用一個(gè)盛著液體的試管解答一道數(shù)學(xué)題?聽(tīng)起來(lái)像是天方夜譚，可這事確確實(shí)實(shí)發(fā)生了。以色列科學(xué)家已經(jīng)研制成功一臺(tái)每秒能執(zhí)行330億次運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，是現(xiàn)在最快的PC機(jī)速度的10萬(wàn)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(lái)計(jì)算的。

為了提高計(jì)算機(jī)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?yàn)榫w管不能無(wú)限制地小下去，一旦小到只有幾個(gè)分子那么大的時(shí)候，一個(gè)古怪的量子現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生:電子會(huì)很輕松地從一個(gè)地方跳到另外一個(gè)地方而不受絕緣層的限制。這勢(shì)必要造成致命的短路。因此，為了使計(jì)算機(jī)速度更快，體積更小，科學(xué)家們不得不探索新的材料和新的方法。

你恐怕不會(huì)相信科學(xué)家們是從什么地方找到他們用來(lái)制造下一代微處理器的材料的。事實(shí)上，成千上萬(wàn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)存在于自然界活的有機(jī)體，也包括我們的身體中。只是它們大多是不可控的，比方說(shuō)我們不能叫一棵樹(shù)來(lái)替我們計(jì)算圓周率π。構(gòu)成我們基因的DNA分子就是這樣一種自然的“納米計(jì)算機(jī)”，它具有超強(qiáng)的計(jì)算潛力?？茖W(xué)家目前正試圖駕馭它，用它來(lái)建造新一代的計(jì)算機(jī)——DNA計(jì)算機(jī)。

在試管里搞計(jì)算

假如有一天你慕名去實(shí)驗(yàn)室參觀DNA計(jì)算機(jī)，你或許會(huì)大吃一驚。哪有什么顯示器、鍵盤、主機(jī)等等計(jì)算機(jī)部件的影子呀，所見(jiàn)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(xué)家告訴你，這就是大名鼎鼎的DNA計(jì)算機(jī)!

雖然冠以“計(jì)算機(jī)”的名，但是DNA計(jì)算機(jī)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(chǔ)的電子計(jì)算機(jī)?？蓜e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(wàn)億個(gè)DNA分子，每個(gè)DNA分子都相當(dāng)于一個(gè)微處理器。當(dāng)我們?cè)谠嚬芾锿哆M(jìn)能剪切DNA鏈的酶蛋白，伴隨著生物化學(xué)反應(yīng)，這些DNA分子就會(huì)執(zhí)行某些運(yùn)算的功能。酶有很多種類，執(zhí)行不同的功能。這樣科學(xué)家就可以選擇不同的酶來(lái)完成自己所需要的運(yùn)算，然后從中撿出所要的答案。

美國(guó)科學(xué)家列諾德·阿德勒曼是最早提出DNA計(jì)算的人。他在1994年的一期《科學(xué)》雜志中，勾勒出如何用DNA計(jì)算來(lái)解決一個(gè)數(shù)學(xué)上著名的問(wèn)題——“旅行推銷商”。該問(wèn)題是要為一個(gè)在若干城市間進(jìn)行巡回旅游的人找到一條最佳路線，使他每個(gè)城市都能到，但都不能超過(guò)一次。當(dāng)城市數(shù)目少的時(shí)候，這個(gè)問(wèn)題也許靠心算就能解決。但當(dāng)城市數(shù)目增加，問(wèn)題就變得復(fù)雜起來(lái)。阿德勒曼在最初的試驗(yàn)中，選擇了七個(gè)城市。讓我們來(lái)看看他是怎樣完成這個(gè)計(jì)算的吧。

DNA能進(jìn)行自我復(fù)制，這是它最大的優(yōu)勢(shì)之一。為了用DNA計(jì)算解決“旅行推銷商”問(wèn)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(gè)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(duì)這些DNA小鏈(一座城市一個(gè))進(jìn)行億萬(wàn)次復(fù)制。(3)把這些小DNA鏈(一座城市一個(gè))放入一只試管中，利用DNA鏈具有連接的親和力這一特點(diǎn)，自動(dòng)生成了較長(zhǎng)的DNA鏈。每根長(zhǎng)鏈代表一個(gè)個(gè)城市之間旅行的可能路線。

代表每一個(gè)城市的小鏈與其他鏈的連接是隨機(jī)的。從數(shù)學(xué)角度來(lái)看，很難說(shuō)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(huì)形成一條(也許會(huì)是數(shù)百萬(wàn)條)代表了正確路線的鏈。

下一步驟是采用特殊的酶來(lái)摧毀上億條代表錯(cuò)誤路線的鏈，比方利用酶反應(yīng)消除路線中所包含的城市總數(shù)超過(guò)七的DNA鏈;再比方說(shuō)，用酶反應(yīng)來(lái)消滅那些首尾兩部分不是代表開(kāi)頭和結(jié)束的兩個(gè)城市的鏈……這樣經(jīng)過(guò)層層篩選，只留下正確的鏈。結(jié)果呈現(xiàn)出一套獨(dú)特的路線，所代表的就是七個(gè)城市的正確排序。

