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一個畢業(yè)于北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系，在中國科學(xué)院計(jì)算所、計(jì)算中心和網(wǎng)絡(luò)中心工作過，在澳大利亞科工組織DMS、香港浸會學(xué)院數(shù)學(xué)系和中國21世紀(jì)議程管理中心等處工作過，多次獲國家和中科院科技獎并享受政府特殊津貼的退休老頭?，F(xiàn)在在【中國科普博覽】網(wǎng)“科學(xué)新語林”欄目里開設(shè)一個《數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)》的個人專欄，愿和愛好數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的各界網(wǎng)友和青少年朋友，談?wù)剬?shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)的看法、想法。
奇妙的生物計(jì)算機(jī)
張建中
2012年05月25日
生物計(jì)算機(jī)（又叫分子計(jì)算機(jī)），即脫氧核糖核酸（DNA）分子計(jì)算機(jī)，是受人腦具有強(qiáng)大信息處理能力的啟發(fā)，以模擬人腦的生物功能進(jìn)行數(shù)字計(jì)算的一類計(jì)算機(jī)，發(fā)展方向有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、光神經(jīng)計(jì)算機(jī)和生物芯片計(jì)算機(jī)等。
生物芯片計(jì)算機(jī)的主要原材料是由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子做成的生物芯片。
據(jù)最近的報道，美國加州斯克里普斯研究院和以色列理工學(xué)院科學(xué)家開發(fā)出一種生物計(jì)算機(jī)，目前可用于破譯存儲在DNA芯片中的加密圖像。這是首次通過實(shí)驗(yàn)演示基于DNA計(jì)算的分子圖像密碼系統(tǒng)。
電子計(jì)算機(jī)由硬件、軟件、輸入和輸出4個部分構(gòu)成，輸入、輸出的是電子信號，硬件是各種金屬、塑料、導(dǎo)線、晶體管的復(fù)雜組合，軟件是一系列電子信號形式的機(jī)器指令，而生物計(jì)算機(jī)這4個部分全是分子，所有生物系統(tǒng)甚至整個有機(jī)生物界、每個人都是一臺生物分子計(jì)算機(jī)，其硬件和軟件是復(fù)雜的生物分子，分子之間能有邏輯地進(jìn)行“交談”。它們互相激活，執(zhí)行某個預(yù)定的化學(xué)反應(yīng)。輸入是一種經(jīng)過特殊預(yù)定變化的分子，遵循一套特殊的法則（軟件），這種化學(xué)計(jì)算過程的輸出，是另一種明確規(guī)定好了的分子。
生物計(jì)算機(jī)是根據(jù)圖靈機(jī)的模型設(shè)計(jì)的，圖靈機(jī)的操作與DNA鏈極為相似。閱讀開端從一個字母到另一個字母，在每個位點(diǎn)都執(zhí)行4步操作：閱讀字母；用另一個字母替代該字母；改變它的內(nèi)部形態(tài)；移動到下一個位置。一張指令表就是翻譯規(guī)則或翻譯軟件，指示這些操作，構(gòu)成了圖靈機(jī)的簡化版。
對傳統(tǒng)計(jì)算任務(wù)而言，電子計(jì)算機(jī)速度更快、更可靠，生物計(jì)算機(jī)的主要優(yōu)勢在于其生物特性。人們能把大量信息經(jīng)過加密存儲在DNA芯片中，生物計(jì)算機(jī)處理單個步驟雖然比電子計(jì)算機(jī)要慢，但它能平行處理數(shù)萬億的化學(xué)步驟，使整體計(jì)算過程非?？?。
生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性是十分誘人的，現(xiàn)在世界上許多科學(xué)家在研制它。不少科學(xué)家認(rèn)為，50年前的真空電子管，有誰會想到今天的電子計(jì)算機(jī)能風(fēng)靡全球；當(dāng)前的生物計(jì)算機(jī)正在靜悄悄地研制著，有朝一日出現(xiàn)在科技舞臺上，就有可能徹底實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的人類右腦的模糊處理功能和整個大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理功能。
生物芯片計(jì)算機(jī)的主要原材料是由生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子做成的生物芯片。
五彩斑斕的生物芯片。
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)分子中的氫有兩種狀態(tài)，一個蛋白質(zhì)分子就是一個開關(guān)。從理論上講，用蛋白質(zhì)分子作為元件，就能制造出蛋白質(zhì)型的生物計(jì)算機(jī)。由于蛋白質(zhì)分子不僅比硅芯片上的電子元件小得多，而且阻抗低、能耗小，因而既有巨大的存儲容量和高速處理信息的能力，又較好地解決了散熱問題。據(jù)最近的報道，美國加州斯克里普斯研究院和以色列理工學(xué)院科學(xué)家開發(fā)出一種生物計(jì)算機(jī)，目前可用于破譯存儲在DNA芯片中的加密圖像。這是首次通過實(shí)驗(yàn)演示基于DNA計(jì)算的分子圖像密碼系統(tǒng)。
電子計(jì)算機(jī)由硬件、軟件、輸入和輸出4個部分構(gòu)成，輸入、輸出的是電子信號，硬件是各種金屬、塑料、導(dǎo)線、晶體管的復(fù)雜組合，軟件是一系列電子信號形式的機(jī)器指令，而生物計(jì)算機(jī)這4個部分全是分子，所有生物系統(tǒng)甚至整個有機(jī)生物界、每個人都是一臺生物分子計(jì)算機(jī)，其硬件和軟件是復(fù)雜的生物分子，分子之間能有邏輯地進(jìn)行“交談”。它們互相激活，執(zhí)行某個預(yù)定的化學(xué)反應(yīng)。輸入是一種經(jīng)過特殊預(yù)定變化的分子，遵循一套特殊的法則（軟件），這種化學(xué)計(jì)算過程的輸出，是另一種明確規(guī)定好了的分子。
生物計(jì)算機(jī)是根據(jù)圖靈機(jī)的模型設(shè)計(jì)的，圖靈機(jī)的操作與DNA鏈極為相似。閱讀開端從一個字母到另一個字母，在每個位點(diǎn)都執(zhí)行4步操作：閱讀字母；用另一個字母替代該字母；改變它的內(nèi)部形態(tài)；移動到下一個位置。一張指令表就是翻譯規(guī)則或翻譯軟件，指示這些操作，構(gòu)成了圖靈機(jī)的簡化版。
對傳統(tǒng)計(jì)算任務(wù)而言，電子計(jì)算機(jī)速度更快、更可靠，生物計(jì)算機(jī)的主要優(yōu)勢在于其生物特性。人們能把大量信息經(jīng)過加密存儲在DNA芯片中，生物計(jì)算機(jī)處理單個步驟雖然比電子計(jì)算機(jī)要慢，但它能平行處理數(shù)萬億的化學(xué)步驟，使整體計(jì)算過程非?？?。
生物計(jì)算機(jī)的優(yōu)越性是十分誘人的，現(xiàn)在世界上許多科學(xué)家在研制它。不少科學(xué)家認(rèn)為，50年前的真空電子管，有誰會想到今天的電子計(jì)算機(jī)能風(fēng)靡全球；當(dāng)前的生物計(jì)算機(jī)正在靜悄悄地研制著，有朝一日出現(xiàn)在科技舞臺上，就有可能徹底實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的人類右腦的模糊處理功能和整個大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理功能。