II. Інформатика та природничі науки

За визначенням А. П. Єршова, інформатика - «фундаментальна природнича наука». Академік Б. М. Наумов визначав інформатику, «як природну науку, що вивчає загальні властивості інформації, процеси, методи і засоби її обробки (збирання, зберігання, перетворення, переміщення, видача)».

Уточнимо, що таке фундаментальна наука і що таке природнича наука. До фундаментальних прийнято відносити ті науки, основні поняття яких носять загальнонауковий характер, використовуються в багатьох інших науках і видах діяльності. Ні, наприклад, сумнівів у фундаментальності таких різних наук як математика та філософія. У цьому ж ряду і інформатика, так як поняття "інформація", "процеси обробки інформації", безсумнівно, мають загальнонаукову значимість.

Природничі науки - фізика, хімія, біологія та інші - мають справу з об'єктивними сутностями світу, існуючими незалежно від нашої свідомості. Віднесення до них інформатики відображає єдність законів обробки інформації в системах самої різної природи - штучних, біологічних, суспільних.

Поява інформаційної техніки зробило настільки істотний вплив на наукові дослідження, що часто говорять про якісно новий етап у розвитку науки. Інформаційна техніка показала свою ефективність при роботі в системами, поведінка яких визначається законами механіки, фізики, хімії. Так, комп'ютерна генетика займається розшифровкою структур ДНК за допомогою комп'ютерів, комп'ютерний синтез успішно вирішує задачі синтезу необхідних хімічних елементів. Відкрилися можливості широкого використання математичних методів для побудови математичних моделей хімічних реакцій, обробки результатів експериментальних досліджень у реальному режимі часу, пошуку оптимальних умов проведення технологічних процесів. Експертні системи використовуються для обґрунтування вибору методів розрахунку рівноваги в системах «пар - рідина», методів термодинамічних розрахунків, аналізу зв'язків між структурою хімічних сполук та їх біологічною активністю. Комп'ютери все більше стають складовою частиною обладнання хімічних науково-дослідних лабораторій. Вони використовуються для проведення великого обсягу обчислень при квантово-хімічних розрахунках, обробці результатів ренгтеноструктурного аналізу, опису складних хімічних реакцій, розрахунку концентрацій речовин, що входять до складу різних сумішей.

Біоінформатика або обчислювальна біологія - одна з дисциплін біології, розвиваюча використання комп'ютерів для вирішення біологічних задач. Під біоінформатики розуміють будь-яке використання комп'ютерів для обробки біологічної інформації. На практиці, іноді це визначення більш вузьке, під ним розуміють використання комп'ютерів для обробки експериментальних даних за структурою біологічних макромолекул (білків і нуклеїнових кислот) з метою одержання біологічно значимої інформації.

Біоінформатика та її методи використовуються також в біохімії і біофізики. Основна лінія в проектах біоінформатики - це використання математичних засобів для вилучення корисної інформації з «галасливих» або занадто об'ємних даних про структуру ДНК та білків, отриманих експериментально.

Біологічне різноманіття екосистеми може бути визначено як повна генетична сукупність певного середовища, що складається з усіх видів, що мешкають б це біофільм в покинутій шахті, крапля морської води, жменя землі або вся біосфера планети Земля. Для збору видових назв, описів, ареалу розповсюдження і генетичній інформації використовуються бази даних. Спеціалізоване програмне забезпечення застосовується для пошуку, візуалізації та аналізу інформації, і, що більш важливо, надання її іншим людям. Комп'ютерні симуляції моделюють такі речі, як популяційна динаміка, або обчислюють загальне генетичне здоров'я культури в агрономії. Один з найважливіших потенціалів цієї області полягає в аналізі послідовностей ДНК організмів або повних геномів цілих вимираючих видів, дозволяючи запам'ятати результати генетичного експерименту природи в комп'ютері і можливо використовувати знову в майбутньому, навіть якщо ці види повністю вимруть.

До перспективних напрямків відносяться, зокрема, «машини прогнозування» - алгоритми, які дозволять комп'ютерам будувати прогнози, спираючись на складні дані і «кодифікацію», тобто здатність створювати програми на основі біологічних процесів.

