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用一个盛着液体的试管解答一道数学题?听起来像是天方夜谭,可这事确确实实发生了。以色列科学家已经研制成功一台每秒能执行330亿次运算的计算机,是现在最快的PC机速度的10万倍。你可能想象不到,它不是依靠电子芯片,而是靠试管中的DNA溶液来计算的。
为了提高计算机的速度,人们把电脑微处理器上的晶体管越做越小,但目前已接近极限。因为晶体管不能无限制地小下去,一旦小到只有几个分子那么大的时候,一个古怪的量子现象就会发生:电子会很轻松地从一个地方跳到另外一个地方而不受绝缘层的限制。这势必要造成致命的短路。因此,为了使计算机速度更快,体积更小,科学家们不得不探索新的材料和新的方法。
你恐怕不会相信科学家们是从什么地方找到他们用来制造下一代微处理器的材料的。事实上,成千上万的超级计算机存在于自然界活的有机体,也包括我们的身体中。只是它们大多是不可控的,比方说我们不能叫一棵树来替我们计算圆周率π。构成我们基因的DNA分子就是这样一种自然的“纳米计算机”,它具有超强的计算潜力。科学家目前正试图驾驭它,用它来建造新一代的计算机——DNA计算机。
在试管里搞计算
假如有一天你慕名去实验室参观DNA计算机,你或许会大吃一惊。哪有什么显示器、键盘、主机等等计算机部件的影子呀,所见的只是摆在桌子上的一排排试管,试管里装着清澈的溶液,而科学家告诉你,这就是大名鼎鼎的DNA计算机!
虽然冠以“计算机”的名,但是DNA计算机目前不论在外形、工作材料和工作原理上都有别于传统的以硅为基础的电子计算机。可别小看试管里盛着的几滴DNA溶液,那正是它的奥秘和威力之所在。每滴液体都包含有万亿个DNA分子,每个DNA分子都相当于一个微处理器。当我们在试管里投进能剪切DNA链的酶蛋白,伴随着生物化学反应,这些DNA分子就会执行某些运算的功能。酶有很多种类,执行不同的功能。这样科学家就可以选择不同的酶来完成自己所需要的运算,然后从中捡出所要的答案。
美国科学家列诺德·阿德勒曼是最早提出DNA计算的人。他在1994年的一期《科学》杂志中,勾勒出如何用DNA计算来解决一个数学上著名的问题——“旅行推销商”。该问题是要为一个在若干城市间进行巡回旅游的人找到一条最佳路线,使他每个城市都能到,但都不能超过一次。当城市数目少的时候,这个问题也许靠心算就能解决。但当城市数目增加,问题就变得复杂起来。阿德勒曼在最初的试验中,选择了七个城市。让我们来看看他是怎样完成这个计算的吧。
DNA能进行自我复制,这是它最大的优势之一。为了用DNA计算解决“旅行推销商”问题,阿德勒曼教授采取了下列步骤:(1)为每座城市创建一个专门编码的小DNA链。这些链包含了每座城市和可能路线的信息。(2)对这些DNA小链(一座城市一个)进行亿万次复制。(3)把这些小DNA链(一座城市一个)放入一只试管中,利用DNA链具有连接的亲和力这一特点,自动生成了较长的DNA链。每根长链代表一个个城市之间旅行的可能路线。
代表每一个城市的小链与其他链的连接是随机的。从数学角度来看,很难说所形成的DNA链中哪一条代表了(连接这些城市的)正确路线。然而,这样的链非常之多,所以其中肯定会形成一条(也许会是数百万条)代表了正确路线的链。
下一步骤是采用特殊的酶来摧毁上亿条代表错误路线的链,比方利用酶反应消除路线中所包含的城市总数超过七的DNA链;再比方说,用酶反应来消灭那些首尾两部分不是代表开头和结束的两个城市的链……这样经过层层筛选,只留下正确的链。结果呈现出一套独特的路线,所代表的就是七个城市的正确排序。
DNA计算机的优缺点
阿德勒曼教授的实验震惊了世界,人们看到了DNA计算的诱人前景。和普通的计算机相比,DNA计算机的优点是体积小,但存储的信息量却很大,1克DNA所能存储的信息量可与1万亿张CD光盘相当,远大于现有的计算机存储芯片和其他存储介质。在“旅行推销商”的实验中,城市数目少的时候,DNA计算机也许显不出优势来。但如果增加城市的数目,如果有16个城市,电子计算机就要算一年,如果有18个城市,电子计算机就要算300年。它的计算量是呈指数性增加的。而DNA计算只呈线性增加,在十几天内就可以算出答案。另外,它所耗费的能量仅为普通计算机的10亿分之一。
