Biosystems Informatics 1-1: Information Processing
Summary
TLDRこのスクリプトは、生命情報システム科学の講義を通じて、生命システムをネットワークとして捉える視点から説明しています。生命システムとコンピューターシステムの比較を通じて、それぞれの特徴を明らかにし、進化とIT化の進展による人類の未来について考察しています。生命システムは、小さな部品から大きな機能に至る階層構造を持っており、コンピューターと同様に入力から出力への変換を行うが、生物は環境に応じて最適化された形で進化しています。また、現代ではゲノム編集技術によって生命情報の再構築が可能となり、コンピューターシステムと同様に設計が可能となり、人類の生活に貢献できるとされています。
Takeaways
- 🎓 生命情報システム科学の講義では、生命システムをネットワークとして表現し、コンピューターシステムと比較して理解を深めることを目指しています。
- 🤖 コンピューターシステムは、論理ゲートなどのシンプルな部品から構築され、生命システムも同様に細胞や組織などの小さな部品から成り立っています。
- 🧬 生命システムを理解する際には、大きなシステムを小さなシステムに分解し、再構成することで複雑さを解明するアプローチがあります。
- 🌐 人間のシステムと他の生物種やコンピューターシステムとの比較を通じて、人類特有の性質や生命システムの特徴を明らかにするアプローチも存在します。
- 🧬 ゲノム編集技術の発展により、バクテリアなどの生命体を設計し、コンピュータシステムと同じように生物のシステムも設計可能になっています。
- 💻 コンピューターの情報処理は、01系列のデータの入力と変換に基づいて行われ、ユーザーのニーズに応じて様々な変換を行うことができます。
- 🌀 バクテリアのchemotaxis(走化性)は、機械的な振る舞いと同様に、栄養源の濃度差を検出して移動する現象であり、これはコンピュータ風の情報処理の一例です。
- 📊 生物の情報処理は、階層構造を持つとともに、アミノ酸、タンパク質、タンパク質複合体、そして生物の機能単位であるpathwayを経由して行われます。
- ⚙️ コンピューターシステムはソフトウェアの変更によって機能性を柔軟に変えることができますが、生物のシステムはハードウェア自体を少しずつ変更することで進化しています。
- 🌿 生物の目的は「子孫の繁栄」であり、環境に応じて情報を処理し、適応することで生き残るための最適化が行われています。
- ➡️ 生命情報システム科学の講義を通じて、コンピューターと生物のシステムの比較を通じて、未来の社会や人類の進化について考える基礎知識を身につけることができます。
Q & A
生命情報システム科学の第1回の講義で扱われている主なテーマは何ですか?
-生命情報システム科学の第1回の講義では、生命システムをネットワークとして表現し、コンピューターシステムと比較しながら理解を深めることを目指しています。
生命システムを理解するためにどのようなアプローチが提案されていますか?
-生命システムを理解するためには、大きなシステムをより小さなシステムに分解し、それらを組み合わせることで元の複雑なシステムを理解するアプローチと、異なるシステム(例えば人とチンパンジー)を比較することで特徴を明らかにするアプローチが提案されています。
コンピューターシステムと生命システムを比較することの意義は何ですか?
-コンピューターシステムと生命システムを比較することで、それぞれの特徴や特性を明らかにし、人間の進化や社会の設計について考えることができるようになります。
ゲノム情報の書き換えや再構成が進化する現代において、生命システムはどのように変わってきていますか?
-ゲノム情報の書き換えや再構成が可能な現代では、バクテリアの一つのレベルでは完全に設計が可能になり、コンピュータのシステムを設計できるように生物のシステムも設計し、生活に役立てることができるようになっています。
計算機の情報処理について説明している部分で、どのような基本的な考え方が説明されていますか?
-計算機の情報処理では、入力が01系列のデータから別の形式の01系列のデータに変換されるという基本的な考え方があります。どのような入力に対してどのようなアウトプットが必要ないかは、目的に依存します。
バクテリアの走化性について説明している部分で、バクテリアはどのようにして栄養豊富な場所に移動するようになっていますか?
