Site Loader

Содержание

Молекулы и их движение (диффузия) | Природоведение. Реферат, доклад, сообщение, краткое содержание, конспект, сочинение, ГДЗ, тест, книга

Две ступени к познанию природы — ознаком­ление с характеристиками физических тел и фи­зическими свойствами веществ — вами успешно пройдены. Продолжайте узнавать, из чего состоят вещества.

Молекулы. Известное вам тело сахар-рафинад состоит из вещества сахарозы. Рафинад можно из­мельчить до состояния сахарной пудры, но она, как и сахар-рафинад, будет иметь белый цвет и сладкий вкус, хорошо растворяться в воде. Как и сахар-ра­финад, сахарная пудра образована из сахарозы.

А что изменится, если сахар-рафинад растворить в воде? На первый взгляд, он исчезает. Попробовав полученный раствор, вы ощутите сладкий вкус са­харозы. Следовательно, сахароза никуда не исчез­ла. Просто при растворении удалось измельчить сахарозу на невидимые частицы, сохраняющие её свойства, в частности сладкий вкус. Учёные назва­ли эти невидимые из-за очень малых размеров ча­стицы вещества молекулами.

Молекула — это наименьшая частица вещества, определяющая его свойства.

Рис. 16. Расстояния между молекулами: а — в твёрдых; б — в жидких; в — в газообразных веществах

Представить размеры молекулы вам поможет следующее сравнение: моле­кула во столько раз меньше, чем ябло­ко, во сколько наша планета Земля больше яблока.

Многие вещества состоят из молекул. Это известные вам вещества — вода, кислород, растительное масло, лимон­ная кислота, углекислый газ и др.

Молекулы одного вещества одина­ковы по размеру, составу и свойствам. Как бы близко молекулы не разме­щались, между ними всегда остаются промежутки.

Причины различия между агрегат­ными состояниями вещества. Мо­лекулы находятся в непрерывном дви­жении, взаимодействуют между собой, притягиваются и отталкиваются одна от другой. В твёрдых веществах дви­жение молекул незначительное. Это объясняется очень малыми расстояни­ями между молекулами и сильным их притяжением друг к другу (рис. 16, а).

В жидких веществах расстояние между молекулами в десятки раз больше, чем в твёрдых веществах, а притяжение меньше (рис. 16, б). Это позволяет молекулам свободно пер смещаться относительно друг друга. Такие вещества легко перелить из одной посудины в другую.

В газообразных веществах молеку­лы располагаются на расстояниях в тысячи раз больше, чем в жидкостях (рис. 16, в). На таких расстояниях притяжение очень слабое. Поэтому ничто не мешает молекулам быстро двигаться, они легко перемещаются на значительные расстояния.

Диффузия. То, что молекулы реально существуют и перемещаются, подтверждает явление диффузии.

Диффузия — взаимное распространение частиц одного вещества между частичками другого.

Проведём опыт (рис. 17). Наполним химический стакан наполовину водой и добавим одну-две капли йодной на­стойки. (Йодную настойку, имеющую коричневый цвет, готовят из твёрдо­го вещества — йода, воды, спирта и используют для дезинфекции ран.) В ходе наблюдения обнаружим, что постепенно вода приобретает коричне­вую окраску, хотя стакан стоит непод­вижно и его содержимое не перемеши­вали. Почему же жидкость в стакане окрашивается? Объясняется это дви­жением молекул йода между молеку­лами воды. Материал с сайта //iEssay.ru

Рис. 17. Диффузия молекул йода в бесцветной прозрачной воде

Явление диффузии доказывает, что молекулы движутся. Ещё быстрее диффузия протекает в газах. Стоит распылить освежитель воздуха в одном конце комнаты, как запах распространяется по всему помещению. Медленнее всего диффузия происходит между твёрдыми веществами.

На диффузию влияет также температура. Чем выше температура, тем активнее происходит диф­фузия.

МОЛЕКУЛА — это… Что такое МОЛЕКУЛА?

  • молекула — ы, ж. molecule f. Мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его химическим свойствами, способная существовать самостоятельно. БАС 1. Молекюль. Веселитский 26. Молекула и молекюль. Михельсон 1865. Молекюла. Так называется безконечная… …   Исторический словарь галлицизмов русского языка

  • МОЛЕКУЛА — (новолат. molecule, уменьшит. от лат. moles масса), наименьшая ч ца в ва, обладающая его осн. хим. св вами и состоящая из атомов, соединённых между собой химическими связями. Число атомов в М. составляет от двух (Н2, О2, HF, KCl) до сотен и тысяч …   Физическая энциклопедия

  • МОЛЕКУЛА — (уменьшительная форма от лат. moles – масса) наименьшая частица химического соединения; состоит из системы атомов, с помощью химических средств может распадаться на отдельные атомы. Молекулы благородных газов, гелия и т. д. одноатомны; сложнейшие …   Философская энциклопедия

  • молекула — эксимер, генонема, эписома, хромосома, микрочастица, макромолекула Словарь русских синонимов. молекула сущ., кол во синонимов: 10 • биомолекула (1) • …   Словарь синонимов

  • МОЛЕКУЛА — МОЛЕКУЛА, наименьшая частица вещества, обладающая его основными химическими свойствами. Состоит из атомов, расположенных в пространстве в определенном порядке и соединенных химическими связями. Состав и расположение атомов отражены в химической… …   Современная энциклопедия

  • МОЛЕКУЛА

    — (новолат. molecula уменьшит. от лат. moles масса), микрочастица, образованная из атомов и способная к самостоятельному существованию. Имеет постоянный состав входящих в нее атомных ядер и фиксированное Число электронов и обладает совокупностью… …   Большой Энциклопедический словарь

  • МОЛЕКУЛА — МОЛЕКУЛА, молекулы, жен. (от лат. moles масса) (ест.). Мельчайшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и обладающая всеми свойствами данного вещества. Молекулы состоят из атомов. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 …   Толковый словарь Ушакова

  • МОЛЕКУЛА — МОЛЕКУЛА, ы, жен. Мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. М. состоит из атомов. | прил. молекулярный, ая, ое. Молекулярная масса. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 …   Толковый словарь Ожегова

  • Молекула — или частица система или группа атомов …   Энциклопедия Брокгауза и Ефрона

  • МОЛЕКУЛА — [франц. molecule от лат. moles масса ] наименьшая частица данного вещества, обладающая его основными хим. свойствами, способная к самостоятельному существованию и состоящая из одинаковых или различных атомов, соединенных в одно целое хим. связями …   Геологическая энциклопедия

  • Влияние радиации на здоровье человека

    Влияние радиации на здоровье человека

    То, что радиация оказывает пагубное влияние на здоровье человека, уже ни для кого не секрет. Когда радиоактивное излучение проходит через тело человека или же когда в организм попадают зараженные вещества, то энергия волн и частиц передается нашим тканям, а от них клеткам. В результате атомы и молекулы, составляющие организм, приходят в возбуждение, что ведёт к нарушению их деятельности и даже гибели. Все зависит от полученной дозы радиации, состояния здоровья человека

     и длительности воздействия.

    Для ионизирующего излучения нет барьеров в организме, поэтому любая молекула может подвергнуться радиоактивному воздействию, последствия которого могут быть самыми разнообразными. Влияние радиации на здоровье человека, это серьезная проблема, в которой сроит разобраться: Возбуждение отдельных атомов может привести к перерождению одних веществ в другие, вызвать биохимические сдвиги, генетические нарушения и т.п. Пораженными могут оказаться белки или жиры, жизненно необходимые для нормальной клеточной деятельности. Таким образом, радиация воздействует на организм на микроуровне, вызывая повреждения, которые заметны не сразу, а проявляют себя через долгие годы.

    Поражение отдельных групп белков, находящихся в клетке, можетвызвать рак, а также генетические мутации, передающиеся через несколько поколений. Воздействие(влияние радиации) малых доз облучения обнаружить очень сложно,но все это наносит не згладимый след на здоровье человека, ведь эффект от этого проявляется через десятки лет.


    Воздействие радиации на ткани и органы человека, восприимчивость к ионизирующему излучению.

    Доза облучения и ее воздействие на организм человека:

    Значение поглощенной дозы, рад

    Степень воздействия на человека


    10000 рад (100 Гр.)

    Летальная доза, смерть наступает через несколько часов или дней от повреждения центральной нервной системы.

    1000 — 5000 рад (10-50 Гр. )

    Летальная доза, смерть наступает через одну-две недели от внутренних кровотечений (истончаются клеточные мембраны), в основном в желудочно-кишечном тракте.

    300-500 рад (3-5 Гр.)

    Летальная доза, половина облученных умирают в течение одного-двух месяцев от поражения клеток костного мозга.

    150-200 рад (1,5-2 Гр.)

    Первичная лучевая болезнь (склеротические процесс, изменения в половой системе, катаракта, иммунные болезни, рак). Тяжесть и симптомы зависят от дозы излучения и его типа.

    100 рад (1 Гр)

    Кратковременная стерилизация: потеря способности иметь потомство.

    30 рад

    Облучение при рентгене желудка (местное).

    25 рад (0,25 Гр. )

    Доза оправданного риска в чрезвычайных обстоятельствах.

    10 рад (0,1 Гр.)

    Вероятность мутации увеличивается в 2 раза.

    3 рад

    Облучение при рентгене зубов.

    2 рад (0,02 Гр) в год

    Доза облучения, получаемая персоналом, работающим с источником ионизирующего излучения.

    0,2 рад (0,002 Гр. или
    200 миллирад) в год

    Доза облучения, которую получают сотрудники промышленных предприятий, объектов радиационно-ядерных технологий.

    0,1 рад (0,001 Гр.) в год

    Доза облучения, получаемая средним россиянином.

    0,1-0,2 рад в год

    Естественный радиационный фон Земли.

    84 микрорад/час

    Полёт на самолёте на высоте 8 км.

    1 микрорад

    Просмотр одного хоккейного матча по телевизору.

    Вред радиоактивных элементов и воздействие радиации на человеческий организм активно изучается учёными всего мира. Доказано, что в ежедневных выбросах из АЭС содержится радионуклид «Цезий-137», который при попадании в организм человека вызывает саркому (разновидность рака), «Стронций-90» замещает кальций в костях и грудном молоке, что приводит к лейкемии (раку крови), раку кости и груди. А даже малые дозы облучения «Криптоном-85» значительно повышают вероятность развития рака кожи.

    Сотрудники www.fela-control.ru отмечают, что наибольшему воздействию радиоактивного воздействия подвергаются люди, проживающие в крупных городах, ведь помимо естественного радиационного фона на них ещё воздействуют стройматериалы, продукты питания, воздух, зараженные предметы. Постоянное превышение над естественным радиационным фоном приводит к раннему старению, ослаблению зрения и иммунной системы, чрезмерной психологической возбудимости, гипертонии и развитию аномалий у детей.


    Радиоактивные вещества вызывают необратимые изменения в структуре ДНК.

    Даже самые малые дозы облучения вызывают необратимые генетические изменения, которые передаются из поколения в поколение, приводят к развитию синдрома Дауна, эпилепсии, появлению других дефектов умственного и физического развития. Особо страшно то, что радиационному заражению подвергаются и продукты питания, и предметы быта. В последнее время участились случаи изъятия контрафактной и низкокачественной продукции, являющейся мощным источником ионизирующего излучения. Радиоактивными делают даже детские игрушки! О каком здоровье нации может идти речь?!

    Единственный способ хоть как-то обезопасить себя и своих близких от смертельного воздействия — купить дозиметр радиации. С ним Вы сможете за считанные секунды проверить безопасность детских игрушек, продуктов питания, ювелирных украшений и всего того, что приносите в дом, с чем играют ваши дети. Доказано, что последствия облучения крайне тяжело лечить, зато постараться максимально защитить себя и свою семью от этого в ваших силах.

    технологии генетической инженерии для создания высокоспецифичных лекарств и инструментов молекулярной диагностики – Новости – Глобальные технологические тренды. Информационный бюллетень – Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

    Повышение качества и продолжительности жизни человека — ключевые приоритеты развитых экономик мира. Для более эффективной профилактики, диагностики и лечения социально значимых заболеваний, а также реабилитации пациентов необходимы технологические прорывы в области биомедицины. Они прежде всего связаны с созданием принципиально новых лекарств, продуктов для клеточной и генной терапии, инструментов высокоспецифичной молекулярной диагностики.

    Технологии генетической инженерии — конструирование функционально активных генетических структур, введение их в организм человека, интеграция в геном — позволяют выработать новые, в некоторых случаях уникальные генетические, биохимические и физиологические свойства. Создание новых биофармпрепаратов, культур клеток-продуцентов биологически активных молекул в перспективе обеспечит отечественный рынок доступными инновационными лекарствами и средствами диагностики.

    В настоящем выпуске информационного бюллетеня представлены три технологических тренда, с развитием которых уже через 5-7 лет появятся новые разработки в области генно-инженерного конструирования лекарств, перепрограммирования клеток человека и терапевтического применения РНК-интерференции, имеющие перспективы выхода на массовые рынки.

    Версия для печати:

      

    Генно-инженерное конструирование лекарств

    Для эффективного лечения многих болезней, в первую очередь иммунной природы, требуются точечные воздействия, иногда на уровне отдельных клеток. Создание мишень-ориентированных препаратов, в том числе конъюгированных и ДНК-вакцин, повысит эффективность лечения онкологических, ревматических, инфекционных заболеваний, а также болезней нервной системы.

    Первое направление развития тренда связано с применением рекомбинантной ДНК для получения биологических продуктов с заданными терапевтическими свойствами и высокими показателями биодоступности и специфичности действия. В результате появятся новые лекарства, эффективные при заболеваниях, вызванных нарушениями иммунной системы.

    Создание диагностических биосенсоров — другое направление использования терапевтических клеточных продуктов и специфических молекулярных фрагментов, получаемых на основе технологий генетической инженерии. Эти решения могут повысить диагностическую ценность портативных тестов, выводимых на рынок медицинских изделий для «домашней медицины».

     


    Эффекты

    Снижение заболеваемости и смертности от онкологических, ревматических, аутоиммунных заболеваний.

    Развитие персонализированной медицины, основанной на использовании генно-инженерных лекарственных средств и диагностических процедур с высокой степенью индивидуализации к пациенту.

    Оценки рынка

    $497 млрд


    может достичь к 2020 году объем мирового рынка биопрепаратов при сохранении среднегодового темпа роста на уровне 13,5%. Он будет развиваться в направлении разработки моноклональных антител, рекомбинантного человеческого инсулина, факторов роста и др. Объем рынка продуктов молекулярной диагностики (онкология, наследственные болезни, инфекционные заболевания и др.) может достичь 8 млрд долларов при среднегодовом темпе роста не менее 9,9%.

    Драйверы и барьеры

    Возрастающая потребность в эффективных и высокоспецифичных методах профилактики, диагностики и терапии социально значимых заболеваний, развитие биофармтехнологий, постепенно сменяющих традиционные фармацевтические практики с применением химических субстанций, выступают основными драйверами тренда.

    Сдерживают его развитие конкуренция с рынком традиционных лекарственных препаратов и вакцин, а также относительно высокая стоимость генно-инженерных лекарственных препаратов.

    Международные

    публикации

    Международные

    патентные заявки

    Уровень развития

    технологии в России

    «Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

     


     

    Перепрограммирование клеток человека

    Технологии направленного перепрограммирования стволовых и модификации дифференцированных клеток дают возможность исследовать их свойства, получать клетки с новыми функциональными характеристиками. На этой основе разрабатываются технологии регенеративной медицины, нацеленные на восстановление травмированных или пораженных болезнью тканей и утраченных физиологических функций.

    В русле этого тренда активнее всего развиваются следующие технологии: манипуляции геномом клеток разного уровня дифференцировки и использование негеномных средств их перепрограммирования, включая рентгеновское облучение, моделирование процессов регенерации, стресс-индуцированную трансформацию и др.

    Эти технологии составляют основу для разработки биомедицинских клеточных продуктов (минимально манипулированные клетки, препараты на базе нуклеиновых кислот и стромально-клеточной фракции), а также продуктов культивирования модифицированных клеток.

     


    Эффекты

    Развитие персонализированной медицины.

    Более эффективное лечение сердечно-сосудистых заболеваний и болезней нервной системы, ожогов и др.; сокращение периода реабилитации пациентов.

    Снижение экономических потерь вследствие высокой заболеваемости и инвалидности.

    Оценки рынка

    $26 млрд


    составляет объем мирового рынка клеточной терапии. К 2019 году он может вырасти до 119,5 млрд долларов при сохранении среднегодового темпа роста на уровне 24,2%.

    На российском рынке представлены, в основном, услуги по сбору и хранению стволовых клеток. В будущем ожидается высокий спрос на аутологичные клеточные продукты.

    Драйверы и барьеры

    Драйвером тренда является потребность в эффективных средствах для регенеративной и клеточной медицины.

    Барьер — возможные риски злокачественного перерождения перепрограммированных соматических клеток.

    Международные

    публикации

    Международные

    патентные заявки

    Уровень развития

    технологии в России

    «Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

     


     

    Технологии терапевтического применения РНК-интерференции

    Многие неизлечимые заболевания возникают в силу патологических изменений генома клеток. Традиционные лекарства недостаточно эффективны при их лечении — из-за низкой специфичности и, в ряде случаев, значительного токсического воздействия на организм. Но главное — они не действуют на саму причину подобного рода заболеваний — соматические мутации генома. Ожидается, что точечно воздействовать на экспрессию генов, прерывая последовательность патологических изменений в клетке, управлять ключевыми механизмами развития, например, онкологических заболеваний станет возможным с помощью технологий терапевтического применения РНК-интерференции.

    РНК-интерференция — один из основных методов исследования функций генов в культурах клеток и живых организмах — имеет большой терапевтический потенциал. Посредством посттранскрипционного подавления экспрессии генов (когда двухцепочечная РНК индуцирует деградацию гомологичной мРНК) можно воздействовать на уровне синтеза кодируемых ими белков, модулируя таким образом активность генома клеток на любом этапе развития заболеваний, связанных с нарушениями нуклеотидной последовательности. Характерное преимущество технологии — возможность точной локализации терапевтического действия, например, в очаге опухоли.

     


    Эффекты

    Возможность лечения генетически обусловленных болезней, в частности онкологических.

    Переход на новые модели медицины, связанные с персонализированным подходом к лечению социально значимых заболеваний.

    Оценки рынка

    $4 млрд


    может составить к 2017 году объем глобального рынка созданных на основе технологий РНК-интерференции средств биомедицинского назначения и лекарственных препаратов для лечения онкологических, иммунодефицитных и других заболеваний (при сохранении среднегодового темпа роста на уровне 13,6%).

    Отдельный сегмент рынка будут занимать реагенты для процедур РНК-интерференции, предназначенных для валидации лекарственных кандидатов и биологических мишеней.

    Драйверы и барьеры

    Необходимость использования для терапии ранее неизлечимых заболеваний новых лекарственных средств, обладающих высоким уровнем специфичности, эффективности и безопасности, стимулирует развитие тренда.

