Netwerken van levende cellen kunnnen even efficiënt rekenen als via internet gelinkte computernetwerken, bewezen computerwetenschappers.
Distributed computing
Het hart van computers bestaat uit drie rekeneenheden: het geheugen, de centrale processor en de cache, waarin de rekendata worden opgeslagen. Het feitelijke rekenen gebeurt in de centrale processor. In feite is dat niet zo handig. In de processor wordt heel veel warmte geproduceerd (koeling wordt een steeds groter probleem). Geen wodner dat ‘distributed computing’ steeds populairder wordt. Niet één, maar vele rekeneenheden voeren de berekeningen uit, waarbij berekeningen in stukjes worden geknipt. Rekencentra maken graag gebruik van de rekencapaciteit van de miljoenen computers op internet, bijvoorbeeld via het bekende Seti@Home en Einstein@home programma.
De natuur ging ons hier voor: ons brein bestaat bijvoorbeeld uit honderd miljard neuronen die zowel het geheugen vormen als de processoren.
In de natuur komen veel netwerken van levende cellen voor. Ze blijken aanmerkelijk slimmer te zijn dan informatici tot nu toe dachten. Bron: PNNL Nat. Lab.
Message passing model
De conventionele manier om deze systemen op te zetten is via onafhankelijke Turing machines (zoals pc’s), verbonden met een netwerk (bijvoorbeeld internet) waarover ze lange berichten uitwisselen. Dit ‘message passing model’ wordt door de al eerder genoemde rekenprojecten zoals SETI@home and Einstein@home toegepast.
Gedistribueerd rekenen voor domme netwerken
Dat werkt heel aardig voor een geavanceerd netwerk als internet, maar veel in de natuur of in de technosfeer voorkomende netwerken zijn veel te beperkt voor dit soort lange boodschappen. Ook zijn hun knooppunten, bijvoorbeeld neuronen, te ‘dom’. Een biologisch cel, om een voorbeeld te noemen, kan maar beperkte hoeveelheden informatie verzenden en ontvangen en eenvoudige vormen van informatieverwerking toepassen.
Een netwerk van cellen kan alleen erg gemakkelijke gedistribueerde berekeningen uitvoeren. Aan de andere kant: ook ons brein en dat van andere hoogontwikkelde levensvormen bestaat uit ‘domme’ cellen en het rekenvermogen van ons brein stelt dat van supercomputers voor veel taken nog steeds in de schaduw. Zeker als je let op de compactheid van ons brein. Kortom: ook een ‘dom’ netwerk kan heel wat. De vraag is uiteraard welke vormen van berekeningen op dit netwerk dan wel mogelijk zijn.
‘Domme’ netwerken blijken opvallend slim
Yuval Emek, Jasmin Smula en Roger Wattenhofer van het Zwitserse Federale Instituut voor Techniek in Zürich lijkt het antwoord te hebben gevonden. In hun woorden: “We geloven dat er behoefte is aan een netwerkmodel, waarvan de knooppunten minder kunnen rekenen en communiceren dan Turingmachines“. In hun artikel modelleerde ze het rekengedrag van een netwerk van deze sub-Turing machines, die ze “eindige staat machines” noemen. Ze laten zien dat een netwerk van eindige-staat machines bepaald niet gehandicapt is en in staat is veel van de standaard problemen in gedistribueerd rekenen op te lossen. Sterkr nog: deze netwerken blijken het werk minstens zo efficiënt te kunnen doen – in een tijd die poly-logaritmisch afhankelijk is van (dus sterk terugloopt met) het aantal rekenknooppunten (i.e. cellen).
Nieuwe biologische computers
Dit kan verreikende consequenties hebben. Als we leren hoe we netwerken cellen kunnen laten rekenen en samenwerken, kunnen deze cellulaire netwerken ook algemene problemen in biologische systemen zoals vooruit plannen, een pad zoeken en dergelijke uitvoeren.
Het nieuwe model kan ook op een meer prozaïsche manier worden gebruikt: de effectiviteit van sensoren voorspellen, bijvoorbeeld, die sterk worden beperkt door het beschikbare vermogen. De drie auteurs stellen in essentie de vraag: rekenen en communiceren kleine knooppunten op dezelfde manier als een computer? En beantwoorden deze bevestigend. Welke verborgen informatieverwerkende netwerken zouden zich in de natuur verborgen houden?
Zouden eencelligen slimmer zijn dan we tot nu toe dachten? En zouden er meer intelligente netwerken voorkomen op plaatsen waar we nog niet hebben gezocht?
Wie is de baas op Visionair, Wikipedia of Ekudos? De manier waarop mensen elkaars taalgebruik overnemen, onthult de pikorde en kan zo helpen de onderlinge rang van mensen in online discussies in kaart te brengen.
De pikorde op het web
Zoekmachines en sociale mediabedrijven willen graag weten wie het invloedrijkst is op het web. Dat zijn namelijk de mensen die het gemakkelijkste anderen kunnen beïnvloeden, dus die commercieel het interessantst zijn om übernuttige gadgets aan te slijten. Ook willen zoekbedrijven als Google weten welke artikelen het invloedrijkst zijn op internet, zodat ze deze het hoogste kunnen ranken. Een veelgebruikte methode is het door Marc Kleinberg bedachte algoritme Hyper Induced Topic Search, HITS, dat uitgaat van twee categorieën: knooppunten en autoriteiten. Pagina’s waarnaar veel autoriteiten verwijzen scoren daarom goed in Google.
Napraten van autoriteiten
Mensen met veel levenservaring weten al dat ondergeschikten de neiging hebben het taalgebruik (en andere gewoonten) van sociale leiders over te nemen. Kleinberg en zijn mede-auteurs hebben op basis hiervan een totaal andere methode bedacht om macht en invloed te meten: het taalgebruik. Als in een online conversatie de ene persoon het taalgebruik van de andere persoon overneemt, is dat een signaal dat die andere persoon een leider is.