-バクテリアは、鞭毛と呼ばれるフィラメントを使って移動します。右回転と左回転の2種類の回転を行い、環境のグルコース濃度を検出することで、栄養豊富な場所に向かって有目的的に移動するようになっています。
生命システムにおける情報処理の目的は何ですか?
-生命システムにおける情報処理の目的は、子孫の繁栄であり、環境に適応して生き残ることに関連しています。
生物のシステムにおける階層構造の説明で、タンパク質がどのように形成されると説明されていますか?
-タンパク質は、アミノ酸が連なったもので形成されます。アミノ酸が続くことでタンパク質のメインになる域が形成され、タンパク質ドメインが連なったものがタンパク質を形成します。
コンピューターシステムと生物のシステムの主要な違いは何ですか?
-コンピューターシステムは、ソフトウェアの変更によって働き方を変えることができますが、生物のシステムはハードウェアそのものを変更することで新しいシステムを改良します。また、コンピューターの変換の目的はユーザーのニーズに応じて変化しますが、生物の変換の目的は環境に応じた子孫繁栄です。
講義の冒頭で述べられている、生命システムをネットワークとして捉える理由は何ですか?
-生命システムをネットワークとして捉える理由は、生命体は様々な器官や組織からできており、これらの相互作用を理解することで生命システムの複雑性を理解できるからです。
講義で触れられている、コンピューターと生物のシステムを比較する手法の利点は何ですか?
-コンピューターと生物のシステムを比較することで、それぞれの特性や特徴を明らかにし、人間の進化や社会の設計について考えることができるようになる利点があります。また、生命システムの持つ持続性や柔軟性を理解し、それに基づいて未来の社会や技術を考える上での基礎知識を身につけることができます。
Outlines
📈 生命システムとコンピューターシステムの比較と進化
第1回の講義では、生命情報システム科学の基礎について学びます。講師である大林丈史は、生命システムをネットワークとして捉える方法と、コンピューターシステムと比較することで、生命システムの理解を深めることを目指しています。人間や他の生物の生命システムは、小さな部品からできており、細胞、組織、臓器などから成り立っています。また、ヒトとチンパンジーなどの異なる生物を比較することで、共通の特性やヒト特有の性質を見出すことができます。さらに、現代のIT技術と生命情報の進歩により、ゲノムを書き換えたり再構成することができるようになり、生命システムの理解が進化しています。
🤖 コンピューターの情報処理と階層構造
コンピューターの情報処理について解説し、階層構造を通じてコンピューターの基本的な考え方を説明します。コンピューターは0と1のデータ系列を扱い、様々な論理素子や制御ユニット、計算ユニットを通じて、ユーザーのニーズに応じたアウトプットを生み出します。また、ソフトウェアの活用により、柔軟に機能を拡張・変更することが可能です。これに対して、バクテリアの化学性誘導移動を例に、生物の情報処理についても解説します。バクテリアは栄養源の濃度に応じて移動を制御し、そのメカニズムはコンピューターの入力と出力の変換と似ています。
🚀 バクテリアの移動と情報処理のメカニズム
バクテリアがどのように環境の変化に応じて移動を行うのかを詳細に説明します。バクテリアは鞭毛を使って移動し、環境のグルコース濃度に応じて進む方向を制御します。右回転と左回転の鞭毛の動作によって、ランダムな移動と一定方向への移動を切り替えることができます。また、グルコース濃度を検出するセンサーがバクテリアの移動行動を制御しており、環境の良い場所に向かって移動するようにプログラムされています。これはコンピューターの入力と出力の変換と似た情報処理の例であり、生命システムにおける情報処理の理解に役立ちます。
🌿 生物のシステムとコンピューターシステムの階層構造
生物のシステムとコンピューターシステムの階層構造について比較し、それぞれのシステムがどのように機能し、進化しているのかを解説します。生物はアミノ酸、タンパク質、タンパク質複合体を通じて、細胞内の様々な機能を遂行します。一方、コンピューターはソフトウェアの変更によって機能を進化させています。生物は環境に応じて、ハードウェアの部分を変更することで進化し、適応しています。両システムともにインプットとアウトプットに注目し、複雑なシステムは単純なシステムの組み合わせで構成されているという理解が重要です。また、コンピューターの目的はユーザーのニーズに応じて変化し、生物の目的は環境に適応した子孫繁栄です。
