Информатика. Теория и практика_Острейковский В.А_2008

—способы их взаимодействия;

—совокупность определенных методов организации работы специалистов.

Информационная технология решения большого числа

разных задач включает следующие важнейшие процедуры, которые могут быть сгруппированы по функционально-времен- ным стадиям:

—сбор и регистрация информации;

—передача ее к месту обработки;

—машинное кодирование данных;

—хранение;

—поиск;

—вычислительная обработка;

—тиражирование информации;

—использование информации, т. е. принятие решений.

Как правило, информация подвергается всем процедурам преобразования, но в ряде случаев некоторые процедуры могут отсутствовать. Последовательность выполнения процедур также бывает различной, а некоторые из них могут повторяться. Состав процедур преобразования и особенности их выполнения во многом зависят от объема и системы автоматизированной обработки информации.

Рассмотрим особенности выполнения основных этапов преобразования информации.

1. Процедура сбора и регистрация информации осуществля-

ется по-разному на различных объектах. Наиболее сложен этот этап в автоматизированных управленческих процессах таких промышленных предприятий, фирм и т. п., на которых происходят сбор и регистрация первичной учетной информации, отражающей производственно-хозяйственную деятельность объекта. Особое значение при этом придается достоверности, полноте и своевременности первичной информации.

На предприятии сбор и регистрация информации осуществляются при выполнении различных хозяйственных операций (прием готовой продукции, получение и отпуск материалов и т. п.). Сначала информацию собирают, затем ее фиксируют. Учетные данные могут возникать на рабочих местах (например, в результате подсчета количества обработанных деталей,

31

прошедших сборку узлов, изделий и т. п.). Для сбора фактиче- ской информации производятся измерения, подсчет, взвешивание материальных объектов, получение временных и коли- чественных характеристик работы отдельных исполнителей. Сбор информации, как правило, сопровождается регистрацией, т. е. фиксацией информации в бумажном документе или на машинном носителе.

Запись в первичные документы в основном осуществляется вручную, поэтому процедура сбора и регистрации остается пока наиболее трудоемкой. В условиях автоматизации управления предприятием особое внимание придается использованию технических средств сбора и регистрации информации, ее накопления и передачи по каналам связи в ЭВМ с целью формирования первичного документа.

Необходимость передачи информации для различных объектов обосновывается по-разному. Так, в автоматизированной системе управления (АСУ) предприятием она вызвана тем, что процедура сбора и регистрации информации нередко территориально отделена от процедуры ее обработки. Первая, как правило, осуществляется на рабочих местах, а вторая — в вычислительном центре или на персональной ЭВМ (ПЭВМ).

2. Передача информации может производиться различными способами: с помощью курьера, пересылкой по почте, доставкой транспортными средствами, дистанционно по каналам связи. Последний способ сокращает время передачи данных. Для дистанционной передачи информации по каналам связи необходимы специальные технические средства. Некоторые технические средства сбора и регистрации автоматически собирают информацию с датчиков, установленных на рабочих местах, и передают ее в ЭВМ.

Дистанционно может передаваться как первичная информация с мест ее возникновения, так и результатная — в обратном направлении. В этом случае результатная информация отражается на различных устройствах: дисплеях, табло, печатных устройствах. Поступление информации по каналам связи в центр обработки в основном осуществляется двумя способами: на машинном носителе или непосредственно в ЭВМ с помощью специальных программных и аппаратных средств.

32

Дистанционная передача информации постоянно развивается и совершенствуется. Применение этого способа в многоуровневых межотраслевых системах значительно ускоряет прохождение информации с одного уровня управления на другой и сокращает общее время обработки данных.

3. Машинное кодирование информации — это процедура машинного представления (записи) информации на машин-

ных носителях в кодах, принятых в ЭВМ. Такое кодирование производится путем переноса данных первичных документов на магнитные диски, информация с которых затем вводится в ЭВМ для обработки. В процессе записи информации на машинные носители возникает наибольшее количество ошибок, что объясняется трудоемкостью данной операции. Поэтому обязательно выполняются операции контроля записи разными методами на специальных устройствах либо на ЭВМ.

4. Обработка информации на ЭВМ производится, как прави-

ло, централизованно, а на мини- и макроЭВМ — в местах возникновения первичной информации, где организуются автоматизированные рабочие места специалистов той или иной управленческой службы (отдела материально-технического снабжения и сбыта, отдела главного технолога, конструкторского отдела, бухгалтерии, планового отдела и т. п.).

Автоматизированное рабочее место (ÀÐÌ) специалиста вклю-

чает персональную ЭВМ (ПЭВМ), работающую автономно или в вычислительной сети, и набор программных средств и информационных массивов для решения функциональных задач.

