誕生在試管中的DNA計算機

用一個盛著液體的試管解答一道數(shù)學題?聽起來像是天方夜譚，可這事確確實實發(fā)生了。以色列科學家已經研制成功一臺每秒能執(zhí)行330億次運算的計算機，是現(xiàn)在最快的PC機速度的10萬倍。你可能想象不到，它不是依靠電子芯片，而是靠試管中的DNA溶液來計算的。

為了提高計算機的速度，人們把電腦微處理器上的晶體管越做越小，但目前已接近極限。因為晶體管不能無限制地小下去，一旦小到只有幾個分子那么大的時候，一個古怪的量子現(xiàn)象就會發(fā)生:電子會很輕松地從一個地方跳到另外一個地方而不受絕緣層的限制。這勢必要造成致命的短路。因此，為了使計算機速度更快，體積更小，科學家們不得不探索新的材料和新的方法。

你恐怕不會相信科學家們是從什么地方找到他們用來制造下一代微處理器的材料的。事實上，成千上萬的超級計算機存在于自然界活的有機體，也包括我們的身體中。只是它們大多是不可控的，比方說我們不能叫一棵樹來替我們計算圓周率π。構成我們基因的DNA分子就是這樣一種自然的“納米計算機”，它具有超強的計算潛力。科學家目前正試圖駕馭它，用它來建造新一代的計算機——DNA計算機。

在試管里搞計算

假如有一天你慕名去實驗室參觀DNA計算機，你或許會大吃一驚。哪有什么顯示器、鍵盤、主機等等計算機部件的影子呀，所見的只是擺在桌子上的一排排試管，試管里裝著清澈的溶液，而科學家告訴你，這就是大名鼎鼎的DNA計算機!

雖然冠以“計算機”的名，但是DNA計算機目前不論在外形、工作材料和工作原理上都有別于傳統(tǒng)的以硅為基礎的電子計算機。可別小看試管里盛著的幾滴DNA溶液，那正是它的奧秘和威力之所在。每滴液體都包含有萬億個DNA分子，每個DNA分子都相當于一個微處理器。當我們在試管里投進能剪切DNA鏈的酶蛋白，伴隨著生物化學反應，這些DNA分子就會執(zhí)行某些運算的功能。酶有很多種類，執(zhí)行不同的功能。這樣科學家就可以選擇不同的酶來完成自己所需要的運算，然后從中撿出所要的答案。

美國科學家列諾德·阿德勒曼是最早提出DNA計算的人。他在1994年的一期《科學》雜志中，勾勒出如何用DNA計算來解決一個數(shù)學上著名的問題——“旅行推銷商”。該問題是要為一個在若干城市間進行巡回旅游的人找到一條最佳路線，使他每個城市都能到，但都不能超過一次。當城市數(shù)目少的時候，這個問題也許靠心算就能解決。但當城市數(shù)目增加，問題就變得復雜起來。阿德勒曼在最初的試驗中，選擇了七個城市。讓我們來看看他是怎樣完成這個計算的吧。

DNA能進行自我復制，這是它最大的優(yōu)勢之一。為了用DNA計算解決“旅行推銷商”問題，阿德勒曼教授采取了下列步驟:(1)為每座城市創(chuàng)建一個專門編碼的小DNA鏈。這些鏈包含了每座城市和可能路線的信息。(2)對這些DNA小鏈(一座城市一個)進行億萬次復制。(3)把這些小DNA鏈(一座城市一個)放入一只試管中，利用DNA鏈具有連接的親和力這一特點，自動生成了較長的DNA鏈。每根長鏈代表一個個城市之間旅行的可能路線。

代表每一個城市的小鏈與其他鏈的連接是隨機的。從數(shù)學角度來看，很難說所形成的DNA鏈中哪一條代表了(連接這些城市的)正確路線。然而，這樣的鏈非常之多，所以其中肯定會形成一條(也許會是數(shù)百萬條)代表了正確路線的鏈。

下一步驟是采用特殊的酶來摧毀上億條代表錯誤路線的鏈，比方利用酶反應消除路線中所包含的城市總數(shù)超過七的DNA鏈;再比方說，用酶反應來消滅那些首尾兩部分不是代表開頭和結束的兩個城市的鏈……這樣經過層層篩選，只留下正確的鏈。結果呈現(xiàn)出一套獨特的路線，所代表的就是七個城市的正確排序。