DNA计算机的功能之所以强大,就在于每个链本身就是一个微型处理器。科学家能够把10亿个链安排在1千克的水里,每个链都能各自独立进行计算,这叫“并行式计算”。这种计算方式意味着DNA计算机能同时“试用”巨大数量的可能的解决方案。而电子计算机对每个解决方案必须自始至终进行计算,直到试用下一个方案为止,这叫“串行式计算”。所以,电子计算机和DNA计算机是截然不同的。电子计算机一小时能进行许多次运算,但是一次只能进行一个指令运算;DNA计算机进行一次运算需要大约一小时,但是一次能进行10万亿个指令计算。人脑的功能介于两者之间:一小时进行大约10亿个指令运算。
DNA计算机有别于电子计算机的另一特点,是它采用四进制而不是二进制,因为DNA中的A、T、G、C四个独立碱基先天地形成了一个四进制组合,相比二进制,四进制能节省一半的运算单元,并能提高系统的整体运算速度。如果某台电脑需要20万个运算单元,在采用了四进制后,只需10万个运算单元就能发挥相同的效果。
此外,比起电子计算机来,DNA计算机还有以下几大优点:(1)只要哪儿有由细胞构成的有机体,哪儿就有DNA的来源;(2)充足的DNA来源使得其成为廉价的资源;(3)不像制造传统的微处理器需要用有毒的材料,DNA芯片是清洁卫生的。
虽然DNA计算很吸引人,但还有一些技术瓶颈没有突破。首先是其信息的输出问题。DNA计算也许进行得很快,而且是自动完成的,但要想看到其正确的计算结果,得用手工往试管里加各种不同的酶,剔除错误的答案,再让代表正确答案的DNA链复制繁殖,最后才能读出其结果。这些都需要很长的时间。阿勒德曼教授的实验之所以用了7天,其中大部分时间就是花在这些上面了。解决这个瓶颈需要生物技术的进一步发展。
DNA计算的优势在于并行度大。当计算量增加,需要增加并行度时,就要增加DNA的数目,但也不能无限制地增加。达到溶液饱和度后,要想再增加DNA的数目,就只能增加溶液体积。随着运算量的增加,溶液体积也随之增加。最后就要一个水缸甚至一个游泳池才行。试想,科学家用一个游泳池的溶液来做计算,场面也许很有趣、很壮观,但实在是太不方便了。也许在未来,科学家能找到更好的解决办法。
广阔的应用前景
把DNA计算机和电子计算机的优点结合起来,也许不失为一个好办法。2002年初,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DNA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。专家们估计,未来成熟的DNA计算机将会给制药业和生物医学领域带来革命性的改变。
科学家们还期望有一天把微型的DNA计算机安置在我们身体的各个部位,监视身体上细胞的健康状况,一旦发现受损伤或者不健康的器官,就能自动释放药物进行治疗。更令人期待的是,一旦微小的DNA计算机成为现实,我们就可以把按其计算能力可称得上是巨型的计算机装在口袋里——这已经不仅仅只是技术的进步,更是代表人类更高的智慧了。
(选自《科学之谜》)
为了提高计算机的速度,人们把电脑微处理器上的晶体管越做越小,但目前已接近极限。因为晶体管不能无限制地小下去,一旦小到只有几个分子那么大的时候,一个古怪的量子现象就会发生:电子会很轻松地从一个地方跳到另外一个地方而不受绝缘层的限制。这势必要造成致命的短路。因此,为了使计算机速度更快,体积更小,科学家们不得不探索新的材料和新的方法。
你恐怕不会相信科学家们是从什么地方找到他们用来制造下一代微处理器的材料的。事实上,成千上万的超级计算机存在于自然界活的有机体,也包括我们的身体中。只是它们大多是不可控的,比方说我们不能叫一棵树来替我们计算圆周率π。构成我们基因的DNA分子就是这样一种自然的“纳米计算机”,它具有超强的计算潜力。科学家目前正试图驾驭它,用它来建造新一代的计算机——DNA计算机。
在试管里搞计算
假如有一天你慕名去实验室参观DNA计算机,你或许会大吃一惊。哪有什么显示器、键盘、主机等等计算机部件的影子呀,所见的只是摆在桌子上的一排排试管,试管里装着清澈的溶液,而科学家告诉你,这就是大名鼎鼎的DNA计算机!