Leidend taalgebruik
Iedereen heeft een kenmerkende manier van gebruik van bijwoorden: woorden die op zichzelf niets betekenen maar een grammaticaal kader vormen voor andere woorden. Kleinberg en zijn collega’s onderzochten hoe groot de kans was dat degene die antwoordt, dat ook gebruikt. Hiervoor bestudeerden ze het taalgebruik in het Amerikaanse hooggerechtshof en discussies tussen Wikipedia-schrijvers op de commentaarpagina van Wikipedia-artikelen (vooral bij meer controversiële onderwerpen zijn deze lang). Naast ‘gewone’ Wikipedianen zijn er administrators (die artikelen kunnen vergrendelen en gebruikers kunnen straffen). Kleinberg en zijn collega’s stelden vast dat gebruikers die tot admin werden bevorderd, minder de neiging hadden om het taalgebruik van hun gesprekspartner over te nemen. Tegelijkertijd hebben ‘normale’ gebruikers de neiging juist meer hun taalgebruik over te nemen. Dit proces is overigens onbewust.
Een vergelijkbaar effect werd aangetroffen bij het hooggerechtshof.
Pikorde op Wikipedia en gmail vaststellen
In elk scenario waarin er veel discussie plaatsvindt, kan dit algoritme plaatsvinden. Zo kunnen Wikipedianen onderling worden gerangschikt wat betreft hun invloed. Mogelijk is dit overigens de verklaring voor de eindeloze discussies op Wikipedia tussen overwegend mannen – digitaal haantjesgedrag).
Gevolgen voor privacy
Google zou dit ook kunnen doen in Google gmail. Google (en ook bedrijven als Microsoft met Hotmail) slaan enorme hoeveelheden e-mailverkeer en chatverkeer op. Op deze manier zou Google kunnen bepalen wie de invloedrijkste gebruikers zijn. Of: wie de botste,minst empatische gebruikers zijn. Ook bloggers, tweeters en Facebook pagina’s kunnen een rijke bron van persoonlijke data vormen.
Voor verkopers kan real-time analyse erg nuttig zijn – als een klant zijn taalgebruik overneemt, overtuigt hij de klant. Ook bij onderhandelingen vormt dit een zeer waardevolle feedback. Denk ook aan marketeers. Zij kunnen zo een testgroep zoeken en daar hun product bij pluggen.
Voor het eerst zijn computerwetenschappers er in geslaagd opto-elektronische reservoircomputing, een nieuwe vorm van informatieverwerking, in de praktijk te brengen. De eerste resultaten zijn indrukwekkend.
Wat is feedback?
We kennen allemaal positieve en negatieve feedback loops, zij het onder een andere naam. Negatieve feedbackloops houden systemen in evenwicht, terwijl positieve feedback loops juist werken als een versterker. Een voorbeeld van een negatieve feedbackloop is een volstromende badkuip. Als het waterniveau te hoog is, stroomt het water weg. Een positieve feedbackloop is bijvoorbeeld een brand (de hitte veroorzaakt nog meer brand) of de vorming van een ijskap (die zonlicht weerkaatst, waardoor deze afkoelt en zo groeit), waardoor een kleine oorzaak enorme gevolgen krijgt. De natuur is zo ingewikkeld omdat deze bestaat uit talloze feedback loops die allemaal met elkaar in verbinding staan. Deze ingewikkeldheid schrikte onderzoekers tot nu toe af, maar steeds krachtiger hulpmiddelen voor berekeningen, en het inzicht dat er heel interessante dingen te ontdekken zijn, maken dat toch steeds meer wetenschappers de jungle van complexe feedback loops induiken.
Maakt analoge computer een comeback?
Zowel positieve als negatieve feedback kan je gebruiken als rekenelement voor een computer. Dat is precies wat Yvan Paquot van de Vrije Universiteit van Brussel en enkele collega’s hebben gedaan. Zij beschrijven de eerste praktische uitvoering van een exotische nieuwe vorm van computing die het feedbackmechanisme gebruikt om tot dusver ongekend snelle analoge berekeningen te kunnen uitvoeren. Het inzicht achter hun baanbrekende werk: een feedback loop verwerkt informatie. Bijvoorbeeld: brand -> hitte + brandstof -> nog meer brand. Het berekent dus de gevolgen van het combineren van hitte en brandstof, informatie uit het recente verleden. Die informatie is in de feedback loop opgeslagen.
Wat is een analoge computer?
Er bestaan twee soorten computers. Digitale computers, zoals die waarop ik dit stukje zit te tikken (en u te lezen), en analoge computers, al bekend uit de vroege oudheid, die tot in de jaren vijftig en zestig heel populair waren en in feite een soort model vormen van het systeem dat bestudeerd werd.
De voorkant van het raadselachtige Antikythera mechanisme, gevonden in de Egeïsche Zee. De oudste analoge computer, volgens velen.
Zo gebruikten economen in de jaren vijftig een model met waterbuizen als analoge computer om de gevolgen van bijvoorbeeld een hogere rente op de Nederlandse economie te voorspellen en de resultaten waren niet eens zoveel beroerder als nu. Dergelijke effecten kan je ook bereiken met elektrische schakelingen of mechanische modellen.
Een kenmerkende eigenschap van analoge computers is dat ze continu zijn. Dat wil zeggen: ze werken met een glijdende schaal, niet met gehele getallen, zoals een digitale computer. De voorganger van de rekenmachine was de rekenliniaal (er hing nog zo’n levensgroot stokoud ding in ons natuurkundelokaal). In feite een analoge computer. De oude garde weeklaagde geregeld dat sinds de invoering van de rekenmachine, leerlingen hun gevoel voor getallen kwijtraakten. Digitale computers zijn sinds de jaren zestig echter zo snel geworden, dat niemand meer geïnteresseerd is in het moeizame gepruts dat werken met een analoge computer met zich meebrengt. Jammer, want de natuur werkt analoog, niet digitaal.