    Основные барьеры — нерешенные задачи направленной доставки лекарства до органа-мишени; экономические риски в связи с более высокой стоимостью препаратов на основе технологии РНК-интерференции.

    Международные

    публикации

    Международные

    патентные заявки

    Уровень развития

    технологии в России

    «Заделы» — наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

     


     
    Мониторинг глобальных технологических трендов проводится Институтом статистических исследований и экономики знаний Высшей школы экономики (issek.hse.ru) в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ.

    При подготовке трендлеттера использовались следующие источники: Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030. hse.ru), материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), данные Web of Science, Orbit, strategyr.com, researchandmarkets.com, grandviewresearch.com, transparencymarketresearch.com и др.

    Более детальную информацию о результатах исследования можно получить в Институте статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ: [email protected], +7 (495) 621-82-74.


    © Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», 2015

    Идеальный газ — определение, свойства, условия

    В жизни мы встречаем вещества в газообразном состоянии, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (занимает весь предоставленный объем) и состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

    Агрегатных состояний точно три?

    На самом деле есть еще четвертое — плазма. Звучит как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором, помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

    Модель идеального газа

    В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.

    Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).

    Важно знать

    Модель идеального газа не может описать ситуацию, когда газ сжимают так сильно, что он конденсируется — переходит в жидкое состояние.

    В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.

    Свойства идеального газа

    1. Расстояние между молекулами значительно больше размеров молекул.

    2. Молекулы газа очень малы и представляют собой упругие шары.

    3. Силы притяжения между молекулами пренебрежимо малы.

    4. Молекулы взаимодействуют только при соударениях.

    5. Молекулы движутся хаотично.

    6. Молекулы движутся по законам Ньютона.

    Среднеквадратичная скорость

    Потенциальной энергией молекул газа пренебречь можно, а вот кинетической — никак нельзя. Потому что кинетическая энергия — это энергия движения, а мы не можем пренебрегать скоростью движения молекул.

    На графике показано распределение Максвелла — то, как молекулы распределяются по скоростям. Судя по графику, большинство молекул движутся со средним значением скорости. Хотя есть и быстрые, и медленные молекулы, просто их значительно меньше.


    Но наш газ идеальный, а в идеальном газе случаются чудеса. Одно из таких чудес — то, что все молекулы идеального газа двигаются с одинаковой скоростью. Эта скорость называется средней квадратичной.

    Средняя квадратичная скорость


    vср. кв. — средняя квадратичная скорость [м/с]

    v1, v2, vn — скорости разных молекул [м/с]

    N — количество молекул [—]

    Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

    Давление идеального газа

    Молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.

    Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, за одну секунду на каждый квадратный сантиметр молекулы воздуха наносят столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом.


    Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул на стенки сосуда приводит к значительному давлению. Представьте, что комар пытается толкать машину — она не сдвинется с места. Но если за работу возьмется пара сотен миллионов комаров, то машину получится сдвинуть.

    Эксперимент

    Чтобы смоделировать давление газа, возьмите песок и лист бумаги, зажатый между двумя книгами. Песчинки будут выступать в роли молекул газа, а лист — в роли сосуда, в котором этот газ находится. Когда вы начинаете сыпать песок на лист бумаги, бумага отклоняется под воздействием множества песчинок. Так же и молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда, в котором находятся.



    Зависимость давления от других величин

    Зависимость давления от объема

    В механике есть формула давления, которая показывает, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.

    Давление

    p = F/S

    F — сила [Н]

    S — площадь [м2]

    То есть если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы толкали грузовой автомобиль, — просто потому, что легковушка меньше грузовика. Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за его меньшей площади.

    Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.


    Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, потому что его площадь меньше. А раз меньше площадь сосуда, то меньше и его объем. Значит, давление зависит от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление, и наоборот.

    При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):


    Зависимость давления от объема называется законом Бойля-Мариотта. Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:


    Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.

    Зависимость давления от температуры

    Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Исследования в этой области впервые провел французский изобретатель Жак Шарль в XVIII веке.

    В ходе эксперимента газ нагревали в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Незначительным увеличением объема колбы при нагревании можно пренебречь, как и столь же незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, объем газа можно считать неизменным.

    Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, ученый измерял температуру газа термометром, а давление — манометром.


    Эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.

    С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейной:


    Эта зависимость называется законом Шарля в честь ученого, открывшего ее.

    Основное уравнение МКТ

    Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами: массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа или кратко — основным уравнением МКТ.

    В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.

    1. Все вещества образованы из мельчайших частиц — молекул, которые состоят из атомов.

      Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

    2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

    3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые имеют электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

    Мы уже выяснили, что причина давления газа на стенки — это удары молекул. Давление напрямую зависит от количества молекул — чем их больше, тем больше ударов о стенки и тем больше давление. А количество молекул в единице объема — это концентрация. Значит, давление газа зависит от концентрации.

    Также давление пропорционально квадрату скорости, так как чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. Расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа имеет следующий вид.

    Основное уравнение МКТ

    p = nkT

    или


    p — давление газа [Па]

    n — концентрация [м−3]

    T — температура газа [К]

    m0 — масса одной молекулы [кг]

    v — средняя квадратичная скорость [м/с]

    Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства: во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.

    Важный нюанс: средняя квадратичная скорость сама по себе не в квадрате! Ее формула указана выше, а в основном уравнении МКТ (да и не только в нем) она возведена в квадрат. Это значит, что формулу средней квадратичной скорости нужно подставлять не вместо v2, а вместо v — и потом уже возводить эту формулу в квадрат. Это часто провоцирует путаницу.

    Мы знаем, что кинетическая энергия вычисляется по следующей формуле:

    Кинетическая энергия

    Ек = mv2/2

    Ек — кинетическая энергия [Дж]

    m — масса тела [кг]

    v — скорость [м/с]

    Для молекулы газа формула примет вид:

    Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы

    Ек = m0v2/2

    Ек — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

    m0 — масса молекулы [кг]

    v — скорость молекулы [м/с]

    Из этой формулы можно выразить m0v2 и подставить в основное уравнение МКТ. Подставим и получим, что давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

    Основное уравнение МКТ


    p — давление газа [Па]

    n — концентрация [м−3]

    E — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

    Хранение и транспортировка газов

    Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое или если газ необходимо длительно хранить, его помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.

    Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.

    Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или пытаться сделать в них отверстие — даже после использования.

    Новый взгляд на таблицу Менделеева: ученые ЮУрГУ систематизируют взаимодействия молекул

    Трансформация современных взглядов на физико-химические основы строения вещества — одна из наиболее важных современных тенденций в химии. В этом прорывном направлении работают ученые Южно-Уральского государственного университета. Новые фундаментальные знания в химии станут отправной точкой для следующего этапа развития материаловедения, а цифровые химические технологии ускорят воплощение практически значимых идей.

    Один из главных проектов международной лаборатории «Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов» ЮУрГУ — междисциплинарное исследование свойств химических связей и межмолекулярных взаимодействий, находящееся на стыке химии, физики и информатики. О проделанной работе рассказала заведующий лабораторией, доктор химических наук Екатерина Барташевич.

    От молекул к межмолекулярным взаимодействиям

    «Еще в конце ХХ века ученые-химики утверждали, что молекула определяет свойства вещества. Это утверждение не исчерпывает, однако, проблему микроскопической природы физико-химических свойств. Сталкиваясь с многообразием строения кристаллических и полимерных материалов, конденсированных сред, мы понимаем, что эти свойства будут определяться не только набором молекул, но и тем, как они связаны между собой. Поэтому научное сообщество стремится систематизировать информацию о химических связях, чтобы перейти к алгоритмам, прогнозирующим строение многокомпонентных соединений. Этому способствует и интерес к материалам на основе органических соединений, к компонентам солнечных батарей, электрооптическим свойствам жидких кристаллов, лекарствам. Чтобы вырабатывать рекомендации к синтезу новых функциональных материалов, нужно, прежде всего, систематизировать знания о том, как могут взаимодействовать между собой частицы в веществе, и научиться использовать эти данные».

    2019 год объявлен Международным годом периодической таблицы химических элементов. В настоящее время в области исследования межмолекулярных взаимодействий происходит выстраивание собственной периодической системы. Эта систематизация опирается на общность свойств элементов в рядах и определяет, как будут взаимодействовать между собой молекулы в веществе. Практический взгляд с позиций химии на физико-химические основы строения вещества являются основой таких исследований.

    На пути к мировоззренческим изменениям в химии

    «В основе выстраиваемой научным сообществом новой системы межмолекулярных взаимодействий — периодическая таблица Менделеева, которая является «фундаментом» базы знаний в химии, — подчеркивает Екатерина Владимировна.  — В настоящее время для более крупных структурных единиц формируется своя система. Ее составляющие — уже не химические элементы, а связи между молекулами и их агломератами. В терминах новой классификации выделяют галогенную, халькогенную, пниктогенную, тетрельную связь и т.д. По силе, устойчивости и влиянию на свойства вещества их можно сравнивать с водородной связью, влияние которой на свойства жизненно важных соединений (например, белков и нуклеиновых кислот) хорошо известно даже из школьной программы. Галогенные связи обеспечивают пластичность некоторых кристаллических материалов, а халькогенные — низкотемпературную проводимость. Изучение и систематизация свойств межмолекулярных связей открывают путь к объективным прогнозам: когда известны закономерности строения, становится понятным, чего следует ожидать от той или иной комбинации свойств».

    Новая система знаний в химии — путь к новым материалам

    Деление межмолекулярных взаимодействия на галогенные, халькогенные, пниктогенные и тетрельные связи — это новый взгляд на периодическую систему. Официальное определение IUPAC (Международный союз по чистой и прикладной химии) галогенной связи было дано совсем недавно, в 2013 году. Ученые Южно-Уральского государственного университета одними из первых стали работать в этом направлении. Они принимали участие в I Международном симпозиуме по галогенным связям, ISXB-1, который проходил в Италии. Через два года, на ISXB-2 в Швеции, доклад Екатерины Барташевич вызвал серьезный интерес и получил признание в международном научном сообществе. Сегодня один из проектов лаборатории «Многомасштабного моделирования многокомпонентных функциональных материалов» поддерживается Российским фондом фундаментальных исследований.

    «Безусловно, задачи моделирования свойств вещества носят междисциплинарный характер. Если химические знания дополняются знаниями, например, из области квантовой кристаллографии и опираются на суперкомпьютерные вычисления, это помогает завладеть научными приоритетами. В феврале 2018 года в высокорейтинговом научном издании «Journal of Computational Chemistry» по теме характеризации химических связей опубликована наша совместная работа с профессором Владимиром Цирельсоном из Российского химико-технологического университета им.  Д. И. Менделеева. Исследования молекулярных кристаллов с галогенными связями и поиск среди них новых структур с нелинейно-оптическими свойствами ведется совместно с профессором Артёмом Масуновым из Университета Центральной Флориды (США). Наша научная группа, в которую входят молодые ученые ЮУрГУ, Ирина Юшина и Александр Дьяков, ставит перед собой задачу обработать максимальный объем информации, используя эволюционные алгоритмы. В этой новой области очень много как проблем, так и возможностей».

    Углубленное изучение свойств химических связей невозможно без цифровых технологий и неразрывно связано с введением результатов в практику. Фактически, на данном этапе в химии закладываются фундаментальные основы, которые уже востребованы в конструировании новых материалов.

    что это такое, какие болезни вызывают

    Инфекционные болезни могут развиваться не только из-за бактерий, вирусов и других хорошо известных врачам микроорганизмов - это ошеломляющее заявление в медицинской среде было сделано после того, как в 1982 году профессор неврологии и биохимии Стэнли Прузинер (США) обнаружил белковые соединения, способные вызывать заболевания. Открытие белков-прионов было настоящим прорывом в медицине, доказательством чему стало получение учёным Нобелевской премии в 1997 году.

    Прионы: биологическая сущность, свойства, среда обитания таинственных молекул

    До недавнего времени исследователи считали, что в составе любой «живой» субстанции должны быть молекулы ДНК или РНК — нуклеиновых кислот, обусловливающих способность вирусов, бактерий, грибов и прочих организмов размножаться. Однако открытие прионов полностью трансформировало это представление. Устойчивость к высоким температурам, к различным видам излучений, действию нуклеаз (ферментов, способных расщеплять нуклеиновые кислоты), отсутствие роста на питательных средах – такими необычными свойствами обладал ранее не известный возбудитель.

    Белковые соединения с определённой конфигурацией, способные трансформироваться в патогенные и вызывать нейродегенеративные процессы в организме, были названы прионами. Термин «прион» (prion) предложил Стэнли Прузинер. Термин происходит от фрагментов английских слов protein (белок) и infection (инфекция). Прионы способны размножаться. Этот процесс более продолжителен по времени, чем размножение патогенных микроорганизмов, поэтому от момента попадания прионов в организм до клинических проявлений болезни может пройти несколько месяцев или лет.

    Молекула приона в «нормальной» форме имеется на поверхности нервных клеток у каждого человека. Обычные молекулы белка, вступая в контакт с патологическими, сами превращаются в них, изменяя при этом собственную пространственную структуру. Что является пусковым механизмом подобной трансформации, до конца не известно. Из этого следует, что прион, выступая в роли инфекционного агента, заражает нормальные молекулы, вызывая «молекулярную эпидемию».

    Токсичные белковые бляшки на клетке приводят к её гибели, а на месте погибшей клетки образуется пустота, которая заполняется жидкостью. Количество пустот в головном мозге с течением времени будет увеличиваться, пока он не превратится в «губку».

    Как можно заразиться прионами?

    На сегодняшний день выделяют следующие основные пути заражения инфекционным белком-прионом:

    1. Трансмиссивный. В этом случае молекулы белка передаются от одного вида млекопитающего к другому — например, от инфицированной коровы или овцы человеку. Заражение происходит при употреблении в пищу мяса или молока заражённого животного, либо использовании его тканей (роговицы, препаратов крови и т.п.), применении во время оперативных вмешательств биологического шовного материала.

    2. Наследственный. Заболевание развивается на фоне генетической мутации, затрагивающей область 20-й хромосомы. Несмотря на слабую изученность функционирования этого участка генома, достоверно известно его участие в синтезе нормального прионного белка. В случае генных мутаций вместо здорового приона образуется патологический, а это приводит к развитию болезней.

    3. Спорадический. При этом аномальный белок появляется в организме спонтанно, без видимых причин.

    Вне зависимости от способа появления аномальный белок может стать причиной заражения других людей.

    Прионные заболевания: особенности течения, лечения, прогноз

    Отличительной особенностью болезней, вызываемых прионами, является длительный инкубационный период - от 2-3 месяцев до нескольких десятилетий. Подавляющее большинство прионных заболеваний человека являются спорадическими и имеют семейный характер наследования.

    Куру, синдром Герстманна-Штреусслера-Шейнкера, болезнь Крейтцфельдта-Якоба, скрэпи – прионы вызывают заболевания, сопровождаемые поражением центральной нервной системы. Для них характерны такие признаки как деменция (слабоумие), зрительные и мозжечковые нарушения. При этом у больного могут отмечаться двигательные расстройства, бессонница, галлюцинации, нарушение речи.

    К сожалению, эффективных методов лечения прионных болезней на сегодняшний день нет, хотя учёные пытаются предотвращать переход нормального белка в аномальный. Пациентам назначается симптоматическая терапия с использованием противосудорожных средств для облегчения страданий. Прогноз пока неутешителен, так как все вышеперечисленные заболевания завершаются летальным исходом.

    Перспективы

    Недостаточная изученность проблемы прионов и прионных болезней способствует углублению исследований в этой области — учёные занимаются активным поиском средств борьбы с патогенными белками. Актуальность этого вопроса растёт в связи с возможностью возникновения «прионной эпидемии», например, из-за приёма лекарственных средств животного происхождения.

    Раскрытие загадочных явлений, которыми окутаны прионы, возможно, поможет в понимании ряда серьёзных биомедицинских проблем человечества.

    Севиля Ибраимова

    Редакция рекомендует:

    Не антибиотиком единым: «киллеры» бактерий – бактериофаги
    Риск на грани. Как открыли хеликобактер пилори?

    Сообщение в молекуле — PMC

    Abstract

    С древних времен стеганография, искусство сокрытия информации, в значительной степени полагалась на секретные чернила как на инструмент для сокрытия сообщений. Однако по мере совершенствования методов обнаружения этих чернил использование простых и доступных химикатов в качестве средства защиты связи было практически прекращено. Здесь мы описываем метод, который позволяет скрыть несколько различных сообщений в спектрах излучения мономолекулярного флуоресцентного датчика.Подобно секретным чернилам, этот датчик обмена сообщениями на молекулярном уровне (m-SMS) может быть спрятан на обычной бумаге, а сообщения могут быть закодированы или расшифрованы в течение нескольких секунд с использованием обычных химических веществ, включая коммерческие ингредиенты, которые можно приобрести в продуктовых магазинах или аптеках. Однако, в отличие от невидимых чернил, раскрытие этих сообщений неавторизованным пользователем практически невозможно, поскольку они защищены тремя различными механизмами защиты: стеганографией, криптографией и вводом пароля, которые используются для сокрытия, шифрования или предотвращения доступа к информации. соответственно.

    В настоящее время использование невидимых чернил для написания сообщений, которые проявляются только при воздействии тепла, света или химического раствора, чаще всего ассоциируется с детскими играми. Однако всего столетие назад исключительно простые химические вещества часто использовались во время войны в целях шпионажа 1 ,2 . Основным преимуществом использования этих чернил была их доступность для полевых агентов, что позволяло напрямую записывать и читать конфиденциальную информацию 3 .Однако одним из недостатков использования этой технологии является простота раскрытия сообщений, что привело, например, к поимке «шпионов лимонного сока» во время Первой мировой войны (ПМВ) 1 . Значительное улучшение возможности защиты информации химическими средствами было достигнуто с развитием молекулярных и биомолекулярных стеганографических систем, в которых определенные химические стимулы вызывают появление текста и изображений. Эти данные могут быть созданы различными источниками, такими как флуоресцентные материалы 4 , 5 , 6 , 7 , , 8 , 10 , , 11 , 10 , 12 , бактерии 13 , антитела 14 , фотонные кристаллы 15 , химические сдвиги ЯМР 16 и системы молекулярных вычислений 17 ,18 ,19 9000Еще одно важное преимущество использования систем молекулярной стеганографии, а именно их небольшой масштаб, также было продемонстрировано способностью скрывать сообщения в отдельных цепях ДНК 21 . Наконец, авансы в области молекулярных логических ворот 22 , 23 , 24000, 23 , 25 , 26 привели к альтернативным методам защиты информации 22 , 27 , 28 Многоаналитные флуоресцентные молекулярные датчики, которые могут создавать ID-коды 29 или могут авторизовать записи пароля 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 ,38 ,39 ,40 ,41 .