Інформаційні процеси присутні у всіх областях медицини і охорони здоров'я. Від їх впорядкованості залежить чіткість функціонування галузі в цілому і ефективність управління нею. Інформаційні процеси в медицині розглядає медична інформатика. В даний час медична інформатика визнана як самостійна галузь науки, що має свій предмет, об'єкт вивчення і займає місце в ряду медичних дисциплін.

Медична інформатика - це прикладна медико-технічна наука, що є результатом перехресної взаємодії медицини та інформатики: медицина поставляє комплекс «завдання-методи», а інформатика забезпечує комплекс «засоби-прийоми» в єдиному методичному підході, заснованому на системі «завдання-засоби-методи - прийоми».

Предметом вивчення медичної інформатики є інформаційні процеси, пов'язані з методико-біологічними, клінічними і профілактичними проблемами. Об'єктом вивчення медичної інформатики є інформаційні технології, реалізовані в охороні здоров'я. Основною метою медичної інформатики є оптимізація інформаційних процесів у медицині за рахунок використання комп'ютерних технологій, забезпечує підвищення якості охорони здоров'я населення.

В даний час одним з напрямків інформатизації медицини є комп'ютеризація медичної апаратури. Використання комп'ютера у поєднанні з вимірювальною і керуючої технікою в медичній практиці дозволило створити нові ефективні засоби для забезпечення автоматизованого збору інформації про стан хворого, її обробки в реальному масштабі часу і управління її станом.

Розглянемо зв'язок інформатики з сучасною фізикою.

Не слід думати, що та фізика, яка вивчається в школі та більшості непрофільних вузів, представляється єдиною доведеною і структурно злагодженій наукою. У теоретичній фізиці як наукової галузі є достатня кількість гіпотез, в т. ч. і щодо нових, частина з яких вже є доведеними, іншими словами, які стали теоріями.

Однією з фізичних теорій є і теорія Б. Хайма, яка розвинулася в середині XX століття. Одним з її постулатів є те, що ми живемо не в звичному нам чотиривимірному світі (звичайне тривимірний простір + вимір часу). З цих дванадцяти вимірювань чотири - ті ж самі звичні нам, але серед них є і ще два суто інформаційних. Таким чином, дана теорія декларує, що інформація стає відтепер фізичною величиною, має певну (хоча і малої) енергією.

На основі теорії Хайма провідні інститути та університети світу, включаючи Національний інститут аеронавтики і космічних досліджень (NASA, США), ведуть дослідження, що стосуються побудови літального космічного апарату, швидкість якого могла б перевищити швидкість світла у вакуумі.

Оперуючи поняттям «інформація» і досліджуючи його на первинному рівні, інформатика підтверджує свій статус природної науки.

Комп'ютерна хімія (математична хімія) - порівняно молода галузь хімії, заснована на застосуванні теорії графів до хімічних завданням фундаментального і прикладного характеру. Виходячи із загального визначення хімії, як науки про речовини і перетвореннях їх в один одного, можна сказати, що речовини (молекули) моделюються в комп'ютерній хімії молекулярними графами, а перетворення речовин (хімічні реакції) - формальними операціями з графами. Такий формально-логічний підхід у ряді випадків помітно спрощує алгоритмізацію хімічних задач, зводячи їх до типових задач комбінаторики і дискретної математики, і дозволяє шукати вирішення за допомогою комп'ютерних програм. При цьому поряд зі спеціальними програмами в комп'ютерній хімії можуть застосовуватися і універсальні програми: для роботи з таблицями, математичні програми і т. д.

Як приклад типових задач комп'ютерної хімії можна назвати: пошук залежностей типу «структура - властивість»; генерацію наборів хімічних структур, що відповідають заданим параметрам (складу, наявності функціональних груп і т. д.); перерахування всіляких хімічних реакцій між заданими реагентами (так званий «комп'ютерний синтез») і т. д. Поряд із загальними хімічними завданнями в комп'ютерній хімії існує також велика група вузькоспеціальних завдань, тісно пов'язаних з завданнями хімічної інформатики, наприклад, задачі розпізнавання хімічних структур при зверненні до хімічних та фізико-хімічними баз даних. Ця група завдань у свою чергу тісно пов'язана з проблемою ізоморфізму графів.