Reservoir computing makkelijker in gebruik dan neuraal netwerk
Het type computer dat Paquot en zijn collega’s hebben gebouwd is een reservoir computer. Het reservoir bestaat uit een redelijk groot aantal knooppunten, nodes, die op toevalige wijze met elkaar zijn verbonden. Elke node gedraagt zich als een niet-lineaire feedback loop. Dit wil zeggen dat het systeem zich chaotisch kan gedragen. In de proefopzet die gekozen is door Paquot en zijn team, werden willekeurige nodes gekozen voor de invoer en andere, eveneens gekozen willekeurige nodes, om de uitvoer te lezen. Het systeem wordt vervolgens getraind om de gewenste berekening te produceren, door de uitvoer-nodes onderling op een bepaalde manier te wegen. Dit werkt veel simpeler dan bij een neuraal netwerk, dat veel lastiger fijn is te stellen. Reservoir computers bestaan al sinds de eeuwwisseling en zijn gebouwd van onderdelen, uiteenlopend van emmers water tot programmeerbare chips om zo feedback loops te creëren. Netwerken met enkele honderden eenheden bleken al in staat om enkele woorden te herkennen.
Rekenen met licht
Uniek aan deze opstelling is dat de onderdelen uit bestaande opto-elektronica bestaan en met de snelheid van het licht werken. Geen positronisch, maar een optisch brein dus. Sorry, Asimov. Elk knooppunt is een optoelektronische ‘ding’ waarbij de hoogte van de spanning bepaalt hoeveel licht er uit wordt gezonden. Deze output-lichtbundel komt in een glasvezel terecht die het licht terug stuurt naar de fotodiode die de spanning opwekt. Een ‘negatieve’ non-lineaire feedback dus met een vorm van (extreem) kortdurend geheugen.
Vijftig knooppunten maken slechts 0,4% fouten in woordherkenning
De onderzoekers slaagden er in om hun vijftig knooppunten, random met elkaar verbonden, taken als het onderscheiden van sinusgolven en blokgolven, en zelfs eenvoudige woordherkenning, te leren. Het ging hier om de door een vrouw gesproken getallen 1 tot 9, die de computer moest leren te herkennen. Hierin slaagde de schakeling in 99,6 % van de gevallen. Twee fouten in vijfhonderd herkende woorden dus. Nog indrukwekkender is de snelheid: het systeem werkt rond een miljoen keer sneller dan eerdere systemen. Een verdere toename met factor honderd tot duizend, waarvoor kant en klare opto-elektronische onderdelen kunnen worden gebruikt, ligt volgens de groep in het verschiet. Kortom: hiermee wordt het interessant voor real-life toepassingen. Zal deze benadering ooit digitale computers overtreffen? Volgens Paquot en zijn groep is dat nog de vraag, maar dat de kans hierop nu behoorlijk groot is geworden is duidelijk.
Full disk encryptie, waarmee je je complete harde schijf versleutelt met een wachtwoord wordt steeds beter. En de politie is daar niet blij mee.
Chip maakt harddisk totaal onleesbaar
Forensisch data-experts klagen steen en been. Kindermisbruikers, louche bankiers en terroristen maken steeds vaker gebruik van full disk encryptie (FDE). Dat is een techniek waarbij de complete harde schijf wordt versleuteld met een wachtwoord. Alle data worden op een onleesbare manier weggeschreven en alleen de bezitter van het wachtwoord kan deze schijf leesbaar maken. Steeds meer fabrikanten van harde schijven bouwen harde-schijf encryptie in, waarbij met een speciale chip de harde schijf wordt versleuteld. Deze chip werkt sneller dan software en is ook veel moeilijker te hacken. De chip leest en schrijft namelijk rechtstreeks naar de harde schijf zonder dat de processor (en dus software op de computer) er aan te pas komt.
De Momentus van Seagate werkt met hardware encryptie.
Vier problemen
Volgens de auteurs van een recent artikel over het onderwerp[1] zijn er vier belangrijke problemen. Ten eerste beseffen forensisch onderzoekers niet altijd dat er op een computer full disk encryption draait en zetten de computer uit bij een inval om deze naar het lab mee te nemen. Het gevolg: alle kansen om belastende informatie vrij te geven zijn verkeken. Het tweede probleem is dat als politiemensen een harde schijf kopiëren voor onderzoek en ze zich niet realiseren dat de schijf FD-encrypted is, ze uren arbeidstijd verspillen aan een onkraakbare schijf. Ten derde: het toepassen van analysesoftware kan een regel in de hardwarechip in werking zetten waardoor deze automatisch alles versleutelt. Ten vierde doen sommige Amerikaanse verdachten een beroep op het Amerikaanse vijfde amendement op de grondwet, dat onder andere verdachten het recht geeft te zwijgen. Andere verdachten liegen en geven een vals wachtwoord. Ze beweren vervolgens dat het FDE-systeem hapert of dat ze het wachtwoord zijn vergeten.
Backdoor moet geheim blijven
Het Amerikaanse door CERT geleide team wil daarom verbeterde inbeslagnameprotocollen en een betere voorbereiding van huiszoekingsbevelen. Ze stellen dat extra onderzoek nodig is naar nieuwe technieken en technologie om full disk encryption te breken of te passeren. Deze benadering is echter fundamenteel onwerkbaar. Immers, zodra deze technieken beschikbaar zijn, zullen fabrikanten betere procedures ontwikkelen. De beste strategie voor de overheid is uiteraard om een backdoor in te laten bouwen door fabrikanten. Volgens hardnekkige geruchten bevat Windows een dergelijke backdoor. Echter, hackers en criminelen zullen er uiteraard alles aan doen achter deze backdoor te komen en tegelijkertijd (als ze op de hoogte zijn) deze backdoor ontwijken met aanvullende beschermingsmaatregelen. Dit zou de backdoor onwerkzaam maken.