DNA計(jì)算機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

阿德勒曼教授的實(shí)驗(yàn)震驚了世界，人們看到了DNA計(jì)算的誘人前景。和普通的計(jì)算機(jī)相比，DNA計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小，但存儲(chǔ)的信息量卻很大，1克DNA所能存儲(chǔ)的信息量可與1萬(wàn)億張CD光盤相當(dāng)，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)芯片和其他存儲(chǔ)介質(zhì)。在“旅行推銷商”的實(shí)驗(yàn)中，城市數(shù)目少的時(shí)候，DNA計(jì)算機(jī)也許顯不出優(yōu)勢(shì)來(lái)。但如果增加城市的數(shù)目，如果有16個(gè)城市，電子計(jì)算機(jī)就要算一年，如果有18個(gè)城市，電子計(jì)算機(jī)就要算300年。它的計(jì)算量是呈指數(shù)性增加的。而DNA計(jì)算只呈線性增加，在十幾天內(nèi)就可以算出答案。另外，它所耗費(fèi)的能量?jī)H為普通計(jì)算機(jī)的10億分之一。

DNA計(jì)算機(jī)的功能之所以強(qiáng)大，就在于每個(gè)鏈本身就是一個(gè)微型處理器。科學(xué)家能夠把10億個(gè)鏈安排在1千克的水里，每個(gè)鏈都能各自獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算，這叫“并行式計(jì)算”。這種計(jì)算方式意味著DNA計(jì)算機(jī)能同時(shí)“試用”巨大數(shù)量的可能的解決方案。而電子計(jì)算機(jī)對(duì)每個(gè)解決方案必須自始至終進(jìn)行計(jì)算，直到試用下一個(gè)方案為止，這叫“串行式計(jì)算”。所以，電子計(jì)算機(jī)和DNA計(jì)算機(jī)是截然不同的。電子計(jì)算機(jī)一小時(shí)能進(jìn)行許多次運(yùn)算，但是一次只能進(jìn)行一個(gè)指令運(yùn)算;DNA計(jì)算機(jī)進(jìn)行一次運(yùn)算需要大約一小時(shí)，但是一次能進(jìn)行10萬(wàn)億個(gè)指令計(jì)算。人腦的功能介于兩者之間:一小時(shí)進(jìn)行大約10億個(gè)指令運(yùn)算。

DNA計(jì)算機(jī)有別于電子計(jì)算機(jī)的另一特點(diǎn)，是它采用四進(jìn)制而不是二進(jìn)制，因?yàn)镈NA中的A、T、G、C四個(gè)獨(dú)立堿基先天地形成了一個(gè)四進(jìn)制組合，相比二進(jìn)制，四進(jìn)制能節(jié)省一半的運(yùn)算單元，并能提高系統(tǒng)的整體運(yùn)算速度。如果某臺(tái)電腦需要20萬(wàn)個(gè)運(yùn)算單元，在采用了四進(jìn)制后，只需10萬(wàn)個(gè)運(yùn)算單元就能發(fā)揮相同的效果。

此外，比起電子計(jì)算機(jī)來(lái)，DNA計(jì)算機(jī)還有以下幾大優(yōu)點(diǎn):(1)只要哪兒有由細(xì)胞構(gòu)成的有機(jī)體，哪兒就有DNA的來(lái)源;(2)充足的DNA來(lái)源使得其成為廉價(jià)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(jì)算很吸引人，但還有一些技術(shù)瓶頸沒(méi)有突破。首先是其信息的輸出問(wèn)題。DNA計(jì)算也許進(jìn)行得很快，而且是自動(dòng)完成的，但要想看到其正確的計(jì)算結(jié)果，得用手工往試管里加各種不同的酶，剔除錯(cuò)誤的答案，再讓代表正確答案的DNA鏈復(fù)制繁殖，最后才能讀出其結(jié)果。這些都需要很長(zhǎng)的時(shí)間。阿勒德曼教授的實(shí)驗(yàn)之所以用了7天，其中大部分時(shí)間就是花在這些上面了。解決這個(gè)瓶頸需要生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

DNA計(jì)算的優(yōu)勢(shì)在于并行度大。當(dāng)計(jì)算量增加，需要增加并行度時(shí)，就要增加DNA的數(shù)目，但也不能無(wú)限制地增加。達(dá)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(yùn)算量的增加，溶液體積也隨之增加。最后就要一個(gè)水缸甚至一個(gè)游泳池才行。試想，科學(xué)家用一個(gè)游泳池的溶液來(lái)做計(jì)算，場(chǎng)面也許很有趣、很壯觀，但實(shí)在是太不方便了。也許在未來(lái)，科學(xué)家能找到更好的解決辦法。

廣闊的應(yīng)用前景

把DNA計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，也許不失為一個(gè)好辦法。2002年初，日本奧林巴斯公司與東京大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)出了全球第一臺(tái)能夠真正投入商業(yè)應(yīng)用的DNA計(jì)算機(jī)，用于基因的診斷。該計(jì)算機(jī)由分子計(jì)算組件和電子計(jì)算部件兩部分組成，前者用來(lái)計(jì)算分子的DNA組合，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，搜索并篩選出正確的DNA結(jié)果;而后者則對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行分析，并且能將原來(lái)人工分析DNA需要的3天時(shí)間縮短為6個(gè)小時(shí)。專家們估計(jì)，未來(lái)成熟的DNA計(jì)算機(jī)將會(huì)給制藥業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)革命性的改變。

科學(xué)家們還期望有一天把微型的DNA計(jì)算機(jī)安置在我們身體的各個(gè)部位，監(jiān)視身體上細(xì)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(dòng)釋放藥物進(jìn)行治療。更令人期待的是，一旦微小的DNA計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)，我們就可以把按其計(jì)算能力可稱得上是巨型的計(jì)算機(jī)裝在口袋里——這已經(jīng)不僅僅只是技術(shù)的進(jìn)步，更是代表人類更高的智慧了。

(選自《科學(xué)之謎》)