы. Функция, осуществляемая устройством, является следствием интегрирования элементарных операций, выполняемых отдельными компонентами. Компоненты молекулярных устройств подразделяются на


  1. активные, осуществляющие заданную операцию

  2. структурные, создающие необходимое пространственное расположение, в частности, для гибких систем за счет молекулярного распознавания

  3. вспомогательные  модифицирующие активные и структурные компоненты.

Можно провести аналогию с гетерогенным катализом. Инструктированные (т.е. нацеленные на определенную реакцию) катализаторы синтезируют таким образом, чтобы они содержали

  1. активные центры

  2. структурообразующий промотор

  3. электронно-модифицирующий промотор.

Например, наиболее продвинутый катализатор синтеза аммиака имеет активные центры  атомы железа, оксид алюминия  структурообразующий промотор и калий  электронный модификатор.

Развивается новый раздел химии  семиохимия, в котором изучаются все аспекты химических устройств, отвечающие за генерацию, преобразование, обработку, передачу и прием (восприятие, отклик на сигнал) молекулярных сигналов. Следует отметить особенность химических устройств, которые работают медленнее электронных, но зато обладают множественностью в одном переносчике информации. Имеется ввиду, что по каналу связи движется переносчик, имеющий размер, форму, заряд и оболочку лигандов. Далее множественность распознавания, которая проявляется в действии двух и более компонент одновременно (или последовательно). Например, распознавание нуклеиновых кислот происходит одновременно за счет координации к связанному иону металла и образования водородных связей с кислородными центрами.

Фирма Hewlett-Packard разрабатывает компьютеры, содержащие переключатели, сформированные из молекул ротоксана. Молекула помещается между двумя проводниками. Напряжение, передаваемое по проводникам, меняет форму молекулы, которая изменяет при этом свое электрическое сопротивление. Если сопротивление низкое, переключатель считается замкнутым, этому соответствует логическая единица, иначе  логический ноль. Планируется создание на этой базе модуль памяти, способный хранить 1 трлн. бит на квадратном сантиметре (в 1000 раз больше, чем у современных кремниевых модулей памяти). В этом случае можно сконструировать суперкомпьютер размером с ручные часы.
Вклад российских ученых в химическую информатику.
В свете информационной парадигмы химии, провозглашенной лауреатом Нобелевской премии Жан-Мари Ленем, представляется необходимость упомянуть о работах Алексея Александровича Баландина и Николая Ивановича Кобозева, предвосхитившие многие новейшие теоретические концепции.

Академик А.А.Баландин еще в 1940-1941гг. опубликовал ряд работ по математическому описанию сложных химических реакций, при этом использовались теории графов и матричные представления. Использовались передовые для того времени представления: топология реакционных комплексов, что прямо соответствует идеям супрамолекулярной химии Жан-Мари Лена. Далее развивался симплексный метод. Предложена идея структурных матриц, которая позволяет связать закон действующих, справедливый для элементарных реакций, с соответствующим выражением для сложных реакций.

Рассматривалась алгебра реакционных сетей. Разработан большой раздел, который Баландин обозначил как «Основы структурной алгебры. Химия и структура». Начинается этот раздел так: «Числа, величины, свойства, объекты образуют ряд, в котором физика изучает преимущественно свойства объектов, выражаемые через их величины (массы, ускорение, заряды и т.п.), тогда как химия в первую очередь интересуется самими объектами (вещества, молекулы, атомы, реакции, равновесные состояния и т.п.), характеризуемые их структурой».

А.А. Баландин отметил, что в химии существует связь между дискретными объектами (молекулами) и непрерывными величинами – их термодинамическими характеристиками.

Были введены такие революционные для химии 40-х годов прошлого века понятия как теория групп и изоморфные преобразования.

Была поставлена цель: «Найти такие выражения для химических объектов, которые путем изоморфного замещения давали бы значения для их свойств».

Многие положения «алгебры» Баландина предвосхитили концепцию Жан-Мари Лена. Статьи были опубликованы в известных авторитетных журналах, а так как в то время в Европе и Америке работали многие крупные ученые эмигранты из России, то через них эти могли стать определенной «замороженной» частью интеллектуальной памяти, которая проявилась в работе Жан-Мари Лена. Ростки, заложенные А.А. Баландиным, не исчезли, а были придавлены существовавшей в России (тогда СССР) политической, репрессивной системой. Вернувшись к активной работе в 1953г. А.А. Баландин сосредоточился на разработке теории катализа, что позволило в умеренной форме использовать эти идеи в мультиплетной теории, связь которой с идеями Жан-Мари Лена отмечалась в предыдущих лекциях.

См. также: А.А. Баландин, «Мультиплетная теория катализа», 1970г, изд. МГУ.

