生物計算機是如何計算的？

1918年3月12日，美國生物化學家科恩伯格生於紐約。科恩伯格成功地從大腸桿菌提取液中分離出DNA聚合酶。那麼，你可知道，DNA聚合酶有什麼作用呢？

提到生物計算機的時候，人們往往會想到傳統的生物概念，比方說猴子、大象、細菌、細胞或者是病毒。事實上，生物計算機裡面並沒有任何生命存在，只是有一些在生物體內才能夠找到的材料而已，比如DNA、RNA和蛋白質分子。

聽起來有點奇怪，不過我們可以用生物計算機和電子計算機來做一個類比：電子計算機是以電流來傳遞信號，以邏輯門來控制電路的連通或者斷開；而在生物計算機中，傳遞信號的則是不同的分子——包括DNA（脫氧核糖核酸）、RNA（核糖核酸）和蛋白質分子等。

DNA是我們這個星球上生物的最重要的遺傳物質。1953年，美國分子生物學家詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克發現了DNA的雙螺旋結構，人們這才意識到，DNA之所以擁有驚人存儲能力，是因為它的分子具有和計算機軟體類似的編碼方式。DNA通過4種鹼基的排列組合進行編碼，存儲了生物所有的遺傳信息，這可以被視為一種四進位的表達方式。儘管今天電子計算機廣泛使用的是二進位編碼方式，但二者實則殊途同歸。這也就意味著，理論上我們可以使用4種鹼基的組合來對信息進行編碼，並操作這些編碼來進行運算。

理論上說起來似乎很容易，但第一台真正可以進行計算的生物計算機，是直到20世紀90年代才誕生的。那時，美國南加利福尼亞大學的計算機科學家倫納德·阿德曼偶然看到了詹姆斯·沃森所著的《基因的分子生物學》。在後來的一次訪談中，他講道：「我躺在床上讀沃森的《基因的分子生物學》，DNA像一條四色項鏈，DNA雙螺旋中兩條單鏈的鹼基互補，而聚合酶工作時像圖靈機的讀寫頭遊走於存儲帶一般。我意識到，它可以計算。」

1994年，阿德曼發表了一篇論文，提出了用DNA計算的方式解決一個實際數學問題的技術。這個題目是這樣的：「由14條單行道連接著7座城市，請找出走過上述全部城市的最近路途，而且不能走回頭路。」 這就是著名的「漢密爾頓路徑問題」，是數學中的經典難題。這個問題的困難之處在於，當城市數量增加時，可能存在的連接路徑數量就會大幅增長，且增長速度遠超城市數量增長的速度，這很快就會讓電子計算機無法應對——電子計算機解決這種問題需要先找到所有的可能路徑，再對其分別比較以選出最短路徑來。阿德曼的DNA計算機也使用了類似的方式，而且它的運算速度要比電子計算機快得多，不過，它將結果挑選出來的速度卻要慢得多。首先，他用不同鹼基的組合分子定義出每個城市和每兩個城市之間的路徑，其中路徑的編碼剛好和兩個城市的編碼互補；再把這些分子和合適的酶放進試管，讓它們自由組合。只需要幾秒鐘，分子們就已經組合出了正確的答案，只不過所有正確和錯誤的答案都混在了一起。

電子計算機與生物計算機類比示意圖

接下來，阿德曼花了7天時間才把正確答案挑選出來。他先挑選出長度符合答案的DNA鏈，從中選出所有包含第一個城市的DNA鏈，再從中分出同時包含第二個城市的DNA鏈，以此類推。在經過7次這樣的篩選工作之後，他獲得了同時包含7個城市的DNA鏈，以及連接這7個城市的8條線路。這次在試管里進行的生物計算，終於獲得了數學問題的答案。雖然它的效率很低，但是這畢竟證明了生物計算並不僅僅是紙面上的空想。

DNA雙螺旋結構

阿德曼的成功，掀起了生物計算的熱潮。1997年，美國羅切斯特大學的研究者用DNA分子實現了計算機的基本器件邏輯門，這就讓類似電子計算機所用的那種傳統布爾邏輯運算成為可能。但是，有了邏輯門並不意味著就可以製造出計算機，這就像掌握了燒磚的技術並不意味著能夠建造起摩天大樓一樣。科學家還在繼續摸索。

在進入21世紀之後，這一領域還在不斷發展。2006年美國哥倫比亞大學和新墨西哥州立大學的研究人員製造出了可以玩遊戲的生物計算機，它可以和人一起玩井字棋遊戲，而且總是贏。2008年，美國加利福尼亞理工學院研製出了以RNA分子實現的邏輯門；2011年6月，美國加利福尼亞理工學院的研究者製造出了由74個DNA分子組成的生化電路，可以計算一個小於15的整數的平方根。這是迄今為止最複雜的DNA計算裝置，但是它依然比任何一個單細胞生物都要小得多。這正是生物計算機的最大優點：驚人的存儲容量、極快的運算速度和極低的能耗。DNA具有在極小空間里存儲大量信息的特性，每秒鐘的運算次數甚至可以達到1萬億億次以上，而消耗的能量卻微不足道。

生物計算機

雖然有這樣的優勢，但是也許還需要很長時間才會看到生物計算機擺上我們的桌面。如果要讓它成為一種通用計算機，必須先解決快速分揀和檢測計算結果的問題——人們可不想像阿德曼那樣，花一星期來等待一個問題的計算結果。

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