    Здесь мы представляем другой подход к защите молекулярной информации, который основан на способности датчика обмена сообщениями молекулярного масштаба (m-SMS) преобразовывать случайно выбранные химические сигналы в непредсказуемые схемы излучения и, при этом, передавать короткие, химически закодированные сообщения с максимальной безопасностью. Этот датчик является вторым членом семейства комбинаторных флуоресцентных молекулярных датчиков, разработанных нашей группой 42 , который имитирует функцию обонятельной системы путем интеграции нескольких неспецифических сигнальных рецепторов на одной молекулярной платформе 43 . Однако в отличие от своего предшественника 41 ,42 ,43 или любого другого флуоресцентного зонда, который реагирует на несколько аналитов 24 ,44 или группу аналитов 43 , m-SMS был разработан для работы в качестве универсальный датчик, который может различать огромное количество различных химических соединений. Показано, что это свойство отличает m-SMS не только от других типов флуоресцентных молекулярных сенсоров, но и от других систем химической защиты , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 22 , 27 , 27 , 29 , 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 ,39 ,40 ,41 , позволяя ему функционировать как устройство молекулярного шифра, которое может преобразовывать различные химические структуры в уникальные ключи шифрования. Таким образом, систему можно использовать не только для сокрытия данных (стеганография), но и для их шифрования и расшифровки (криптография), а также для обеспечения защиты паролем, когда требуется более высокий уровень безопасности. Поскольку эта система не зависит от использования конкретных химических веществ, уникальных инструментов или сложных экспериментальных протоколов, она также очень проста в эксплуатации. Мы показываем, что m-SMS и/или химические ингредиенты могут быть скрыты и доставлены на обычной бумаге для писем и что сообщения могут быть быстро выявлены с помощью недорогого портативного спектрометра.Это делает технологию m-SMS похожей на древнюю технологию невидимых чернил с точки зрения простоты, доступности и легкости, с помощью которой различные сообщения могут быть скрыты и раскрыты с помощью обычных химических веществ из разных мест и за короткое время.

    Результаты

    Принципы дизайна

    Структура m-SMS () состоит из цис--аминопролинового каркаса, к которому присоединены три спектрально перекрывающихся флуорофора: флуоресцеин (Flu), сульфородамин B и нильский синий (NB), которые служат системой переноса энергии резонанса флуоресценции (FRET) донор1-акцептор1/донор2-акцептор2 соответственно.Кроме того, датчик состоит из различных элементов распознавания для связывания различных химических соединений. Группы борной кислоты и дипиколиламина (DPA), например, придают m-SMS сродство к различным сахаридам 45 и ионам металлов 46 соответственно. Функциональные группы тиомочевины и сульфонамида служат дополнительными сайтами связывания ионов металлов 47 ,48 ,49 , а также анионными рецепторами 50 и мотивами водородных связей 51 502090 , 7 .Дополнительные связывающие взаимодействия могут включать водородные связи с амидами и карбоновыми кислотами m-SMS в дополнение к гидрофобным взаимодействиям и π-стекингу с различными ароматическими группами. Наконец, структура Flu и состояние протонирования сильно зависят от pH 53 , тогда как сольватохромный NB 54 может взаимодействовать с ДНК и гидрофобными аналитами (). Дополнительные сайты узнавания могли образовываться и при связывании аналитов. Например, известно, что комплексы DPA-ион металла взаимодействуют с анионами, такими как фосфаты 55 , тогда как депротонирование Flu основанием должно позволить фенольному лиганду координироваться с ионами металлов 56 .Эта универсальность искусственных рецепторов противоречит традиционной конструкции флуоресцентного молекулярного сенсора 57 , поскольку она направлена ​​на создание сенсора, который по своей природе неспецифичен. Таким образом, связывание различных аналитов должно индуцировать формирование отчетливых сигнатур эмиссии путем воздействия на FRET, фотоиндуцированный перенос электронов, конъюгацию красителей или процессы переноса заряда 57 . Например, связывание ионов металлов с DPA может нарушить или усилить фотоиндуцированный перенос электронов 58 , тогда как изменения pH или растворителей могут изменить конъюгацию Flu 53 или внутримолекулярные процессы переноса заряда в NB.Кроме того, поскольку различные элементы передачи сигналов и распознавания интегрированы в одну молекулярную платформу, взаимодействие m-SMS с любыми химическими веществами, вероятно, изменит расстояние между зондами, что повлияет на эффективность FRET. Эта ковалентная интеграция красителей также должна способствовать сокрытию, отправке и извлечению молекулярного устройства без изменения молярного соотношения между ними и, следовательно, без изменения фотофизических свойств устройства.

    m-SMS работает как универсальный датчик, который может различать множество различных аналитов.

    ( a ) В состав m-SMS входят три флуорофора: сольватохромный нильский синий (A), pH-чувствительный флуоресцеин (B) и сульфородамин B (C), а также различные элементы распознавания, такие как дипиколиламин (D ), бороновая кислота (E), тиомочевина (F) и сульфонамид (G). ( b ) Репрезентативные модели выбросов, генерируемые m-SMS в ответ на различные аналиты или условия. Эмиссия регистрировалась в разных растворителях (слева вверху) и при добавлении 2 мкл водного раствора ионов металлов* (справа вверху, 300 мМ) и сахаридов* (слева посередине, 13 мМ) или при изменении рН** (слева посередине). верно, 0.1–0,3 M NaOH), полярность*** (внизу слева, 3–9% H 2 O) и при добавлении коммерческих продуктов* (внизу справа). Исходные условия: m-SMS в *EtOH-AcOH (10 мМ) и NaOH (11 мМ), **EtOH-AcOH (10 мМ) и ***ацетонитриле (ACN). Концентрация m-SMS составляла 500 нМ во всех растворах, за исключением измерений в ACN, где она составляла 5 мкМ. λ ex = 480 нм. ( c ) Линейный дискриминационный анализ (LDA) 45 репрезентативных шаблонов, созданных различными аналитами в различных условиях.Исходные условия: m-SMS в EtOH-AcOH (10  мМ) и i 3, ii 6, iii 8, iv 9 и v 11 мМ NaOH. ДМСО, диметилсульфоксид; дцДНК, двухцепочечная ДНК; оцДНК, одноцепочечная ДНК; ТГФ, тетрагидрофуран.

    Идентификация нескольких аналитов

    Необычный механизм восприятия, лежащий в основе m-SMS, был продемонстрирован путем измерения его реакции на различные химические вещества (), включая различные растворители (вверху слева), ионы металлов (вверху справа), сахариды (в центре слева), а также а также его реакция на изменение pH (в центре справа) или полярности (внизу слева) раствора, а также на присутствие сложных смесей, таких как те, которые можно найти в безалкогольных напитках и лекарствах (внизу справа).Различные сигнатуры излучения также были получены в присутствии различных сахарофосфатов, белков и при изменении концентрации аналита (дополнительные рисунки 1 и 2). Проанализировав эти паттерны с помощью линейного дискриминантного анализа (LDA), который является эффективным алгоритмом распознавания паттернов для классификации неизвестных образцов 59 , мы смогли напрямую идентифицировать 45 репрезентативных аналитов (). Тридцать восемь неизвестных образцов, которые были случайным образом выбраны из обучающей выборки, были идентифицированы с помощью m-SMS с точностью 97%.

    Молекулярная криптография

    Способность m-SMS генерировать широкий спектр почти непредсказуемых эмиссионных отпечатков пальцев напоминает функцию генераторов псевдослучайных чисел, а именно шифровальных устройств, которые могут эффективно шифровать текст, связывая каждую букву с приблизительным случайным числом. . Одним из наиболее известных устройств генератора псевдослучайных чисел является машина Enigma 60 ,61 , которая использовалась немцами во время Второй мировой войны (WWII) для защиты военной связи.С технологией Enigma отправитель и получатель располагали идентичными шифровальными машинами, которые использовались для шифрования и дешифрования текста соответственно. Кроме того, чтобы третья сторона с идентичной машиной не могла шпионить за этими сообщениями, получатель также должен настроить правильное начальное состояние своей машины, чтобы получить правильное сообщение. Чтобы прояснить функцию молекулярной машины, подобной Enigma, мы сначала покажем, как m-SMS можно использовать для шифрования и расшифровки очень простого текста: «Сезам, откройся» ().Первоначально отправитель преобразует текст в числа, используя общедоступный буквенно-цифровой код для получения числовой последовательности (). Обратите внимание, что этот буквенно-цифровой код не обязательно должен быть безопасным и может использоваться для написания различных других сообщений. На следующем этапе отправитель растворяет m-SMS в выбранном растворе (60 мкл EtOH), к которому добавляют 2 мкл случайно выбранного химического вещества (химическое вещество x , 1 M NaHCO 3 ). Затем генерируется случайный ключ шифрования путем записи излучения через каждые 20 нм и связывания каждого значения с соответствующей буквой ().Затем отправитель добавляет этот ключ шифрования к исходному сообщению, чтобы получить зашифрованное сообщение (зашифрованный текст), которое можно безопасно отправить получателю с идентичным молекулярным устройством. Чтобы получить исходное сообщение, получатель просто должен сгенерировать ключ дешифрования, установив правильное начальное состояние системы (например, концентрации сенсора, растворители и коэффициент усиления детектора), добавив тот же химический ввод () и вычитая полученное значение. значения из зашифрованного текста ().

    Криптографическая защита с помощью устройства молекулярного шифрования, подобного Enigma.

    ( a ) Отправитель преобразует свое сообщение в числа, используя общедоступный буквенно-цифровой код. ( b ) Затем он растворяет m-SMS в выбранном растворе, проверяет начальную интенсивность излучения (черная линия) и записывает характер излучения, полученный после добавления случайного химического вещества (зеленая линия). Результирующие значения интенсивности, записанные через каждые 20 нм (обозначенные зелеными буквами), обеспечивают уникальный ключ шифрования. ( c ) Затем отправитель шифрует сообщение, добавляя ключ шифрования к исходному сообщению, и отправляет зашифрованное сообщение (зашифрованный текст) получателю.( d ) Получатель, обладающий идентичным шифровальным устройством m-SMS, повторяет эту процедуру, устанавливая правильное начальное состояние системы (например, растворитель, концентрацию сенсора и коэффициент усиления детектора) и добавляя то же самое химическое вещество x. ( e ) Затем исходное сообщение раскрывается путем вычитания результирующих значений (зеленая линия) из зашифрованного текста. Условия: 500 нМ m-SMS в EtOH, химический x=NaHCO 3 (2 мкл, 1 M), λ ex = 480 нм. Следующие иллюстрации были использованы по лицензии Shutterstock.com: клавиатура (кредит: Альховик), пипетка (кредит: extender_01) и персонаж-мужчина (кредит: Лереми).

    показывает, как более длинные сообщения могут быть зашифрованы путем последовательного добавления химических входов. Для наглядности представлены сообщения, зашифрованные двумя входами. Текст «Першинг отплыл из Нью-Йорка 1 июня» был выбран для этого эксперимента, потому что в контексте скрытых сообщений это хорошо известное сообщение, написанное шпионом во время Второй мировой войны. 2 Следовательно, этим сообщением мы намерены подчеркнуть аналогию между m-SMS и простейшими стереографическими технологиями с точки зрения легкости, с которой сообщения могут быть скрыты и раскрыты неподготовленными пользователями.В случае ключ шифрования был сгенерирован путем добавления сначала NaOH (0,2 М), затем CuCl 2 (0,3 мМ) и регистрации эмиссии после каждого добавления. В 2008 году входные данные были изменены на NaOH (0,35 M) и глазные капли, что демонстрирует возможность шифрования сообщений с помощью имеющихся в продаже химических веществ. Фармацевтические жидкости очень подходят для этого применения благодаря их высокой чистоте и воспроизводимости от партии к партии, что позволяет отправителю и получателю использовать их как есть без выполнения дополнительных процедур.показано, как можно сгенерировать совершенно другой ключ шифрования с теми же входными данными, что и в первом эксперименте (NaOH и CuCl 2 ), но заменив растворитель на ацетонитрил и концентрации молекулярных компонентов на 5  мкМ m-SMS, 0,35 М NaOH и 0,3 М CuCl 2 . Благодаря более высокой интенсивности красителя NB в гидрофобных условиях сообщение могло быть зашифровано в одном спектре излучения, который был получен после второго шага добавления. Этот последний эксперимент () таким образом демонстрирует важность правильной настройки начального состояния системы, что является фундаментальным принципом, лежащим в основе работы машин Enigma 61 .После этих тестов 12 разных пользователей, в том числе 10 необученных пользователей, попросили расшифровать разные сообщения (2–19 слов) с использованием различных химических входов (и дополнительная таблица 1). Тот факт, что все сообщения были успешно расшифрованы, подтвердил простоту, универсальность и надежность этой методики.

    Шифрование более длинных сообщений путем последовательного добавления химических входов.

    ( a ) Шифрование сообщения путем записи спектров излучения, возникающих после добавления NaOH (2  мкл, 0.2 M, красные буквы), а затем после добавления CuCl 2 (2 мкл, 0,3 мМ, синие буквы) к 500 нМ SMS в EtOH-AcOH (10 мМ). ( b ) Шифрование того же сообщения путем записи спектров излучения после добавления NaOH (2 мкл, 0,35 M, красные буквы) и затем глазных капель GenTeal (2 мкл, синие буквы) к 500 нМ SMS в EtOH-AcOH (10 мМ) . ( c ) Шифрование того же сообщения с использованием одного широкого спектра излучения, полученного после добавления NaOH (0,5 мкл, 0,35 мМ) и CuCl 2 (1 мкл, 0,3 мМ) к 5 мкМ SMS в ацетонитриле.Эти эксперименты ( a c ) также демонстрируют, как одно и то же сообщение может быть по-разному зашифровано путем изменения химических входов ( a против b ) или путем изменения начального состояния системы ( a против ). с ). ( d ) Репрезентативные сообщения, которые были успешно расшифрованы неподготовленными, случайно выбранными пользователями. Исходные условия: m-SMS (500 нМ) в *EtOH, **EtOH-AcOH (10 мМ) и NaOH (6 мМ) и ***EtOH-AcOH (10 мМ) и NaOH (10 мМ).

    Молекулярная защита паролем

    Несмотря на то, что криптография делает m-SMS намного более безопасным, чем секретные чернила, всегда существует вероятность того, что противник получит датчик и правильные химические данные и попытается воссоздать ключ шифрования, используя «поиск грубой силы» 2 . А именно, он будет измерять реакцию m-SMS на различные концентрации и комбинации этих входных данных до тех пор, пока в результате этого скрининга не будет получен значимый текст. показывает средство для усложнения таких усилий путем ввода пароля в качестве дополнительного уровня защиты.Этот подход эксплуатирует принципы молекулярной клавиатуры технологии блокировки 30 , 31 , 32 , 33 , 34 , 35 , 36 , 37 , 38 , 39 ,40 ,41 , которые в значительной степени зависят от тенденции многовалентных комплексов гость-хозяин и многокомпонентных ансамблей попадать в локальные минимумы 41 . Мы выбрали ZnCl 2 ( 1 ), Na 3 PO 4 ( 2 ) и NaOH ( 3 ) в качестве репрезентативных входных ключей из-за сильного взаимодействия Zn(II) с 90 07 лигандами. 55 ,56 , а также с NaOH или Na 3 PO 4 с образованием Zn(OH) 2 и цинкфосфатных комплексов соответственно 62 .Следовательно, при первоначальном добавлении ZnCl 2 Zn(II) должен легко координироваться с единицей DPA m-SMS. Напротив, когда ZnCl 2 добавляют вторым, реакция с избытком Na 3 PO 4 или NaOH в растворе должна снижать концентрацию свободных ионов Zn(II) и, следовательно, количество м- Комплекс SMS-Zn(II). иллюстрирует, как m-SMS можно использовать для генерации четырех разных ключей шифрования с использованием двузначных химических паролей: 11, 22, 12 и 21. С тремя химическими входами могут быть сформированы дополнительные метастабильные комплексы, которые позволили нам идентифицировать 9 уникальных паролей из 27 возможных комбинаций ().Актуальность метода блокировки клавиатуры для криптографических приложений была продемонстрирована предоставлением девяти различным получателям одних и тех же химических входных данных (1, 2 и 3), но с разными индивидуальными паролями. Как показано на рисунке, только получатель с правильным паролем мог успешно идентифицировать сообщение, тогда как другие пользователи получали только случайный текст.

    P Защита от взлома путем создания ключей шифрования, зависящих от последовательности.

    При правильном выборе химических входов m-SMS может работать как молекулярный замок, который генерирует правильные ключи шифрования/дешифрования (схемы излучения) только тогда, когда химические входы вводятся в правильном порядке.( a ) Различные ключи шифрования, сгенерированные путем введения четырех возможных комбинаций двузначных химических «паролей», состоящих из ZnCl 2 ( 1 ) и Na 3 PO 4 ( 2 ) в качестве входных данных сигналы. ( b ) LDA сопоставление ключей шифрования, сгенерированных в ответ на 27 возможных комбинаций трехзначных химических паролей, где ZnCl 2 ( 1 ), Na 3 PO 4 ( 2 ) и NaOH ( 3 ) служат входными сигналами.Кластеры, соответствующие девяти уникальным ключам шифрования, обозначены кружками. Условия: каждая цифра соответствует добавлению 2  мкл 1 (0,08 М), 2 (0,08 М) или 3 (0,1 М) к 60 мкл m-SMS (500 нМ) в EtOH. ( c ) Текст, полученный путем расшифровки зашифрованного текста с правильным паролем (331) и другими восемью уникальными комбинациями.

    Молекулярная стеганография

    Стеганография — это третий уровень защиты, который может быть реализован путем сокрытия небольшого количества m-SMS на обычной бумаге ().Это усложняет не только его обнаружение, но и его характеристику, которая потребуется, если противник попытается воспроизвести молекулярное устройство. изображен репрезентативный эксперимент, в котором 1,1 мкл m-SMS высушивали на обычной бумаге для писем () и отправляли второму получателю обычными почтовыми службами. В этом эксперименте буква была напечатана на стандартном принтере, а датчик был спрятан в случайном месте внутри логотипа Института Вейцмана (). Чтобы уточнить, текст в этом письме не содержит никакой ценной информации, а, скорее, сообщение скрыто в спектрах излучения m-SMS, которые могут быть сгенерированы только путем создания соответствующих условий.Чтобы раскрыть сообщение, получателю достаточно извлечь m-SMS из письма, вырезав логотип, инкубировав его в соответствующем растворе и используя этот раствор для регистрации спектров флуоресценции (). Установив правильную начальную интенсивность излучения (, верхний спектр) и последовательно добавляя правильные химические входные данные (, входные данные 1–3), приемник мог успешно идентифицировать различные сообщения, такие как сообщение, представленное в: «Враждебная колонна пехоты замечена». . Простирается от южного выхода из Медвежьего леса до позиции в 3 км к востоку от Нойштадта. Сообщение было зашифровано оригинальной машиной Enigma.

    Стеганографическая защита путем сокрытия m-SMS на обычной бумаге.