Mindmap
Keywords
💡生命情報システム科学
💡ネットワーク表現
💡コンピューターシステム
💡アプローチ
💡進化
💡ゲノム情報
💡情報処理
💡階層構造
💡鞭毛
💡子孫繁栄
💡パスウェイ
Highlights
生命システムをネットワークとして表現し、コンピューターシステムと比較することで理解を深める
生命システムの2つのアプローチ:小さなシステムから大きなシステムを構築する方法と、異なるシステムを比較する方法
ヒトとチンパンジーなどの異なる生物種を比較することで、ヒト特異的な性質を明らかにする
コンピューターと生命システムの比較を通じて、進化とIT化の進歩を考える
ゲノム情報の書き換えと再構成が進歩し、バクテリアの設計が可能になる
コンピュータの情報処理は階層構造で、原子からCPUやGPUまで様々な部品が組み合わさって実現される
バクテリアの化学性誘導運動を例に、生命システムの情報処理について解説
バクテリアが栄養源に応じて鞭毛を使って移動し、適切な環境で繁殖を繰り広げる
バクテリアの移動はランダムターンとまっすぐに進むという2つのモードを使い分けている
グルコース濃度センサーを用いて、バクテリアは環境の変化に応じて行動を最適化
生命システムのコンバーターは、子孫繁栄という目的で最適化されてきた
生物の階層構造はアミノ酸から始まり、タンパク質複合体を通じて機能を実現
コンピュータシステムはソフトウェアの変更で柔軟性を持っているのに対し、生物はハードウェア自体を変更することで進化
環境の変化に応じて、生物は持続的にコンバーターを書き換えて適応している
生命システムとコンピューターシステムはインプットとアウトプットに注目し、複雑なシステムを理解する
コンピュータの変換目的はユーザーニーズに応じて変化し、生物は環境に応じて子孫繁栄を目指す
Transcripts
んうぃーん
no プレゼンテーションのパワー時4 s と m see
はい大林丈史です
生命情報システム科学第1回を始めたいと思います
第1回は生命システムをネットワークとして表現するということを取り扱います
さて a
生命システムを考える上で
声明以外のシステムと比較をするということを行っていきたいとおもいます
僕らがよく知っている声明以外のシステムとしてはコンピューターがあります
コンピューターは様々な部品からできていてその様々な部品は例えば logic
gate のような
よりシンプルな部品からできています
そのようなシステムに対してでは声明を司っているシステムというのはどういう特徴が
あるのか
これを見ていくのがこの講義の狙いになります
生命システムを理解する上で2つのアプローチがあります
一つ目のアプローチは今も言ったように大きなシステムはより小さなシステムを
が組み合わさることで実現されているなので例えば人というシステムであれば人は様々
な臓器からできており動機は様々
組織からできているまあその組織は大衆的には細胞からできているということになり
ますが
魚徐々に分解をしし理解した上で
そして二次にそれを構成していくことで元の複雑なシステムを理解しようという
アプローチです
もう一つのアプローチはこの人というシステムと全く違うシステムを比較をするという
ことです
例えばこの要素を分解し合成をしていくというアプローチではヒト以外の生物種
例えばチンパンジーもほぼ同じような構成になっているとする
すればそれはヒト特異的な性質というよりは人を含んだより白い生物
子の共通の会
特徴ということになります
人と人以外のものを比較をする例えばヒトとチンパンジーを比較することで人の特徴が
見えてくる
もしくは人と動物でないものを比較をすることで動物の特徴がで見えてくる
全く同じように人とコンピューターシステムを比較することで生命システムの特徴が
見えてくる
これを狙ってこの講義では
生命システムとその情報6システムコンピューターのシステムも比較をしながら
時に比較をしながら理解を進めていきたいと思っています
生命システムと情報のシステムを比較をし流れ理解をしたいということにはもう一つ
