Máquinas de Turing bioquímicas “reiniciam” o Argumento do relojoeiro

Relojoeiro (imagem de MissVormt em NighCafé Studio)

por Fazale Rana

1º de maio de 2012

Quem é o pai da ciência da computação? Embora não seja um nome conhecido, Alan Turing (1912–1954) e seu trabalho impactaram quase todas as facetas da existência humana. Quando tinha 24 anos, o matemático britânico desenvolveu a estrutura teórica que torna a computação digital possível. Essa estrutura é incorporada por uma máquina abstrata e conceitual chamada máquina de Turing.

Na realidade, a influência de Turing se estende muito além da ciência da computação. Ele fundou o campo da inteligência artificial, especulou sobre os limites da computação na física e escreveu sobre a formação de padrões biológicos que ocorrem durante o desenvolvimento. Ele até desempenhou o papel fundamental na decifração do Código Enigma Alemão (mensagens secretas) durante a Segunda Guerra Mundial.

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Máquinas de Turing

Em um nível fundamental, todas as operações de computador são baseadas nas chamadas máquinas de Turing. Nomeadas em homenagem ao matemático britânico Alan Turing, as máquinas não são reais, mas conceituais por natureza. As máquinas de Turing consistem em três componentes: a entrada, a saída e o controle finito.

A entrada é um fluxo de dados que é lido e transformado pelo controle finito de acordo com um conjunto específico de regras. O resultado dessa transformação é um novo fluxo de dados, a saída. Os fluxos de dados de entrada e saída consistem em sequências de caracteres chamadas strings. O controle finito opera um por um em cada caractere da string de entrada para gerar a string de saída. As transformações alcançadas pelo controle finito são relativamente simples por natureza. Cálculos e operações complexas podem ser afetados pela ligação de várias máquinas de Turing, de modo que a string de saída de uma máquina de Turing se torne a string de entrada de outra.

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O trabalho de Turing também carrega significância para a controvérsia criação/evolução, como atestado por um artigo provocativo na Nature. [1] Devido à importância de Turing (e relativa obscuridade), a Nature comemorou o 100º aniversário de seu nascimento em sua edição de 23 de fevereiro de 2012. Vários acadêmicos, incluindo o ganhador do Prêmio Nobel Sydney Brenner, contribuíram com ensaios descrevendo a influência de Turing em sua disciplina.

Máquinas de Turing em Biologia

Brenner, que fez contribuições significativas para a biologia molecular, propõe que o conceito de uma máquina de Turing pode fornecer a estrutura teórica de que a biologia contemporânea precisa para entender a operação da vida em seu nível mais básico. De acordo com Brenner, “A pesquisa em biologia está em crise, e no trabalho de Alan Turing há muito para nos guiar. A tecnologia nos dá as ferramentas para analisar organismos em todas as escalas, mas estamos nos afogando em um mar de dados e sedentos por alguma estrutura teórica com a qual possamos entendê-la.” [2]

Ele continua escrevendo: “Indiscutivelmente, os melhores exemplos das máquinas de Turing podem ser encontrados na biologia (…) O conceito do gene como uma representação simbólica do organismo — um script de código — é uma característica fundamental do mundo vivo e deve formar o cerne da teoria biológica.” [3]

Em outras palavras, para desenvolver uma teoria (muito necessária) da biologia, é necessário ver os sistemas bioquímicos e biológicos como máquinas de Turing.

Máquinas de Turing e Computação de DNA

Brenner não é o primeiro cientista a apreciar a estreita similaridade entre as máquinas abstratas e conceituais previstas por Turing — máquinas que definem a operação de computadores digitais — e sistemas bioquímicos.

O cientista da computação Leonard Adleman reconheceu, há mais de uma década, que as proteínas responsáveis pela replicação, reparo e transcrição do DNA operavam como máquinas de Turing. [4] Essa percepção inspirou o advento da computação de DNA, uma nova arena da biotecnologia.