    ( a ) 1,1 мкл m-SMS (440 мкМ) был спрятан в случайном месте внутри логотипа Института Вейцмана, и письмо было отправлено получателю обычной почтой. Обратите внимание, что текст в этом письме не содержит никакой ценной информации. ( b ) Реципиент, получивший шифротекст и знающий начальные условия, извлекает m-SMS из бумаги путем инкубации логотипа в 1 мл EtOH-AcOH (10 мМ).( c ) Чтобы раскрыть сообщение, приемник регулирует правильную концентрацию m-SMS, калибруя его начальную интенсивность излучения (вверху) и генерирует ключ дешифрования, записывая характер излучения после добавления каждого химического входа (входы 1– 3). ( d ) Полученный текст представляет собой сообщение, зашифрованное машиной Enigma. Цвета букв соответствуют соответствующим ключам дешифрования, показанным в c . Условия: 1 мкл ( 1 ) NiCl 2 (0.15 M), ( 2 ) KOH (2,5 M) и ( 3 ) Na 4 ЭДТА (0,27 M) последовательно добавляли к 60 мкл раствора m-SMS (500 nM) в EtOH-AcOH. (10 мМ). Изображение рукописного текста (кредит: амилослава) взято с разрешения Shutterstock.com.

    Универсальность технологии m-SMS

    Аналогичные процедуры, в которых ввод химических веществ скрывался на бумаге для писем, также выполнялись (дополнительный рис. 3), демонстрируя альтернативные способы сокрытия и доставки молекулярных компонентов.В этих экспериментах химические вещества с измеримыми спектрами поглощения, такие как CoCl 2 (дополнительная рис. 3b, c), были извлечены из бумаги и после определения их концентрации были добавлены к m-SMS. В дополнение к коммерческим химикатам мы также зашифровали сообщения, используя уникальные входные данные, сделанные в нашей лаборатории 63 , что показывает, как сообщения могут быть дополнительно защищены с использованием синтетических соединений, которые трудно охарактеризовать и воспроизвести (дополнительный рис. 3a и дополнительные таблицы 1 и 2).Наконец, чтобы продемонстрировать, что эта технология не ограничивается конкретными местами или конкретным датчиком, мы кодировали и декодировали сообщения за пределами лаборатории с помощью недорогого ручного спектрофлуориметра (и дополнительной рис. 4), а также синтезировали второй m- Молекула СМС ( , m-SMS 2 ), объединяющая кумарин и рН-чувствительный зонд гриппа, а также цикленовый лиганд, способный связывать различные ионы металлов. Следовательно, как и m-SMS (), m-SMS 2 () должен реагировать на ионы металлов, кислоты и основания.Однако он должен давать разные картины эмиссии из-за более короткой длины волны возбуждения и эмиссии донора FRET (т. е. кумарина), а также различного сродства циклена и ДФА к ионам разных металлов. Чтобы продемонстрировать, что это новое устройство молекулярного шифрования может генерировать совершенно разные ключи шифрования, сообщение «секретный агент раскрыт, инициируйте спасательную операцию» было зашифровано путем записи m-SMS 2 до и после добавления 16 мМ уксусной кислоты. Затем мы попытались расшифровать полученный зашифрованный текст, используя как m-SMS 2 , так и исходное m-SMS.Как показано на рисунке, хотя использовались одни и те же химические вещества, только первое молекулярное устройство успешно расшифровало сообщения. Второе устройство сгенерировало бессмысленный текст. Таким образом, этот последний эксперимент показывает, что даже если третьей стороне удастся воспроизвести m-SMS и шпионить за экспериментальными настройками, новое шифровальное устройство может быть легко создано путем замены одного или нескольких рецепторов, линкеров или красителей.

    Универсальность технологии m-SMS.

    Секретная связь была достигнута с использованием ( a ) ручного спектрометра и ( b ) второго устройства молекулярного шифрования (m-SMS 2 ), объединяющего кумарин (A), флуоресцеин (B) и цикленовый лиганд (С).( c ) Шаблоны шифрования, сгенерированные m-SMS (синие линии) или m-SMS 2 (черные линии) при тех же условиях. Эмиссия каждого сенсора (250 нМ) регистрировалась в растворе EtOH, содержащем NaOAc (1 мМ) и ZnCl 2 (1,3 мМ; пунктирная линия) и после добавления АсОН (16 мМ; сплошная линия). m-SMS и m-SMS 2 возбуждались при 480 и 420 нм соответственно.

    Обсуждение

    Учитывая недавние опасения по поводу глобальной электронной слежки 64 , способность m-SMS преобразовывать различные химические структуры в уникальные схемы излучения демонстрирует потенциальное средство обхода электронных систем связи и, таким образом, обеспечения безопасности важных сообщений.Интересно, что даже этот первый прототип обеспечивает очень высокий уровень безопасности благодаря своей способности генерировать многочисленные непредсказуемые ключи шифрования (криптография), а также сложности обнаружения и характеристики молекулярного устройства и/или химических входов (стеганография) и, в частности, случаи, порядок ввода входов (защита паролем). Кроме того, как и в случае с криптографическими системами Enigma, для взлома такой защиты также необходимо настроить правильное начальное состояние системы, которое может быть определено типом используемых растворителей и концентраций, а также настройкой приборов.Мы можем оценить, например, максимальное количество паттернов, которые могут быть созданы при использовании шести различных концентраций m-SMS (дополнительная рис. 2a) при шести разных значениях pH (дополнительная рис. 2b) и при добавлении шести различных концентраций. ионов меди (дополнительный рис. 2c). Установив детектор на шесть различных значений «усиления» (дополнительный рис. 2d), даже один химический вход (то есть CuCl 2 ) из многочисленных химических веществ, которые могут быть различены с помощью m-SMS (), должен предоставить максимальное количество 6 4 = 1296 ключей шифрования.Улучшение производительности таких систем должно быть легко достигнуто за счет увеличения количества элементов распознавания и передачи сигналов, что максимизирует количество аналитов, которые могут быть распознаны мономолекулярным шифровальным устройством. Другие важные особенности этой технологии, а именно ее универсальность и простота, также были продемонстрированы путем создания различных m-SMS-устройств, шифрования сообщений с помощью широкого спектра случайно выбранных химических веществ, а также путем сокрытия молекулярных компонентов на обычной бумаге и отправки их по обычной почте, сродни невидимым чернилам.Принимая во внимание неограниченное количество химических структур, которые, в принципе, можно использовать в качестве входных данных, эта работа указывает на то, что уникальное сообщение может быть скрыто в каждой молекуле вокруг нас.

    Нейронная сеть передачи сообщений на основе самоконтроля для прогнозирования молекулярной липофильности и растворимости в воде | Journal of Cheminformatics

    Наборы данных и обработка данных

    Наборы данных молекулярной липофильности и растворимости в воде использовались для разработки и тестирования нашего метода.Липофильность обычно количественно определяется коэффициентом распределения n -октанол/вода P и предпочтительно отображается в логарифмической форме как logP. Необработанные данные о липофильности были загружены из CHEMBL3301361, депонированного AstraZeneca [24], и включают 4200 молекул. Растворимость в воде представляет собой насыщенную концентрацию химического вещества в водной фазе, которая обычно отображается в единицах log (моль/л) и представляется как logS. Этот набор данных был загружен из онлайн-базы данных химических веществ и среды моделирования (OCHEM) [25] и включает 1311 экспериментальных записей.Распределения наборов данных представлены в дополнительном файле 1: рис. S1.

    Поскольку оба набора данных малы по сравнению с типичными требованиями к размеру моделей глубокого обучения, мы используем десятикратную стратифицированную перекрестную проверку [13, 23, 35], где каждый набор данных был случайным образом разделен на набор для обучения и проверки (80% и 10 % соответственно) для выбора параметров и тестового набора данных (10%) для сравнения моделей. Затем мы повторили все эксперименты три раза с разными случайными начальными значениями. Этот процесс гарантирует, что модель не просто запоминает обучение, а способна обобщать новые молекулы.

    Для предварительной обработки исходных данных были удалены повторяющиеся молекулы, чтобы каждая химическая структура в данных была уникальной, при этом максимально одно из связанных свойств было сохранено. Молекулы, не распознаваемые RDkit (версия 2019.3) [26], набором инструментов для хемоинформатики, реализованным на Python, также были удалены. Только два столбца («улыбки» и «экспериментальное значение») были сохранены в качестве входных данных для наших моделей. Каждое загруженное представление SMILES затем преобразовывалось в ориентированный граф перед обучением модели SAMPN с использованием кодировщика MPN, адаптированного из Deepchem и Chemprop [27, 28].Ориентированные графы в основном состояли из индексных списков узлов и ребер, показанных на рис. 1c. Возьмем в качестве примера подструктуру N–C: химическая связь между атомами N и C может дать два ребра (C:0 → N:1 и N:0 → C:1). Количество узлов равно количеству атомов, а количество ребер всегда удвоено количеством связей, поскольку мы считаем ребра двунаправленными.

    Сетевой кодировщик передачи сообщений

    Вместо ручного выбора функций прямое использование структур молекулярного графа впервые было сообщено в 1994 году [29].В последние годы методы на основе графов используются для анализа различных аспектов химических систем [14, 30] и сравнения с отпечатками пальцев [31]. Модели на основе графов обеспечивают естественный способ описания химических молекул, где атомы в молекуле эквивалентны узлам, а химические связи — ребрам графа. Сеть передачи сообщений — это вариант теоретико-графового подхода, который постепенно объединяет информацию от удаленных атомов, расширяясь радиально через связи, как показано на рис.2. Эти передаваемые сообщения использовались для кодирования всех подструктур молекулы с помощью адаптивного подхода к обучению, который извлекает полезные представления молекул, подходящие для целевых прогнозов.

    Рис. 2

    Представление архитектуры SAMPN. Основная часть кодировщика MPN преобразует соседние признаки в молекулярную матрицу, затем следует уровень самоконтроля и полностью подключенные сети для окончательного прогноза

    Сетевой кодировщик передачи сообщений работает следующим образом в уравнениях.{d — 1} } } \right)$$

    (2)

    Здесь Re — функция активации (Relu). \(W_{inp}\) и \(W_{h}\) — матрицы изученных весов. Поскольку мы используем зависимую от ребра нейронную сеть для передачи сообщения, функция узла f x объединяется с функцией ребра f xy для формирования объединенной функции узла-ребра f 7

    8. x f xy .{d = 1}\), который x отправляет на y , генерируется из объединенного элемента узла-ребра f x f xy 902 в нейронной сети, как описано уравнение (1).

    Таблица 1 Описание элементов узлов и ребер

    В химическом графе атомы обозначают набор узлов x∈V, , а связи обозначают набор ребер (x,y)∈E. Каждое ребро имеет свое направление в модели SAMPN. N(x) или N(y) обозначает группу соседних узлов x или y соответственно.\(z \in N\left( x \right)\backslash y\) означает, что соседи x не содержат y . Узлу x разрешено отправлять сообщение соседнему узлу y только после того, как узел x получил сообщения от всех соседних узлов, кроме y . Мы используем пропущенное соединение на этапах передачи сообщений, как показано на рис. 2 (отображается между соседними функциями и собственными функциями). Это соединение с пропуском позволяет сообщению проходить очень большое расстояние без устранения проблемы градиента при использовании обратного распространения.{d} } } \right)} \right)$$

    (3)

    где \(h_{y}\) фиксирует особенности локальной химической структуры на основе глубины прохождения, а \(W_{o}\) и \(W_{ah}\) — матрицы изученных весов. Более подробную информацию об алгоритме SAMPN можно найти в дополнительном файле 1: таблица S1 во вспомогательных материалах. Применяя приведенные выше уравнения. (1-3) На химическом графике генерирует окончательное изображение графика г = { H 1 H I H N }, который сочетается с механизм внутреннего внимания и полностью подключенные нейронные сети, чтобы сделать окончательный прогноз.

    Механизм внутреннего внимания

    Все скрытые состояния узла напрямую объединяются в единый вектор, что может не объяснять разницу между изученными функциями [32]. Лучший способ — применить механизм внимания для получения вектора контекста для целевого узла, сосредоточив внимание на его соседях и локальной среде. Возьмите узел 2 в качестве примера (синий узел на рис. 2). После нескольких шагов передачи сообщений узел 2 имеет скрытое состояние h 2 , которое представляет подструктуру с центром в атоме 2.Между тем, все остальные узлы имеют один и тот же процесс, а h n представляет подструктуру с центром в атоме n. Поскольку разные субструктуры вносят разный вклад в молекулярное свойство, мы можем использовать механизм внимания, чтобы зафиксировать различное влияние субструктур на целевое молекулярное свойство.

    Затем добавляется слой самоконтроля для определения взаимосвязи между вкладом подструктуры в целевое свойство молекулы. Алгоритм внимания с точечным произведением был реализован для получения всего представления молекулярного графа G в качестве входных данных.{T} } \right)$$

    (4)

    $$E_{G} = W_{att} \cdot G$$

    (5)

    , где W att — это оценка собственного внимания, которая неявно указывает на вклад локального химического графа в целевое свойство. Как г = { H = { H 1 H I I H N N }, каждый ряд W att — вес i -й атом и остальные атомы в молекуле. E G — матрица внимательного вложения, где каждая строка соответствует взвешенному по вниманию скрытому вектору узла. Затем глобальное среднее объединение используется для суммы G и E G для получения латентного вектора молекулы, как показано на рис. 2 в фиолетовом прямоугольнике. Наконец, скрытый вектор объединяется с несколькими слоями полносвязных сетей для предсказания целевого свойства.

    Обучение модели и оптимизация гиперпараметров

    Код для кодировщика MPN был в основном адаптирован из Deepchem и Chemprop [27, 28].И кодировщик MPN, и механизм самоконтроля были реализованы с помощью Python и Pytorch версии 1.0, фреймворка с открытым исходным кодом для глубокого обучения [33]. Модели MPN, Multi-MPN, SAMPN и Multi-SAMPN обучались с помощью оптимизатора Adam с использованием того же графика скорости обучения, что и в [34].

    Для оценки эффективности наших моделей использовались несколько показателей: средняя абсолютная ошибка (MAE), среднеквадратическая ошибка (RMSE), среднеквадратическая ошибка (MSE), коэффициент детерминации (R 2 ) и коэффициент корреляции Пирсона ( ПК).Более низкие значения MAE, MSE и RMSE указывают на лучшую прогностическую эффективность. И наоборот, более высокие значения для PC и R 2 указывают на лучшие модели или лучшее соответствие данным. Хотя некоторые из этих метрик говорят об одном и том же, включение всех этих значений может стать хорошим эталоном для будущих исследований.

    Алгоритм поиска по сетке использовался для настройки гиперпараметров с версией пакета Hyperopt 0.1.2 [35]. В таблице 2 показаны гиперпараметры, которые необходимо оптимизировать, и область поиска.Мы выбрали RMSE в проверочном наборе в качестве метрики, чтобы найти наиболее подходящую комбинацию гиперпараметров в пространстве поиска. В задаче липофильность-QSPR одной из лучших комбинаций гиперпараметров была {‘активация’: ‘ReLU’; «глубина»: 4; «выпадение»: 0,25; «уровни полносвязных сетей»: 2; «скрытый размер»: 384}. Все модели нейронных сетей с передачей сообщений (MPN, SAMPN, Multi-MPN и Multi-SAMPN) использовали вышеуказанные гиперпараметры для проверки окончательной производительности с использованием десятикратной стратифицированной перекрестной проверки всего набора данных.

    Таблица 2 Оптимизация гиперпараметров для MPN и SAMPN

    Помимо использования опубликованных результатов MPN Deepchem, мы также построили чистую модель MPN, чтобы установить базовый уровень без самоконтроля, а все остальные конфигурации были сохранены такими же, как и в SAMPN. . Чтобы сравнить однозадачную и многоцелевую сеть глубокого обучения, мы создали мульти-MPN и мульти-SAMPN. В многоцелевой модели использовался объединенный набор молекулярных данных из разделов «Липофильность» и «Растворимость в воде», как описано во вспомогательных материалах.Все используемые параметры оставались одинаковыми между MPN и SAMPN.

    Случайный лес

    Чтобы сравнить наш метод SAMPN с традиционными методами машинного обучения, мы выбрали модель случайного леса в качестве основы. Случайный лес (RF) [36] представляет собой контролируемый алгоритм обучения с ансамблем деревьев решений, сгенерированных из бутстрепной (пакетной) выборки соединений и признаков. Он широко используется в традиционных исследованиях связи структура-свойство [37] и считается «золотым стандартом» благодаря своей надежности, простоте использования и высокой точности прогнозирования в исследованиях связи структура-свойство [38].Здесь использовалась ECFP с фиксированной длиной 1024 [12] с моделью RF, которая была реализована на Python 3.6.3 [39] с пакетом Scikit-learn, версия 0.21.2 [40]. Для модели RF большее количество деревьев обычно повышает производительность и делает прогнозы более стабильными, но также сильно замедляет вычисления. Мы установили 500 деревьев для хорошей точки баланса, как это было предложено в [16] для большинства исследований QSPR.

    Для достижения наилучших результатов отправляйте молекулярные сообщения с помощью MIMO

    Эти поставщики изначально выступали против схемы под названием Open RAN, поскольку считали, что ее реализация нанесет ущерб, а то и разрушит их существующую бизнес-модель.Но столкнувшись с коллективной мощью операторов, требующих нового способа построения беспроводных сетей, у этих поставщиков осталось мало вариантов, и ни один из них не был особенно привлекательным. Некоторые в ответ попытались установить условия развития Open RAN, в то время как другие продолжают тянуть время и рискуют остаться позади.

    Технологии, лежащей в основе поколения беспроводных сетей, таких как 5G, могут пройти десятилетие или более, чтобы пройти путь от первоначальных идей до полностью реализованного оборудования. Для сравнения, Open RAN появилась практически за одну ночь.Менее чем за три года эта идея прошла путь от простого концепта до многочисленных крупных развертываний по всему миру. Его сторонники считают, что это будет способствовать огромным инновациям и снизит стоимость беспроводного доступа. Его недоброжелатели говорят, что это угрожает базовой безопасности сети и может привести к катастрофе. В любом случае, это переломный момент в индустрии связи, и пути назад уже нет.

    Сеть Rakuten Mobile Open RAN включает в себя радиостанции 4G от Nokia, на которых установлено программное обеспечение другого поставщика.Компания развернула одну такую ​​RAN в глобальной штаб-квартире компании в Токио. Сеть Open RAN также использует серверы для питания облачной сети. Фото: Ракутен

    Вообще говоря, сеть радиодоступа (RAN) — это структура, которая связывает конечное устройство, например мобильный телефон, с более крупной проводной базовой сетью. Базовая станция сотовой связи, или вышка, является наиболее известным примером RAN. Другие разновидности базовых станций, такие как небольшие соты, которые отправляют и принимают сигналы на короткие расстояния в сетях 5G, также отвечают всем требованиям.

    Для работы в качестве этого канала сеть RAN выполняет несколько шагов. Когда вы используете свой телефон, чтобы позвонить другу или члену семьи, например, в другом городе, вы должны находиться в пределах досягаемости вышки сотовой связи. Итак, первый шаг — антенны вышки сотовой связи должны принять сигнал телефона. Во-вторых, радио преобразует сигнал из аналогового в цифровой. В-третьих, компонент, называемый модулем основной полосы частот, обрабатывает сигнал, исправляет ошибки и, наконец, передает его в базовую сеть. В сети RAN эти компоненты — антенна, радио и модуль основной полосы частот — могут рассматриваться и часто рассматриваются как отдельные технологические элементы.