Профессор МГУ им. Ломоносова Николай Иванович Кобозев был выдающимся теоретиком по физической химии. Рассматривая термодинамику процессов информации, он выдвинул ряд смелых идей, расширяя наши представления об энтропии информации. Было отмечено, что энтропия информации по Шеннону и количество информации отличаются знаками. Очевидное в наши дни утверждение о том, что энтропия информации безразлична к содержанию информации.

Дано несколько моделей процесса получения информации на молекулярном уровне.

Получение информации – это не самопроизвольный процесс, при этом всегда затрачивается энергия. Получение системой информации приводит к понижению энтропии. Следовательно, система находится в неустойчивом состоянии. Воздействие внешнего хаотического мира должно в конце концов привести к рассеянию информации (процесс диссипации).

Н.И. Кобозев проанализировал термодинамически модель процесса мышления на молекулярном уровне.

Человек использует три типа мышления: логический, вероятностный и интуитивный, причем ни один из них не может быть изъят без ущерба для всей мыслительной деятельности. В свете этого утверждения очевидно, что создание мыслящей машины в принципе не возможно. Создание «вживленного» в человеческий организм компьютера возможно. Эта «органопроекция» (по П. Флоренскому) позволит расширить возможности накапливать знания, формировать множественность знаний, приблизиться к решению проблем, которые кажутся теперь неразрешимыми.

Первичной основой всякого познавательного акта является распознавание объектов, образов, символов и, следовательно, возможность отбора.

Рассматривается центральный для теории распознавания образов вопрос об условиях, при которых физико-механическая система (сочетание веществ, комбинация структур, распределение энергетических ресурсов в организме, в машине) приобретает способность к распознаванию в определенных границах. Сам акт распознавания универсален: атомы распознают друг друга при взаимодействии. Человек создал сложные распознающие системы типа: спектрометры, хроматографы, ионоселективные электроды и т.п.

В области мышления дело обстоит иначе: для информации характерна изоэнергетичность исходов, поэтому ее характер не зависит от интенсивности сигнала, а определяется семантикой!

Для биологической информации интенсивность сигнала (звук, свет) является существенной для потребителя в том смысле, что интенсивность должна превышать шумовые сигналы фона.

Символьная передача информации есть выработанные человечеством за многие тысячелетия универсальная, безэнтропийная и безэнергетическая форма. По мнению Кобозева, в этом случае с мыслительной деятельности снимается термодинамическое «вето».

Безэнтропийно только опознание символа человеческим сознанием. Граница безэнтропийности по Кобозеву связана с нечеткостью или искажением изображения символа.

См. Н.И. Кобозев. « Исследование в области термодинамики процессов информации и мышления», изд. МГУ, 1971, 194с.

Напомним некоторые положения из программ средней школы.

Взаимодействие с помощью программ (компьютер + человек) называется программным интерфейсом.

Физические устройства для управления компьютером называются аппаратным интерфейсом.

Компьютер прибор модульный. Он состоит из различных устройств, каждое их них выполняет определенные задачи. Например, периферийным устройством является принтер.

В микросхемах заложена оперативная память (ОП).

ОП состоит из ячеек, в каждой 1 байт данных, ячейки имеют адрес. Количество байтов в ОП зависит от объема. В современных ПК, типа Pentium, ОП составляет несколько гигабайт (1 Гбайт = 1024Мбайт,1Мегабайт = 1024Кбайт,1Кбайт=1024байт).

Память хранится либо на гибких дисках (объемом несколько Мбайт), либо на жестком диске (винчестере).

Минимальный размер адресного пространства называется кластером. Размеры кластеров составляют несколько десятков Кбайт.

Работая на ПК мы пользуемся обширным пакетом служебных программ, который называется операционной системой (ОПСИС).

Под управлением ОПСИС происходит



  1. Работа аппаратных устройств;

  2. Запуск программ;

  3. Взаимодействие между ПК и пользователем.

Навыки работы с ОПСИС необходимо развивать специально.

Например, в оболочке WINDOWS 98 внизу экрана имеется кнопка пуск, значок с флажком. Подводим указатель мыши к иконке и щелчком открываем меню. Далее подводим указатель мыши к соответствующему пункту меню и щелчком открываем. Для ряда пунктов справа имеется треугольник (это указатель вложенного меню), подводим указатель мыши и щелчком открываем и т.д.

Системная шина, ее роль, в основном, заключается в передаче (И) между процессором и остальными устройствами ЭВМ.

Регистровая память, быстрая, обеспечивается несколькими регистрами внутри процессора.

КЕШ память, это устройство имеется в некоторых модификациях ПК, она велика по объему, но имеет меньшее быстродействие. Имеется несколько уровней КЕШ памяти, их задача сглаживать противоречие быстрый процессор – медленная оперативная память. КЕШ память третьего уровня (L3) располагается вне чипа.

