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阿德勒曼&DNA计算机(科普)

已有 4314 次阅读 2008-5-28 08:58 |个人分类:纳米科技|系统分类:科普集锦|关键词:学者

        1994年,美国南加州大学教授雷纳德·阿德勒曼在《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,首次提出用DNA分子构建电脑的设想。作为一位数学家,阿德勒曼教授的研究十分广泛,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。



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