Vergeet ook niet dat veel hardware in China wordt geproduceerd, een dictatuur die de bevolking in een ijzeren greep houdt en er uiteraard alles aan gelegen is dat ook op de computer zo te houden. De kans is dus terdege aanwezig dat die hardware-backdoor er allang is en dat dit geklaag een rookgordijn is…
Kan een computer op een dag zichzelf ombouwen tot een heel nieuw apparaat? Een nieuw nanomateriaal is in staat elektrische stromen in drie dimensies te sturen.
Kwantumprocessen hinderen verdere miniaturisering
Dan maar de hoogte in. Dat denken steeds meer chipontwerpers, nu de componentjes van computers nog maar honderd atomen of minder breed zijn en ze nog kleiner maken betekent, dat kwantumeffecten informatie gaan verminken.
De nanodeeltjes gaan stroom geleiden als ze aan elkaar gaan klitten.
Materiaal bouwt zichzelf om
Het team van Northwestern University pakt het heel anders aan. Ze hebben elektronische materialen ontwikkeld die zichzelf kunnen herconfigureren, zodat ze verschillende rekenbehoeften kunnen vervullen bij verschillende gelegenheden. Zo zijn er bepaalde taken waarbij het heel handig is als je heel veel parallelle rekenkracht hebt (bij grafische toepassingen bijvoorbeeld), terwijl intensieve rekenklussen of taken waarbij juist heel veel geheugen nodig is, weer heel andere eisen aan een computer stellen. Eigenlijk wil je een computer die in staat is zichzelf hieraan aan te passen.
Het materiaal dat door onderzoeksleider prof. Bartosz A. Grzybowski en zijn team is ontwikkeld, laat toe dat elektrische stromen in diverse richtingen worden gestuurd, soms zelfs in een tegenovergestelde richting ten opzichte van een andere stroom.
Gouddeeltjes met positieve mantel
Het materiaal bestaat uit nanodeeltjes silicium en organische polymeren (i.e. op koolstofverbindingen gebaseerde lange molecuulketens) die naar keuze kunnen werken als een transistor, een gelijkrichter, een diode of een weerstandje.
Voor wie nu een glazige blik in de ogen krijgt: dit zijn de componentjes waaruit een computer bestaat. Wat deze ontdekking pas echt spectaculair maakt is dat deze naar believen in elkaar zijn om te zetten met elektrische pulsjes. Zo kan je de hardware van een computer compleet omprogrammeren en hoef je ookgeen dure chipsbakmachines te gebruiken: je programmeert ‘gewoon’ een klontje van dit materiaal op de gewenste manier. Denkende klei, als het ware dus.
Hoe werkt het materiaal?
Het hybride materiaal bestaat uit (elektrisch geleidende) gouddeeltjes, elk vijf nanometer in doorsnede (i.e. vijftig tot zeventig atomen), die op hun beurt zijn bedekt met een laagje positief geladen moleculen. De deeltjes worden omringd door negatief geladen atomen die de positieve ladingen op de deeltjes opheffen. Door stroom op het materiaal te zetten kunnen de negatief geladen atomen bewegen, maar de veel grotere positieve deeltjes niet.
Door deze zee van negatief geladen atomen te manipuleren, kunnen gebiedjes met een lage of juist hoge geleidbaarheid worden geschapen. Het gevolg is een geleidend pad dat elektronen in staat stelt door het materiaal te vloeien. Oude paden kunnen worden uitgewist en nieuwe gecreëerd door te duwen en te trekken aan de negatieve atomen. Door de deeltjes op een andere manier te rangschikken, kunnen ook complexere elektrische componenten zoals diodes en transistors worden geconstrueerd.
Uiteraard zal dit materiaal minder efficiënt zijn dan dedicated circuits, maar de enorme flexibiliteit maakt het goedje waarschijnlijk zeer interessant voor locaties waar je zelf niet makkelijk bij kunt. Denk aan het inwendige van kerncentrales, de diepzee of de ruimte.
Zelfs onze computers zijn niet meer veilig voor bacteriën. Het menselijk genoom project blijkt vervuild met mycoplasma-DNA. Dit heeft verstrekkende gevolgen.
DNA-vervuiling
Al eerder in 2011 was bekend dat een vijfde deel van de niet-menselijke genoomdatabases vervuild zijn met menselijk DNA, vermoedelijk afkomstig van de onderzoekers zelf.
Mycoplasma is een nogal nare groep bacteriën. Nu blijkt deze zelfs het Human Genome Project te hebben geïnfecteerd...
Naar nu blijkt, is ook het menselijk genoom zelf vervuild geraakt. Bill Langdon van het Uiiversity College London en Matthew Arno van Kings College London zeggen dat ze DNA-sequenties van mycoplasma-bacteriën hebben aangetroffen in de DNA-map van het menselijk genoomproject. Mycoplasma’s behoren tot de kleinste bacteriën bekend. De organismen kunnen alleen bestaan in levende cellen van bijvoorbeeld mensen.
Deze vervuiling heeft verstrekkende gevolgen. Biotechbedrijven gebruiken de menselijk-genoom database om DNA chips te fabriceren die meten welke menselijke genen aanwezig en actief zijn. Langdon en Arno zeggen nu dat ze mycoplasma-DNA hebben aangetroffen in twee commercieel verkrijgbare DNA chips. Iedereen die deze chips gebruikt om de expressie van menselijke genen te meten meet onbewust ook de genexpressie van mycoplasmagenen.
In sommige opzichten is dit geen verrassing. “Het is algemeen bekend dat infecties met mycoplasma’s veel voorkomen in laboratoria die zich bexig houden met moleculaire biologie,” aldus Langdon en Arno.
Met enig geluk zal deze alarmerende ontdekking in het menselijk genoom de belangstelling wekken van onderzoekers.
Worden biologische organismen nu ook computervirussen?
Een zeer belangrijke vraag is uiteraard de aard van deze vorm van informatieoverdracht. Deze mycoplasmagenen zijn duidelijk succesvol in het zichzelf voortplanten in silico. Een mogelijkheid is dat we hier een volkomen nieuw terrein voor mogelijke infecties gaan zien: biologische organismen die in staat zijn zichzelf op de een of andere manier om te zetten in besmettelijke software. Al eerder beschreven we de mogelijkheid dat digitale virussen in de toekomst ook de gezondheid gaan bedreigen via mechanische implantaten.