Обработка информации на ПЭВМ, или ПК, начинается при полной готовности всех устройств машины. Оператор или пользователь ПЭВМ руководствуется специальной инструкцией по эксплуатации технических и программных средств.

В начале работы в машины загружаются программа и различные информационные массивы (условно-постоянные, переменные, справочные), каждый из которых сначала, как правило, обрабатывается для получения каких-либо результатных показателей, а затем массивы объединяются для получения сводных показателей.

При обработке информации на ЭВМ выполняются арифметические и логические операции. Арифметические операции обработки данных в ЭВМ включают все виды математиче-

33

ских действий, обусловленных программой. Логические операции обеспечивают соответствующее упорядочение данных в массивах (первичных, промежуточных, постоянных, переменных), подлежащих дальнейшей арифметической обработке. Значительное место в логических операциях занимают такие виды сортировальных работ, как упорядочение, распределение, подбор, выборка, объединение.

В ходе решения задач на ЭВМ в соответствии с машинной программой формируются результатные сводки, которые печа- таются машиной.

5. Хранение и накопление информации вызвано необходимостью ее многократного использования, применения постоянной информации и комплектации первичных данных до их обработки. Хранение осуществляется на машинных носителях в виде информационных массивов, где данные располагаются по установленному в процессе проектирования группировоч- ному признаку.

6. Поиск данных — это выборка нужных данных из хранимой информации, включая поиск информации, подлежащей корректировке или замене. Процедура поиска выполняется на основе составленного запроса на нужную информацию.

7.Печать сводок может сопровождаться процедурой тиражирования, если документ с результатной информацией необходимо представить нескольким пользователям.

8.Принятие решения в автоматизированной системе орга-

низационного управления, как правило, осуществляется специалистом без применения технических средств, но на основе тщательного анализа результатной информации, полученной на ПЭВМ. Процедура принятия решения осложняется тем, что специалисту приходится искать из множества допустимых решений наиболее приемлемое, сводящее к минимуму потери ресурсов (временных, трудовых, материальных и т. д.). Благодаря применению ПЭВМ и терминальных устройств повышается степень аналитичности обрабатываемых сведений, а также обеспечивается постепенный переход к автоматизации выработки оптимальных решений в процессе диалога пользователя с вычислительной системой. Математическая теория принятия решений (ТПР) строится на основе теории игр и исследования операций.

34

1.2.2. Информационные процессы в живой природе, обществе и технике

Наследственность. Человека всегда интересовало, почему он похож на своих родителей и других родственников — братьев, сестер, дедушек, бабушек, причем не только внешне, но и характером, привычками. Все это объясняется наследственностью. Людям хотелось знать, как наследственная информация передается из поколения в поколение, но эта тайна природы была раскрыта только в середине ХХ в.

Информация проявляется и в растительном, и в животном мире в виде передачи потомству наследственных признаков в ряде поколений. Наследственность передается самовоспроизведением генов, находящихся в хромосомах ядра клетки, и вместе с изменчивостью обеспечивает постоянство и многообразие форм жизни. Однако генетический аппарат нужен не только для воспроизведения потомства. В течение всей жизни организма клеточный состав непрерывно меняется, и именно генетический аппарат следит за тем, чтобы организм оставался самим собой.

Животные и люди с точки зрения кибернетики — науки об управлении, связи и переработке информации — самоорганизующиеся и самообучающиеся системы. Общим в работе нервной системы живых существ и компьютера является получе- ние, запоминание и переработка информации. Но в том, как они это делают, есть существенные различия.

Компьютер отличается от мозга животного и человека прежде всего боˆльшим быстродействием. При этом все вычисления, в соответствии с архитектурой Дж. фон Неймана, компьютер производит только последовательно, шаг за шагом.

Мозг человека обладает гораздо меньшим быстродействием, однако огромное количество (несколько миллиардов) нервных клеток — нейронов — способно производить параллельные «вычисления». Необходимым условием работы мозга является наличие памяти, как оперативной, так и долговременной.

Рассмотрим более подробно, как происходит передача наследственных признаков потомству. Эти вопросы изучает генетика — наука о законах наследственности и изменчивости организмов.

35

Клетка состоит из ядра, окруженного двухслойной мембраной, и остального содержимого — протоплазмы, позднее названной цитоплазмой. В каждой клетке есть участки — органеллы, отвечающие за различные процессы. Для реализации процессов органеллам нужны белки. Синтезом всех белков занимаются мельчайшие структуры в цитоплазме — рибосомы.

В XIX в. биологи обратили внимание на хромосомы, которые помещаются в ядре клетки. Оказалось, что каждому виду растений или животных свойственно определенное число хромосом. В процессе деления клеток хромосомы удваиваются, и каждая дочерняя клетка снова имеет полное их число. В результате был сделан вывод, что передача потомству наследственных признаков связана именно с хромосомами.

