13.htm

基因天堂

　　不知是谁为斯坦福周围的信息产业园区起了“硅谷”这个名字，这个人显然
对硅元素在计算机中的垄断地位充满信心，大有“舍硅其谁”的信念和勇气。但
他却过于高估了硅的作用，而同时低估了科学创造奇迹的能力。

　　虽然我们无法统计现在的信息量究竟比以往增加了多少，但可以肯定的是，
这一定是个呈几何级数增长的过程。如今，各种有意义的、没意义的信息塞满了
各种有形的、无形的网络。我们人类把信息爆炸的压力转嫁于计算机上，对计算
机的存储和运算能力提出了前所未有的挑战，“功勋显赫但年老体迈”的硅开始
日益显得力不从心，与此同时，脱氧核糖核酸（DNA）这个创造生命的大分子却
在新的计算机领域大有再创辉煌之意。


<font color=green><b>基因化数字</b></font>

　　尽管我们大多数人并不能确切地说出硅是如何进行信息存储和运算的，但我
们还是会迷迷糊糊地想到一长串“01010101……”，并且因此而觉得我们似乎已
经理解了硅在其中所起的作用。 至于用DNA来制造计算机对我们来说则是一件
不可思议的事情，其实只要你想到一长串“AGCTTGAC……”，生物计算机的概念
也会因此而变得具体起来。

　　由于DNA在创造生命中就扮演存储生命信息的角色，因而我们对DNA具有储
存能力并不奇怪，但如果你没有足够心理准备的话，它所能存储的信息量之大足
以让你目瞪口呆，1克DNA的信息容量竟然有100万兆字节（相当于1万亿张现
有的CD光盘），这样的巨量足以容纳下我们能够收集到的所有信息！

　　但当你从惊诧中清醒过来后，可能仍然会对DNA能否胜任硅的位置表示怀
疑，毕竟，存储功能只是计算机的一部分而已。

　　可事实上计算能力也是DNA的禀赋之一，而并非我们强加于它。在生命系统
中，有很多例子可以明确地显示DNA这一特性。例如，免疫系统每次为了从庞大
的抗体库里选择出合适的抗体来对付特定的抗原，就必需动用极其复杂的计算。

　　了解这些或许可以使我们对DNA的计算能力不至于感到太意外，而且，由于
数百万亿个ＤＮＡ分子可在一个狭小的区域内在某种酶的指令下同时工作，这一
并行处理能力足以使那些只知道埋头苦算的超级硅计算机相形见绌。

　　任何一样东西只要具备两个要素——能够存储信息并且能够加工信息——就
可用来进行运算，而DNA恰恰在这两个方面都具有得天独厚的优势。


<font color=green><b>硬币上的计算机</b></font>

　　和当初制造硅计算机一样，你不要指望一上来就能在DNA上看到丰富多彩的
图形界面或玩三角洲部队游戏，我们必须从一些比较基本的运算开始。

　　1994年，南加州大学的爱德尔曼（Leonard Adelman）成功地用DNA解答了
令硅计算机望而生畏的“销售员旅行”问题，在整个计算世界引起了轰动。所谓
“销售员旅行”问题就是假设一个销售员要从A城市出发，经过若干个城市后，
终于到达特定的B城市，设计一个最经济、有效的销售路线。

　　这类问题实际上有非常广泛的应用，最典型的莫过于我们常在电影里看到破
译密码的过程，如果你设定的密码只有两位，而且都是阿拉伯数字，就是手工一
对对数字试也花不了多少时间，但当你的密码每增加一位数，运算量随之就呈几
何级数增长，如果你再向一个较长的密码中掺入字母的话，这可就够让硅计算机
头痛一阵了。

　　对于这类“销售员旅行”问题，爱德尔曼则将每个城市和每两个城市之间的
路径用DNA链编码。几百万根DNA链弥漫于溶液中，能够自动组成所有可能的路
径组合方式，然后经过一系列分子操纵把正确的解决方法筛选出来。

　　但过去用DNA进行计算时，总是让DNA随意地漂浮于试管的液体中。威斯康
星大学的刘庆华等科学家则克服了这个弊病，他们把DNA分子附着在镀金物体的
表面，这个成果向最终设计出具有实用功能的生物计算机迈出了重要一步。我们
只需要一枚硬币，上面就能够容纳数以兆计的DNA同时进行并行处理，而不必像
传统计算机那样按照次序一个一个地分析。

　　这些科学家还采用“排除法”来执行一个有１６个解的复杂数学运算。他们
先用一串二元数字分别代表问题中涉及到的变量，每一个二元字串又可以用一段
核苷酸单链代表。如果有n个变量，就要有2n个不同的单链（例如5个变量则
需要32个单链）。

　　研究者先将符合题目第一个条件的所有单链固定在一个镀金物体表面，然后
根据题目给出的第二个条件加入互补单链，只有满足该条件的核苷酸单链才能够
互补结合成DNA双链，而余下的单链则用酶解清除，接着用加热法使双链分离，
经过清洗后在镀金表面保留下来的就是所有符合前两个条件的单链。同样的步骤
依次重复几次后，最终只有满足所有条件的DNA单链才能在镀金表面保留，而这
正是题目的解。不过，为了看清答案，还必需加一个步骤，即用PCR技术将这些
单链扩增。

　　很明显，对于一个有m个条件n个变量的问题, 生物计算机的整个求解过程
共需要3m＋1步，而硅计算机则要1.33n个步骤得出答案。例如一个有50个条
件50个变量的问题，生物计算机只要151步，而硅计算机竟然需要160万步。

　　这一相差好几个数量级的对比使我们几乎无法想像等到了生物计算机完善的
那一天，会给整个世界带来怎样翻天覆地的震动，不需地震预报部门预测，我分
明已经感受到了这场地震的前兆。


<font color=green><b>绝妙而令人头痛的错误</b></font>

　　大自然花了几亿年时间，经过无数次推敲，最终才选择了DNA（或RNA）来
做生命的承载体，今天我们已然了解了大自然煞费苦心的理由，DNA能够当选，
不仅是因为它可以精确地进行复制，更在于它会偶尔犯些错误。如果DNA只知道
一心一意、机械刻板地复制自身，我们至今还只是海洋里一些原生动物而已。DNA
偶然的错误为进化提供了丰富的原材料，使最初的一段简单的DNA能够不断编码
出新的生命信息。因此，这些错误非但可以原谅，而且不可或缺。

　　但生命和机械毕竟存在着本质的区别。DNA在生命中恰到好处的“错误”特
性却着实令生物计算机设计者头痛一阵，甚至一度使不少人因此而认为DNA根本
就无法承担起硅的角色。尽管随后生物计算机的进步已经使这种言论失去市场，
并且也已经有一些方法来纠正DNA中可能发生的计算错误，但这仍然是亟待解决
的主要问题之一。

　　但无论如何，生物计算机在短短几年内就已经取得如此成就，足以稳固了
DNA在计算领域中的黑马地位，对硅长期奉行的垄断政策构成了最具威胁的挑
战。

　　20年后，取代我现在桌面上电脑的将是一只小巧的试管，外面的标签上写
着“DNA inside”。
</font></pre>
</td></tr></table></td></tr></table></div>
<center><font class=p3 color=lightseagreen><a href="http://www.myscience.com.cn">【三思言论集】</a>　欢迎给制作人来信：<font face="arial"><a href="mailto:[e-mail]">[e-mail]</a></font></center>
</body>
</html>