Математический сопроцессор (микросхема) берет на себя вычислительные функции.

Компьютер типа Pentium PRO имеет процессор, который называется опережающим, он содержит пул команд, которые не соблюдают строгой очередности. Если для выполнения, какой либо команды нет необходимости в ожидании, пока предыдущая команда закончится, то можно упредить работу.

Сервер – сетевой компьютер, помогающий в работе других ПК и используемый для хранения общей (И).

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство (гибкие и жесткие диски, магнитная лента).

НОД накопители на оптических дисках. Магнитооптические накопители состоят из стекла покрытого слоем из сплава Те, Fe, и Co. Этот сплав имеет температуру Кюри 145ºС, т.е. его легко можно перемагнитить.

Для считывания данных используется эффект Керра, который связан с изменением направления поляризации лазерного луча.

Винчестер состоит из набора пластин, это металлические диски, покрытые ферритом Ва, Cr2 O3 и другими оксидами.

Сенсорные устройства. Это высокочувствительные устройства, реагирующие на определенные внешние воздействие. Понятие сенсор вы встретите в физической химии, и в биологии.
Существуют сенсорные экраны. В них изменяются характеристики в точке прикосновения пальцев. Воздействия подразделяются на ультразвуковые, фотоэлектрические, резистивные и емкостные.

Световое перо воспринимает свет от люминофора экрана.

Для ввода плоского изображения используется сканер.

Разрешение зависит от размеров экрана и минимального элемента изображения (зерно 0,24 – 0,28 мм).

Принтеры бывают трех типов – матричный (иголки), струйный (чернила из сопел) и лазерный (лазерный луч).

Модем – преобразует аналоговую информацию через электрический сигнал звукового диапазона в цифровую, на другом конце линии происходит обратное преобразование.

Семплы – образцы звучания различных музыкальных инструментов, хранящихся в памяти музыкальной карты.

Наблюдается тенденция к созданию миниатюрных компьютеров, таких как Note Book) (блок нот), Hand Help (секретарь), Palm Top (карманный).

В настоящее время успешно развивается международная компьютерная сеть – Интернет, связывающая миллионы компьютеров во всем мире, что не только расширяет общение людей, но и создает гигантское хранилище (И).

Если вы желаете подключиться к сети Интернет, вам необходимо связаться с провайдером. Провайдер это организация, предоставляющая услуги по подсоединению и доступу в Интернет, размещение сайтов и электронной почты.

Знакомство с Интернет лучше осуществить непосредственно работая на компьютере, в нашем университете можно приобрести навыки на специально организованных занятиях.

Символические имена серверов и сайтов даются провайдером. Сайт – это информационные ресурсы, на некотором сервере.

Протокол - правила (соглашения) передачи (И) в сети. В интернете два типа:

1) ТСР/IP - базовые протоколы для общения между компьютерами, 2) прикладные http (гипертексты файлов).

Гипертекст – вид текста, имеющий ссылки, позволяющие скачками перемещаться по документу.

Гиперссылки – выделенные определенным образом участки гипертекста, которые содержат скрытые от пользователя адреса перехода на другие сайты, серверы, страницы.

Браузер – программа – клиент, облегчающая процессы перемещения между узлами глобальной сети, поиска, сбора и хранения.
Аббревиатура, встречающаяся при ссылке на Интернет три буквы WWW, означают World Wide Web, английские слова дословно означают мировая широкая паутина.

Физическому адресу соответствует символический (доменный) адрес.

Например, http: www.mikrosoft.com означает протокол получаемых услуг, имя ЭВМ, имя домена. Имя домена из 2-4 слов, старший правый либо страна, либо узел, либо тип организации.

Com – коммерческие организации.

Ru – Россия, de – Германия, us – США, edu – образование, gov – правительство, org некоммерческие организации, net- сеть.

Суффиксы имен сайтов маркируют имена провайдеров.

Для входа в Интернет требуется запустить браузер, используя поисковые системы (порталы), удобной для предметного поиска является система Апорт, ее имя aport.ru. При поиске информации в этом случае используют ключевые слова. Например, «Ахметов общая химия» или «Журнал физической химии».

Другие отечественные поисковые системы Рамблер и Индекс запрашиваются путем rumbler. ru, yandex.ru.

Зарубежные поисковые системы Infoseek и altavista.com,infoseek.com.

Поиск информации осуществляется по запросам, например, Computer Science. Связки при организации запросов: соответствует операнд &, или вертикальная черта│, связка не обозначается знаком ( - ).

Например, запрос: учебник & физическая химия, запрос: информатика │(computer science).