    Если вы отделяете радиостанцию ​​и модуль основной полосы частот друг от друга и разрабатываете и конструируете их независимо друг от друга, вам все равно необходимо убедиться, что они работают вместе. Другими словами, вам нужно, чтобы их интерфейсы были совместимы. Без такой совместимости данные могут быть искажены или потеряны при передаче от радиостанции к модулю или наоборот. В худшем случае радио и блок основной полосы частот с несовместимыми интерфейсами вообще не будут работать вместе. Функциональная RAN должна иметь общий интерфейс между этими двумя компонентами.Однако, что удивительно, в настоящее время нет гарантии, что радиостанция, изготовленная одним производителем, будет совместима с устройством основной полосы частот, изготовленным другим производителем.

    Спецификации стандартов интерфейса RAN, как и все стандарты для сотовых сетей, устанавливаются в рамках Проекта партнерства 3-го поколения. Джино Мазини, председатель рабочей группы 3GPP RAN3, говорит, что многие спецификации 3GPP, в том числе касающиеся интерфейсов, разработаны с учетом совместимости. Однако Масини, который также является главным исследователем стандартизации в Ericsson, добавляет, что ничто не мешает поставщику «дополнить» стандартизированный интерфейс дополнительными проприетарными технологиями.Многие поставщики именно так и поступают, и, по словам Масини, это не ограничивает возможности взаимодействия поставщиков.

    Другие представители отрасли не согласны. «И Nokia, и Ericsson используют интерфейсы 3GPP, которые должны быть стандартными, — говорит Юджина Джордан, вице-президент по маркетингу Parallel Wireless, компании из Нью-Гемпшира, разрабатывающей технологии Open RAN. — Эти интерфейсы не являются открытыми, потому что каждый поставщик создает свой собственный вкус», — добавляет она. Большинство этих специфичных для поставщика настроек происходят в программном обеспечении и языках программирования, используемых для подключения радиостанции к модулю.Джордан говорит, что изменения в основном касаются поставщиков, определяющих параметры радиосвязи, которые намеренно оставлены незаполненными в стандартах 3GPP для будущего развития.

    В настоящее время нет гарантии, что радиостанция, изготовленная одним поставщиком, будет совместима с устройством основной полосы частот, изготовленным другим поставщиком.

    В конечном счете это приводит к тому, что каждый производитель создает аппаратное обеспечение, которое слишком несовместимо с оборудованием других производителей для удобства операторов. «Мы видим в спецификации 3GPP все больше и больше пробелов», — говорит Оливье Симон, директор по инновациям в радиосвязи Orange, оператора из Франции.Саймон говорит, что из интерфейсов, определенных 3GPP, «вы можете видеть, что многие из них не совсем открыты в том смысле, что они не обеспечивают взаимодействие нескольких поставщиков по обе стороны интерфейса».

    Альянс O-RAN, Саймон является членом исполнительного комитета, крупнейшей отраслевой группой, работающей над спецификациями Open RAN. Группа была образована в 2018 году, когда пять операторов — AT&T, China Mobile, Deutsche Telekom, NTT Docomo и Orange — объединились, чтобы возглавить дальнейшее развитие Open RAN в отрасли. РАН.«Я думаю, что пришло осознание того, что нам нужно создать единый глобальный голос оператора, чтобы обеспечить эту дезагрегацию и открытость», — говорит Сачин Катти, доцент Стэнфордского университета и один из сопредседателей технического руководящего комитета O-RAN Alliance.

    Члены альянса O-RAN надеются, что Open RAN сможет заполнить пробелы, созданные спецификациями 3GPP.Они быстро заявляют, что не пытаются заменить спецификации 3GPP.Вместо этого они рассматривают Open RAN как необходимое ужесточение препятствуют тому, чтобы крупные поставщики внедряли свои запатентованные технологии в интерфейсы, тем самым привязывая операторов беспроводной связи к сетям одного поставщика.Навязывая открытые интерфейсы, индустрия беспроводной связи может прийти к совершенно новому способу проектирования своих сетей. И если эти открытые интерфейсы способствуют усилению конкуренции и снижению цен, тем лучше.

    В то время как в 2019 году по всему миру проводились первые развертывания 5G , группа GSM Association прогнозировала, что операторы потратят 1,3 триллиона долларов на инфраструктуру, оборудование и технологии 5G для своих сетей. Строительство РАН поглотит львиную долю этих капитальных затрат.И большая часть этих расходов пойдет на горстку поставщиков, которые все еще могут предоставлять полные сквозные сети.

    «Это всегда было проблемой, потому что RAN — самая дорогая часть развертывания оператора», — говорит Сридхар Раджагопал, вице-президент по технологиям и стратегии Mavenir, компании из Техаса, которая предоставляет сквозные сети. «Это занимает почти 60, 70 процентов затрат на развертывание». К 2025 году, по прогнозам Ассоциации GSM, операторы будут тратить до 86% своих капиталовложений на RAN.

    Неудивительно, что с такими большими деньгами операторы делают все возможное, чтобы избежать каких-либо фиаско, вызванных несовместимым оборудованием. Самый надежный способ избежать такой катастрофы — придерживаться одного и того же поставщика от одного конца сети до другого, избегая, таким образом, любой возможности несоответствия интерфейсов.

    Еще одним фактором, вызывающим беспокойство у операторов, является сокращение числа компаний, которые могут предоставить передовые сквозные сети. Сейчас их всего три: Ericsson, Nokia и Huawei.Это трио поставщиков комплексных услуг может устанавливать высокие цены, потому что операторы, по сути, привязаны к своим системам.

    Даже появление беспроводных сетей нового поколения не дает операторам четкой возможности сменить поставщика. Новые поколения беспроводных сетей поддерживают обратную совместимость, так что, например, телефон 5G может работать в сети 4G, когда он не находится в пределах досягаемости каких-либо сот 5G. Поэтому, когда операторы разрабатывают свои развертывания 5G, они в основном придерживаются проприетарной технологии одного поставщика, чтобы обеспечить плавный переход.Основная альтернатива — отказаться от всего и заплатить еще больше за новое развертывание с нуля.

    В отрасли беспроводной связи существует широкий консенсус в отношении того, что Open RAN позволяет выбирать различные компоненты RAN от разных поставщиков. Эта возможность, называемая дезагрегацией, также снимет стресс, связанный с тем, будут ли компоненты взаимодействовать при соединении друг с другом. Является ли дезагрегация хорошей вещью, зависит от того, кого вы спросите.

    Операторам точно понравится.Dish, провайдер телевидения и беспроводной связи, был особенно агрессивен в использовании Open RAN. Сиддхартха Ченумолу, вице-президент по развитию технологий в Dish, описывает свою первую реакцию на эту технологию: «Эй, здесь может быть что-то, что позволит нам полностью дезагрегировать», — говорит он. «Мне не нужно полагаться только на Ericsson. предоставить радиоприемники или только Nokia». Dish взяла на себя обязательство использовать Open RAN для развертывания сети 5G в США в этом году.

    Небольшие и более специализированные поставщики также с оптимизмом смотрят на возможности, которые Open RAN может дать их бизнесу.Для Software Radio Systems, производителя усовершенствованных программно-определяемых радиостанций, Open RAN позволяет сосредоточиться на разработке нового программного обеспечения, не беспокоясь о потере потенциальных клиентов, которых пугает задача интеграции технологии в их более широкие сети.

    Неудивительно, что оставшиеся три крупных поставщика оборудования придерживаются разных взглядов. В феврале Франк Бутар, генеральный директор Ericsson France, назвал Open RAN «экспериментальной технологией», которая еще не достигла зрелости и не может конкурировать с продуктами Ericsson.(Эрикссон отказался комментировать эту статью).

    Но некоторые в отрасли считают, что производители оборудования намеренно замедляют разработку Open RAN. «Некоторые крупные поставщики постоянно поднимают ту или иную проблему, — говорит Пол Саттон, директор Software Radio Systems. больше всего потерять».

    Не каждый крупный поставщик сопротивляется. Nokia, например, видит возможность.«Я думаю, нам нужно принять тот факт, что Open RAN все равно произойдет, с нами или без нас, — говорит Томас Барнетт, руководитель стратегии мобильных сетей и технологий в Nokia. — Мы в Nokia решили проявлять инициативу в занять лидирующую позицию, чтобы захватить лучшую долю рынка». Например, для развертывания Open RAN японского оператора Rakuten используется оборудование Nokia, а Nokia также работает с Deutsche Telekom над развертыванием системы Open RAN в Нойбранденбурге, Германия, в конце этого года.

    Это не означает, что Nokia или другие поставщики находятся на одной волне с операторами и специализированными поставщиками, такими как Software Radio Systems. На данный момент, есть еще много дебатов. Ericsson и другие поставщики утверждают, что создание более открытых интерфейсов неизбежно приведет к увеличению количества точек в сети для кибератак. Операторы и другие сторонники Open RAN возражают, что стандартизированные интерфейсы упростят для отрасли выявление и устранение уязвимостей. Кажется, что у всех разные мнения о том, насколько открытости достаточно, или о том, насколько следует разукрупнять аппаратные элементы RAN.

    К 2025 году, по прогнозам Ассоциации GSM, операторы будут тратить до 86% своих капиталовложений на RAN.

    В своей самой амбициозной версии Open RAN будет разделять RAN на более мелкие компоненты, помимо радиомодуля и модуля основной полосы частот. Сторонники такого уровня дезагрегации считают, что он привлечет в отрасль беспроводной связи еще больше поставщиков, позволив компаниям гиперспециализироваться. Например, оператор может заключить договор с поставщиком только на процессор, который подготавливает данные, полученные из базовой сети, для беспроводной передачи.Многие в отрасли также говорят, что такого рода специализация ускорит технологические инновации, позволив заменить и развернуть новый компонент RAN, не дожидаясь обновления всего радиомодуля или блока основной полосы частот. «Возможно, это одна из самых блестящих возможностей, которые может предоставить Open RAN», — говорит Тед Раппапорт, директор-основатель NYU Wireless, исследовательского центра передовых беспроводных технологий.В этих спецификациях модуль основной полосы частот, отвечающий за обработку и передачу данных в базовую сеть или из нее, разделен на два более мелких компонента. Одним из компонентов является распределенная единица, которая берет на себя обязанности по обработке данных. Другой компонент — это централизованный блок, который управляет подключением к базовой сети. Преимущество такого разделения блока основной полосы частот состоит в том, что централизованный блок больше не нужно размещать на самой вышке сотовой связи. Вместо этого один централизованный блок может находиться в локальной ферме серверов, поддерживая соединение с базовой сетью для нескольких вышек сотовой связи в этом районе.

    Альянс O-RAN работает над несколькими различными «функциональными разделениями» в RAN, чтобы создать больше возможностей для дезагрегации помимо этого разделения между распределенной единицей и централизованной единицей. Каждое из этих дополнительных разделений создает разделение где-то посредине. много шагов между поступлением сигнала из базовой сети и его передачей на мобильный телефон.Это немного похоже на обеденный перерыв: вы можете взять ранний обед и, таким образом, перенести многие свои обязанности на вторую половину дня, или поработать несколько часов, прежде чем выбрать на более поздний обед.

    Одно важное разделение, называемое Split 7.2x, передает такие обязанности, как кодирование и декодирование сигнала, а также модуляцию, распределенному устройству. На другой стороне разделения радиостанция отвечает за некоторые функции обработки света, такие как формирование луча, которое устанавливает конкретное направление передачи. Радио также по-прежнему отвечает за преобразование цифровых сигналов в аналоговые сигналы и наоборот.

    Другой сплит, Split 8, перекладывает даже ответственность за формирование луча на распределенное устройство, оставляя радиостанцию ​​ответственной только за преобразование сигналов.Напротив, Split 2 возлагает на радиостанцию ​​кодирование, декодирование, модуляцию, формирование луча и даже больше обязанностей по обработке, оставляя распределенному устройству ответственность только за сжатие данных до меньшего количества битов перед передачей данных в централизованное устройство.

    «Некоторые крупные поставщики постоянно поднимают ту или иную проблему». Пол Саттон, Software Radio Systems.

    Целью создания открытых стандартов для нескольких видов разделения является то, что операторы могут затем приобретать более адаптированные компоненты для определенного типа сети, которую они строят.Например, оператор может выбрать Split 8 для крупномасштабного развертывания, требующего большого количества радиомодулей. Такое разделение позволяет радиостанциям быть максимально «тупыми» и, следовательно, дешевыми, поскольку вся обработка происходит в централизованном блоке.

    Технически возможно собрать дезагрегированную сеть RAN с открытыми интерфейсами, используя только Компоненты в программном обеспечении имеют некоторые преимущества. «Наша отрасль стала очень, очень аппаратно-ориентированной», — говорит Чжи-Лин И, которая вместе с Катти из Стэнфорда является сопредседателем технического руководящего комитета O-RAN Alliance.«Каждое поколение наших сетей в основном опирается на специальное оборудование с тесно связанным программным обеспечением. Поэтому каждый раз, когда нам нужно обновление, новый выпуск или новый частичный выпуск, на это уходят годы». включать больше программного обеспечения в RAN.Программно-определяемые сети, которые заменяют традиционные аппаратные компоненты программируемыми программными эквивалентами, являются более гибкими.Обновление виртуального компонента может быть таким же простым, как отправка нового кода на базовую станцию.

    Акцент на программное обеспечение также позволяет отрасли рассматривать совершенно новые технологии, наиболее важной из которых является интеллектуальный контроллер RAN. RIC одновременно собирает данные от компонентов RAN десятков или сотен базовых станций и использует методы машинного обучения для реконфигурации сетевых операций в режиме реального времени. Он основывает модификации на том, находятся ли определенные вышки сотовой связи под большой нагрузкой, например, или передают во время сильного ливня, который может ослабить сигналы.RIC может перепрограммировать компоненты программного обеспечения RAN, чтобы предоставлять более качественные услуги. «Представьте себе возможность, когда я действительно могу адаптировать свою сеть, основываясь на опыте пользователя, на том, как пользователь себя чувствует в реальном времени, — говорит Ченумолу из Dish. — Насколько это здорово?»

    С момента своего основания в 2018 году Альянс O-RAN вырос с пяти членов-основателей (все операторы) до более чем 260 членов. Из большой тройки поставщиков только Huawei не является членом, ссылаясь на свою уверенность в том, что системы Open RAN не могут работать так же хорошо, как проприетарные системы компании.Аналогичными темпами растут и другие группы Open RAN. Например, Коалиция политики Open RAN была основана в мае 2020 года и уже насчитывает более 60 членов, которые координируют глобальную политику разработки и развертывания Open RAN.

    Инженеры Rakuten могут установить базовую станцию ​​4G для развертывания Open RAN всего за 8 минут.

    В последние месяцы Rakuten Mobile, подразделение японского гиганта электронной коммерции, и Dish взяли на себя обязательство использовать Open RAN для масштабного развертывания новых сетей 5G.После распоряжения британского правительства удалить все компоненты Huawei из беспроводных сетей английский Vodafone заменяет эти компоненты в своих сетях эквивалентами Open RAN. Из-за аналогичных мандатов местные операторы в Соединенных Штатах, такие как Inland Cellular из Айдахо, делают то же самое.

    Эти развертывания не всегда шли по плану. Rakuten, в частности, столкнулась с некоторыми первоначальными неудачами, когда производительность ее сети Open RAN не соответствовала производительности традиционной комплексной системы.Однако оператор сохраняет оптимизм и не отказывается от него. Многих в отрасли не волнуют такого рода проблемы, утверждая, что единственный способ действительно сгладить недостатки технологии — это развернуть ее в масштабе и посмотреть, что работает, а что нуждается в улучшении.

    Есть также нерешенные вопросы о том, где останавливается доллар. Когда оператор покупает сквозную систему у Nokia, Ericsson или Huawei, он также знает, что может зависеть от этого поставщика в плане поддержки сети в случае возникновения проблем.Иначе обстоит дело с развертываниями Open RAN, где ни один поставщик вряд ли возьмет на себя ответственность за проблемы совместимости. Более крупные операторы, вероятно, смогут поддерживать свои собственные сети Open RAN, но более мелкие операторы могут полагаться на такие компании, как Mavenir, которые позиционируют себя как системные интеграторы. Критики, однако, рассматривают такой подход как создание еще одного поставщика комплексных решений и дополнительные расходы для операторов, у которых нет опыта или ресурсов для поддержки собственных сетей.

    В конце концов, настоящее испытание Open RAN может состояться, когда придет время внедрять беспроводную связь следующего поколения. «Я думаю, что 6G будет построен с открытой RAN в качестве предварительного предположения», — говорит Раджат Пракаш, главный инженер отдела исследований и разработок беспроводной связи в Qualcomm. новые интерфейсы или даже привнести в смесь новые технологии.Важно то, что движение уже набрало значительный импульс.Несмотря на то, что в некоторых уголках отрасли все еще есть оговорки, операторы и мелкие поставщики придали слишком большое значение этой идее, чтобы движение прекратилось. Open RAN никуда не денется. По мере своего развития индустрия беспроводной связи будет открыта для новых способов ведения бизнеса.

    Эта статья появилась в печатном выпуске за май 2021 года под названием «Столкновение из-за первой мили 5G».

    Но необходимо сотрудничество биологов и химиков


    Кейт Хангер

    Два новых профессора химии присоединились к факультету последними года, принося свежую энергию и диверсифицируя области исследований в молодом отделе.

    Экспертиза доцента Олега Ларионова находится в синтез натуральных продуктов с противораковыми свойствами, и Доцент Закари Тонцетич изучает переходные металлы. в качестве катализаторов и в некоторых взаимодействиях в организме человека.

    «У них огонь в животах», — говорит заведующий кафедрой профессор Вальдемар Горски. «Они хотят чего-то добиться».

    Борьба с раком с помощью природы

    Что означают эти белые, покрытые коркой пятна на тыкве и редком Что общего у африканского дерева? Оба обладают небольшим количеством природного продукты, которые Ларионов, химик-органик, считает может быть ключом к новым противораковым препаратам.

    Но прежде чем исследователи смогут даже начать свои поиски по созданию новое лекарство, химики расшифровывают код веществ в природа, которая может быть как труднодоступной, так и крайне дефицитной для того, чтобы сделать их в лаборатории. Эти натуральные продукты являются химическими соединения, образуемые организмами, живущими на суше или в море. По сути, это химическое оружие для обеспечения жизнедеятельности организма. выживание. «Они разрабатывают очень изысканный метод защиты: Они производят эти химические вещества, которые токсичны для их хищников. или конкуренты», — говорит Ларионов.

    Выделение, а затем синтез молекул, содержащих это Медицинская огневая мощь — вот где на помощь приходит лаборатория Ларионова. натуральные продукты с противораковой активностью, а затем создание версий этих соединений в лаборатории позволит ученым продолжить изучать соединения и разрабатывать лекарства, эффективные для людей. Ларионов указывает, что 63% всех новых лекарств с 1980 г. и 2008 были натуральными продуктами, их производными или вдохновлены натуральные продукты.То же самое можно сказать о 70% всех лекарств от рака. разрабатывается с 1940 года.