Hier kunnen genen die zichzelf met succes vermommen als menselijk (of als andere organismen) zich verplaatsen van de ene database naar de andere? Als we dit als virtuele infectie zien, kunnen we onze borst in de nabije toekomst nat maken wat betreft virtuele evolutie.
Hoe zouden we dit probleem kunnen oplossen?
Het besmettingsniveau en de manier waarop het zich verspreidt, suggereert op het eerste gezicht dat onderzoekers de strijd om besmettingen te elimineren aan het verliezen zijn. “We vrezen dat de huidige instrumenten niet in staat zijn genen te onderscheppen die de ‘silicium barrière’ genomen hebben”, aldus de onderzoekers.
Het meest huiveringwekkend van allemaal is dat Langdon en Arno wel eens alleen het topje van de ijsberg kunnen hebben blootgelegd. “Nu we twee verdachte DNA sequenties hebben gevonden, is de kans groot dat het gepubliceerde “menselijke genoom” er meer bevat”, aldus de twee auteurs. Als virtuele infectie echt zo'[n groot probleem is als Arno en Langdon suggereren, zullen we databases met een soort antivirus software moeten uitrusten, een vorm van virtueel immuunsysteem. maar ook it zal een evolutionaire wapenwedloop starten, waarbij vooral genen die het beste in staat zijn de veiligheidseisen te omzeilen zullen overleven.
Aan de andere kant: pas nu is het probleem opgedoken en pas nu kan de tegenaanval worden ingezet. De makkelijkste manier om het menselijk DNA te zuiveren is uiteraard om de uitgangsvoorraad van wat nu bekend is als menselijk DNA, uit te breiden. Gelukkig neemt de rekensnelheid van computers en de snelheid waarmee DNA wordt geanalyseerd elk jaar extreem snel toe. In 2011 kost het ongeveer 50 000 dollar om het volledige DNA van één mens in kaart te brengen[2] en de kostprijs zakt nog steeds extreem snel. Als we van, zeg, tienduizend mensen met voorouders uit totaal verschillende delen van de wereld, het volledige genoom weten, kunnen we alle afwijkende, niet-menselijke genen er op die manier uitfilteren. Gelukkig is de kans vrij klein dat mycoplasma’s vrijwel alle mensen geïnfecteerd hebben (en zo ja, dan is dat pas echt een probleem). Het moet dus in principe mogelijk zijn alle DNA er uit te halen.
Zou het genoom van de mycoplasma-bacterie in zijn geheel in ons DNA zitten?
Er is nog een mogelijkheid waar deze onderzoekers niet aan gedacht hebben. Mogelijk zijn de mycoplasma’s in staat om stukken van hun DNA in het menselijk genoom te injecteren. Of hebben ze dat in het evolutionaire verleden gedaan. Vergeet niet dat mycoplasma’s obligate parasieten zijn. Zonder een levende gastheer kunnen deze mini-bacteriën niet overleven. Ook is het mycoplasma-DNA (M. genitalium scoort minder dan 600 000 baseparen[3]) veel kleiner dan dat van een mens, plm. 3 miljard baseparen. Een koud kunstje om dit genoom ergens in een chromosoom te verstoppen en pop, de bacterie lift mee. Vergeet ook niet dat mycoplasma’s ervan verdacht worden kanker te veroorzaken[5] en beschadigingen in chromosomen veroorzaken[6]. Wat hiermee overeen zou stemmen.
Dit zou niet uniek zijn. Veel virussen beheersen dit kunstje ook. Ongeveer acht procent van ons DNA bestaat uit virussen[4]. De plantenbacterie Agrobacterium tumefaciens, die net als mycoplasma’s in de cellen leeft (en daar bacteriekanker veroorzaakt) wordt vaak gebruikt om vreemde genen in het DNA van planten te injecteren.
En een miljard jaar leven als parasiet is lang. Erg lang. Lang genoeg om een uiterst doortrapte evolutionaire strategie te ontwikkelen…
Computers gebruiken veel energie bij hun berekeningen. Daarbij komt warmte vrij en daarom zit er een lawaaiige ventilator in een pc. Een aantal theoretisch natuurkundigen heeft nu echter iets heel merkwaardigs ontdekt: een computer die afkoelt door te rekenen. De implicaties zijn enorm: er is geen fundamenteel verschil tussen de chaos op je harde schijf en die op je kamer. Welkom in The Matrix…
Rekenen kost vrije energie
Als computers een berekening uitvoeren, eindigt hun energie uiteindelijk als afvalwarmte. De Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica is op dit punt onwrikbaar. Informatie en entropie (wanorde) zijn namelijk nauw met elkaar verbonden. Als een berekening informatie toevoegt, verhoogt dit de entropie dus komt er warmte vrij. Dit blijkt echter toch niet helemaal te kloppen, althans bij enkele bizarre berekeningen.
Koud kwantumkunstje
Supercomputers zullen over tien tot twintig jaar zo snel rekenen dat ze hun hitte niet meer snel genoeg af kunnen voeren. Natuurkundigen hebben nu een oplossing gevonden voor deze IT-"hittedood".
Professor Renato Renner van de Zwitserse ETH en collega Vlatko Vedral van het Centre for Quantum Technologies van de National University of Singapore en de University of Oxford, UK beschrijven in het wetenschappelijke toptijdschrift Nature hoe het verwijderen van data onder bepaalde omstandigheden tot afkoeling in plaats van tot verhitting kan leiden. Het koelingseffect duikt op wanneer het vreemde kwantumfenomeen kwantumverstrengeling (onze lezers welbekend) opduikt. Uiteindelijk kan het effect worden gebruikt om supercomputers te koelen die anders door een te hoge hitteproductie in de problemen komen. “De controle op kwantumniveau krijgen die vereist is om dit in supercomputers te implementeren is een grote technische uitdaging, maar onmogelijk is het waarschijnlijk niet. We hebben de afgelopen twintig jaar een enorme vooruitgang in kwantumtechniek gezien,” aldus Vedral. Met de techniek in moderne kwantumfysica-labs, zou het in principe mogelijk zijn het werkingsprincipe aan te tonen bij een paar bits data.
