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，它们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，里面究竟是哪种生物？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？ 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）、脱氧核糖核酸）、RNA（脱氧核糖核酸）、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 60 多年前说起。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（脱氧核糖核酸）、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 （脱氧核糖核酸）、1928-）和弗朗西斯?克里克（脱氧核糖核酸）、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（脱氧核糖核酸）、鸟嘌呤）、T（脱氧核糖核酸）、胸腺嘧啶）、A（脱氧核糖核酸）、腺嘌 呤）、C（脱氧核糖核酸）、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，但是真正实现则要 到上世纪 90 年代。那时，南加州大学的计算机科学家伦纳德?阿德曼（脱氧核糖核酸）、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，阿德曼提出了用 DNA 计算的方式解决七顶点旅行商问题的方 案（脱氧核糖核酸）、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（脱氧核糖核酸）、1958-）和荻原光德（脱氧核糖核酸）、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 21 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。2012 年 6 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。