李燕　王煥庭

關(guān)鍵詞：膜計(jì)算;組織P系統(tǒng)

基金項(xiàng)目：2019年校級(jí)自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目——組織P系統(tǒng)在細(xì)胞分裂中的計(jì)算能力研究（項(xiàng)目編號(hào)TCSZ2019KJzd01）

維持人類生存的自然系統(tǒng)，與生俱來的錯(cuò)綜復(fù)雜的相互作用機(jī)制可以看成一個(gè)龐大的計(jì)算系統(tǒng)。自然環(huán)境中蘊(yùn)藏的一些計(jì)算規(guī)律經(jīng)過分析研究，重新演繹，生成新的計(jì)算過程，這就是生物計(jì)算。如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是利用信息處理技術(shù)，對(duì)人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象而建立起來的一種運(yùn)算模型;進(jìn)化計(jì)算，是受自然界生物進(jìn)化過程中“優(yōu)勝劣汰”的自然選擇機(jī)制影響的智能計(jì)算。

細(xì)胞作為一個(gè)基本的生命系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精巧;各組分之間分工協(xié)作，結(jié)構(gòu)與功能緊密聯(lián)系，生命活動(dòng)得以在變化的環(huán)境中自我調(diào)控。細(xì)胞膜將細(xì)胞與外界環(huán)境分隔開，防止細(xì)胞外物質(zhì)自由進(jìn)入細(xì)胞，為細(xì)胞的生命活動(dòng)提供了相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境。生物膜把各種細(xì)胞器分隔開，如同一個(gè)個(gè)小的區(qū)室，作為每一個(gè)膜內(nèi)部的反應(yīng)相對(duì)獨(dú)立的空間，多種化學(xué)反應(yīng)可以同時(shí)進(jìn)行，并且互不干擾，使細(xì)胞生命活動(dòng)高效有序地進(jìn)行?？茖W(xué)家們對(duì)生物膜內(nèi)物質(zhì)的各種化學(xué)反應(yīng)和細(xì)胞膜間物質(zhì)的信息交流、能量交換進(jìn)行抽象和概括，衍生出一種新型的生物計(jì)算——膜計(jì)算，又稱P系統(tǒng)，它是一種新穎的分布式并行計(jì)算模型。

P系統(tǒng)是膜計(jì)算的基本模型，主要通過細(xì)胞膜中對(duì)象的進(jìn)化而實(shí)現(xiàn)信息的計(jì)算和處理。膜將整個(gè)系統(tǒng)劃分成不同的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中放置各自的進(jìn)化對(duì)象及進(jìn)化規(guī)則。字母表中的字符或字符串相當(dāng)于計(jì)算變量，是計(jì)算直接作用的對(duì)象。進(jìn)化規(guī)則類似于運(yùn)算符，對(duì)象按所處區(qū)域中的規(guī)則進(jìn)行演化。按照膜結(jié)構(gòu)，P系統(tǒng)可分為三大類型：細(xì)胞型P系統(tǒng)、組織型P系統(tǒng)和神經(jīng)型P系統(tǒng)。

組織型P系統(tǒng)由多個(gè)單膜細(xì)胞組成，它們依賴指定的通道進(jìn)行交流。通過處理字符串和研究同一環(huán)境中多個(gè)細(xì)胞間的相互作用，組織型P系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)制。其基本膜結(jié)構(gòu)如圖1所示，每個(gè)細(xì)胞中包含了不同的對(duì)象集，單個(gè)細(xì)胞與細(xì)胞之間以及細(xì)胞與環(huán)境之間采用轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)則進(jìn)行通信。組織型P系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)則可以發(fā)生在細(xì)胞1和細(xì)胞2之間，也可以發(fā)生在細(xì)胞1和細(xì)胞3之間，或者細(xì)胞1和細(xì)胞m之間，具體取決于通信通道的建立。

圖1 組織型P系統(tǒng)的膜結(jié)構(gòu)示意圖

給出的組織P系統(tǒng)實(shí)例形式為：

Π=（ V，u，ε，φ1，…，φd，R，iin，，iout）

其中：

（1）V= {a，b，c，d，e};是字母表中的5個(gè)字母;

（2）u=[[]1[]2[]1]0 ，將環(huán)境看作是系統(tǒng)最外層的膜;

（3）ε= {a，b}，是環(huán)境中的字母表;

（4）φ1=ab4c，φ2=ab2d，φ3=c4d，分別是膜1、膜2、膜3中的初始對(duì)象，

（5）R={r1= （1，b /d ，3），r2= （2，a / c，3），r3 =（1，a / b，2），

r4 =（3， e/d2 ，0），r5= （1，d /λ，0）}，是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)則集;

（6）iin= 1，iout= 0，前者表示輸入膜是膜1，后者表示輸出膜是環(huán)境。

圖2 組織型P系統(tǒng)實(shí)例示意圖

從（a）圖中，我們看見了P系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及膜1、膜2、膜3中包含的不同對(duì)象。（b）圖讓我們看到，通過規(guī)則集的運(yùn)用，三個(gè)膜中的對(duì)象都發(fā)生了變化。實(shí)例中，R包含了r1、r2、r3、r4、r5五種轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)則。當(dāng)膜1中包含一個(gè)對(duì)象b、膜3中包含一個(gè)對(duì)象d時(shí)，膜1輸送一個(gè)b給膜3、膜3轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)d給膜1。當(dāng)膜2中包含一個(gè)對(duì)象a、膜3中包含一個(gè)對(duì)象c時(shí)，膜2輸送一個(gè)a給膜3、膜3轉(zhuǎn)運(yùn)一個(gè)c給膜2。當(dāng)膜1中包含一個(gè)對(duì)象a并且膜2中包含一個(gè)對(duì)象b時(shí)，膜1和膜2中就會(huì)發(fā)生物質(zhì)交換，稱作一次交流。規(guī)則四發(fā)生在膜3與環(huán)境之間，膜3輸送給環(huán)境一個(gè)對(duì)象e，又從環(huán)境中獲得兩個(gè)對(duì)象d。規(guī)則五表示膜1輸送給環(huán)境一個(gè)對(duì)象d，而環(huán)境不需要輸送任何對(duì)象給膜1。

在組織P系統(tǒng)的每一步運(yùn)行中，所有可執(zhí)行的對(duì)象都要求同時(shí)被執(zhí)行規(guī)則，并且所有規(guī)則都以一種高度并行的方式運(yùn)行。細(xì)胞被生物膜分成多個(gè)區(qū)域，各區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)同步的數(shù)據(jù)處理，多個(gè)計(jì)算單元可以合作并行的進(jìn)行計(jì)算，相比傳統(tǒng)的獨(dú)個(gè)單元的計(jì)算，計(jì)算能力也有了顯著的提高。

參考文獻(xiàn)

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