Зачем учёные делают компьютеры на грибах, конопле и слизи?

В начале февраля 2023 года мировые новостные агентства сообщили о том, что британские учёные™ учинили очередной научный эксперимент повышенной причудливости. На сей раз — с грибами. Нет, не в смысле психоделики, а в смысле, внезапно, информационных технологий.

В лаборатории нетрадиционных вычислений (sic!) (Unconventional Computing Laboratory) Университета Западной Англии в Бристоле собрали работающую электронную схему, в которой традиционная элементная база на кремнии и металле совмещается с живой грибницей. И всё это умудряется ещё и работать.

Конечно, далеко не так эффективно и быстро, как работала бы обычная схема на традиционном «железе» без грибов — но всё же. Более того, электроды из нитей грибного мицелия обладают возможностью самовосстановления: они «зарастают» повреждённые участки.

Электроды и грибы шизофиллум (Schizophyllum commune) в лаборатории UWE

Дело в том, что гифы, нити грибного мицелия, из которого, собственно, грибы и состоят, не просто способны передавать электрические сигналы в некоем подобии нейронов животных, но и занимаются этим сами по себе при обычной жизнедеятельности гриба. Для чего грибы используют природные полупроводники — пока неясно.

Самые романтические версии говорят о том, что огромные переплетённые грибницы работают как нейросети и могут обладать каким-то подобием мыслительной деятельности. Менее романтические и более реалистичные — что электросигналы в грибных гифах являются каким-то побочным результатом процесса поглощения питательных веществ из внешней среды в виде влажной почвы или чего-то разлагающегося, чем, собственно, грибы и живут.

А вот из воды грибы получать питательные вещества не могут, как и двигаться хоть стаями, хоть поодиночке — посему подболотники Катамаранова красивы и меметичны, но нереалистичны

Передача сигналов через мицелий весьма похож на передачу сигналов между нейронами головного мозга ^[1]. А для увеличения скорости и надёжности такой «грибной» связи исследователи научились увеличивать проводимость отдельных нитей мицелия, стимулируя их в определённых точках.

Однако большинство публикаций этим и ограничиваются: британские учёные сделали компьютер из грибов, лол, кек, лайк-репост. Часть статей и вовсе утверждают, что в лаборатории нетрадиционных вычислений Университета Западной Англии в Бристоле собрали ни много ни мало — работающую материнскую плату с процессором. И даже выкладывают в подтверждение фотографии материнки с грибами на поверхности. Само собой, всё пока что не настолько сурово, а плата с грибами — это локальная хохма британской лаборатории.

Та самая материнская плата с грибами

Ну а мы попробуем копнуть чуть глубже и посмотреть, чем же на самом деле занимаются в той самой лаборатории в Бристоле, насколько далеко они продвинулись в действительности, и почему, в конце концов, они пытаются — уже не первый год — скрестить традиционное железо с нетрадиционными грибами.

И зачем им в лаборатории с грибами ещё и конопля? Нет, совсем не для того, о чём многие из вас подумали.

В Бристоль, друзья!

Итак, лаборатория нетрадиционных вычислений Университета Западной Англии существует уже более двух десятков лет: с 2001 года. Руководителем и главным двигателем её идей является эксцентричный и слегка скандальный, как и положено британскому учёному, профессор Эндрю Адамацки. Вот тут его персональный профиль ^[2] на странице Университета Западной Англии. Помимо руководства лабориторией, Адамацки является профессором нетрадиционных вычислений на факультете компьютерных наук.

Своей темой Эндрю Адамацки занимается очень давно. Его первая книга, «Идентификация клеточных автоматов ^[3]», вышла аж в 1994 году. Описание гласит, что в этой книге представлены «основы и развитие теории идентификации клеточных автоматов и её применения к природным системам», включая «разработку алгоритмов идентификации клеточных автоматов и концептуальные вопросы теории автоматов».

С тех пор у Адамацки вышло несколько книг и немало научных статей, так что при всей причудливости темы исследования и части личных фотографий, профессор — вполне серьёзный академический учёный.