狙いがあります
それは僕らのこのシステムというものがこの1部システムですけれども
昔あの類 gen 猿だった頃の人
サル類だった頃の日と比べて人は次々
に進化をし今や単なる進化ではなくどんどん it 化している
僕らの体自身も it 化していますし
コンピューターの訪問どんどんどんどん進化をしていると
でその先はどういうふうにこの進化をしていった
人類というものを設計すればいいのだろうか僕らの社会をどうやって設計すればよいの
だろうか
それを考えるためにはコンピューターのことばかりを知っているだけではダメで
人間というものがどういうシステムでそもそもできているのかということを併せて
考えること
とでこの未来の次どうしたらいいかということを考えられるようにならないかと
その考えるためのその基礎知識にしたい
これが生命システムとコンピューターのシステムを比較をしながらどちらがどういう
特性があるのかということを見ていきたいというもう一つのポイントになります
景観機のシステムというのは年々
複雑になっていきその処理能力というのは年々増加をしている状況です
一方で生物のシステムというのは40億年間の間
複雑性を少し手術ましてはいるものの本質的なところというのはシステムとしては
変わりません
ただし現在はその後 a
生命情報のプログラムに当たるゲノム情報というものを書き換えることができる
書き換えるだけじゃなくて一からゲノムを再構成できるというところが出来ました
こちらは2010年の論文こちらは2019年の論文でそれぞれ1 mega bass
ペアだとか4名がベースピアノ
合成だとかしかもこちらの場合には改変しながら剛性を全合成をしているという状況に
なっています
このようにバクテリア一つのレベルであれば今は完全に設計をして
どのようなバクテリアを作るかということができるようになってきました
コンピュータのシステムを設計できるのと同じように生物のシステムもうまく設計する
ことで僕らの生活に確実に役に立てることができる
だからどちらのシステムの構成原料
シルクどちらも知ることでその次というものを考えることができるということになり
ます
さて本題に入っていきましょう
こちらは計算機の情報処理のありようを示したものです
計算機の場合には入力が01系列のデータ
そしてそれをヴィッツの種類の01系列のデータに変換を行う
これが計算機の基本的な考え方でした
どのようなインプットの時にどのようなアウトプットが欲しいかというのはこれは目的
依存です
ある時にはこの入力の文字というものを別の文字に変換したい
例えば小文字を大文字に変換したいということもあるでしょうし
入力が数字であればその数字を足し算をし
あり掛け算をしたりもしくはルートを取ったりそのような演算を行いたいということが
あるでしょ
どのような変換を行うかというのはそれは基本的には利用者委ゾーンです
利用者がこのようなことを行いたいというふうに思えばそのような変化を行うような
この情報処理の変換システムを作る
すなわちこの場合だと返還地を作るということになります
すって
ユーザーのニーズは様々ですのでまあともそのさまざまなニーズに応じてどのような
コンバーターを作ればいいかが決まる
もしくはつくリアコンバーターが作りやすいような設計にしておくといったことが
コンピューターのシステムのポイントでした
さて
この計算値の入力を出力に変える
この変換器の部分というのは階層構造でできています
一番細かい単位はもちろん原子ですけれども
その上には半導体があり半導体が組み合わさることでトランジスタがありそれが
組みあわさ
組み合わせることでさまざまな論理素子がありそしてそれらが組み合わさることで制御
ユニットや計算ユニット
そしてレジスターなどが
ありそれらが適切に組み合わさることで cpu gpu fpga ぬようなものが
あり
そしてそれらが組み合わさることでコンピュータを実現しています
そこにはソフトウェアを走らせるための機構というのをついていますので実際このいい
プットアートプットに目的に応じたアウトプットを取り出すための開発というのは多く
はこのソフトウェアの快走で行われます
ソフトウェアの快走で行なうことでユーザーのニーズというのは様々ですからその様々
なユーザーのニーズに対して速やかにへ
必要な機能というものを作成できるこれが上の階層で
