生物计算机特点及未来发展

摘要：生物计算机具有体积小、效率高、消耗能量低、运行速度快、具备自我修复等特点，是未来计算机发展的重要方向之一。该文介绍了生物计算机的概念提出，探讨了生物计算机的特点，分析了未来生物计算机发展前景。

关键词：生物计算机；生物芯片；仿生学

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）33-7989-02

1 生物计算机

生物计算机也称仿生计算机，实现了生物芯片替代半导体硅片的新型计算机。该种计算机涉及多种学科领域，包括计算机科学、脑科学、分子生物学、生物物理、生物工程、电子工程等有关学科。20世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸（DNA）处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。科学家们发现生物元件可以实现逻辑电路中的0与1、晶体管的通导或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等等。经过特殊培养后制成的生物芯片可作为一种新型高速计算机的集成电路[1]。

生物计算机的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。生物芯片比硅芯片上的电子元件要小很多，而且生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型的硅集成电路高五个数量级。让几万亿个DNA分子在某种酶的作用下进行化学反应就能使生物计算机同时运行几十亿次。生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机更快。生物芯片一旦出现故障，可以进行自我修复，所以具有自愈能力。生物计算机具有生物活性，能够和人体的组织有机地结合起来，尤其是能够与大脑和神经系统相连。这样，生物计算机就可直接接受大脑的综合指挥，成为人脑的辅助装置或扩充部分，并能由人体细胞吸收营养补充能量，因而不需要外界能源。它将成为能植入人体内，成为帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。另外，由于生物芯片内流动电子间碰撞的可能极小，几乎不存在电阻，所以生物计算机的能耗极小。

生物计算机是全球高科技领域最具活力和发展潜力的一门学科，通过生物、计算机、电子工程等学科的专家通力合作，有可能在本世纪将实用的生物计算机推向世界。

2 生物计算机特点

2.1 生物计算机的存储与并行处理

生物计算机在存储方面与传统电子学计算机相比具有巨大优势。一克DNA存储信息量可与一万亿张CD相当，存储密度是通常使用磁盘存储器的1000亿到10000亿倍。

生物计算机还具有超强的并行处理能力，通过一个狭小区域的生物化学反应可以实现逻辑运算，数百亿个DNA分子构成大批DNA计算机并行操作，生物计算机传输数据与通讯过程简单，其并行处理能力可与超级电子计算机媲美，通过DNA分子碱基不同的排列次序作为计算机的原始数据，对应的酶通过生物化学变化对DNA碱基进行基本操作，能够实现电子学计算机的各种功能。生物计算机中含有大量遗传物质工具，能够同时进行上百万次计算。传统电子计算机是以电流速度逐个检验所有可能的解决方案，生物计算机同时处理各分子库中的所有分子，无需按照次序分析可能的答案。电子计算机相当于有一串钥匙，一次用一把钥匙开锁，生物计算机在开锁时一次用几百万把钥匙，其计算速度也将比现有超级计算机快100万倍。生物计算机运算次数可高达每秒1020或更高，进一步研制并结合其它高新技术，生物计算机具有广阔前景。

2.2 生物计算机的芯片永久性

蛋白质分子可以自我组合，能够新生出微型电路，具有活性，因此生物计算机拥有生物特性。生物计算机不再像电子计算机那样，芯片损坏后无法自动修复，生物计算机能够发挥生物调节机能，自动修复受损芯片。因此，生物计算机可靠性非常高，不易损坏，即使芯片发生故障，也可以自动修复。因此，生物计算机芯片具有一定的永久性。

2.3 生物计算机硬件

目前最可能成为生物计算机运算单元的，是DNA（脱氧核糖核酸）或RNA（核糖核酸）。由于DNA本身是依靠A、T、G、C四个独立碱基构成，形成了一个四进制组合，与目前半导体开合动作所形成的二进制类似。科学家使用酶作为生物计算机的“硬件”，DNA作为其“软件”，输入和输出的“数据”都是DNA链，把溶有这些成分的溶液恰当地混合，就可以在试管中自动发生反应，进行“运算”[2]。