虽然冠以“计算机”的名,但是DNA计算机目前不论在外形、工作材料和工作原理上都有别于传统的以硅为基础的电子计算机。可别小看试管里盛着的几滴DNA溶液,那正是它的奥秘和威力之所在。每滴液体都包含有万亿个DNA分子,每个DNA分子都相当于一个微处理器。当我们在试管里投进能剪切DNA链的酶蛋白,伴随着生物化学反应,这些DNA分子就会执行某些运算的功能。酶有很多种类,执行不同的功能。这样科学家就可以选择不同的酶来完成自己所需要的运算,然后从中捡出所要的答案。
美国科学家列诺德·阿德勒曼是最早提出DNA计算的人。他在1994年的一期《科学》杂志中,勾勒出如何用DNA计算来解决一个数学上著名的问题——“旅行推销商”。该问题是要为一个在若干城市间进行巡回旅游的人找到一条最佳路线,使他每个城市都能到,但都不能超过一次。当城市数目少的时候,这个问题也许靠心算就能解决。但当城市数目增加,问题就变得复杂起来。阿德勒曼在最初的试验中,选择了七个城市。让我们来看看他是怎样完成这个计算的吧。
DNA能进行自我复制,这是它最大的优势之一。为了用DNA计算解决“旅行推销商”问题,阿德勒曼教授采取了下列步骤:(1)为每座城市创建一个专门编码的小DNA链。这些链包含了每座城市和可能路线的信息。(2)对这些DNA小链(一座城市一个)进行亿万次复制。(3)把这些小DNA链(一座城市一个)放入一只试管中,利用DNA链具有连接的亲和力这一特点,自动生成了较长的DNA链。每根长链代表一个个城市之间旅行的可能路线。
代表每一个城市的小链与其他链的连接是随机的。从数学角度来看,很难说所形成的DNA链中哪一条代表了(连接这些城市的)正确路线。然而,这样的链非常之多,所以其中肯定会形成一条(也许会是数百万条)代表了正确路线的链。
下一步骤是采用特殊的酶来摧毁上亿条代表错误路线的链,比方利用酶反应消除路线中所包含的城市总数超过七的DNA链;再比方说,用酶反应来消灭那些首尾两部分不是代表开头和结束的两个城市的链……这样经过层层筛选,只留下正确的链。结果呈现出一套独特的路线,所代表的就是七个城市的正确排序。
DNA计算机的优缺点
阿德勒曼教授的实验震惊了世界,人们看到了DNA计算的诱人前景。和普通的计算机相比,DNA计算机的优点是体积小,但存储的信息量却很大,1克DNA所能存储的信息量可与1万亿张CD光盘相当,远大于现有的计算机存储芯片和其他存储介质。在“旅行推销商”的实验中,城市数目少的时候,DNA计算机也许显不出优势来。但如果增加城市的数目,如果有16个城市,电子计算机就要算一年,如果有18个城市,电子计算机就要算300年。它的计算量是呈指数性增加的。而DNA计算只呈线性增加,在十几天内就可以算出答案。另外,它所耗费的能量仅为普通计算机的10亿分之一。
DNA计算机的功能之所以强大,就在于每个链本身就是一个微型处理器。科学家能够把10亿个链安排在1千克的水里,每个链都能各自独立进行计算,这叫“并行式计算”。这种计算方式意味着DNA计算机能同时“试用”巨大数量的可能的解决方案。而电子计算机对每个解决方案必须自始至终进行计算,直到试用下一个方案为止,这叫“串行式计算”。所以,电子计算机和DNA计算机是截然不同的。电子计算机一小时能进行许多次运算,但是一次只能进行一个指令运算;DNA计算机进行一次运算需要大约一小时,但是一次能进行10万亿个指令计算。人脑的功能介于两者之间:一小时进行大约10亿个指令运算。
DNA计算机有别于电子计算机的另一特点,是它采用四进制而不是二进制,因为DNA中的A、T、G、C四个独立碱基先天地形成了一个四进制组合,相比二进制,四进制能节省一半的运算单元,并能提高系统的整体运算速度。如果某台电脑需要20万个运算单元,在采用了四进制后,只需10万个运算单元就能发挥相同的效果。
此外,比起电子计算机来,DNA计算机还有以下几大优点:(1)只要哪儿有由细胞构成的有机体,哪儿就有DNA的来源;(2)充足的DNA来源使得其成为廉价的资源;(3)不像制造传统的微处理器需要用有毒的材料,DNA芯片是清洁卫生的。
虽然DNA计算很吸引人,但还有一些技术瓶颈没有突破。首先是其信息的输出问题。DNA计算也许进行得很快,而且是自动完成的,但要想看到其正确的计算结果,得用手工往试管里加各种不同的酶,剔除错误的答案,再让代表正确答案的DNA链复制繁殖,最后才能读出其结果。这些都需要很长的时间。阿勒德曼教授的实验之所以用了7天,其中大部分时间就是花在这些上面了。解决这个瓶颈需要生物技术的进一步发展。
DNA计算的优势在于并行度大。当计算量增加,需要增加并行度时,就要增加DNA的数目,但也不能无限制地增加。达到溶液饱和度后,要想再增加DNA的数目,就只能增加溶液体积。随着运算量的增加,溶液体积也随之增加。最后就要一个水缸甚至一个游泳池才行。试想,科学家用一个游泳池的溶液来做计算,场面也许很有趣、很壮观,但实在是太不方便了。也许在未来,科学家能找到更好的解决办法。
广阔的应用前景
把DNA计算机和电子计算机的优点结合起来,也许不失为一个好办法。2002年初,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DNA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。专家们估计,未来成熟的DNA计算机将会给制药业和生物医学领域带来革命性的改变。
科学家们还期望有一天把微型的DNA计算机安置在我们身体的各个部位,监视身体上细胞的健康状况,一旦发现受损伤或者不健康的器官,就能自动释放药物进行治疗。更令人期待的是,一旦微小的DNA计算机成为现实,我们就可以把按其计算能力可称得上是巨型的计算机装在口袋里——这已经不仅仅只是技术的进步,更是代表人类更高的智慧了。
(选自《科学之谜》)