Эндрю Адамацки (в центре) и его коллеги анонсируют начало экспериментов ^[4] по созданию «грибного сознания», октябрь 2020 года

Строго говоря, шум вокруг очередных заявлений и экспериментов Адамацки имеет место почти что каждый год. Даже в 2023-м до нашумевшей статьи в Popular Science с фотографией заросшей грибами платы они уже сообщали о новой разработке: оказалось, что высушенная поверхность чайного гриба — колонии дрожжей с бактериями, которые используются как советскими бабушками в трёхлитровых банках, так и хипстерскими кафе для производства модной комбучи — можно разделять на тонкие слои, высушивать и использовать вместо полимерного текстолита для создания печатных плат.

Полученные грибные платы, на которых напечатали токопроводящие дорожки из комбинации меди с полиэстером, показали устойчивость к влаге и повышенной температуре, а также способность сохранять функциональность при взаимодействии с LED-элементами при растяжении и изгибании — на что текстолитные платы неспособны. По мнению Адамацки, такие грибные платы могут оказаться очень полезны для создания гибких носимых электронных устройств.

Эксперимент лаборатории профессора Адамацки по печати плат на чайном грибе

Но грибные платы — лишь одно из направлений исследований профессора Адамацки и его коллег по лаборатории нетрадиционных вычислений, далеко не основное. В целом в исследованиях Адамацки речь идёт об уже давней идее использовать живые организмы и их ткани в качестве элементов вычислительных устройств. Эта концепция именуется Wetware («мокрое оборудование») по аналогии с Hardware («твёрдое оборудование / железо») и Sofware («мягкое оборудование / софт»).

Грибы — довольно странные создания живой природы. Биологическая систематика не относит их ни к растениям, ни к животным, выделяя в особое царство эукариотов: организмов, чьи клетки содержат ядро с записанной в молекулярном коде генетической информацией. Грибы, подобно растениям, способны к неограниченному росту, они обычно неподвижны и обладают прочными клеточными стенками.

Однако, подобно животным, грибы неспособны к фотосинтезу, они питаются тем, что «найдут» разветвлённым и растущими в среде нитями мицелия. Как животные, они запасают гликоген вместо крахмала и выделяют мочевину — а вместо растительной целлюлозы в качестве «строительного материала» используют хитин. Тот самый, из которого состоят панцири насекомых.

Гиднеллум Пека из Приозёрского района Ленинградской области глядит на тебя, юзернейм, как шоггот. И есть его точно не стоит. А ещё он буквально набит цезием-137, который собирает из окружающей среды

В общем, если вдуматься в то, насколько странны грибы — создания Лавкрафта начинают нервно курить в углу.

Более того, даже вроде бы всем знакомые растущие в лесах шляпочные грибы обычно представляют собой огромные сети. Торчащие из мха и на пеньках объекты, которые мы в быту называем грибами — это всего лишь их плодовые тела, выполняющие примерно те же функции размножения и распространения, что цветы у растений.

«Подлинный» гриб — это огромная погружённая в почву грибница, сеть из нитей-гифов мицелия, который не только поглощает питательные вещества из почвы, но и работает как сеть передающих электрические импульсы природных полупроводников.

«Грибы — не то, чем кажутся!»

При этом, как показали исследования уже китайских учёных во второй половине 2010-х годов, сети грибницы не только передают электросигналы внутри себя, но и каким-то образом участвуют в передаче информации между соприкасающихся между собой растениями. В китайском эксперименте исследователи заражали вредным грибком томаты, как связанные между собой через корни неболезнетворной грибницей, так и изолированные.

Оказалось, что при наличии связи через мицелий второе растение заболевало реже, а при заболевании переносило заболевание легче, чем томаты-одиночки. Как именно это работает, посредством электросигналов, биохимии или чего-то ещё, внятных ответов пока что нет, но работают над загадками «грибных информационных сетей» отнюдь не только британские учёные. Возможно, и в пучине программ DAPRA, и в других странах тоже занимаются чем-то подобным.

Разумный гриб Майк и его увлечённый психоактивными веществами коллега-биохимик Эндрю на службе американского «глубинного государства» из мультсериала Inside Job

Стоит отметить и японские эксперименты над поведением грибниц, которое по странным причинам выглядит не вполне безмозглым невзирая на отсутствие чего-то подобного обособленному мозгу ^[1] или иному «биопроцессору». В 2008 году профессор Университета Хоккайдо Тосиюки Накагаки опубликовал в журнале Nature статью о том, что в его экспериментах мицелий продемонстрировал способность собирать и использовать информацию, определяя своё местоположение в пространстве и учитывая это при дальнейшем распространении в означенном пространстве. Более того, эта информация оказывается сохранена в его отделившихся, обособленных фрагментах.