開発を進めるという一つの利点になります
それでは生物が行う情報処理というものはどういうものなのかということをまず
イメージするために一つ非常にコンピュータ風にふるまう
まるで機械のような振る舞う現象を一つ紹介したいと思いますこれはバクテリアでよく
知ら
れるきも滝シス走化性と言われる現象です
バクテリアだけではなくて真核生物まあ僕ら自身の細胞も
走化性というものを持っていて細胞が動く時の基本となるシステムです
でこの層家庭というものがどういう風なメカニズムで働くのかということをちょっと
考えてみましょう
今この空間には
例えば左側には栄養があまりなく
右側には栄養があるバクテリアの場合ですとブドウ糖が基本的な栄養源ですので右は
ブドウ糖がたくさんあって
左はそのブドウ糖の濃度が薄いと薄い方から扱い方にこのバクテリアとしては移動して
いきたい
そういう状況を考えてください
でこのバクテリアとしてはうまく移動ができればこの a
ブロー頭がこういうところでエネルギーを大量に摂取できますので
まあどんどん分裂ができるこちらのままであればエネルギーが摂取できないのでまあ
そのうち死んでしまう
いうことでうまく移動ができるかできないかというのは生死を分ける
非常に重要な問題になります
ここでいろんなために使えるのはバクテリアが移動のために使えるのはこの
鞭毛と呼ばれるこのような
フィラメントになりますでこの便者は右回転と左回転の2種類の回転をすることが
できるんですが
右回転の時
clockwise 時計回りの時にはこの複数ある鞭毛というのはバラバラになり
ます
バラバラになるのでバラバラの方向にトルクが働くために
まあこれはランダムに近い回転運動3次元の水溶液中で回転ランダムな回転を行うよう
になります
一方で反時計回り左回りをする場合には
すべてのこの鞭毛というものは一本の太い便文を形成しその太い便もが一方向に回る
ことでこのバクテリアはこのこの場合であれば右方向に移動することができるという
ことになります
でこのバクテリアはまっすぐに進むというモードとランダムにターンするというこの2
つのモードを使い分けることでうまくこの
ブドウ糖が薄い領域からブドウ糖が濃い領域に移動することができます
例えばブロー等何も関係なければまっすぐに進んでランダム木ターン
まっすぶまっすぐに進んでこれもランダムな時間でランダムにターンします
ランダムぬランダムにターン押すとまっすぐ進んでランダムにターンをするということ
を
ずーっと繰り返すとこれは乱打部をそのものの動きです
です
のでほしいところからあの
ブドウ糖の薄いところからブドウ糖の濃いところに能動的に動くためには少しこの変換
の頻度を支えてあげる必要があります
具体的にどのように行えばいいのかという事ですが例えばこのあたりはグルコースの
濃度ブドウ糖の濃度が薄いですのでこちらと同じくまあほとんどランダムに近いような
動きをしたとしましょう
ただしこのように一赤のこの縦の動きというのはほとんどグルコース濃度には関係し
ませんのでこの横の動きの時に
グルコース濃度が次第に高くなります例えばこのあたりは件中ですけどこちらに動けば
動くほど次第に高くなるということになります
でウルク
コースの労働を検知できるようにしておけばつまりこのバクテリアの上に
グルコースのロードのセンサーを付けておきます
そして超センサーがグルコースの濃度が次第に高くなっているという風な状態だと
型検出をすればこのタンブリングと呼ばれる
ランダムターンの頻度
抑えるつまり状況はどんどん良くなって海で状況が良くなっていたらランダムターンは
しないそうでなければある一定頻度で選んだボタンを押し
ランダム多くを行うことであるとの場所の周辺にはいい場所がないかということを探し
ていくと
いうことです繰り返しですが状況が変わらなければランダム端を行いランダム多く
で状況が良くなったらランダム端を抑えることでよりよくなっている傾向というのは
そのままよくなっているだろうというふうにへ
まあ未来予測をするということになります
でこのシステムを持っているだけで確かに通常のこの a
ランダムターンまでの時間と比べるとココアランダムターンまでの時間がより減少し
ますので
この
欲しいようなあの欲しい状況に移動できる可能性が高くなるということになります
さて先ほどの例で重要なのはこの
