Паронджанов В. Д. Учись писать, читать и понимать алгоритмы. Алгоритмы для правильного мышления. Основы алгоритмизации. — М.: ДМК Пресс, 2014. — 520 с. — Иллюстраций: 272.

Глава 22. АЛГОРИТМЫ В БИОЛОГИИ

§1. РУКОТВОРНЫЕ И НЕРУКОТВОРНЫЕ АЛГОРИТМЫ

До сих пор мы рассуждали об алгоритмах, которые придуманы человеком. Но существуют и иные процессы, к созданию которых человек не имеет никакого отношения.

Имеются в виду нерукотворные алгоритмы, созданные природой в ходе естественного развития. В результате миллиардов лет эволюции на Земле образовалась жизнь. И связанные с нею естественные алгоритмы.

Планета Земля – царство жизни. В каждом живом организме происходят процессы невообразимой сложности, необходимые для поддержания жизни.

Рассматривая жизнь с точки зрения молекулярной биологии, генетики и других биологических наук, мы сталкиваемся со сложнейшими процессами, которые можно и нужно назвать алгоритмами.

Алгоритмы существуют всюду, где есть жизнь. Они ухитряются жить в каждом живом существе, в каждой живой клетке – от холерного вибриона до незабудки и слона.

Какова роль человека в естественных алгоритмических процессах? Она очевидна. Человек не проектирует, не творит и не создает эти алгоритмы. Он всего лишь изучает их.

Человечество заинтересовано в том, чтобы биологические науки продвигались вперед быстрыми темпами. От чего зависит скорость познания естественных алгоритмов? В частности, от формы представления алгоритмических процессов.

К сожалению, представители биологических наук не владеют эффективными способами записи естественных алгоритмов. Нынешний биологический язык отстал от жизни и превратился в тормоз развития науки.

§2. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ

Чем глубже человеческий разум проникает в тайны живой материи, тем яснее становится, что живые существа во многих случаях ведут себя как информационные биомашины, перерабатывающие информацию с помощью биоалгоритмов.

Опыт показывает, что биологические алгоритмы очень похожи на самые обычные алгоритмы, с которыми мы постоянно сталкиваемся в технике. А раз так, язык ДРАКОН может стать удобным средством для выражения и накопления знаний об алгоритмических процессах, протекающих в живых организмах.

В качестве примера рассмотрим алгоритм работы человеческого сердца.

Цитата:
Отрывок из школьного учебника

«Наше сердце постоянно в работе… Оно работает непрерывно 70–80 лет и более. В чем секрет его неутомимости?...

Во многом это объясняется особенностями работы сердца. Оно последовательно сокращается и расслабляется с короткими промежутками для отдыха. В одном сердечном цикле можно выделить три фазы.

Во время первой фазы, которая у взрослого человека длится 0,1 с, сокращаются предсердия, а желудочки находятся в расслабленном состоянии.

За ней следует вторая фаза (она более продолжительная – 0,3 с): желудочки сокращаются, а предсердия расслаблены.

После этого наступает третья, заключительная фаза – пауза, во время которой происходит общее расслабление сердца. Ее продолжительность 0,4 с.

Весь сердечный цикл занимает 0,8 с.

Вы видите, что в течение одного сердечного цикла предсердия тратят на работу 12,5% времени сердечного цикла, а желудочки 37,5%. Остальное время, а это 50%, сердце отдыхает.

В этом секрет долголетия сердца, удивительной его работоспособности. Небольшие промежутки отдыха, следующие за каждым сокращением, дают возможность сердечной мышце отдохнуть и восстановить силы» [1].

Работа сердца очень сложна. Поэтому мы выбрали лишь малую часть работы нашего главного насоса. И изобразили ее в виде упрощенного алгоритма (рис. 186).

КАК РАБОТАЕТ СЕРДЦЕ ЧЕЛОВЕКА?

§3. КАК РАЗМНОЖАЮТСЯ ЖАБЫ

Рассмотрим еще один пример. Для начала приведем цитату из известной биологической книги, описывающую алгоритм размножения жаб.

Цитата:
«Рассмотрим изменения, происходящие в организме жабы в сезон размножения. Глаза жабы воспринимают свет и передают эту информацию в мозг, который определяет, что продолжительность светового дня увеличивается.

Гипоталамус направляет в гипофиз соответствующие рилизинг-факторы. Гипофиз начинает выделять в кровь различные гормоны…

Когда семенники и яичники «обнаруживают» их присутствие в крови, они начинают увеличиваться в размерах, продуцировать гаметы, а также выделять собственные гормоны и среди них – половые: тестостерон и эстроген.

Реагируя на половые гормоны, мозг посылает нервные импульсы к мышцам – животное начинает поиск места для размножения и брачного партнера.

Так, благодаря сложному взаимодействию органов чувств, нервов, мозга, мышц и эндокринных желез животное адекватно реагирует на смену сезона – наступление весны» [2].

Описание этого алгоритма на языке ДРАКОН показано на рис. 187.
Чтобы не утомлять читателя громоздкими биологическими терминами, мы упростили алгоритм. А в комментариях дали необходимые пояснения.

Следует подчеркнуть, что реальные биологические алгоритмы исключительно сложны. Традиционная для биологической литературы текстовая форма представления алгоритмических знаний вносит неоправданные трудности для читателей и является устаревшей.

КАК И ПОЧЕМУ РАЗМНОЖАЮТСЯ ЖАБЫ?