Основы генетики заложил Грегор Мендель — основоположник учения о наследственности, названного впоследствии менделизмом. В 1854—1863 гг. он провел эксперименты, доказавшие существование индивидуальных наследственных факторов — генов.

Хромосомную теорию наследственности в 1910-х гг. обосновал американский биолог Томас Морган (1866—1945) — один из основоположников генетики, лауреат Нобелевской премии 1933 г. Ученые школы Моргана доказали, что наследственные факторы — это гены, размещающиеся в хромосомах; они расположены линейно и сцеплены между собой, а во время созревания половых клеток могут разъединяться. Школе Моргана удалось установить порядок расположения генов в хромосомах некоторых животных и растений — мухи дрозофилы, кур, кукурузы, ряда бактерий. Муха дрозофила стала излюбленным подопытным объектом генетиков из-за ее способности быстро давать потомство, что удобно при изучении наследственности.

В 1920—1930 гг. важный вклад в развитие генетики внесли выдающиеся отечественные биологи Н.К. Кольцов (1872—1940) и Н.И. Вавилов (1887—1943). Именно Н.К. Кольцов в 1928 г. высказал предположение, что хромосомы — это гигантские молекулы.

Материальную природу генов удалось раскрыть Джеймсу Уотсону (р. 1928) и Френсису Крику (1916—2004). В 1953 г. они предложили структурную модель так называемой двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — высокополи-

36

мерного природного соединения, которое содержится в ядрах клеток живых организмов. ДНК вместе с белками образует вещество хромосом. Структурная модель объясняла, каким образом генетическая информация записывается в молекулах ДНК, и позволила высказать предположение о химических механизмах самовоспроизведения этих молекул. Именно ДНК является носителем генетической информации. Отдельные ее участки соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль, поэто-

му она называется двойной спиралью. Эти цепи построены из большого числа мономеров четырех типов — нуклеотидов. Со- четание нуклеотидов, стоящих рядом в цепи ДНК, составляет генетический код. Нарушение их последовательности приводит к мутациям — наследственным изменениям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток. Это обеспечивает передачу наследственных признаков в ряду поколений отдельных клеток и целых организмов.

Основой жизни растений и животных являются белки. Они представляют собой сложные органические соединения, состоящие из различного числа аминокислот. В организме каждого растения или животного есть множество белков, выполняющих различные функции. Мышечная ткань содержит миозин, эритроциты крови — гемоглобин — переносчик кислорода, поджелудочная железа — инсулин. Огромную роль играют бел- ки-ферменты. Синтез всех белков происходит в клетках, а их специфические особенности определяются генетической информацией, хранящейся в ДНК хромосом.

Синтез белков в клетках осуществляется под контролем ДНК и с участием молекул трех различных видов рибонуклеиновых кислот (РНК): транспортной, информационной и рибосомной. Молекулы РНК меньше молекул ДНК и состоят из меньшего количества нуклеотидов.

Учеными-генетиками был изучен механизм поступления информации, закодированной в генах, из ядра клетки в цитоплазму, где происходит синтез белков, необходимых для жизни организма. Для выполнения своих функций органеллам нужны различные белки. Американский молекулярный биолог Понтер Блобел открыл основные принципы управления подбором белков, необходимых для каждой органеллы. Он обнаружил

37

адресную последовательность в молекуле белка: своеобразную «этикетку с адресом доставки», которая обычно расположена на кончике молекулы. «Прочитав» эту «этикетку», части клетки принимают нужный им белок.

Белковые молекулы — главное вещество и главная действующая сила организма животного и человека. Они выполняют различные функции. Одни белки работают в качестве транспорта. К примеру, белок гемоглобин в легких загружается кислородом и разносит его по всему организму с потоком крови. Из других белков собраны ткани и органы. Третьи разбирают на детали химическое сырье, получаемое с пищей, четвертые помогают собирать из этих деталей новые белки или более простые.

Итак, гены представляют собой участки длинной молекулы ДНК. В каждой такой молекуле могут заключаться многие тысячи генов, каждый из которых несет определенную наследственную информацию, например о росте, или цвете глаз, или форме носа.

Д. Уотсон и Ф. Крик стали основателями современной молекулярной генетики. Их открытие структуры ДНК (двойной спирали) наравне с теорией относительности, открытием строения атома и появлением компьютеров можно считать одним из выдающихся достижений науки XX в. За свое открытие они совместно с М. Уилкинсом в 1962 г. были удостоены Нобелевской премии.

