试管里的计算机

试管里的计算机

http://www.sina.com.cn 2003年09月03日22:43 青年参考

“DNA”中具有堪称生命“设计图”的遗传信息。包括我们人类在内，所有生物的细胞中均有DNA。令人吃惊的是，科学家们正在从事使用DNA来进行“运算”的全新计算机的开发。DNA计算机的出现，是否能引发新一轮信息革命？　　突破　　DNA计算机和人玩游戏　　电脑的发展故事，是复杂而迷人的。谁也想不到，从人工计算的时代，可以一路发展到令人惊讶的网络新纪元，而这一出极富魅力的科技大戏，至今仍然高潮迭起，未见停歇。这不，一种能和人玩游戏的DNA计算机问世了！　　8月19日，著名的英国《新科学家》杂志网站发布消息：计算机不再只是一堆电子元件，而可以是试管里的溶液！一件听起来匪夷所思的事情成为现实，世界首台可玩游戏的互动式DNA计算机面世，这是DNA计算机研究领域的新突破。　　这个名为“MAYA”的DNA计算机系统由美国哥伦比亚大学和新墨西哥大学联合研制而成。“MAYA”以构成生命基石的DNA为基础，用复杂的DNA分子反应作为逻辑通道进行数据处理并实现具体的游戏程序。在与人类的百场“井字游戏”较量中，它创下百战百胜的记录。以色列魏茨曼科学研究所著名计算机专家科比－贝尼桑称，“这一新成果标志着科学家们朝实现研制出功能强大的DNA计算机的梦想又迈出了一步，是 D NA计算处理技术上的一个里程碑”。　　与传统计算机“看得见、摸得着”，并有着越来越精致外型不同的是，目前的DNA计算机还都只是躺在试管里的液体。科学家普遍认为，目前计算机的缩微化已接近极限，芯片制造商大约每18个月就会把挤在指甲盖那么大的硅片里的晶体管数量增加一倍，这种成倍增长的速度不会永远持续下去。最终，晶体管会变得非常小，小到只有几个分子那么大。在这样小的距离里，起作用的将是古怪的量子定律：电子会从一个地方跳到另外一个地方而不穿过这两个地方之间的空间，就像破漏的消防水管中的水，这时的电子会越过导线和绝缘层，从而产生致命的短路。因此，人们需要掌握能制造出体积更微小的计算机的技术，DNA计算机就是这一领域的探索方向。　　身世　　DNA计算机9岁了　　如果“MAYA”问世真的会引起一场计算机革命，其根源很可能要追溯到1994年的一个夜晚。这天午夜，美国南加州大学的计算机科学家莱昂纳多－阿德勒曼，躺在床上读詹姆斯－沃特森的《基因分子生物学》一书时突然意识到：人类的基因与计算机处理和存储信息的方式非常类似。计算机存储数据以二进制的0和1两个数字进行数据存储，而生物的DNA则以 A、 T、 C、 G四个字母代表的4种核苷酸作为基本结构。阿德勒曼开始构思其DNA计算机的基础架构，并得到美国国家航空航天局和五角大楼以及其他联邦部门的资助。这年的11月，阿德勒曼在《科学》杂志上公布了他的DNA计算机理论，并成功地运用DNA计算机解决了一个复杂的数学问题———7个城市的哈米尔顿路径问题（即“推销员问题”）。它因19世纪爱尔兰数学家哈米尔顿而得名。问题是这样的：给出一系列任意的城市，每次只经过一个城市，而连接所有城市最短的路径是哪一条。如果城市的数目较少，这个问题容易解决，如果限制在5个城市内，那么你都可以在纸上随便画出答案。不过随着城市数目的增加，问题也就越来越难以解决。若此时有30个城市，那么将会有超过上亿种可能的答案。倘若有100个城市呢？它将使最快的超级计算机耗费上亿年的时间去发掘答案。事实上，困难在于一台传统的电脑只能一次尝试所有可能性中的一个，而用一台DNA计算机，就几乎可以同时考察所有的结合形式。后者实现其目标的诀窍在于，必须先创造出一系列正确的DNA链以开始计算机的处理工作及其后续的清除错误答案的工作。阿德勒曼解决7个城市的哈米尔顿路径问题后，从而测试出了DNA计算机的可行性。他的“试管计算机”在几秒钟内得出了所有可能的哈米尔顿路径，但花去了他数周时间去拣出那些正确的答案。这一成果在国际上产生巨大反响，由此开创了DNA计算机研究的新纪元。　　1996年，来自世界各地的200多名专?一憔勖拦樟炙苟俅笱В餐教植⒖隙?DNA计算机的可行性。一些科学家认为，随着传统的电子计算机制造工艺面临极限， D NA运算有可能为计算机进一步发展另辟蹊径。一旦DNA计算机研制成功，其运算量是目前传统计算机所望尘莫及的，是一个极具开发价值的研究领域。现在，全球十几个国家和地区的研究人员从事DNA计算机研究，并且取得许多突破性进展。2002年2月，日本奥林巴斯公司与东京大学联合开发出了全球第一台能够真正投入商业应用的DNA计算机，用于基因的诊断。