Landauer’s principe: vergeten maakt heet
Natuurkundige Rolf Landauer toonde in 1961 aan dat tijdens het wissen van data, het vrijkomen van warmte onvermijdelijk is. Landauer’s Principe, zoals het daarna is komen te heten, impliceert dat als meer dan een bepaald aantal rekenstappen per seconde in een zeker systeem plaatsvindt, de hitte niet meer voldoende snel ontsnappen en de computer oververhit raakt. In de supercomputers van nu zijn andere hittebronnen (elektriasche weerstand bijvoorbeeld) belangrijker, maar Renner denkt dat binnen tien tot twintig jaar computers zo snel en zuinig worden dat Landauers hitte beperkend wordt binnen de volgende tien tot twintig jaar.
De vrijkomende Landauerhitte bij het wissen van een harde schijf van tien terabyte staat gelijk aan slechts een microjoule (de energie die nodig is om een stofje een meter op te tillen). Als dit echter heel veel keren (bijvoorbeeld een miljard) keren per seconde gebeurt, dan komt er uiteraard een enorme hoeveelheid hitte vrij (in dit geval duizend watt, het vermogen van een stofzuiger). Niet erg prettig op een warme dag.
Ze laten zien dat als de te verwijderen bits worden kwantumverstrengeld met de waarnemer, de waarnemer zelfs warmte aan het systeem kan onttrekken terwijl hij de bits wist. Kwantumverstrengeling verbindt de kwantumstatus van de waarnemer op een zodanige manier met de computer, dat hij meer over het geheugen weet dan mogelijk in de klassieke natuurkunde.
Computerentropie en natuurkundige entropie zijn exact gelijk
Het woord entropie komt in twee wetenschappen voor: natuurkunde en informatietheorie. Informatietheorie is een vorm van toegepaste wiskunde. In informatietheorie is entropie een maat van de informatiedichtheid. Als je een tekstbestandje opent, is de tekst makkelijk leesbaar. Als je het tekstbestandje met een ZIP-programma samenperst, verandert de tekst in een compacte brij ruis. Hoe meer informatie de tekst bevat, hoe groter het ZIP-bestand. Een tekstbestand dat uit honderdduizend letters a bestaat is dus in zipvorm maar enkele bytes groot, terwijl een even groot tekstbestand dat je onvoltooide meesterlijke roman bevat, tientallen kilobytes groot zal zijn (dus een veel grotere entropie heeft). Voel je overigens niet gevleid. De entropie van honderdduizend random ingeklopte letters en cijfers is nog veel groter.
In thermodynamica (warmteleer) staat entropie gelijk aan wanorde. Zo is de entropie van een flesje met wasbenzine veel kleiner dan die van de wasbenzine, als die door de hele kamer is verspreid. Als die wasbenzine vervolgens ontploft neemt de entropie trouwens nog meer toe). Een toename in entropie (bij gelijkblijvend aantal atomen) betekent gewoonlijk een toename in de hoeveelheid hitte. Niet altijd, verdampen van een vloeistof verhoogt bijvoorbeeld de entropie maar verlaagt de warmte.
ETH-natuurkundige Renner stelt, dat hiermee aangetoond is dat de begrippen entropie uit de informatica en thermodynamica exact hetzelfde betekenen. Natuurkundigen vermoedden dit al omdat de formules waarmee deze vormen entropie worden uitgerekend als twee druppels water op elkaar lijken. In beide gevallen wordt entropie namelijk gedefinieerd als een soort gebrek aan kennis.
Wat voor de een wanorde is, is voor de ander kennis
De entropie van een bepaald object hangt altijd af van de waarnemer. Als je het ZIP-bestand met een wachtwoord hebt vergrendeld (of een ander niet weet dat het om een ZIP-bestand gaat) lijkt het voor een ander een onleesbare brij data met een enorme entropie. Als het gaat om een kopie van een al bestaand tekstbestand en dat weet je, dan heeft het een informatie-inhoud van nul voor jou en kan je het weggooien. Voor je vriend, die je je meesterwerk wil laten lezen heeft het een enorme informatieinhoud omdat hij de inhoud nog niet kent.
Dit proces heeft, zo blijkt, nu zelfs een kwantummechanische equivalent. Als een waarnemer verstrengeld is met de data ‘kent’ zij de data en kan zij de data verwijderen zonder dat dit informatieverlies inhoudt. Entropie in kwantummechanica heeft (zoals wel vaker in de kwantummechanica) de absurde eigenschap dat deze negatief kan zijn. Iets voor meer dan 100% zeker weten dus. Hoewel in het dagelijks leven mensen deze woorden vaak gebruiken (kwantumlogica bij mensen?) is kennis in het dagelijks leven nooit groter dan volledig, 100% dus. Als de waarnemer en het kwantumsysteem volledig zijn verstrengeld, weet de waarnemer meer dan zeker wat er in de data staat. Door de data te wissen, neemt de entropie dan vervolgens af.
Geen afvalwarmte, zelfs afkoeling
In het geval van een entropie van nul (volmaakte kennis van wat er in het computergeheugen staat) kost het wissen van een computergeheugen in theorie helemaal geen energie. De onderzoekers bewezen met hun werk dat “meer dan complete kennis” van kwantumverstrengeling met het geheugen (negatieve entropie) leidt tot het verwijderen van de data tegelijk met het afvoeren van afvalwarmte uit de computer, die tegelijkertijd volledig als vrije energie kan worden gebruikt. De natuurkundige betekenis van negatieve entropie.
