DNA电脑与生物电脑之父——雷纳德·阿德勒曼

www.quantumac.com

　　　1994年，美国南加州大学教授雷纳德·阿德勒曼（L.Adleman）博士，在《科学》杂志上发表一篇题为《组合问题的生物电脑解决方案》的论文，首次提出分子计算机，即用DNA分子构建电脑的设想。作为一位理论数学家，阿德勒曼教授的研究课题十分广泛，他曾与别人合作发明了用于通信的RSA加密码，RSA中的“A”就是他姓名的首字母；此外，他的研究触角也涉及到了爱滋病和生物学领域。

　　DNA（脱氧核糖核酸）是生物基因的物质实体，携带着生命信息的密码。过去大多数科学家都认为，以DNA分子而非电荷形式来处理数据，不过是一种有趣的理论化概念，在几十年之内将不会得到实际的验证。然而，阿德勒曼偏偏做成了这种不可能的“芯片”。以目前的情况，叫它“芯片”或许有点牵强，因为它不再是固体，而是由装满有机液体的微型试管组成，承担计算任务的DNA分子就溶在液体之中。

　　更令电脑界惊讶的是，阿德勒曼竟然利用他发明的DNA生物电脑，解决了一个实际的数学难题。这个题目是这样的：“由14条单行道连接着7座城市，请找出走过上述全部城市的最近路途，而且不能走回头路。” 学数学的人都知道，这是一个经典的数学问题，又叫“推销员问题”（它的正式的名称叫“汉密尔顿路径问题”），该问题的叙述是这样的：“如果一个推销员要在许多个城市推销，每个城市必须而且只能经过一次，如何找到最短的路程？”经典数学中并没有公式可以回答，惟一的解决办法是找到所有可能的路程加以比较，选出最短的一种。然而，即使仅有四个城市，推销员也已面临着12种选择，当然比较所有的路线仍有可能，但随着城市数目的增加，路径将呈现指数增长，穷尽所有的路径变得越来越不可能。

　　阿德勒曼教授设法驱使试管中的DNA分子来完成计算，他用DNA单链代表每座城市及城市之间的道路，并顺序编码。这样一来，每条道路“粘性的两端”就会根据DNA组合的化学规则，与两座正确的城市相连。然后，他在试管中把这些DNA链的几十亿个副本混合起来，让它们以无数种可能的组合连接在一起。其基本工作原理是：单条DNA以预定的方式和与之对应的DNA相配接。通过7天时间的系列生化反应，DNA电脑自动找出了解决问题的唯一答案，即只经过每座城市一次且顺序最短的DNA分子链。这就是说，用生物学方法模拟的逻辑运算，用一个星期时间完成了电脑几年才能完成的工作，表明了用DNA技术处理高难度数学问题的巨大潜力。

　　阿德勒曼的成功实验表明，DNA生物电脑已经不是什么科学幻想，它不但打破了传统意义上的计算机概念，而且有助于揭示生命的本质。阿德勒曼发表的那篇报告，不仅使他成为“生物电脑之父”，而且促使了世界各地至少12个实验室开始这方面的研究工作。现在，许多科学家都把DNA计算技术看作是可以用来替代传统电子技术的主要候选者。

　　例如，美国新泽西州贝尔实验室的研究者，正在改进阿德勒曼的第一台DNA电脑。该实验室的物理学家艾伦·米尔斯说：“我们所做的不再是连接线路，而是将大量的DNA装入罐子，加进盐和酶，然后加以培养，于是不同的 DNA分子就开始互相寻找配对。” 米尔斯的目标是制造一台神经网络计算机，基本构造与人的大脑相仿，不像传统计算机那样采用数字输入，而是一种类比输入。麦迪逊威斯康星大学的研究小组却采取了不同于阿德勒曼的试管办法，他们把DNA链固定到一块镀金的玻璃载片上，使之真正成为DNA芯片。在经过数年的研究之后，该研究小组制造出了几台 DNA芯片计算机，每台都由大约100万亿个由人工合成的DNA链状结构组成。英国利物浦大学的马丁·科莫斯等科学家则希望把DNA计算技术送回到活细胞中，在转基因细胞内部模拟计算机逻辑电路，打算在细菌细胞中实现生物“开关”元件。

　　DNA生物电脑的最大优点，还在于它惊人的存贮容量和运算速度。纳米技术家认为，DNA具有在极小空间里存储海量信息的自然特性，遗传密码符号的间距仅有0.34纳米，1立方米的DNA溶液可存储1万亿亿比特数据；1立方厘米DNA溶液将超过1万亿片CD光盘的存储容量。具有生命特征的这种电脑，运算次数甚至可以达到每秒10的20次方或更高，消耗的能量却微不足道，只有普通电脑的十亿分之一。据说，十几个小时的DNA计算，就相当于人类社会所有电脑问世以来的运算总量。我国国家智能计算机研究开发中心主任、主持研制“曙光”超级电脑的李国杰院士提出，生物计算机要成为一种通用计算机，必须先建立与图林机类似的计算模型。现在DNA电脑最大的问题是很难检测计算结果，一旦这个问题得到解决，DNA生物电脑（芯片）将很快进入实用阶段。

　　据报道，2001年11月，以色列科学家已经成功研制出世界上第一台可编程DNA电脑，这种电脑即使有一万亿“台”，其体积也不超过一滴水的大小。然而，如何真正替代硅芯片成为普遍使用的DNA微处理器，科学界仍然面临着许多挑战。DNA链的并行处理能力非常适合解决类似“推销员问题”，但随着问题复杂程度的增加，DNA数量也将呈几何级数上升。如果推销员要走遍200个城市，生物电脑所需要DNA分子的总量甚至会超过地球的重量。因而，有些专家更倾向于一种“杂交”电脑，让硅芯片和DNA芯片共同承担计算任务。

　　阿德勒曼教授曾经说道：“我并不期待构建一台像PC机那样的DNA电脑，但是，生物电脑可以做用其他技术所不能完成的工作。”他预言说，到2002年DNA电脑就可以解决有20个变量的数学问题。DNA电脑将采用其本身的“语言”，以四进制系统来编码，与“人工生命”的研究范畴将融合在一起。对此，阿德勒曼认为，今后的工程技术人员应该接受更加广泛的科学教育，使自己成为“通才”，全面掌握数学、物理、化学、生物学和计算机科学知识，才能做出更多的发明和创新。或许，这正是他本人的切身体会。