Профессор Накагаки ещё с 2000 года экспериментировал с ростом слизевика Physarum polycephalum, который пытался добраться своими гифами до питательного сахара в лабиринте. На первый заход грибница пыталась добраться до сахара четыре часа, путаясь в ходах лабиринта. Найдя его, плазмодий слизевика, отличающийся (если сильно упрощать, строго говоря, это не гриб, а отчасти похожий на него буйный и самобеглый родственник) от обычной грибницы более быстрым распространением и способностью оперативно избавляться от ненужных нитей, «определил» оптимальный маршрут и высушил за ненадобностью избыточные нити на менее выгодных направлениях.

Ну а отделённые фрагменты слизевика и вовсе повели себя в аналогичном лабиринте неожиданно. Будто запомнив оптимальный маршрут, они немедленно, с одной стороны, проросли именно по наилучшему направлению, а с другой и вовсе, «осознали» трёхмерность объекта и кинули дополнительные нити поверх невысоких стенок лабиринта. Результат эксперимента оказался стабильно повторяющимся. Эти выводы оценили не только учёные: в 2008 году профессор получил за свои исследования Шнобелевскую премию.

Профессор Накагаки и его дрессированная плесень

Ну а в 2009 году Тосиюки Накагаки поместил миксомицет на импровизированную карту Токио с окрестностыми городами — и тот пророс и закрепился примерно так же, как выстроена реальная система железных и прочих дорог на равнине Канто. Профессор сделал вывод, что таким образом можно просчитывать оптимальные сети маршрутов — заслужив тем самым вторую Шнобелевку в 2010 году. Впрочем, эксперименты в других странах показали, что способ вполне рабочий и практически применимый, несмотря на свою экзотичность.

Собственно, с плазмодием работает и лаборатория профессора Адамацки. Он и его коллеги ещё в 2014 году выявили передачу информации внутри плазмодия посредством электрических сигналов. По полученным ими зависимостям напряжения внутри нитей плазмодия от времени можно они, по их утверждениям, сумели отследить и расшифровать определённые типовые информативные сигналы, связанные с состоянием плазмодия.

Выглядели эти сигналы примерно так

По данным лаборатории нетрадиционных вычислений, плазмодий представляет собой биологический мемристор — резистор с памятью, сопротивление которого в цепи меняется под действием приложенного напряжения. В результате плазмодиевый мемристор в каждый момент времени обладает «памятью» на 3–5 суток о том, что происходило в его электрической цепи прежде.

По мнению Адамацки, по ёмкости и скорости плазмодиевые мемристоры имели потенциал превзойти флеш-память и может в дальнейшем позволить создавать элементы для электроники компьютеров с несравнимо меньшим электропотреблением.

Он и его немецкие коллеги из университета Баухауз в Веймаре во главе с профессором Терезой Шуберт в том же 2014 году сконструировали логические схемы, которые используют сеть взаимосвязанных трубочек слизевиков для обработки информации. Для этого они выращивали сеть из плазмодия, приманивая его питательными веществами и отпугивая кристаллами соли, а затем заставляли его работать как биочип. На тот момент они могли совершать операцию логического сложения (XOR) и операцию НЕ-ИЛИ (NOR). Это базовые элементы цифровой схемы, объединение которых позволило бы компьютеру из слизи выполнять бинарные операции.

Для проверки результатов использовалось окрашивание миксомицета в различные красители

Однако затем профессор Адамацки пришёл к выводу о том, что слизевики — направление интересное, но для создания устойчивых биологических элементов для вычислительных машин — тупиковое. Слизевики показали себя слишком нестабильными, на них оказалось сложно достичь постоянства вычислений. Поэтому исследователи из лаборатории в Бристоле перешли к более устойчивым по форме материалам — собственно грибам.

Профессор Адамацки и коллеги стали экспериментировать с… вешенками. Самыми обычными грибами, которые много где растут и много где продаются, так как используются в пищу. Как показал опыт, лучше всего вешенки росли именно на конопляной подложке — именно так в лаборатории с грибами и появилась конопля.