该计算机由分子计算组件和电子计算部件两部分组成，前者用来计算分子的DNA组合，以实现化学反应，搜索并筛选出正确的 D NA结果；而后者则对这些结果进行分析，并且能将原来人工分析DNA需要的3天时间缩短为6个小时。　　如今出现的DNA计算机，将彻底改变计算机硬件的性质，改变计算机基本的运作方式，其意义将是极为深远的。我们完全可以做这样一番想象，一旦DNA计算机全面实现，那么真正的“人机合一”就会实现。到那时，人们最不需要的就是电脑，因为人类大脑本身就是一台DNA计算机，人们真正需要的只是一个接口。DNA计算机蕴涵的理念不仅可以使计算的方式产生进化，而且可以使人类的大脑、思维产生进化。　　解密　　在试管里运算的DNA计算机　　DNA计算机概念自1994年提出以来，虽然科学家们已成功设计出一些模型，但这些模型中的DNA绝大多数都是悬浮于充满液体的试管之内来执行运算的。我们知道， D NA是所有生物遗传的物质基础。 DNA由腺膘呤（A）、鸟膘呤（ G），胞密啶（ C）、胸腺密啶（T）4种核苷酸组成，生物的遗传信息就编码存储于这些核苷酸的排列顺序之中。DNA存储信息的能力远大于现有的电子计算机存储芯片及其它存储介质，一克 D NA所能存储的信息量，据估计可与1万亿张CD光盘相当。另外，数百万亿个 D NA分子可在一个狭小的表面区域通过生物化学反应来协调工作。从数学上讲， D NA可以看作是由A、G、 C、 T4个字符组成的字符集。这意味着我们可以用一个含有4个字符的字符集为信息编码。DNA代码与计算机代码所不同的只是它不是二进制的，而是一种四进制代码。与传统电子计算机以“0”和“1”来代表信息不同，在DNA计算机中，信息将以分子代码的形式排列于 D NA上，特定的酶可充当“软件”来完成所需的各种信息处理工作。当DNA分子在某种酶的作用下瞬间完成某种生物化学反应时，可以从一种基因代码变为另一种基因代码。如果将反应前的基因代码作为输入数据，那么反应后的基因代码就可以作为运算结果。这样，通过对DNA双螺旋进行丰富的精确可控的化学反应，包括标记、扩增或者破坏原有链来完成各种不同的运算过程，就可研制成一种以DNA作为芯片的新型的计算机。由于它采用的是一种完全不同于传统计算机的运算逻辑和存储方式，在解决某些复杂问题时将具有传统计算机所无法比拟的优势。　　对于DNA计算机而言，运算过程是通过生物化学反应实现的，而每次反应通常要耗费几分钟甚至几个小时才能完成。与目前每秒钟能够实施上亿次二进制浮点运算的电子计算机相比，DNA计算机运算似乎过于缓慢。然而，有科学家指出，实验室中的一个试管中可含有大约1万亿亿个 D NA片段。每个DNA片段本身就是一个微型处理器，它们各自进行计算。这意味着，DNA计算机能同时进行巨大数量的运算。就此而言，一次反应即使耗费很长时间，单位时间内完成的计算量还是远远超过任何超级电子计算机。DNA计算机几天的运算量，就相当于电子计算机问世以来世界上所有计算机的总运算量。它的能量消耗只有一台普通计算机的十亿分之一。如此优越的分子计算机当然是激动人心的。然而它离实际应用还有相当的距离，尚有许多现实的技术性问题需要去解决。如生物操作的困难，有时轻微的振荡就会使DNA断裂；有些 D NA会粘在试管壁、抽筒尖上，从而就在计算中丢失了等等。　　期待　　DNA计算机脱离试管　　DNA计算机存在两大缺陷，一是由于生化反应本身存在一定的随机性，所以这种运算的结果也就不完全精确：二是参与运算的DNA分子之间不能像传统计算机一样进行通讯，只能各自为战，这对于 D NA计算机今后处理一些大型计算也是一种缺陷。　　虽然 D NA计算机在推广之前仍有许多技术上的障碍，但研究者们正以极大的信心为排除这些障碍并推动DNA计算机的发展而努力着。目前， D NA计算机所能解决的问题都是些很基本的简单计算。但研究人员期望某一天能够将微型DNA计算机注入人体，然后开展杀死病毒、修复正常细胞等工作，从而维持人体健康。他们还相信，遗传物质可以自我复制，并成长为可以处理复杂数据的处理器，其处理能力甚至能够超过电子计算机。科学家们希望最终能够创造出可自我维持的计算机，比如可以用于宇航员身体健康状况的自动监测和调整，新材料开发领域也在探讨DNA计算机的应用，力图通过有效的分子配置生产出新材料。这些足以说明， D NA计算机正试图走出只能解决数学问题的有限用途。DNA计算机正在不断朝着与原来的计算机不同的方向进化。在将来，我们的生活也许会离不开 D NA计算机。（1301）