    Ларионов родом из Гарвардского университета, где он работал постдокторант с лауреатом Нобелевской премии Э.Дж. Кори. Их исследования установили стратегию для создания молекул природного продукты в лаборатории — по сути, обеспечивая дорожную карту для исследователей для создания собственной поставки для дальнейшего изучения и тестирования. Один из натуральных продуктов, которые они синтезировали, были получены из розового коралла. недалеко от Гавайев.«Итак, это одна из причин, по которой мы делаем эти естественные продуктов, потому что очень часто они производятся в очень малых количества организмами, живущими очень далеко», — говорит Ларионов. «Кто-то пошел туда и взял этот коралл, добыл этот природный продукт, охарактеризовал его и обнаружил, что он биологически активен, но для биологических испытаний нам нужно гораздо больше этого соединения, чем этот организм производит, поэтому нам нужно производить больше».

    Фонд Макса и Минни Томерлин Фолькер поддерживает Ларионова в UTSA с грантом в размере 300 000 долларов США.Его лаборатория создание молекул натуральных продуктов, производимых Roridium микроорганизмы — пятнистые наросты на тыкве и других овощами — и антидизентерийным деревом Brucea в Африке. «Мы собираются синтезировать эти соединения», — говорит Ларионов. «Мы особенно заинтересованы в соединениях, которые проявляют очень интересные противораковая активность. Мы постараемся сделать больше этих соединений и разработать надежный маршрут, чтобы кто-то другой, когда они должны сделать эти соединения, могут найти процедуру и просто следуйте нашему протоколу, чтобы приготовить соединение и протестировать его — или они могут попросить нас сделать это, сотрудничать.

    Процесс потребует большого сотрудничества во время обмена между химики и биологи, в которых соединение настроен, чтобы улучшить его эффективность и свести к минимуму побочные эффекты.

    «Это очень междисциплинарное исследование», — говорит Ларионов. «Многие люди с разными специалисты в разных областях сотрудничают. Вот что такое исследования в наши дни. Ты нужны люди с обширными знаниями в разных поля».

    Расширение базы знаний

    Привлекла сила создавать что-то новое Тонцетич к химии.Неорганическое химик поступил на кафедру осенью 2010 года, после окончания Национального института постдокторская стипендия здравоохранения в Массачусетском технологическом институте, где он работал с известными химик-неорганик Стивен Липпард.

    Ведутся крупные исследовательские проекты в лаборатории Тонцетича используют переходные металлы таких как железо, медь, кобальт и никель.

    В течение первого года работы в UTSA, Тонцетич получил трехлетний контракт на 150 000 долларов. грант от Welch Foundation в поддержку своего исследования того, как водород сульфид взаимодействует с переходными металлами в тело.Лаборатория Тонцетича производит молекулы изучать эти взаимодействия. Цель его исследование заключается в получении фундаментальных знаний которые однажды можно было бы использовать для разработки препараты для борьбы с болезнью.

    «Это очень токсичная молекула», Тонцетич говорит о сероводороде, «и несет ответственность на запах тухлых яиц. Но в маленьком количество сероводорода образуется в нашем организме и может играть физиологическую роль.»

    Фундаментальная химия – первый этап этого проекта, — говорит он.«Нам не хватает фундаментальные химические знания о том, как взаимодействует с переходными металлами. Это это то, что я думаю, что мы можем внести свой вклад в это весь вопрос».

    Другой крупный проект Тонцетича лаборатория ориентирована на изучение того, железо можно заменить палладием катализатор образования углерод-углеродных связей реакции. Эти реакции используются для создания материалов, от фармацевтических до полимеры. Поиск более эффективного катализатора будет иметь множество преимуществ, включая более низкая стоимость и меньшее воздействие на окружающую среду.

    «Палладий имеет ряд недостатков», он говорит. «Его высокая стоимость является номером 1 [недостаток], а также является токсичным элементом. Поэтому мы задаемся вопросом: «Можем ли мы принимать реакции, которые, как известно, катализируются металлическим палладием — эти углеродуглеродные реакции образования связей и Можем ли мы реализовать ту же химию, используя катализаторы на основе железа?»

    К началу лета лабораторная группа Тонцетича уже сделал несколько железосодержащих молекулы, которые были либо катализаторами, либо прекатализаторы и готовились к изучению их реактивность с другими молекулами.

    «Если мы перейдем от такого металла, как палладий гладить, речь идет обо всех тех преимущества плюс более низкая стоимость, плюс меньшее воздействие на окружающую среду воздействие, и поскольку поставка железо не такое маленькое, как у палладия, оно также, на мой взгляд, более устойчивый способ достижения и этих реакций». он говорит.

    Помимо своего энтузиазма, и Ларионов, и Тонцетич имеют хорошие связи в поле.

    «Я очень рад, что они присоединились к UTSA», — говорит профессор Горский.«Любое хорошее дополнение делает наши перспективы успеха лучше. Этот чего мы хотим: Молодые люди хотят богатые, голодные, с большими родословными — и отличные контакты, которые помогают».

    Способность к творчеству в химии Дрю Тонцетич, сын биолога профессор.

    «Химия — одна из немногих областей наука, где мы создаем новые вещи», он говорит. «Во многих областях науки мы изучают то, что уже существует; мы изучение земли; мы изучаем процессов организма.В химии мы делаем это тоже в значительной степени, но мы также имеют потенциал для создания новых молекул, вещи, которые природа никогда бы не создала или которые никогда не были созданы и поэтому совершенно неизвестны реактивность, совершенно новая. Это очень огромная сила, чтобы иметь возможность создавать новые такие вещи.»

    текстовых сообщений через химические сигналы

    Abstract

    В этой работе мы описываем первую модульную и программируемую платформу, способную передавать текстовые сообщения с использованием химических сигналов – метод, также известный как молекулярная коммуникация.Эта форма связи привлекательна для приложений, в которых обычные беспроводные системы работают плохо, от нанотехнологий до мониторинга состояния здоровья в городах. На примерах мы демонстрируем использование нашей платформы в качестве испытательного стенда для молекулярной коммуникации, а также иллюстрируем возможности этих коммуникационных систем с помощью экспериментов. Предоставляя простые и недорогие средства для проведения экспериментов, наша система заполняет важный пробел в литературе по молекулярной связи, где большая часть текущей работы выполняется в области моделирования с помощью упрощенных системных моделей.Ключевым выводом в этой статье является то, что на практике эти системы часто оказываются нелинейными, в то время как текущее моделирование и анализ часто предполагают, что система является линейной. Однако, как мы показываем в этой работе, несмотря на нелинейность, надежная связь все же возможна. Кроме того, эта работа мотивирует будущие исследования по более реалистичному моделированию, анализу и разработке теоретических моделей и алгоритмов для этих систем.

    Образец цитирования: Farsad N, Guo W, Eckford AW (2013) Настольная молекулярная связь: текстовые сообщения с помощью химических сигналов.ПЛОС ОДИН 8(12): е82935. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082935

    Редактор: Richard C. Willson, Университет Хьюстона, США

    Получено: 7 июня 2013 г.; Принято: 29 октября 2013 г.; Опубликовано: 18 декабря 2013 г.

    Авторское право: © 2013 Farsad et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

    Финансирование: Эта работа финансировалась за счет гранта Discovery от Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC) в Канаде (http://www.nserc-crsng.gc.ca/professors-professeurs/grants-subs/ dgigp-psigp_eng.asp). Спонсоры не участвовали в разработке исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

    Введение

    Необходимость передавать информацию на расстояние всегда была важной частью человеческого общества.На протяжении всей истории использовались многие методы, такие как семафоры, пожарные маяки, дымовые сигналы, птицы-носители, электрические сигналы и электромагнитные волны. Хотя современные телекоммуникационные системы почти полностью основаны на электрических или электромагнитных сигналах, существует множество приложений, в которых эти технологии неудобны или неуместны. Например, использование электромагнитной беспроводной связи внутри сетей туннелей, трубопроводов или непредсказуемых подводных условий может быть очень неэффективным.В качестве другого примера, при чрезвычайно малых размерах, например, между микро- или наноразмерными устройствами [1], электромагнитная связь затруднена из-за таких ограничений, как отношение размера антенны к длине волны электромагнитного сигнала.

    Вдохновленное природой, одним из возможных решений этих проблем является использование химических сигналов в качестве носителей информации, что называется молекулярной связью . Например, химические сигналы используются для межклеточной и внутриклеточной коммуникации на микро- и наномасштабах [2], а феромоны используются для связи на большие расстояния между представителями одного и того же вида, такими как общественные насекомые [3].Следовательно, химические сигналы могут использоваться для связи как в макроскопическом, так и в микроскопическом масштабе. Более того, сигналы молекулярной связи биосовместимы и требуют очень мало энергии для генерации и распространения. Эти свойства делают химические сигналы идеальными для многих нишевых приложений, где использование электромагнитных сигналов невозможно или нежелательно.

    В микроскопических масштабах химическая передача сигналов была предложена в качестве эффективного решения для связи между инженерными микро- или наноразмерными устройствами [4]–[7], такими как устройства «лаборатория на чипе» [8] и сетями датчиков области тела. [9].В макроскопических масштабах использование очень примитивной молекулярной связи было предложено в робототехнике для подачи сигналов бедствия дефектными роботами [10], оценки размера роя роботов (чувство кворума) [11] и в качестве химических следов для управления роботами [12]. ], [13]. Также предпринимались попытки имитировать феромональную коммуникацию насекомых [14].

    Несмотря на всю эту недавнюю работу, было проведено мало практических демонстраций систем молекулярной связи, которые можно использовать для передачи данных и сообщений как в макроскопическом, так и в микроскопическом масштабе.Например, в микроскопических масштабах одним из основных препятствий для реализации молекулярной коммуникации является утомительный, трудоемкий и дорогостоящий характер экспериментов в лаборатории. В результате был разработан большой объем работ по теоретическим аспектам микроскопических систем молекулярной связи [15]–[25] без какой-либо физической реализации полнофункционального устройства связи. Точно так же в макроскопических масштабах потенциал передачи данных не был изучен: системы, которые мы упоминали выше, используют химические маркеры только для локализации или навигации.

    В этой работе мы реализуем макроскопическую систему молекулярной связи для передачи короткого текстового сообщения с использованием химических сигналов. Насколько нам известно, это первая реализация системы передачи макроскопических данных с использованием химических сигналов, и это одна из очень немногих реализаций молекулярной связи в любом измерении. Наша система является идеальной экспериментальной платформой для междисциплинарных исследователей для получения опыта в растущей области молекулярной коммуникации: она относительно недорогая (сотни долларов США) и компактная (помещается буквально на «стол»), не требует вспомогательного оборудования. или окружающей лабораторной инфраструктуры.Кроме того, наша система представляет собой демонстрационную платформу для молекулярной связи в макроскопических масштабах: в этой форме нашу систему можно использовать для оценки передачи данных между роботами и в средах, в которых электромагнитная связь невозможна или нежелательна. В то время как сам испытательный стенд представляет собой демонстрацию молекулярной связи в макроскопическом масштабе, готовое оборудование можно легко миниатюризировать на платформах будущего поколения до тех пор, пока не будет достигнута молекулярная коммуникация в микроскопическом масштабе.

    При разработке этого простого и надежного экспериментального устройства наша цель состоит в том, чтобы обеспечить мост от быстро растущего объема моделирования и теоретических работ в области молекулярной коммуникации к практическим приложениям, которые продемонстрируют преобразующую силу концепции: микроскопически, в медицинской диагностике. адресная доставка лекарств; и макроскопически, в канализационных системах, трубопроводах, умных городах и поисково-спасательных операциях. Это наш первый вклад.

    В качестве второго вклада мы изучаем влияние потока на передачу химических сигналов внутри нашей платформы.Мы создаем различные типы потоков, используя лопастные и безлопастные вентиляторы с разной скоростью. Затем мы анализируем и сообщаем о влиянии различных типов потока на общую импульсную характеристику системы.

    Материалы и методы

    В этой работе мы реализуем простую, надежную и экономичную систему связи, которая использует химические сигналы для передачи информации от передатчика к приемнику. Чтобы протестировать эту систему, мы используем ее для отправки коротких текстовых сообщений: это знакомое приложение, поскольку мобильными пользователями ежедневно отправляются миллиарды текстовых сообщений службы коротких сообщений (SMS) [26].Для проектирования и разработки нашей системы мы используем следующие критерии:

    • Конечный продукт должен быть недорогим в производстве. Это сделало бы платформу доступной для многих различных проектов исследований и разработок с ограниченным объемом финансирования.
    • Разработанная система должна быть простой и надежной, как и телеграф, предок современных телекоммуникационных систем. Хотя мы предлагаем устройство первого поколения, его простая и надежная конструкция поможет адаптировать платформу для различных приложений.
    • Разрабатываемая система должна быть легко модифицируемой и программируемой. Опять же, это важный критерий для будущих расширений и адаптации к различным приложениям.

    Любую систему связи можно разделить на три основные части: передатчик, приемник и канал. На рис. 1 представлена ​​блок-схема этих трех модулей и их подмодулей. Передатчик имеет некоторую информацию, которую он хочет передать приемнику. Любое дискретное сообщение может быть представлено строкой двоичных чисел, поэтому передатчик использует кодировщик источника для кодирования информационного сообщения в виде двоичной последовательности.Передатчик также может добавлять коды исправления ошибок, используя блок кодера канала, что по существу вводит избыточность за счет добавления дополнительных битов. Приемник может использовать дополнительную избыточность для уменьшения ошибок, которые могут быть внесены каналом. Наконец, передатчик должен модулировать символы канала (т. е. выходные данные кодера канала) в сигнал несущей частоты и высвобождать сигнал для распространения в канале.

    Канал — это среда, в которой передаваемый сигнал распространяется от отправителя к получателю.Например, каналом может быть провод, по которому распространяются электрические сигналы, или воздух, по которому распространяются электромагнитные сигналы. Канал может вносить шум в систему, где шум представляет собой любое искажение, приводящее к ухудшению качества сигнала в приемнике. Например, шум может быть результатом затухания сигнала по мере его распространения или помех от других сигналов. Шум также может создаваться самими передатчиком и приемником (например, тепловой шум в электронных компонентах).Когда переданный сигнал достигает приемника, приемник должен сначала демодулировать и обнаружить символы канала. Оцененные символы канала затем декодируются с использованием декодера канала, где могут быть исправлены некоторые ошибки, вносимые передатчиком, каналом и приемником. Выход декодера канала проходит через декодер источника, где приемник оценивает, какую информацию отправил передатчик. Если эта оценка верна, то сеанс связи прошел успешно.

    Основываясь на этих критериях, мы представляем нашу конструкцию передатчика, приемника и распространения канала в следующих нескольких подразделах.

    Конструкция преобразователя

    Передатчик принимает входное текстовое сообщение от пользователя. Затем он преобразует текстовое сообщение в последовательность двоичных битов и модулирует их химическим сигналом для распространения в канале. Для управления всеми операциями передачи мы используем платформу прототипирования электроники с открытым исходным кодом Arduino Uno, которая представляет собой плату микроконтроллера на базе ATmega328.Для ввода текста мы используем LCD Shield Kit 16×2 символа от Adafruit. ЖК-дисплей — это дополнительный модуль для платы микроконтроллера Arduino, который также имеет шесть кнопок. Мы написали программу для микроконтроллера Arduino, которая использует ЖК-дисплей и его кнопки для ввода текста пользователем.

    Чтобы преобразовать текстовое сообщение в двоичную последовательность, мы используем стандарт Международного телеграфного алфавита № 2 (ITA2) [27], где каждая буква представлена ​​пятью битами. Например, буква «Е» представлена ​​последовательностью из пяти битов «10000».Для простоты в этой работе мы не используем код, исправляющий ошибки. Следовательно, пятибитовые закодированные буквы передаются в блок модулятора передатчика для модуляции и передачи в канал.

    Чтобы преобразовать символы каналов в химические сигналы, мы используем электронный спрей под названием DuroBlast производства Durotech Industries. Электронный распылитель DuroBlast имеет электрический насос с питанием от батареи, который может распылять широкий спектр жидких химикатов, которые могут храниться внутри его контейнера.Мы разработали специальную плату электрических переключателей, которую можно использовать для управления распылением с платы микроконтроллера Arduino. Запрограммировав плату микроконтроллера Arduino, можно реализовать любой тип модуляции с помощью управляемого набора распылителей. На рис. 2 показана установка нашего передатчика со всеми его компонентами.

    Конструкция приемника

    Для разработки приемника требуется датчик, способный обнаруживать химический сигнал. Данные с датчика обрабатываются алгоритмами демодуляции и обнаружения и, наконец, декодируются в текст.Мы снова используем открытый микроконтроллер Arduino Uno для программирования и управления всеми операциями приемника. Плата Arduino Uno имеет 10-битный аналого-цифровой преобразователь, который можно использовать для считывания данных датчика. Затем блок демодуляции и обнаружения и блок исходного декодера можно запрограммировать в микроконтроллер, а результирующее обнаруженное текстовое сообщение можно отобразить на экране компьютера через последовательный порт.

    Для достижения наших критериев проектирования датчик приемника должен быть чувствительным, широко доступным и недорогим.Более того, он должен обнаруживать летучее, широко доступное и недорогое сигнальное химическое вещество, безопасное при низких концентрациях, которые мы используем. Поэтому мы выбрали изопропиловый спирт (медицинский спирт) в качестве сигнального химического вещества с тремя различными датчиками-кандидатами для демодуляции и обнаружения в приемнике: спиртовые датчики MQ-3, MQ303A, MR513, все из которых производятся Henan Hanwei Electronics Co. Ltd. Китая. Все три датчика используют слой обнаружения оксида металла и полупроводника [28] для обнаружения алкоголя, но каждый из них имеет различную чувствительность, мощность и схемы работы.Помимо изопропилового спирта, датчики могут обнаруживать другие типы спирта, такие как этанол. Однако в данной работе мы используем только изопропил. Мы реализуем все три датчика на специальной печатной плате, как показано на рисунке 3.

    Канал распространения

    Мы рассматриваем две разные схемы распространения в канале: диффузию и распространение с помощью потока. При распространении на основе диффузии после первоначального распыления спирт диффундирует в воздух, пока не достигнет приемника. При распространении на основе потока для направления спирта к приемнику используется настольный вентилятор.Следовательно, диффузионное распространение не требует внешней энергии (кроме энергии, необходимой для высвобождения химического сообщения), в то время как распространение с помощью потока требует внешней энергии. Мы используем два разных настольных вентилятора для создания потока:

    • Honeywell 7-дюймовый вентилятор Personal Tech. Этот недорогой лопастной вентилятор (приблизительно 16 долларов США) имеет две разные скорости вращения вентилятора: низкую и высокую.
    • Dyson AM01 10-дюймовый безлопастной вентилятор. Вентилятор Dyson намного дороже (примерно 250 долларов США), но может создавать более ламинарные потоки и различные скорости ветра, регулируя аналоговый выступ.

    При использовании любого из двух вентиляторов они располагаются на расстоянии 30 см от распылителя.