Успехи молекулярной генетики привели к созданию генетической, или генной, инженерии. Это раздел молекулярной биологии, задача которого заключается в целенаправленном конструировании новых, еще не существовавших в природе со- четаний генов с помощью методов биохимии и генетики. Методы генной инженерии основаны на извлечении из клеток ка- кого-нибудь организма одного гена или целой их группы. Гены соединяют с определенными молекулами нуклеиновых кислот, затем полученные гибридные молекулы внедряют в клетки другого организма.

Методы генной инженерии в наши дни обеспечили поразительные успехи в сельском хозяйстве, биотехнологии, медицине, производстве новых лекарств. По существу, биотехнология является одним из видов информационных технологий. Специфика ее состоит в том, что информация «зашита» в генах.

38

Развитие генной инженерии привело к так называемой зеленой революции, т. е. к резкому увеличению урожайности сельскохозяйственных культур и выведению новых продуктивных пород животных. Появились инсектициды — химические препараты для борьбы с насекомыми-вредителями.

Совокупность всех генов данного биологического вида составляет его геномˆ . Успехи современной генетики дают возможность полностью расшифровать геномы простейших организмов. Но это невероятно сложная задача, для решения которой нужны не только методы генетики, но и мощные компьютеры. Уже удалось расшифровать геном дождевого червя. Важнейшей задачей всей мировой науки начала XXI в. является полная расшифровка генома человека. Эту задачу, уже решаемую в наши дни, ученые надеются полностью решить через несколько лет. Расшифровка генома человека будет иметь основополагающее значение для медицины и позволит лечить самые страшные и сегодня неизлечимые болезни методами генетики.

Первый этап этого международного проекта (стоимостью несколько миллиардов долларов) был закончен к началу 2001 г.: прочитана последовательность нуклеотидов ДНК генома человека. Такой процесс назван секвенированием (похоже на запись телеграммы на неизвестном языке). Теперь начинается следующий, не менее сложный этап: предстоит расшифровать смысл этой «телеграммы», расчленить ее на «слова» — отдельные гены. Этим занимается новая наука — биоинформатика. Ее задача — компьютерный анализ всех нуклеотидных последовательностей ДНК генома человека и других живых организмов (а их насчитывается несколько миллиардов). Цель биоинформатики — понять, где начинается и где заканчивается каждый ген, отвечающий за синтез одного конкретного белка. Длина генома человека (он состоит из 3 млрд нуклеотидных пар) достигает 2 м. Предполагается, что геном содержит 30—40 тыс. генов.

Биоинформатика дает возможность математическими методами предсказать ген с вероятностью до 85 %. Но это только исходная информация, по которой экспериментально проверяют наличие гена. Для ее получения предполагаемый ген «вырезают» из ДНК и проверяют, действительно ли этот фрагмент отвечает за синтез определенного белка.

39

Цель исследований — найти и опознать «больные» гены, а это прямой путь к диагностике и лечению, которым занимается медицинская геномика. С ее помощью можно быстрее создавать новые лекарства. За весь XX в. создано около 500 лекарств. После расшифровки генома человека такое же число новых лекарственных средств можно будет создать менее чем за

10 ëåò!

Клонирование. Телесные, соматические, клетки, как и половые, снабжены полной генетической информацией о развитии организма. Но каждая из этих клеток снабжена еще и информацией о своей будущей «специализации»: из одних соматиче- ских клеток «строится» печень, из других — кости, из третьих — нервная система и т. д. Если от соматической клетки получить потомство, то новый организм будет полной генетической копией своего родителя. Такой процесс называется клонированием. Однако клонировать можно все свойства, кроме интеллекта, ума, неповторимых черт личности данного человека.

Для клонирования из яйцеклетки удаляют ядро, содержащее половинный набор хромосом. Вместо него помещают ядро соматической клетки с двойным набором хромосом.

В 1997 г. появились сообщения о том, что осуществлено клонирование животных — овец и коров, т. е. из соматических клеток получены их генетические копии. Это вызвало большой шум и в научном мире, и в средствах массовой информации. Началось обсуждение возможности клонирования человека. Одни ученые предложили запретить подобные опыты, дабы не создать тирана вроде Гитлера; другие к этой возможности отнеслись спокойно, ссылаясь на то, что совсем недавно раздавались призывы запретить искусственное оплодотворение, а теперь это стало повседневной практикой и никого уже не удивляет.

Конечно, клонирование человека связано с этическими, социальными и даже философскими проблемами, ведь речь идет о биологическом бессмертии человека. Кроме того, при клонировании существует большая вероятность появления уродов. Пока на один удачный опыт приходится около 300 неудачных. Если при клонировании животных это не так опасно, то при клонировании человека неприемлемо.

Следует сказать, что, хотя способности и характер человека определяются главным образом его индивидуальным генетиче-

40