Британские учёные начали с измерения колебаний напряжения между ножками и шляпками плодовых тел вешенок. Самые большие колебания из отмеченных составляли 0,8 мВ, время между колебаниями варьировало в пределах 20—48 минут.

Эндрю Адамацки, знаменитый британский исследователь использования грибов в IT, в менее формальном облике

А затем профессор Адамацки с коллегами приступил к всевозможным экспериментам над несчастными грибами. На шляпки помещали сахар, соль и этиловый спирт, их опаляли огнём. На сахар грибы не реагировали, как им в общем и положено — плодовое тело не предназначено для питания. Зато плодовые тела «сообщали» друг другу электросигналом через грибницу, скажем, о попытке поджога: ответ незатронутого огнём гриба заключался в деполяризации в 0,02 мВ продолжительностью 6 секунд и соответствующей реполяризации через 9 секунд.

На соль грибы реагировали поспокойнее и помедленнее: через 12—15 секунд после нанесения соли электрический потенциал наблюдаемых грибов падал примерно на 0,2—0,8 мВ, и восстанавливался примерно через 30 секунд после окончания воздействия.

Бесчеловечные эксперименты британских учёных над грибами

На полученных элементах Адамацки и коллеги стали пробовать реализовывать операторы булевой алгебры, используя возбуждённые воздействием грибы как «единицы», а спокойные — как «нули». Эксперименты показали принципиальную возможность использования грибного мицелия для передачи и получения импульсных сигналов, которые можно закодировать в двоичный код, используемый в классических компьютерах.

Логические операторы в грибных импульсах

Правда, процесс оказался очень медленным. Адамацкий заявил, что как минимум это может не оказаться помехой при использовании «грибных вычислений» для анализа состояния лесов. И продолжил исследования, финансируемые до Брексита в том числе в рамках программы Евросоюза «Horizon 2020». Сам он определённо является фанатом своего научного увлечения, как и его коллеги, и то, что создание полноценных вычислительных машин на грибах — явно дело весьма отдалённое, его не останавливают.

Однако исследования грибных компьютеров — дело небыстрое во всех смыслах, а для их продолжения нужны деньги. Для денег же никак не повредит некоторый хайп. В том числе для этого Адамацки и компания периодически набрасывают про близость грибных компьютеров в СМИ и соцсети, и где-то с 2019 года это приобрело вирусный характер.

Примерно так эксперименты Адамацки и компании выглядят для обычного читателя упоротых новостей (на кадре из аниме Little Witch Academy увлечённая грибами Сюзи Мамбаваран презентует очередной проект их применения)

С тех пор Адамацки успел обнаружить возможность дополнительно усиления импульсов в грибных гифах при их синхронной стимуляции. А также задуматься о возможности создания грибных компьютеров не на двоичной логике, и о построении нейросетей на грибах.

Собственно, нашумевшая статья ^[5] конца февраля 2023 года из Popular Science представляет собой не более чем зарисовки журналиста о походе в лабораторию нетрадиционных вычислений университета в Бристоле, с перечислением уже звучавших ранее тезисов учёного о его основных идеях и перспективах грибных вычислений.

Настоящие эксперименты лаборатории профессора Адамацки выглядят куда скромнее и научнее, нежели меметичная материнка с грибами: так выглядит процесс регистрации динамики электрического сопротивления мицелия вешенок, растущих на конопляной стружке

Но журналисты опубликовали в статье фото лабораторной хохмы с материнской платой с грибами, читатели прочитали не тем местом, и по сети разлетелись новости чуть ли не о создании Адамацки натурально ПК на грибах, где они заменили аж современный центральный процессор вкупе с памятью. И понеслось.

Увы, при всей увлекательности грибных исследований — до подобного ещё очень далеко, и выглядеть такое устройство даже при успешном создании будет совсем иначе. Зато лаборатория получила очередной хайп — что, возможно, поможет более чем серьёзным и вполне академическим исследованиям, которые в ней ведутся. И, вполне возможно, в итоге дадут действительно большие и полезные результаты.

Ведь мы до сих пор очень смутно представляем себе, какой потенциал таится в «самых обыкновенных» грибах.

🏆 Голосуй за нас на премии «ЦОДы РФ»! ^[6]

Автор: Алексей Костенков

Источник ^[7]