    Для измерения скорости потока, создаваемого каждым вентилятором, мы используем цифровой анемометр Pyle PMA82. Максимальная скорость потока измеряется на расстоянии 10 см, 50 см, 100 см, 150 см и 200 см от передней части форсунки (вентилятор размещается в 30 см позади форсунки). Для вентилятора Dyson мы выбираем 5 различных положений выступа и помечаем эти положения как очень высокое, высокое, среднее, низкое и очень низкое. На рис. 4 показана скорость ветра для каждого вентилятора на каждом расстоянии.Поскольку с нашим цифровым анемометром связана погрешность +/-3%, мы усредняем четыре различных измерения для получения каждой точки графика на рисунке 4. Кроме того, наш цифровой анемометр не рассчитан на скорости потока ниже 1 м/с. Поэтому скорости потока ниже этого диапазона не показаны. Средние скорости потока, достигаемые на этом расстоянии, приведены в таблице 1 для каждой настройки вентилятора.

    Мы сравнили реакцию системы (выходной сигнал датчика на одно короткое распыление) при обеих схемах распространения (распространение с помощью диффузии и потока).На коротких дистанциях (до 1 метра) хорошо работает диффузионная схема распространения, поскольку спирт, выбрасываемый из распылителя, практически мгновенно достигает датчиков. Однако, если спрей расположен дальше, распространение на основе диффузии будет нецелесообразным из-за чрезвычайно медленного отклика системы. Этот эффект можно увидеть на рис. 5, где показана реакция системы на очень короткое распыление продолжительностью 250 мс как для диффузионного, так и для потокового распространения. Поток на этом рисунке создается с помощью нашего вентилятора Honeywell на высокой скорости, а распыление находится на расстоянии 2 метров от датчика обнаружения.Как видно, система имеет быстрый и четкий отклик, когда используется распространение на основе потока. Хотя мы построили отклик только для одного из датчиков (датчик MQ-3), такой же эффект наблюдался для всех остальных датчиков, а также при использовании вентилятора Dyson вместо вентилятора Honeywell. Поэтому для нашей установки молекулярной связи мы используем распространение на основе потока.

    Модуляция и демодуляция сигнала

    Поскольку связь осуществляется с помощью химических сигналов, а ограниченное количество сигнального химического вещества может храниться в контейнере на приемнике, выбранная схема модуляции и демодуляции должна минимизировать количество используемого химического вещества.Схема исходного кодирования для кодирования текстовых сообщений, представленная в предыдущих разделах, использует наименьшее количество единиц в 5-битной последовательности для символов, которые чаще встречаются в тексте на английском языке. Например, буквы «Е» и «Т» имеют одну единицу в своих 5-битных последовательностях. Таким образом, мы модулируем бит 1 одним распылением, а бит 0 модулируем без распыления. Эта схема модуляции, которая называется on-off keying, эффективно минимизирует количество химических веществ, используемых для передачи английского текста.

    В приемнике демодуляция выполняется путем измерения скорости изменения концентрации. Если в течение одного битового сеанса связи показания напряжения с одного из датчиков увеличиваются (т.е. увеличивается концентрация химического сигнала), то сигнал демодулируется как бит 1. Аналогично, если показания напряжения с одного из датчиков уменьшается (т. е. концентрация химического сигнала уменьшается), сигнал демодулируется как бит 0. Более подробная информация о процессе обнаружения и демодуляции приводится далее в документе.

    Схема протокола связи

    В этом разделе мы обсудим протокол связи между передатчиком и приемником и его реализацию. При разработке протокола мы используем критерии, согласно которым протокол должен быть простым, асинхронным (т. е. не требуется синхронизации между передатчиком и приемником) и должен работать независимо от расстояния между передатчиком и приемником (т. е. он должен не только работать на заданном фиксированном расстоянии между передатчиком и приемником).

    В передатчике выход исходного кодера (т. е. битовая последовательность, представляющая текстовое сообщение) объединяется с двухбитовой последовательностью «10» в начале и нулевым символом, представленным «00000» в конце. Начальная цифра «10» указывает на начало текстового сообщения, а нулевой символ указывает на конец текстового сообщения. Например, если передаваемое текстовое сообщение представляет собой букву «А», выход кодировщика источника представляет собой пятибитовую последовательность «11000» (где крайняя левая битовая позиция является первой битовой позицией), а передаваемая битовая последовательность «101100000000».Затем последовательность передаваемых битов модулируется с использованием схемы, описанной в предыдущем разделе, где 1 модулируется распылением, а 0 — без распыления. На рис. 6 представлена ​​блок-схема алгоритма, работающего в передатчике, и резюмируется этот процесс.

    В приемнике есть два состояния: состояние ожидания и состояние приема . В состоянии ожидания приемник использует свой датчик для постоянного контроля концентрации алкоголя. При резком увеличении концентрации алкоголя (т.е. резкое увеличение выходного напряжения датчика), приемник переходит в состояние приема. Это внезапное изменение вызвано тем, что начальная последовательность «10» битов связана с началом каждого текстового сообщения, отправляемого передатчиком. Это внезапное изменение можно также использовать в качестве эталонного времени для синхронизации каждого битового интервала для всех последующих битов. Поэтому никакой предварительной синхронизации между передатчиком и приемником не требуется. Еще одним фактором, который учитывается в этой схеме, является задержка распространения.Поскольку приемник переходит в состояние приема, как только обнаруживается первый бит 1, временная задержка, вызванная распространением сигнала на расстояние разноса от передатчика до приемника, включается в эталонное время. Следовательно, протокол связи не зависит от расстояния между передатчиком и приемником и будет работать даже при изменении расстояния между сеансами связи.

    После того, как приемник переходит в состояние приема, он ожидает в течение двух битовых интервалов, пока не завершится прием начальной последовательности «10» битов.Затем приемник демодулирует и декодирует принятый сигнал по 5 бит за раз. В течение каждого 5-битного интервала исходный декодированный символ отображается на экране компьютера через соединение через последовательный порт. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет обнаружен нулевой символ, представленный всей нулевой последовательностью «00000». Поскольку нулевой символ указывает на конец текстового сообщения, приемник вернется в состояние ожидания, пока передатчик не отправит другое текстовое сообщение. На рис. 7 показан алгоритм, реализованный в приемнике.

    Результаты и обсуждение

    В этом разделе мы сначала представляем и обсуждаем импульсный отклик всей системы, а также представляем влияние различных типов потока на общий отклик. Основываясь на этих результатах, мы выбираем наиболее подходящий датчик для использования в нашей системе связи. Затем мы точно настраиваем различные системные параметры, такие как скорость передачи и алгоритм демодуляции/обнаружения. Наконец, некоторые из полученных результатов представлены и обсуждены.

    Общий ответ системы

    Общая импульсная характеристика системы измеряется с помощью очень короткого спрея, который напоминает дельта-функцию при обработке сигналов.В остальной части рукописи термины «отклик системы» и «импульсный отклик системы» используются взаимозаменяемо. Многие параметры могут влиять на общую импульсную характеристику системы. Наиболее заметными факторами, оказывающими существенное влияние, являются:

    • Сенсор: Каждый сенсор по-своему реагирует на изменение концентрации. Мы используем три разных датчика и выбираем тот, который имеет наилучший общий отклик.
    • Вентилятор (тип потока): у каждого вентилятора своя сигнатура потока. Мы используем как недорогой лопастной вентилятор, так и безлопастной вентилятор для создания различных типов потока с различной скоростью потока.Вентилятор Дайсона может создавать более ламинарный поток при различных скоростях.
    • Распылитель: Хотя мы электронно управляем нашим распылителем с помощью точных электрических сигналов, существуют различия в количестве частиц, которые высвобождаются во время каждого испытания, и в размере капель в каждом потоке распыления. Точно контролировать эти параметры в недорогом аппарате очень сложно. Таким образом, вместо того, чтобы точно контролировать количество химического вещества, выбрасываемого при распылении, мы просто измеряем общую реакцию системы с помощью очень короткого распыления.Используя одинаковую продолжительность вспышек, мы слабо контролируем количество химических веществ, высвобождаемых в разных экспериментальных испытаниях.

    Существуют и другие факторы, которые потенциально могут незначительно повлиять на общую реакцию системы, например, другие схемы потока в помещении, комнатная температура и влажность. Чтобы уменьшить влияние этих параметров, все эксперименты проводятся в закрытом помещении со слабо регулируемой температурой и влажностью. Мы считаем, что этих мер предосторожности достаточно, потому что другие факторы имеют гораздо большее влияние на общий ответ.

    Эффекты сенсора.

    Для изучения влияния датчика на общий отклик продолжительность распыления устанавливается равной 100 мс (т. е. распыление включается на 100 мс), а отклик системы измеряется с использованием каждого из трех датчиков на различных расстояниях разделения между передатчиком и приемником. Мы используем эту схему, так как было бы трудно контролировать и измерять фактический объем алкоголя, выделяемого во время каждого выброса. На рис. 8 показана реакция системы для 2-метрового разделительного расстояния (8a) и 4-метрового разделительного расстояния (8b) для всех трех датчиков.Вентилятор Honeywell на высокой скорости используется для создания потоков для всех этих участков. Как и ожидалось, амплитуда пика уменьшается, а задержка перед пиком увеличивается по мере удвоения разделительного расстояния. Полная ширина пиков на половине максимума также увеличивается по мере увеличения расстояния разделения. Аналогичные эффекты наблюдаются и при использовании вентилятора Дайсона для создания потока.

    Из общей реакции системы видно, что в сигнале MR513 присутствует большое количество шума из-за операционного усилителя, используемого как часть его схемы.Хотя MQ303 имеет высокий пик на высоте 2 метра, полная ширина пика на половине максимума намного больше, чем у двух других датчиков. В идеале эта ширина должна быть как можно меньше. Кроме того, высота пика MQ303 значительно снижается на 4 метра. Датчик MQ-3 отличается низким уровнем шума и лучшим откликом системы в более широком диапазоне разделительных расстояний. Более того, MQ-3 имеет самую простую схемотехнику и может получать питание напрямую от платы микроконтроллера Arduino. Поэтому мы выбираем датчик MQ-3 для нашей окончательной реализации.

    Одним из основных недостатков датчиков газа оксида металла, включая все три датчика, которые мы рассматриваем в этой статье, является задержка реакции на изменение концентрации [28]. Эти задержки относятся к категории ядра:

    • Время отклика датчика , т. е. время, за которое датчик реагирует на изменение концентрации; и
    • Время возобновления работы сенсора , т. е. время, которое требуется для повторного надежного использования сенсора после изменения концентрации.

    Изменение отклика системы на основе начального показания напряжения (т. е. начальной концентрации на датчике) является еще одним фактором, влияющим на эти датчики. Этот эффект можно увидеть на Рисунке 9, где показана реакция системы на одиночное короткое распыление продолжительностью 100 мс на расстоянии 4 метра с разными начальными показаниями напряжения (т.е. разными начальными концентрациями) на датчике. Поток на этом рисунке создается с помощью вентилятора Honeywell на высокой скорости (аналогичные результаты также наблюдаются, когда для создания потока используется вентилятор Dyson).На этом рисунке показано, что реакция системы изменяется для различных начальных уровней концентрации на датчике. Чтобы убедиться, что время возобновления работы датчика не влияет на показания, мы подводим датчик к уровню напряжения (т. е. уровню концентрации), превышающему целевое начальное напряжение. Затем мы ждем достаточно долго, чтобы показания напряжения упали до целевого начального уровня напряжения, что также достаточно долго, чтобы отменить влияние времени возобновления работы датчика. Затем мы инициируем импульсное распыление и измеряем реакцию системы.

    Эффект потока.

    Поток — важная часть нашей установки, поскольку он переносит капли спирта от передатчика к приемнику. Следовательно, это оказывает значительное влияние на общую реакцию системы. Однако изолировать эффекты потока может быть очень сложно. Например, сам спрей не может высвобождать очень точное количество спирта с одинаковыми размерами капель между различными экспериментальными испытаниями. Другим фактором, который потенциально может повлиять на результаты, являются случайные потоки в помещении.В результате общая импульсная характеристика системы изменяется между различными испытаниями. Этот эффект можно увидеть на Рисунке 10, где реакция системы на распыление 100 мс на расстоянии 2 метров представлена ​​для 5 различных экспериментальных испытаний. Начальное напряжение для каждого испытания поддерживается постоянным на уровне 1,02 В, а для создания потока используется вентилятор Dyson с очень низкой настройкой. Кроме того, датчик, распылитель и вентиляторы находятся на одной высоте. Из сюжета видно, что между испытаниями есть некоторая разница.

    Чтобы смягчить эту проблему и дополнительно изолировать эффекты потока, мы проводим несколько испытаний и усредняем результаты. Мы используем две метрики производительности для сравнения отклика системы, генерируемого с использованием различных вентиляторов и скоростей потока: от пикового значения до полной ширины при половине максимального значения (PMFWHM) и от задержки до максимального значения (DPM). PMFWHM — это отношение максимального напряжения пика к полной ширине пика на половине максимума. Чем больше это отношение, тем выше и уже будет форма пика. В идеале козырек должен быть максимально высоким и узким.Поэтому желательны большие коэффициенты. DPM — это время от начала распыления до момента достижения максимальной точки пика. Чем меньше это время, тем быстрее достигается максимум пика. Желательно, чтобы эта задержка была как можно меньше.

    Как объяснялось ранее, мы используем два разных настольных вентилятора производства Dyson и Honeywell. Вентилятор Dyson безлопастный, более дорогой и может создавать более ламинарные потоки. Вентилятор Honeywell недорог, но это лопастной вентилятор, создающий более турбулентные потоки.Для вентилятора Dyson предусмотрено пять различных настроек вентилятора, в то время как для вентилятора Honeywell предусмотрено только две возможных настройки, как объяснялось в предыдущих разделах. Средние скорости потока на расстоянии 2 м приведены в таблице 1. Для каждого вентилятора и каждой соответствующей настройки вентилятора общая реакция системы на короткое распыление продолжительностью 100 мс на расстоянии 2 м измеряется для 10 экспериментальных испытаний. Начальное показание напряжения датчика для каждой попытки поддерживается постоянным на уровне около 1,02 В (т. е. существует достаточная задержка между испытаниями, чтобы напряжение датчика падало до 1.02 вольта).

    Для сравнения вентиляторов и соответствующих им настроек вентиляторов показатели производительности PMFWHM и DPM рассчитываются для каждого из 10 испытаний. Затем результаты усредняются и представляются на рисунке 11. На рисунке 11a построен график DPM для различных скоростей потока, генерируемых каждым вентилятором, и соответствующей настройки вентилятора. Как видно, вентилятор Dyson имеет более короткий DPM при той же средней скорости потока, потому что поток, создаваемый этим вентилятором, является более ламинарным по сравнению с вентилятором Honeywell. Кроме того, скорость потока также уменьшает задержку.Наконец, из графика Дайсона видно, что эта задержка почти линейно уменьшается с увеличением скорости потока.

    Рис. 11. Анализ реакции системы на разные потоки.

    Задержка до максимума пика используется как одна метрика производительности (a), а максимальная ширина пика до полной ширины на половине максимума используется как вторая метрика производительности (b). Результаты 10 различных испытаний усредняются для создания каждой точки. Продолжительность распыления составляет 100 мс, а разделительное расстояние — 2 м.

    https://дои.org/10.1371/journal.pone.0082935.g011

    PMFWHM показан на рисунке 11b для различных вентиляторов и настроек. Из графиков видно, что отношение PMFWHM увеличивается с увеличением скорости вращения вентилятора. Поэтому импульсная характеристика становится уже и выше по мере увеличения скорости вращения вентилятора. Вентилятор Dyson также имеет более высокие передаточные числа по сравнению с вентилятором Honeywell. Таким образом, более ламинарные потоки, создаваемые вентилятором Dyson, могут создать более высокую и узкую реакцию системы.

    Из этих результатов мы делаем вывод, что вентилятор Дайсона лучше подходит для создания потоков.Однако, поскольку он более чем в 10 раз дороже по сравнению с вентилятором Honeywell, и одной из наших целей является создание экономически эффективной демонстрации макромасштабной молекулярной связи, для нашей окончательной системы связи мы используем вентилятор Honeywell. Таким образом, в нашей окончательной системе достижимые скорости передачи можно рассматривать как «нижнюю границу», и их потенциально можно улучшить, просто используя вентилятор Dyson вместо вентилятора Honeywell.

    Нелинейность системы.

    В этом разделе мы покажем, что общий отклик системы нашей установки является нелинейным.Хотя найти точную причину нелинейности невозможно и требуются более обширные исследования, этот результат сам по себе очень интересен. Чтобы показать, что система является нелинейной, мы рассмотрим набор периодических вспышек по 100 мс с периодом 2 секунды. Выходное напряжение датчика затем измеряется и записывается как отклик системы. На рис. 12 показаны результаты как для вентилятора Dyson при очень высоких настройках, так и для вентиляторов Honeywell при высоких настройках.

    Рис. 12. Реакция системы на периодическое распыление.

    Пунктирные линии отстоят друг от друга на 2 секунды и показывают каждый период. Стрелки показывают место, где напряжение датчика уменьшается, а не увеличивается. Продолжительность спрея 100

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082935.g012

    Как видно на рисунке 12, выходные данные не соответствуют выходным данным линейной системы. Например, между 13-й и 15-й секундной отметкой (стрелки на графике указывают на эту временную продолжительность), где должно произойти очередное повышение концентрации из-за седьмого периодического распыления, происходит резкое падение напряжения.Этот эффект наблюдается как в случае использования вентилятора Dyson, так и в случае использования вентилятора Honeywell. Однако при использовании вентилятора Dyson пики становятся более четкими из-за более узкого и высокого отклика системы, описанного в предыдущем разделе.

    Нелинейные отклики, наблюдаемые в наших экспериментах, удивительны, поскольку в литературе обычно предполагается, что большинство систем молекулярной связи являются линейными. Многие из математических инструментов, используемых в литературе в микромасштабах, требуют, чтобы система была линейной, и эти инструменты не могут быть непосредственно применены к нелинейной системе связи.Хотя источник нелинейности неизвестен, некоторые вероятные кандидаты: датчик с его временем отклика и возобновления, поток, создаваемый нашими вентиляторами, который может быть турбулентным, распыление, недостаточно точное для создания однородных потоков, и другие факторы окружающей среды. например, другие потоки в комнате. Реакция системы может стать линейной при использовании более дорогого и чувствительного оборудования и в точно контролируемой среде. Тем не менее, потенциальная нелинейность нашей системы является проблемой, которая заслуживает дальнейшего изучения.

    Окончательная реализация и обсуждение

    В этом разделе обсуждаются последние этапы реализации. Чтобы сделать нашу систему более рентабельной, в нашей платформе мы используем вентилятор Honeywell для демонстрации, несмотря на то, что вентилятор Dyson может обеспечить лучшую реакцию системы. Мы также используем датчик MQ-3, потому что он обеспечивает наилучший отклик системы и имеет самую простую схему среди всех трех датчиков.