A computação de DNA trata as sequências de nucleotídeos do DNA como strings de entrada e saída. Os diferentes processos químicos, bioquímicos e físicos que podem ser usados para manipular o DNA no laboratório correspondem ao controle finito que então transforma as sequências de entrada do DNA em sequências de saída. [5] Operações complexas podem ser realizadas ao vincular operações laboratoriais simples realizadas no DNA com a saída de uma operação laboratorial servindo como entrada para a próxima.

Algumas das operações que podem ser executadas em “cadeias” de DNA incluem: separar e fundir fios da dupla hélice de DNA; alongar e encurtar fios individuais de DNA; cortar e unir moléculas de DNA; e modificar, multiplicar e ler a sequência de nucleotídeos de DNA. [6] A união dessas operações simples torna possíveis operações complexas.

Pesquisadores reconhecem várias vantagens nos computadores de DNA. [7] Uma delas é a capacidade de executar um número massivo de operações ao mesmo tempo (em paralelo) em oposição a uma de cada vez (em série), como exigido por computadores baseados em silício. Em segundo lugar, o DNA tem a capacidade de armazenar uma quantidade enorme de informações. Um grama de DNA pode abrigar tanta informação quanto quase 1 trilhão de CDs. E um terceiro benefício é que a computação de DNA opera perto da capacidade teórica com relação à eficiência energética.

É alucinante pensar que as atividades baseadas em informações de sistemas bioquímicos, que ocorrem rotineiramente na célula, podem ser usadas para construir computadores em um ambiente de laboratório. A correspondência direta entre strings de entrada e saída e sequências de DNA deixa duas coisas claras: (1) o DNA é, em sua essência, informação e (2) a maquinaria da célula que manipula o DNA consiste em um conjunto de máquinas de Turing. Computadores de nível molecular têm sido o sonho dos nanotecnólogos há muito tempo. Ao fazer uso dos sistemas de informação da célula para construir computadores de DNA, esse sonho pode se tornar realidade.

Máquinas de Turing e a Analogia do Relojoeiro

A computação de DNA e as máquinas de Turing bioquímicas encontradas dentro da célula exibem um argumento muito poderoso, do tipo Relojoeiro, para a existência de Deus.

O teólogo natural britânico William Paley (1743–1805) propôs esse argumento ao sugerir que as características de um relógio e a interação complexa de suas peças de precisão com o propósito de dizer as horas implicavam o trabalho de um designer inteligente. Paley afirmou por analogia que, assim como um relógio requer um relojoeiro, a vida também requer um Criador, uma vez que os organismos exibem uma ampla gama de aspectos caracterizados pela interação precisa de peças complexas para propósitos específicos.

Ao longo dos séculos, os céticos difamaram esse argumento. Mas a descoberta de motores moleculares — complexos bioquímicos com características semelhantes às de máquinas — revive o argumento de Paley. O crescente reconhecimento de que as máquinas bioquímicas que operam no DNA são verdadeiras máquinas de Turing acrescenta um componente convincente ao revitalizado Argumento do relojoeiro.

Máquinas de Turing são máquinas conceituais que existem apenas em mentes humanas, mas dentro da célula várias máquinas de Turing reais operam no DNA. Esse reconhecimento apresenta uma poderosa analogia dupla para o design inteligente. As máquinas de Turing bioquímicas não apenas destacam os aspectos informativos do DNA, mas também servem como uma analogia do tipo Relojoeiro notavelmente profunda. No entanto, neste caso, a analogia é entre as máquinas de Turing bioquímicas concretas já presentes dentro da célula e as máquinas de Turing conceituais que passaram a existir na mente humana.

A maravilha e o impacto da vida e da obra de Alan Turing são, de fato, de longo alcance.

Notas de Fim

1. Sydney Brenner, “Life’s Code Script”, Nature 482 (2012): 461.
2. Brenner, 461.
3. Ibid.
4. Leonard M. Adleman, “Computing with DNA”, Scientific American, agosto de 1998, 54–61.
5. Ibid.
6. Gheorghe Pӑun, Grzegorz Rozenberg e Arto Salomaa, DNA Computing: New Computing Paradigms (Berlin, Germany: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1998), 19–41.
7. Pӑun et al., 1–6; Leonard M. Adleman, 54–61.

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Traduzido de Biochemical Turing Machines “Reboot” the Watchmaker Argument (RTB)

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