Helaas (?) betekent dit volgens Renner geen perpetuum mobile. De data kan slechts één maal worden verwijderd. Het proces vernietigt ook de kwantumverstrengeling en om het systeem weer in zijn begintoestand te brengen moet vrije energie verbruikt worden. Kortom: de tweede hoofdwet blijft overeind, al is het op het nippertje. In de woorden van collega Vedral: “We werken op het randje van de Tweede Hoofdwet. Ga je ook maar iets verder, dan overtreedt je deze.”
Fundamentele bevindingen
Nu beide vormen van entropie fundamenteel gelijk aan elkaar blijken te zijn, kan heel veel onderzoekswerk uit de thermodynamica worden gecopypaste in de wereld van bits en bytes en andersom. Heel interessant is uiteraard om de rol van kwantumverstrengeling verder uit te spitten. Eerder schreven we al over Yasuhiro Hotta’s werk. Hij toonde aan dat energie kan worden geteleporteerd, maar dat daardoor wel kwantumverstrengeling verbruikt wordt. Iets dergelijks lijkt ook hier te gebeuren. Door kwantumverstrengeling te verbruiken kan negatieve entropie worden omgezet in vrije energie.
Een DNA-computer verslaat alle bestaande computers met stukken wat betreft rekensnelheid en geheugencapaciteit. Komen er zelfdenkende medicijnen? Zal DNA de opvolger betekenen van onze bestaande computers? De mogelijkheden zijn enorm, maar er zijn nog de nodige technische uitdagingen.
Einde van de Wet van Moore
Tot op heden is de rekencapaciteit van computers elke twee jaar verdubbeld. Moore’s Law, zoals deze self-fulfilling prophecy heet, blijkt al veertig jaar lang een ijzeren wet. Een verbazingwekkende prestatie. Vooral als je bedenkt wat de vooruitgang is geweest in andere technische en wetenschappelijke takken van sport. Als je de lijn doortrekt zullen transistors rond 2020 de grootte hebben van moleculen. Dit kan – er zijn moleculen die in theorie als zodanig gebruikt kunnen worden – maar hierna is de theoretische limiet wel bereikt (tenzij je op de een of andere manier met subatomaire deeltjes, ruimtetijd zelf of foton-foton interacties kan rekenen). Het is dus duidelijk dat de huidige computerarchitectuur, met een werkgeheugen en een processor, over tien jaar tegen fundamentele problemen aanloopt.
De DNA-computer is zeer klein en zuinig. Ze beloven denkende medicijnen mogelijk te maken en nog veel meer… Bron: Pixabay/TheDigitalArtist
Voordelen van een DNA-computer
DNA bestaat uit een extreem lange ketting van vier bouwstenen: de nucleotiden adenine, guanine, cytosine en thymine. Deze komen steeds in vaste paren (adenine + thymine of cytosine + guanine) gecombineerd voor. Per basenpaar zijn er hiermee vier mogelijkheden: een keuze tussen twee basenparen en per basenpaar, de onderlinge positie): twee bits dus. De hoeveelheid informatie in het menselijk DNA is enorm: drie miljard basenparen, 0,75 gigabyte, de inhoud van een volle cd-rom. Per cel en daar zijn er in het menselijk lichaam rond de vijftig tot honderd biljoen van.
Een tweede aantrekkelijke eigenschap van DNA is dat het tegelijkertijd ook een processor is. In plaats van één processor werken er ontelbare miljarden processoren tegelijkertijd. Kopiëren gaat vrij eenvoudig.De ketting wordt uit elkaar geritst. Vervolgens hechten de ontbrekende nucleotiden zich op de openvallende plaatsen. En automatisch wordt één DNA-keten, er twee. Ook kan DNA snel combineren met een ontbrekende nucleotide. De rekensnelheid van een DNA-computer is dan ook enorm en groter dan die van alle pc’s ter wereld bij elkaar.
Dat bij een extreem laag energieverbruik. Een DNA molecuul heeft alleen de brandstof ATP nodig om twee DNA-kettingen uiteen te rukken. Samenvoegen en hydrolysering gaat automatisch, omdat deze toestanden energetisch gunstiger zijn. Het resultaat is dat een DNA-computer een miljoen maal zo zuinig is als een pc.
DNA-computer temmen
DNA kan slechts enkele gespecialiseerde berekeningen uitvoeren. Niet alle. Naast kopiëren en plakken kan DNA fouten corrigeren. Zo is Leonard Adleman er in geslaagd een kleine versie van het beruchte handelsreizigerprobleem (de kortste route om meerdere steden aan te doen) op te lossen(1). De techniek komt er op neer dat voor elke mogelijke route een DNA-molecuul wordt gecreëerd dat vervolgens wordt uitgetest. Maar dan wel ontelbare malen tegelijk. Waarschijnlijk ontdekken we in de toekomst meer mogelijkheden.
Denkende medicijnen
Onderzoekers als Ehud Shapiro zijn nu bezig het aantal mogelijkheden van de techniek uit te breiden (2). Zo slaagde Shapiro er in om een DNA-computer vrij gecompliceerde logische puzzels op te laten lossen. Ook hier geldt dat met de voorbereidingstijd meegerekend, een normale computer dit veel sneller kan. Maar deze techniek kent direct al een nuttige toepassing. Stel dat door een bepaald type kankergezwel het gehalte in het bloed van stoffen 1, 2 en 3 stijgt. De DNA-computer zal dan een medicijn kunnen loslaten als (en alleen als) deze drie stoffen tegelijkertijd voorkomen. (3) Je kan op die manier ‘denkende’ medicijnen samenstellen. Die alleen op een bepaalde plaats, waar de concentratie kankerstoffen hoog is, of bij een bepaald ziektebeeld hun (doorgaans giftige) werkzame stof afgeven.
Warmtebatterij: de onderkoelde vloeistof in hot packs geeft warmte af als deze uitkristalliseert.Hadden er computers kunnen bestaan als we geen silicium en transistors hadden gekend? Dankzij het werk van creatieve onderzoekers als Andrew Adamatazky kunnen we deze vraag met “ja” beantwoorden, al zijn ze nog veel langzamer dan silicium-gebaseerde computers.