    Во-первых, мы решаем проблему шума. Хотя отклик датчика MQ-3 меньше искажен шумом по сравнению с двумя другими датчиками, в сигнале все же присутствует некоторый шум.Чтобы еще больше уменьшить этот шум, данные датчика за 20 мс усредняются для получения одного показания датчика. Поскольку частота дискретизации Arduino составляет около 8,33 кГц, данные датчика за 20 мс содержат 167 различных показаний, которые затем усредняются. Таким образом, в состоянии ожидания приемник проверяет последовательные 20 мс усредненных показаний датчика и инициирует переход в состояние приема, если разница между текущим и предыдущим показаниями превышает 0,5 уровня (поскольку Arduino имеет 10-битный аналог цифрового преобразователя показания датчика будут представлять собой целое число от 0 до 1023, представляющее 1024 различных уровня напряжения, где 0 представляет 0 вольт, а 1023 представляет 5 вольт).

    Важным параметром связи является скорость передачи. Одним из основных факторов, влияющих на надежность связи при заданной скорости передачи, является DPM. На DPM, в свою очередь, влияют тип и скорость потока. Поэтому для нашей платформы скорость вентилятора всегда выставлена ​​на высокую. Другим фактором, влияющим на скорость передачи, является время отклика датчика и время возобновления, описанное в предыдущем разделе. Наконец, многие другие факторы, такие как окружающий шум (например, случайные потоки в помещении), также могут влиять на скорость передачи.

    Мы пробовали разные скорости передачи от одного бита за 5 секунд (символ за 25 секунд) до одного бита за 2 секунды (один символ за 10 секунд). Чтобы измерить надежность на каждой частоте, мы провели несколько экспериментов на разных расстояниях между передатчиком и приемником. Затем мы классифицировали каждую скорость передачи на каждом расстоянии в соответствии со следующим ранжированием: очень надежная (коэффициент битовых ошибок менее 0,01), надежная (коэффициент битовых ошибок 0.от 01 до 0,03), ненадежный (коэффициент битовых ошибок больше 0,03). Таблица 2 суммирует результаты.

    При одном бите в 2 секунды передача ненадежна на малых расстояниях до 2 метров, так как время возобновления работы сенсора при более высоких концентрациях больше. Более того, на больших расстояниях (более 2 метров) успешная связь невозможна со скоростью один бит в 2 секунды. При скорости один бит в 5 секунд передача очень надежна на различных расстояниях от 4 до 1 метра.На основе экспериментов наименьшая скорость передачи, которая является надежной на расстоянии до 4 метров, составляет один бит за 3 секунды. При этой скорости на расстоянии 4 метра сеанс связи является надежным, на расстоянии 3 метра сеанс связи очень надежен, а на расстоянии 2 метра сеанс связи является надежным. Причина того, что канал связи несколько ухудшается при уменьшении разделительного расстояния с 3 до 2 метров, заключается в более высоких уровнях концентрации на датчике и, следовательно, более длительном времени возобновления работы датчика.

    В оставшейся части этого раздела мы сосредоточимся на этой скорости передачи (один бит в 3 секунды) и подробно опишем алгоритм демодуляции и обнаружения для этой скорости. Хотя этот алгоритм немного отличается для каждой скорости передачи, для обнаружения и демодуляции на всех скоростях используется один и тот же базовый принцип: скорость изменения концентрации на датчике. Для тонкой настройки этого алгоритма 26-битная тестовая последовательность «10101100111000101011110110» передается на расстояние 4 метра и записывается показание датчика.На рис. 13 показаны показания напряжения датчика во время этого сеанса передачи. Пунктирные красные линии используются для обозначения начала и конца каждого бита. Из этого графика мы разрабатываем простую схему обнаружения и демодуляции. Измеряется разница между уровнем напряжения (в 10-битном аналого-цифровом преобразователе Arduino имеется 1024 уровня) в конце и середине битового интервала. Если разница превышает 2,2 уровня (этот порог определяется экспериментально), бит определяется как 1; в противном случае бит определяется как 0.

    Рис. 13. Принятый сигнал при передаче 26-битной тестовой последовательности.

    Показания датчика для 26-битной тестовой последовательности «10101100111000101011110110», передаваемой на расстояние 4 метра со скоростью один бит в 3 секунды. Красные пунктирные линии обозначают начало и конец каждого бита. Вентилятор Honeywell используется для создания потока для этой фигуры.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082935.g013

    Используя эту схему, мы можем успешно передать тестовую фразу «O CANADA» (название государственного гимна Канады) с передатчика на получатель.На рис. 14 показана эта тестовая фраза в передатчике и полученная в приемнике. К этому документу прилагается ряд мультимедийных файлов, которые показывают процесс ввода текста на передатчике (Видео S1) и несколько сеансов связи на этой скорости передачи на разных расстояниях (Видео S2, S3 и S4).

    Выводы и дальнейшая работа

    В этой работе мы разработали первую известную платформу, способную передавать короткие текстовые сообщения с использованием химических сигналов.Нашей целью было сохранить протокол связи и алгоритмы простыми, чтобы другие исследователи из самых разных областей науки могли воспроизвести эти результаты. Кроме того, датчики и оборудование были выбраны недорогими и широко доступными. Поэтому нашим первым крупным вкладом стала разработка самой платформы, которая продемонстрировала возможность молекулярной коммуникации на макроуровне. Другая цель этой платформы заключалась в том, чтобы мотивировать будущие исследования и преодолеть разрыв между теорией и практикой.

    Тщательно выбрав необходимые материалы для нашей платформы, мы проанализировали общую реакцию системы на нашу установку. Мы показали, что существует линейная зависимость между скоростью потока и задержкой до максимума пикового отклика системы. Мы показали, что существует также линейная зависимость между скоростью потока и максимумом пика до полной ширины на половине максимума. Более того, мы продемонстрировали, что более ламинарные потоки имеют более узкую реакцию системы, что желательно.

    Еще одним важным открытием стала нелинейность нашей платформы.Этот вывод очень важен, потому что большая часть современной теории коммуникации основана на линейных системах. Хотя нам не удалось найти точную причину нелинейности, мы предоставили несколько путеводителей. Это мотивирует дальнейшее изучение точной причины нелинейности в будущих работах. Если будет показано, что нелинейность является частью практических систем молекулярной связи (т. е. нелинейность не может быть решена с использованием лучшего оборудования), может потребоваться новая теоретическая работа по этой теме.

    В заключительной части статьи мы продемонстрировали практическую систему молекулярной связи, способную передавать короткие текстовые сообщения. Хотя в этой работе не было достигнуто высоких скоростей передачи, скорость передачи может быть значительно улучшена за счет использования более совершенных вентиляторов, более сложных протоколов и алгоритмов обнаружения, использования нескольких химических веществ, использования связи с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), проектирования. улучшенные датчики и использование массивов датчиков. Мы оставляем их для дальнейшего изучения.

    Вклад авторов

    Идея и разработка экспериментов: NF WG AWE. Выполняли опыты: Н.Ф. Проанализированы данные: Н.Ф. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: NF. Написал статью: NF WG AWE.

    Каталожные номера

    1. 1. Акилдиз И.Ф., Брунетти Ф., Блазкес С. (2008) Наносети: новая коммуникационная парадигма. Компьютерные сети 52: 2260–2279.
    2. 2. Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К. и др.. (2007) Молекулярная биология клетки. Гарланд Наука, 5 издание.
    3. 3. Agosta WC (1992) Химическая коммуникация: язык феромонов. WH Freeman & Co, первое издание.
    4. 4. Хияма С., Моритани Ю., Суда Т., Эгашира Р., Эномото А. и др. (2005) Молекулярная связь. В: Учеб. конференции по нанотехнологиям ННТИ 2005 года. стр. 391–394.
    5. 5. Экфорд А.В. (2007) Наноразмерная связь с броуновским движением. В: Учеб. 41-й ежегодной конференции по информационным наукам и системам.Балтимор, Мэриленд, стр. 160–165.
    6. 6. Hiyama S, Moritani Y (2010)Молекулярная связь: использование биохимических материалов для разработки систем биомиметической связи. Нанокоммуникационные сети 1: 20–30.
    7. 7. Накано Т., Мур М., Вей Ф., Василакос А., Шуай Дж. (2012) Молекулярная коммуникация и создание сетей: возможности и проблемы. IEEE Transactions on NanoBioscience 11: 135–148.
    8. 8. Фарсад Н., Экфорд А., Хияма С., Моритани Ю. (2012) Молекулярная связь на кристалле: анализ и проектирование.IEEE Transactions on NanoBioscience 11: 304–314.
    9. 9. Атакан Б., Акан О., Баласубраманиам С. (2012)Наносети области тела с молекулярными коммуникациями в наномедицине. Журнал IEEE Communications 50: 28–34.
    10. 10. Пурнамаджаджа А.Х., Рассел Р.А. (2005)Общение феромонами в рое роботов: некрофорное поведение пчел и его репликация. Роботика 23: 731–742.
    11. 11. Пурнамаджаджа А.Х., Рассел Р.А. (2010)Двунаправленная феромонная связь между роботами.Роботика 28: 69–79.
    12. 12. Педро Соуза ATdA Лино Маркес (2008) Изменчивые оценки для руководства по робототехнике. В: Материалы Международного семинара EURON/IARP по робототехнике для рискованных вмешательств и наблюдения за окружающей средой. Беникасим, Испания.
    13. 13. Соуза П., Маркес Л., Де Алмейда А. (2008) К роботам, идущим по химическому следу. В: Седьмая международная конференция по машинному обучению и приложениям (ICMLA08). стр. 489–494. doi: 10.1109/ICMLA.2008.133.
    14. 14. Муньос Л., Димов Н., Каро-Санс Г., Була В.П., Герреро А. и др. (2012) Имитация общения насекомых: высвобождение и обнаружение феромона, биосинтезируемого алкоголь-ацетилтрансферазой, иммобилизованной в микрореакторе. ПЛОС ОДИН 7: e47751.
    15. 15. MooreMJ, Suda T, Oiwa K (2009)Молекулярная связь: моделирование влияния шума на скорость передачи информации. IEEE Transactions on NanoBioscience 8: 169–180.
    16. 16. Экфорд А.В., Фарсад Н., Хияма С., Моритани Ю. (2010)Микроканальная молекулярная связь с наноразмерными носителями: броуновское движение по сравнению с активным транспортом.В: Учеб. Международной конференции IEEE по нанотехнологиям 2010 года. Сеул, Южная Корея, стр. 854–858.
    17. 17. Накано Т., Лю Дж. К. (2010) Проектирование и анализ каналов молекулярной ретрансляции: теоретико-информационный подход. IEEE Transactions on NanoBioscience 9: 213–221.
    18. 18. Махфуз М.Ю., Макракис Д., Муфтах Х.Т. (2010) О характеристике бинарной молекулярной связи, кодируемой концентрацией, в наносетях. Нанокоммуникационные сети 1: 289–300.
    19. 19.Пьеробон М., Акилдиз И.Ф. (2010) Физическая сквозная модель молекулярной связи в наносетях. Журнал IEEE по отдельным областям коммуникаций 28: 602–611.
    20. 20. Farsad N, Eckford AW, Hiyama S, Moritani Y (2011)Быстрый системный дизайн активной транспортной молекулярной связи на основе везикул с использованием простой транспортной модели. Нанокоммуникационные сети 2: 175–188.
    21. 21. Гуней А., Атакан Б., Акан О.Б. (2011) Мобильные специальные наносети с молекулярной связью на основе столкновений.IEEE Transactions on Mobile Computing 11: 353–366.
    22. 22. Сринивас К.В., Экфорд А., Адве Р. (2012)Молекулярная связь в жидких средах: канал аддитивного обратного гауссового шума. Транзакции IEEE по теории информации 58: 4678–4692.
    23. 23. Фарсад Н., Экфорд А., Хияма С. (2012)Моделирование и дизайн многоугольных кинезиновых субстратов для молекулярной коммуникации. В: Учеб. 12-й конференции IEEE по нанотехнологиям (IEEE-NANO). Бирмингем, Великобритания, стр. 1–5.doi:10.1109/NANO.2012.6322018.
    24. 24. Ким Н.Р., Че К.Б. (2012)Новые методы модуляции с использованием изомеров в качестве молекул-мессенджеров для молекулярной связи посредством диффузии. В: Учеб. Международной конференции IEEE по коммуникациям (ICC) 2012 года. Оттава, Канада, стр. 6146–6150. doi: 10.1109/ICC.2012.6364816.
    25. 25. Пьеробон М., Акилдиз И. (2013)Пропускная способность системы молекулярной связи на основе диффузии с памятью канала и молекулярным шумом. Транзакции IEEE по теории информации 59: 942–954.
    26. 26. O’Grady M (2012) Использование смс в США остается высоким: каждый день отправляется 6 миллиардов смс-сообщений. Блоги Forrester.
    27. 27. Международный консультативный комитет по телеграфу и телефону (CCITT) (1988 г.) Международный телеграфный алфавит № 2. Синяя книга, Fascicle 7–1.
    28. 28. Боченков В., Серж В.Г. (2010) Чувствительность, селективность и стабильность газочувствительных металлооксидных наноструктур. Наноструктуры оксидов металлов и их применение: 31–52.

    (PDF) Как молекула становится сообщением? Морфогенез

    — это задача французского флага, в которой требуется, чтобы лист самовоспроизводящихся

    клеток развился в образец французского флага. Это можно сделать несколькими способами (например, Wolpert,

    1968), но программа далеко не так проста, как можно было бы ожидать, учитывая простоту итогового шаблона

    , который она производит.

    Среди теоретиков автоматов, а также компьютерных программистов распространено мнение, что если

    никто никогда не производил работы,

    p.11

    программы развития, репликации или эволюции, то вас ждет обескураживающий сюрприз.

    Чтобы популяризировать этот факт, Мичи и Лонге-Хиггинс (1966) опубликовали короткую статью под названием

    «Игровая модель биологической репликации для вечеринок», которая даст некоторое представление о логике

    читателю, не имевшему компьютера. опыт. Но, как подчеркивают ученые-компьютерщики, ничто не заменит написание программы и ее работу.

    Почему все биологические функции так сложно моделировать? Почему так сложно имитировать

    то, что выглядит так просто? В самом деле, функциональной простоты добиться непросто, и чем

    часто более строгие требования к простоте функции, тем сложнее будет интеграция динамических деталей, необходимых для выполнения функции. В то время как относительно легко представить специальные «мыслительные машины», которые будут выполнять четко определенные функции, структура реальных машин всегда эволюционирует под воздействием условий окружающей среды и превращается в то, что изначально является очень плохо определенными функциями.Эти проблемы обычно больше связаны с тем, как

    машина выходит из строя, чем с тем, как она работает. Другими словами, именно надежность, стабильность или постоянство

    функции, а не абстрактное понятие самой чистой функции, является источником

    структуры. Мы можем убедиться в этом, изучая эволюцию любой из наших искусственных машин. Конечно,

    в этом случае сам человек определяет общую функцию, но то, как в итоге получается строение машины

    , определяется не одним человеком.История часов является хорошим примером. Это

    относительно легко увидеть поверхностно с каждым спусковым механизмом или зубчатой ​​передачей, «как это работает», но только

    , понимая требования точности и стабильности для «выживания», а также

    экологические проблемы для этих требований в формы колебаний температуры, внешних ускорений, коррозии и износа, можем ли мы начать понимать конкретные конструкции спусковых механизмов, зубьев шестерен и силовых передач, которые сохранились.

    Наше понимание генетического кода и программ развития все еще находится на уровне «как

    это работает», и хотя мы можем проследить эволюционные изменения, даже с

    молекулярными деталями, мы почти не чувствуем для которых детали имеют решающее значение, а какие второстепенны для целостной структуры организма. Аналитический стиль молекулярной биологии,

    , который привел нас на этот уровень, сначала распознает высокоразвитую функцию, а затем продолжает

    рассматривать структуры все более и более подробно, пока все части не могут быть изолированы в пробирке.

    и, возможно, пересобран для работы

    р.12

    еще раз. Но если мы хотим объяснить происхождение или эволюционные инновации, этот стиль может оказаться обратным.

    Если мы считаем, что избирательные катализаторы или «молекулы-переключатели» сами по себе не передают сообщения

    , то нам следует изучать не их самих по себе, а в сетях переключения, поскольку они

    могли возникнуть в примитивной «стерильной» экосистеме. Мы также не должны пытаться, если мы ищем

    происхождения, проектировать коммутационные сети для выполнения четко определенных функций, таких как универсальная саморепликация или развитие морфологии французского флага, поскольку нет оснований ожидать

    таких функции, существующие в начале.Более реалистичным подходом было бы спросить, что

    Сообщение от Председателя

    Добро пожаловать на кафедру биохимии и молекулярной биологии Медицинской школы имени Роберта Вуда Джонсона имени Рутгерса.

    Кафедра биохимии и молекулярной биологии имеет богатую историю передового опыта в области исследований, образования и обслуживания. Наш факультет способствует обучению студентов-медиков, аспирантов и студентов в классе и в лаборатории; проводит исследования на переднем крае биомедицинской науки, обучая новое поколение ученых-исследователей; и обслуживает медицинские школы, университеты, национальные и международные научные сообщества.

    Наши исследовательские программы охватывают различные области фундаментальных и трансляционных исследований, включая энзимологию репликации ДНК; сборка гетерохроматина; эпигенетика; механизмы и регуляция экспрессии генов от ДНК к РНК к белку; дизайн и эволюция белков; регуляция роста питательными веществами и гормонами; лизосомная биология; бактериальная передача сигнала; бактериальные токсины и антитоксины, молекулярные механизмы заболеваний, начиная от нейродегенеративных заболеваний и заканчивая инфекционными заболеваниями, раком и открытием терапевтических мишеней.Преподаватели признаны на национальном и международном уровнях экспертами в своих областях и публикуют свои исследования в ведущих научных журналах. Таким образом, их часто призывают работать в редакционных коллегиях журналов и предоставлять обзорные группы.

    Заочное финансирование исследований было предоставлено нашему факультету на конкурсной основе рядом федеральных, государственных и частных агентств, включая Национальные институты здравоохранения (NIH), Национальный научный фонд, Министерство обороны, Комиссию по стволовым клеткам Нью-Джерси, Нью-Йорк. Комиссия Джерси по исследованию рака, Научная программа Human Frontiers Science Program, Американское онкологическое общество и организация Stand Up To Cancer, и это лишь некоторые из них.На кафедре также есть преподаватели, которые направляют присуждение грантов NIH на обучение, посвященных расширению участия недостаточно представленных меньшинств в биомедицинских науках и обучению постдокторантов.

    В дополнение к исследованиям, есть много достижений департамента в области образования и общественных работ. Преподаватели ведут и / или участвуют в многочисленных учебных мероприятиях для студентов-медиков и аспирантов. Наши преподаватели преподают основные и дополнительные курсы в рамках программ для выпускников Школы последипломного образования (SGS) и сыграли важную роль в разработке программы магистра биомедицинских наук в SGS в RWJMS.Департамент также отвечает за организацию и преподавание в рамках курса желудочно-кишечного тракта, обмена веществ и питания в учебной программе для студентов-медиков, а также за преподавание многих других блоков в рамках учебной программы первого и второго курсов медицинской школы.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.