生物计算机硬件需要操作DNA分子的酶分子，限制性内切酶主要用于切开包含限制性位点双链DNA，链接酶则是实现DNA链的端点链接，聚合酶用于复制与合成DNA，外切酶选择性破坏双链或单链DNA分子。随着生物计算机技术发展，还有许多酶正在逐渐开发和应用。近年来正在研制的DNA酶，是一种识别DNA单链特殊位点并切开的酶。限制性内切酶有很大的应用空间， 利用不同的酶可以开发出不同的算法； 如McrBC （ Nicking Endonu cleases） 可以识别两个距离很远的甲基化位点并在其中间的特殊位点切开。广义上讲， 能对DNA 分子进行特异性操作的分子和溶液系统以及其他任何系统都构成DNA 计算机的硬件。这些硬件系统将逐步由现在的试管溶液系统过渡到容易实现高度自动化的芯片系统。

2.4 生物计算机的数据结构

DNA是由核苷酸单元组成，核苷酸随着其化学组或碱基的不同而分类。DNA有四种碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶与胸腺嘧啶，用A、G、C、T表示。多个核苷酸顺序排列形成DNA数据链。电子计算机属于0、1编码的二进制数据链，而DNA的数据密度更大，碱基沿着DNA分子链方向的空间距离为0.35nm。即使1nm2一个碱基，DNA数据密度155000Gb/cm2。目前，普通硬盘数据密度为1Gb，DNA二维数据密度将是普通硬盘数据密度的15万倍[3]。

DNA链的另一个重要性质是双螺旋结构，A碱基与T碱基、C碱基与G碱基形成碱基对。每个DNA序列有一个互补序列。这种互补性是生物计算机具备独特优势。如果错误发生在DNA某一双螺旋序列中，修改酶能够参考互补序列对错误进行修复。双螺旋结构相当于计算机硬盘RAID1阵列，一块硬盘位另一块硬盘的镜像，当第一块硬盘破坏时，可通过第二块硬盘进行数据修复。生物计算机自身具备修改错误特性，因此，生物计算机数据错误率较低。

3 发展前景

当今生物计算机发展非常活跃，不远的未来，生物计算机将能够开发其自身的“语言”，实现4进制编码，还可以与生命系统相融合，完成更多目前电子计算机所不能完成的任务。

1983年美国提出了生物计算机的概念。此后，各个发达国家开始研制生物计算机。 生物学家将仿生学运用到生物计算机领域，产生了生物化学分子构架生物计算机的观点。

生物计算机的研究方向主要分两类：一是分子计算机，即制造有机分子元件去代替传统的半导体元件；二是进一步将人脑的结构、思维规律与人工智能相结合，构想出生物计算机结构。生物计算机所研究的内容还包括：生物分子或超分子芯片；与生物现象类比的自动机模式；以生物智能为基础的仿生算法、可控生化反应的生物化学算法、DNA计算机、采用各种生物化学技术实现的细胞计算机等等。生物计算机研究方向中最关键的一环是寻找关键DNA， DNA是控制生命的最终核心，并且能储存巨大信息，因此寻找或人工制造符合计算机需求的DNA是此领域的一个关键[4]。

生物计算机目前仍旧处于蓬勃兴起阶段，国内外正在积极地研制新型生物芯片。尽管生物计算机尚未有取得重大颠覆性的进展，甚至部分学者提出生物计算机目前出现的一系列缺点，例如遗传物质的生物计算机受外界环境因素的干扰、计算结果无法检测、生物化学反应无法保证成功率等，此外，以蛋白质分子为主的芯片上很难运行文本编辑器。但这些并不影响生物计算机这个存在巨大诱惑的领域的快速发展，随着人类技术的不断进步，这些问题终究会被解决，生物计算机商业化繁荣将到来。

参考文献：

[1] Tamar Ratner，Ron Piran，Natasha Jonoska，Ehud Keinan.Biologically Relevant Molecular Transducer with Increased Computing Power and Iterative Abilities. Chemistry & Biology， 2013； 20 （5）： 726 DOI： 10.1016/j.chembiol.2013.02.016.

[2] Watson J D，Berry A.DNA生命的秘密[M].北京：上海人民出版社，2010.

[3] M.谢纳.生物芯片分析[M].北京：科学出版社，2004.

[4] Dan E Krane，Michael L Raymer.生物信息学概论[M].北京：清华大学出版社，2004.

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