DNA計算機的優(yōu)缺點

阿德勒曼教授的實驗震驚了世界，人們看到了DNA計算的誘人前景。和普通的計算機相比，DNA計算機的優(yōu)點是體積小，但存儲的信息量卻很大，1克DNA所能存儲的信息量可與1萬億張CD光盤相當，遠大于現(xiàn)有的計算機存儲芯片和其他存儲介質。在“旅行推銷商”的實驗中，城市數(shù)目少的時候，DNA計算機也許顯不出優(yōu)勢來。但如果增加城市的數(shù)目，如果有16個城市，電子計算機就要算一年，如果有18個城市，電子計算機就要算300年。它的計算量是呈指數(shù)性增加的。而DNA計算只呈線性增加，在十幾天內就可以算出答案。另外，它所耗費的能量僅為普通計算機的10億分之一。

DNA計算機的功能之所以強大，就在于每個鏈本身就是一個微型處理器。科學家能夠把10億個鏈安排在1千克的水里，每個鏈都能各自獨立進行計算，這叫“并行式計算”。這種計算方式意味著DNA計算機能同時“試用”巨大數(shù)量的可能的解決方案。而電子計算機對每個解決方案必須自始至終進行計算，直到試用下一個方案為止，這叫“串行式計算”。所以，電子計算機和DNA計算機是截然不同的。電子計算機一小時能進行許多次運算，但是一次只能進行一個指令運算;DNA計算機進行一次運算需要大約一小時，但是一次能進行10萬億個指令計算。人腦的功能介于兩者之間:一小時進行大約10億個指令運算。

DNA計算機有別于電子計算機的另一特點，是它采用四進制而不是二進制，因為DNA中的A、T、G、C四個獨立堿基先天地形成了一個四進制組合，相比二進制，四進制能節(jié)省一半的運算單元，并能提高系統(tǒng)的整體運算速度。如果某臺電腦需要20萬個運算單元，在采用了四進制后，只需10萬個運算單元就能發(fā)揮相同的效果。

此外，比起電子計算機來，DNA計算機還有以下幾大優(yōu)點:(1)只要哪兒有由細胞構成的有機體，哪兒就有DNA的來源;(2)充足的DNA來源使得其成為廉價的資源;(3)不像制造傳統(tǒng)的微處理器需要用有毒的材料，DNA芯片是清潔衛(wèi)生的。

雖然DNA計算很吸引人，但還有一些技術瓶頸沒有突破。首先是其信息的輸出問題。DNA計算也許進行得很快，而且是自動完成的，但要想看到其正確的計算結果，得用手工往試管里加各種不同的酶，剔除錯誤的答案，再讓代表正確答案的DNA鏈復制繁殖，最后才能讀出其結果。這些都需要很長的時間。阿勒德曼教授的實驗之所以用了7天，其中大部分時間就是花在這些上面了。解決這個瓶頸需要生物技術的進一步發(fā)展。

DNA計算的優(yōu)勢在于并行度大。當計算量增加，需要增加并行度時，就要增加DNA的數(shù)目，但也不能無限制地增加。達到溶液飽和度后，要想再增加DNA的數(shù)目，就只能增加溶液體積。隨著運算量的增加，溶液體積也隨之增加。最后就要一個水缸甚至一個游泳池才行。試想，科學家用一個游泳池的溶液來做計算，場面也許很有趣、很壯觀，但實在是太不方便了。也許在未來，科學家能找到更好的解決辦法。

廣闊的應用前景

把DNA計算機和電子計算機的優(yōu)點結合起來，也許不失為一個好辦法。2002年初，日本奧林巴斯公司與東京大學聯(lián)合開發(fā)出了全球第一臺能夠真正投入商業(yè)應用的DNA計算機，用于基因的診斷。該計算機由分子計算組件和電子計算部件兩部分組成，前者用來計算分子的DNA組合，以實現(xiàn)化學反應，搜索并篩選出正確的DNA結果;而后者則對這些結果進行分析，并且能將原來人工分析DNA需要的3天時間縮短為6個小時。專家們估計，未來成熟的DNA計算機將會給制藥業(yè)和生物醫(yī)學領域帶來革命性的改變。

科學家們還期望有一天把微型的DNA計算機安置在我們身體的各個部位，監(jiān)視身體上細胞的健康狀況，一旦發(fā)現(xiàn)受損傷或者不健康的器官，就能自動釋放藥物進行治療。更令人期待的是，一旦微小的DNA計算機成為現(xiàn)實，我們就可以把按其計算能力可稱得上是巨型的計算機裝在口袋里——這已經不僅僅只是技術的進步，更是代表人類更高的智慧了。

(選自《科學之謎》)