グルコースの濃度グルコースの濃度が高くなるとタンブリング
ランダムターンの金土を下げる
たったこれだけのことでグルコースの高いところ
生存により有利なところに移動するというマクロなねべレベルの機能を実現することが
できています
で実際に行なっているミクロンレベルのレギュレーションというのは制御というのは
グルコース濃度を
緊張することグルコース濃度が高くなれば
パン bring レートを下げる得るコース濃度がどんどんどんどん低くなれば
タンブリングレートある一定まで回復させるという8
ただこれだけです
この構図というのはこのへ入力があったら
出力に変換をするというこの計算機の構図とインプットアウトプットに注目をしたら
同じ構図になります
で異なるのはこのコンバーターの部分どのようなアウトプットを取ったり容器
良いかというものが a
まあ要するに目的この変換の目的というものが異なります
コンピュータの場合には御容赦のニーズというものがこの変換の目的でしたか
生物の場合には子孫の繁栄というものが目的になります
実際は目的というと非常に擬人的な表現になりますけれどこれが達成できたフェイ物手
は残り
達成できなかった生物種は死に絶えたその結果達成できたあ今生きている生物種はどれ
もこの子孫繁栄のために
このコンバーターの部分インプットをこのアウトプットに帰る
へ
情報を入力データをその行動に変えていくというこのコンバーターの部分が非常に
optimize されているということになります
ではこのコンバーターの部分はどのようにして構築されているのかというところを少し
見ていきましょう
先ほど計算機のシステムがこのような海藻行動からできているということを話しました
生物のシステムに関しても同じです
このような階層構造を持っています一番小さい改造はもちろん物理的実体があるもの
ですので
原子にをかなわないのですが次の重要なレベルの用途としてはアミノ酸があり
アミノ酸が連なったものがタンパク質る1
移るとメインになりタンパク質ドメインが連なったものがタンパク質になります
タンパク質同士がくっつけばタンパク質複合体になりそれらが組み合わさることでパス
ウェイと呼ばれるひとつの機能単位ができます
さらにこのパス映画いくつものいくつもつながることによってこの
待望の会機能というものを実現しています
この計算機の場合と非常に異なる箱ところは計算機は主にこの回想の中で変更していく
部分がこのかなり上の部分
ソフトウェアの快走でした実態は変えずに働き方を変えるというソフトウェアの改造を
変えることによってこの様々な
ユーザーのニーズに応えるようになっています
一方で生物の方は
この階層の場所の正確な場所は8表現しにくいですが
このハードウェアの部分そのものを変更することで
新しいシステムをシステムを改良をするということを行っています
上のレベルであの変更するということもできるんですけれどもそれと同それと同時に
この下のレベルでも
少しずつ少しずつプログラムそのものというものを書き換えていく
それによって環境に適用していくということを行っています
part 1はここで終わりになりますが part 1をもう一度
まとめたいと思います
計算機のシステムも生物のシステムもどちらもインプットとアートプットに注目をする
と同じ高つから構成されています
特に重要なのが
この変換の中身というのは回送行動を持っている
複雑なシステムというのは単純なシステムの組み合わせでできているという風な理解が
理解をすることができ
このアプローチというのは計算機というシステムだけではなく
細胞のシステム生物のシステムに関して
でもやはり有効だということになります
その目的がチ目的に関してはユーザーが与えるものであるコンピュータに対して生物の
場合には子孫繁栄生きることそのものが目的になります
ただこの場合だと目的はずっと変わらないのかというと環境が変わりますのでその環境
に応じた子孫繁栄ということでやはり生物の訪問
このコンバーターをて次々と書き換えなければいけない
どのような環境環境はどんどん変わっていきますので
どのようなその新しい環境で子孫繁栄をするというのが生物における目的
重要な目的になります
part 1は以上です
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