生物计算机里面养着啥生物?

生物计算机里面养着啥生物?

一般来说,当我们不知道一个名词的意思时,会自动地把手伸向计算机键盘,打开搜索引擎浏览一番。但是对于生物计算机这个词条,总觉得搜索到的名词解释仍然令人一头雾水。机器和生命总是在科幻小说和电影中被设定为一对矛盾的事物,是怎样摒弃前嫌组合到一起的呢?既然要由生物来完成计算,里面究竟是那种生物?聪明的细菌还是浸泡在药水中的、插满电极的大脑?而且,只要是生物就会有死亡,要是计算机中某一环节的生物死了,计算机不是就“死机”了?里面储存的信息会不会随着一起消失?

猛犸的解答

一个微微颤动的大脑泡在大罐子里,上面接满了线或许是很多人对于生物计算机最本能的想象了。不过这种想象和真实之间的距离有点远。

生物计算机里,其实没有任何活着的生物或者器官,有的只是一些在生物体内能够找到的材料而已;它们只是一些分子,并没有活与死的区别。 电子计算机是以电流来传递信号的,而在生物计算机中,传递信号的则是不同的分子——生物计算机其实应该叫做DNA计算机或者生物分子计算机,它是由DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白质分子构成的分子自动机。它和今天我们使用的电子计算机十分不同,不过这两者之间却还是有些微妙的相似之处。

这还得从六十年前说起。1948年,现代电子计算机技术的奠基者之一、美籍匈牙利人约翰•冯•诺依曼(John von Neumann,1903-1957)在加利福尼亚州帕萨迪纳做了系列演讲,提出了关于“自动复制机器”的设想。他认为任何能够自我繁殖的系统,都应该同时具有两个基本功能:能够构建某一个组成元素和结构与自己一致的下一代,以及能够把对自身的描述传递给下一代。冯•诺依曼把这两个部分分别叫做“通用构造器”和“描述器”,而描述器又包括了一个“通用机”和保存在通用机能够读取的介质上的描述信息。这样,只要有合适的原料,通用构造器就可以根据描述器的指示,生产出下一台机器,并且把描述的信息也传递给这台新机器。随后,新机器启动,再进入下一个循环。 五年之后,詹姆斯•沃森(James Dewey Watson,1928-)和弗朗西斯•克里克(Francis Harry Crick,1916-2004)发现了DNA的双螺旋结构,人们才意识到大部分生物的遗传物质DNA就具备冯•诺依曼所提出的两个要求。

DNA很像是计算机的硬盘或者冯•诺依曼那个时代的磁带存储器,通过四种碱基不同顺序的编码,存储了生物所有的遗传信息,它本身就是一个描述器。这也就意味着,理论上我们可以使用四种碱基的组合来编码信息,并对其进行运算操作。 我们知道,DNA由G(鸟嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、A(腺嘌呤)、C(胞嘧啶)四种碱基构成,共同构成了相互缠绕的双链阶梯状的双螺旋结构。如果一条单链上某个位置的碱基是腺嘌呤A的话,另一条单链的对应位置上则必然是胸腺嘧啶T;鸟嘌呤G和胞嘧啶C也存在同样的对应关系。这种方式很安全——如果一条DNA单链因为某种原因而被破坏,还可以根据另一条单链上对应位置的碱基把它补全,就像硬盘的镜像备份一样。

虽然理论上来说,DNA分子可以用来构建计算机器,但是真正实现则要到上世纪九十年代。那时,南加州大学的计算机科学家伦纳德•阿德曼(Leonard Max Adleman,1945-)偶然看到了詹姆斯•沃森那本著名的《基因的分子生物学》:“我躺在床上读这本书时,忽然意识到,互补的碱基和聚合酶的这种工作模式可以用来计算。”

1994年,阿德曼在《科学》杂志上发表了一篇论文,提出了用DNA计算的方式解决七顶点旅行商问题的方案(旅行商问题也叫汉密尔顿路径问题,要求在多个顶点之间寻找出一条最短路径,经过所有顶点,但是每个顶点只能经过一次)。对于电子计算机来说,要解决这种问题需要先找到所有的可能路径,再对其分别比较以选出最短路径来。阿德曼的DNA计算机也使用了类似的方式,不过它的运算速度要比电子计算机快得多——但是,挑选出结果却要慢得多。首先,他用不同碱基的组合分子定义出每个顶点和每两个顶点之间的路径,其中路径的编码刚好和两个顶点的编码互补;再把这些分子和合适的酶放进试管,让它们自由组合。只需要几秒钟,分子们就已经组合出了答案,只不过正确答案和所有的错误答案都混在一起而已。 接下来,阿德曼花了七天时间把正确答案挑选出来。他用电泳技术先把长度符合答案的DNA链分拣出来,再用亲和力萃取技术选出所有包含第一个顶点的DNA链,再从中分出同时包含第二个顶点的DNA,以此类推。在经过七次萃取之后,他获得了同时包含七个顶点的DNA链,以及连接这七个顶点的八条线路。这次在试管里进行的生物计算,获得了数学问题的答案。虽然它的效率很低,但是这毕竟证明了DNA计算并不仅仅是纸面上的设想。 阿德曼的成功,掀起了DNA计算的热潮。1997年,美国罗切斯特大学的研究者安尼麦史•雷(Animesh Ray,1958-)和荻原光德(Mitsunori Ogihara,1963-)用DNA分子实现了计算机的基本器件逻辑门,让传统的布尔逻辑运算成为可能。但是只有逻辑门并不意味着可以制造出计算机,就像掌握了烧砖的技术并不意味着能够建造起摩天大楼一样。科学家们还在继续摸索。

在进入二十一世纪之后,DNA计算的热点主要集中到自组装相关计算和体内DNA计算上来。这些研究方向将可能会造就纳米尺度上的计算元件,也可能会制造出针对性很强的新型检测方法和药物。相关的研究成果层出不穷,但是还远远没有能够达到可以实际应用的程度。今年六月,美国加州理工学院的研究者制造出了由74个DNA分子组成的生化电路,可以计算一个小于15的整数的平方根。这是迄今为止最复杂的DNA计算装置,但是它依然比任何一个单细胞生物都要小得多。人们现在努力的方向之一,是把DNA计算移植到芯片上进行,当然其主角依然是那些纳米级尺寸的DNA分子。也许这种计算设备会被叫做“生物计算芯片”,而当它上市的时候我们就会发现,它里面依然没有什么我们一般概念上的生物:没有植物、没有动物,连细菌都没有。 所以,不用担心生物计算机里面的生物;它们不会死掉的。

来源:科学松鼠会 http://songshuhui.net/archives/70494

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