При вирішенні задач комп'ютерної хімії широко використовуються різноманітні обчислювальні методи та операції з топологічними індексами (інваріантами графів). У ряді випадків формально-логічний підхід розширюється хімічними підходами, наприклад, на додаток до топологічним індексами, що відображає будову молекули, використовуються електронегативності атомів в молекулі, що відображають склад речовини. Методи комп'ютерної хімії часто використовуються в поєднанні з методами квантової хімії, молекулярної механіки та ін. Для обробки результатів обчислювального експерименту широко застосовуються методи математичної статистики. У деяких випадках для пошуку рішень застосовуються методи штучного інтелекту.

Особливу роль методи комп'ютерної хімії грають в органічній хімії, що пояснюється важкою формализуемость останньої, як у порівнянні з іншими природничими науками, наприклад, з фізикою, так і в порівнянні з іншими областями хімії, наприклад, з неорганічної хімією. Комп'ютерна хімія має велике значення і для багатьох найважливіших областей біохімічних досліджень, наприклад, при вирішенні завдань типу «структура-фармакологічна активність», часто в таких дослідженнях методи комп'ютерної хімії доповнюються методами моделювання, специфічними для молекулярно-біологічних систем.

У період становлення і формування в самостійну область новий науковий напрям нерідко отримує різні назви у різних авторів. Так сталося і з комп'ютерною хімією: історично закріпилися дві назви - «комп'ютерна хімія» та «математична хімія». Так, один з наукових журналів, що зробив значний вплив на становлення комп'ютерної хімії, називається «Journal of Mathematical Chemistry». Проте назва «математична хімія» видається невдалим, якщо врахувати, що багато галузі хімії, що сформувалися задовго до появи комп'ютерної хімії, спочатку були засновані на математичному фундаменті, наприклад, фізична хімія, кінетика і каталіз, квантова хімія. При тому, що ряд основних робіт в комп'ютерній хімії був виконаний під час комп'ютери перших поколінь, розвиток комп'ютерної хімії стало можливим тільки з появою сучасних комп'ютерів. Незважаючи на те, що сьогодні комп'ютери використовуються практично у всіх галузях сучасної хімії як для теоретичних так і для експериментальних досліджень, саме комп'ютерна хімія набагато більше за багатьох інших областей хімії залежить від рівня розвитку комп'ютерних технологій. Така залежність пов'язана насамперед зі специфікою найважливіших алгоритмів теорії графів, багато з яких мають експоненційну обчислювальну складність - теоретична оцінка часу, витраченого на виконання алгоритму, є експонентною функцією від розміру графа, тобто від кількості його вершин і ребер, або кажучи мовою - від числа атомів та хімічних зв'язків в молекулі.

З іншого боку, багато завдань хімічної інформатики, що вирішуються за допомогою методів комп'ютерної хімії, вже по своїй постановці неможливі без використання комп'ютера, наприклад, формування і експлуатація комп'ютерної бази даних за властивостями хімічних сполук. Необхідно при цьому зазначити, що сама хімічна інформатика виникла задовго до появи комп'ютерів. Так, були і продовжують широко використовуватися численні хімічні довідники та реферативні журнали, видрукувані на папері. Існують зарекомендували себе і які є класичними методи пошуку по цим виданням із застосуванням всіляких друкованих покажчиків (авторського, предметного, формульного і т. д.), що організовуються без залучення апарату комп'ютерної хімії. Таким чином, на відміну від комп'ютерної хімії, хімічна інформатика, як і переважна більшість традиційних областей хімії, заснована на застосуванні до комп'ютерної технологій. У цьому і полягає основна методологічне відміну комп'ютерної хімії. З певною часткою неточності можна стверджувати, що якщо метою більшості хімічних досліджень є встановлення деяких хімічних закономірностей, то метою досліджень в комп'ютерній хімії є, як правило, певний алгоритм і реалізує його комп'ютерна програма, що дозволяє шукати хімічні закономірності, експлуатація такої програми може проходити вже поза галузі комп'ютерної хімії.

медичний інформаційний процесор програмний