Heet ijs
Heet ijs, scheikundig gezien gehydreerd natriumacetaat (een zout dat ontstaat door natronloog met azijnzuur met elkaar te laten reageren) heeft een bizarre eigenschap. Als het wordt gesmolten en daarna weer wordt afgekoeld tot onder het stollingspunt, blijft het vloeibaar. De reden: zolang er geen kristallisatiebeginsel is, bijvoorbeeld een metalen schijfje dat in het zout om wordt geknikt, blijft het vloeibaar. De stof gedraagt zich als het ware als een warmtebatterij, waar trekkers en andere mensen die risico lopen op bevriezing dankbaar gebruik van maken.
Rekenen met stollend zout
Ook dit goedje blijkt niet veilig voor Andrew Adamatazky. Hij is er in geslaagd een oververzadigde oplossing van het warmteontwikkelende zout te gebruiken voor computerberekeningen.
Hierbij verdeelt hij een petrischaaltje met behulp van siliconengel onder in een gewenste schakeling, inclusief chemische AND- en OR poorten. Zodra hij op bepaalde ingangswaarden een startsignaal geeft, groeien de kristallen razendsnel en reageren met elkaar. Aan de randen van de kristallen is te zien wat de uitkomst van de berekening is.
Adamatazky heeft met de computer onder andere al verschillende doolhofproblemen opgelost.
Heet-ijscomputer loopt vast
Doe je pc nog niet de deur uit. Het is niet altijd even makkelijk de kristallisatiefronten te blijven volgen. Ook de heet-ijs computer wordt geplaagd door een voor Windowsgebruikers bekend probleem. Sommige berekeningen zijn circulair of zorgen voor vastlopers: de heet-ijs equivalenten van de gevreesde blue screen of death.
En opnieuw opstarten betekent weer enkele minuten koken in een warm waterbad…
Stel je voor, een vat vol belletjes met chemicaliën met een primitief bewustzijn, waar als het ware uit het niets een ingewikkeld apparaat of ontwerp uit opdoemt. Science fiction? Niet lang meer, als het aan de onorthodoxe computervisionair Andrew Adamatzky ligt.
Rekenen met vloeistofblaasjes. Zien computers er ooit zo uit?
Denkende mayonaise?
Bij bepaalde mengsels met chemicaliën, denk aan mayonaise, deelt de vloeistof zich op in “cellen” met een vloeistofmengsel (de olie in mayonaise), die gescheiden worden door een celwand (water en eiwitten in mayonaise). Er bestaan bepaalde mengsels met chemicaliën met bijzondere eigenschappen. Denk bijvoorbeeld aan de Belousov-Zhabotinsky reactie die autokatalytisch is.
Als twee “vaatjes” met chemicaliën door een lekkende celwand met elkaar kunnen communiceren, kunnen ze een paar signaalmoleculen doorgeven die de chemische omzetting in de buurcel in gang zetten. Wat dan ontstaat is een soort primitieve chemische computer. Wees overigens niet bang dat je pot mayonaise slimmer is dan jij en dat je iemand anders vermoordt dan alleen, langzaam, jezelf, als je een flinke lik ongezonde smurrie op je frites deponeert. De plantaardige olie in mayonaise (die de cellen vormt) is chemisch gezien inert, de reden dat mayonaise zo lang goed blijft.
Bij speciale mengsels chemicaliën is dat anders. Deze kunnen (afhankelijk van de complexiteit en samenstelling) informatie uitwisselen via “golven” en berekeningen uitvoeren. Tot nu toe is dit al gelukt in regelmatige structuren cellen, zoals in een honingraatstructuur. Helaas is het erg lastig deze te produceren. Vandaar dat Adamatzky en zijn collega’s zich de vraag hebben gesteld: zijn deze fenomenen nog steeds mogelijk als de cellen zich in een onregelmatig patroon zouden bevinden, zoals de zeepbellen in badschuim bijvoorbeeld?
In dit moderne kunstwerk is een Voronoi diagram gebruikt voor een opbergkast.
Voronoi diagram
Er bestaat een algoritme om een plat vlak in onregelmatige ruimtes onder te verdelen. Wat dan ontstaat is een Voronoi diagram. Voronoi-achtige structuren komen ook veel voor in de natuur, denk aan de vlekken van een giraffe of het netwerk op bepaalde boleten. Adamatzky belsoot uit te zoeken of informatieverwerking ook mogelijk was in een driedimensionaal Voronoi-diagram van automata. Voor informatieverwerking doet het alleen ter zake hoe de informateverwerkende eenheden onderling verbonden zijn: hun topologie.
Bij regelmatige structuren heeft elke cel een gelijk aantal buren. Er is in experimenten aangetoond dat ze bepaalde problemen op kunnen lossen, zoals de kortste weg door een doolhof vinden.
In een twee- of driedimensionaal Voronoidiagram varieert dat aantal uiteraard en was het niet zeker dat berekeningen hiermee mogelijk waren. In een artikel, zowel ondersteund door theoretische berekeningen als laboratoriumexperimenten, toonden Adamatzky en zijn collega’s echter aan dat ook deze onregelmatige cellen wel degelijk in staat zijn tot berekeningen, onder meer het berekenen van de Voronoivormen rond tweedimensionale voorwerpen en het berekenen van skeletten uit vormen.
Toepassingen
Ze denken dat het mogelijk is om later parallelle computers op nanoschaal te construeren. Ook kan je denken aan nieuwe fabricagetechnieken van complexe composieten en andere materialen waarbij een nanostructuur gewenst is. In sommige cellen kunnen bijvoorbeeld polymeren uitharden als ze het eindresultaat van een berekening vormen. Zouden Voronoi-achtige netwerken primitieve informatieverwerkende netwerken in eencelligen kunnen vormen? Waren de eerste levende wezens samenwerkende pockets chemicaliën met een primitieve stofwisseling? Food for thought…