Как уже упоминалось, для работы с аппаратными устройствами существует спецпрограмма – операционная система. Она берет на себя заботы пользователя. Успешная работа с компьютером есть успешная работа ОПСИС.

При включении компьютера процессор обращается к спецячейке, если там есть программа, она начинает выполняться. Для того, чтобы в ячейке что-то было, даже при выключенном компьютере, предназначена специальная микросхема ПЗУ (постоянно запоминающее устройство). Программы микросхем ПЗУ записываются на заводе. Этот комплекс программ называется BIOS (базовая система ввода/вывода). Когда процессор начинает работать, он попадает в ПЗУ, там расположены программы, необходимые для запуска компьютера.

Существует много ОПСИС. Мы будем рассматривать Microsoft Windows 98. Более подробная роль ОПСИС заключается в обеспечении работы интерфейсов. Интерфейс – это взаимодействие. Различают аппаратный и программный интерфейсы.

Аппаратный – обеспечивает работу всех узлов оборудования, программный всех программ в компьютере. Взаимодействие между аппаратурой и программами обеспечивается аппаратно – программным интерфейсом.

Аппаратный интерфейс отлажен изготовителем.

В игровых приставках нет ОПСИС, там джойстик вводит информацию жестко обусловленную правилами игры. Настоящая ОПСИС должна:


  1. Быть признанной и использоваться на разных ПК как стандартная;

  2. Работать с аппаратными устройствами различных фирм, в том числе «старых»;

  3. Обеспечивать возможность запуска самых разных программ, созданных разными людьми< выпущенных разными фирмами;

  4. Представлять средства для проверки настройки обслуживания компьютера, его устройств и программ, которые на нем установлены;

Различают интерфейс пользователя.

Способ взаимодействия человека с программами называют интерфейс пользователя.

Интерфейс пользователя, в свою очередь, подразделяется на: 1) удобный, 2)развитый (у программ больше возможности, но работать с ними не просто), 3) гибкий, что означает возможность работать несколькими способами (таблицы, графики и т.д.), 4) жесткий – означает, что допускается только такой тип работы, какой в инструкции,

5) примитивный, он прост для изучения, но не удобен в работе.

Можно отметить три возможных интерфейса пользователя и ОПСИС:


  1. Когда ОПСИС только с клавиатуры, существует специальная командная строка (чаще всего в низу экрана);

  2. Графический интерфейс, когда используется мышь+иконка;

  3. Речевой интерфейс, его еще нет в серийном производстве.

Для избежания путаницы жесткие диски разбивают на каталоги. На дисках имеется файловая структура. Сейчас часто диски делятся на «логические диски».

Программная оболочка MS –DOS имеет неграфическую ОПСИС, использует интерфейс командной строки.

Более передовые программные оболочки Windows 98 и более совершенные версии Windows 2001/

В канале связи сообщения из символов одного алфавита может преобразовываться в сообщение другого алфавита. Правила такого однозначного преобразования называются КОДОМ.



скачать

следующая >>
Смотрите также:
Учебное пособие для студентов II курса педагогических университетов Москва 2003 Печатается по решению Ученого Совета Химического факультета мпгу
1131.94kb.
Учебное пособие для студентов мгоу москва 2003 Печатается по решению кафедры ито и редакционно-издательского Совета мгоу
567.32kb.
Учебное пособие для студентов мпу москва 2000 Печатается по решению кафедры ито и редакционно-издательского Совета мпу
553.05kb.
Учебное пособие для вузов Под редакцией А. Л. Журавлева Москва 2002 уд к 159. 9 Ббк88 с 69
5500.92kb.
Учебное пособие для вузов М.: Аспект Пресс, 2003. Данное пособие посвящено важнейшему разделу курса «Основы творческой деятельности журналиста»
2053.96kb.
Учебно-методическое пособие для учителя начальных классов  Махачкала 2009 Печатается по решению ученого совета Дагестанского института повышения квалификации педагогических кадров
1901.66kb.
Печатается по решению редакционно-издательского совета факультета управления, экономики и права кгту
560.85kb.
Учебно-методическое пособие для студентов очного и заочного отделений Казань 2009 ббк 81. 2 Фр. 73 (075. 8) Печатается по решению Совета гуманитарных кафедр Казанского государственного медицинского университета
319.61kb.
Печатается по решению Ученого совета Факультета гуманитарных наук и социальных технологий
1372.14kb.
Учебно-методическое пособие Санкт-Петербург 2002 Печатается по решению Ученого совета Института специальной педагогики и психологии
1709.92kb.
Учебное пособие для студентов регионоведов и английского отделения факультета лингвистики и международного сотрудничества
1828.31kb.
Учебное пособие для студентов вузов в 2-х частях часть 1 процесс обучения
1452.73kb.