DNA計算機中隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計及實現(xiàn)分析

　　摘 要：隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展和更新?lián)Q代，使得計算機的應(yīng)用也越來越廣泛，同時計算機的技術(shù)也越來越高端、功能也越智能化。計算機的數(shù)據(jù)存貯量的多少和計算機的反應(yīng)速率也來越受到人們的重視。DNA計算機可以貯存的信息是普通電腦硬盤所能貯存的數(shù)億倍，而解決各種繁蕪雜亂的問題所耗費的時間僅為現(xiàn)今最具效率的超級計算機的一小部分。而DNA計算機也無疑成為高信息時代的一個重要的新發(fā)明。
　　關(guān)鍵詞：DNA計算機;隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);設(shè)計及實現(xiàn)
　　
　　一、基本原理
　　機器計算的歷史可以追溯到1641年，當年18歲的法國數(shù)學家帕斯卡爾成功地制造了一臺齒輪傳動的八位加法計算機。這使人類計算方式、計算技術(shù)進入了一個新的階段。后經(jīng)人們數(shù)百年的艱辛努力，終于在1945年成功地研制出了世界上第一臺電子計算機。從此，人類進入了一個全新的計算技術(shù)時代。到了21世紀，可以說是信息時代的大爆炸。新型芯片的誕生使得計算機越來越小，越來越普及。從最早的帕斯卡爾齒輪機到今天最先進的電子計算機，其計算方式都是一種物理性質(zhì)的符號變換，具體是由“加”和“減”這種基本動作構(gòu)成的。將計算數(shù)據(jù)運用進制的方式輸入電腦中，使得人們的計算量加大，并且計算精準度也相對較高。然而，目前的DNA計算則有了本質(zhì)的變化，計算不再是一種物理性質(zhì)的符號變換，而是一種化學性質(zhì)的符號變換，即不再是物理性質(zhì)的“加”“減”操作而是化學性質(zhì)的切割和粘貼、插入和刪除。這種新的計算方式的變革是前所未有的，具有劃時代的意義。
　　DNA分子鏈，是一條雙螺旋長鏈，上面布滿了核苷酸，共擁有四種堿基：腺瞟呤（A）、鳥瞟呤（T）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（G），DNA分子的不同排列方式構(gòu)成了大千世界中生物細胞的信息。數(shù)學家、生物學家、化學家以及計算機專家從中得到了啟迪，他們利用DNA能夠編碼信息的特點，先合成具有特定序列的DNA分子，使它們代表要求解的問題，然后通過生物酶的作用（相當于加減乘除運算），使他們相互反應(yīng)，形成各種組合，最后過濾掉非正確的組合而得到的編碼分子序列就是正確答案。
　　二、目前DNA計算機存在的問題
　　1.空間指數(shù)暴增的問題
　　隨著問題規(guī)模的不斷增大，所需要的DNA數(shù)據(jù)量也會成一定比例的遞增趨勢。數(shù)值在運算過程中，隨著數(shù)據(jù)輸入的增多而計算機根據(jù)DNA鏈的原理將數(shù)據(jù)進行捆綁式計算。這樣會增加計算的反應(yīng)難度，降低了計算程序的反映速率。對于數(shù)據(jù)程序的控制要求非常高，造成數(shù)值或指數(shù)暴增的問題。
　　2.編碼難的問題
　　作為較大規(guī)模的DNA計算問題，在編碼上存在一定的問題。這就要求一個DNA分子數(shù)據(jù)在編碼的時候需要四個相應(yīng)的數(shù)據(jù)來進行編碼，在編碼的時候還不能出現(xiàn)差錯和編碼不一的情況，編碼不一會導(dǎo)致DNA分子的變異。在數(shù)據(jù)上則表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的亂碼和出錯問題，而這也是解決DNA計算機在數(shù)據(jù)處理上的一大難題。
　　3.解碼檢測難的問題
　　DNA解碼的檢測充滿了整個計算的始終，如何快速準確地進行解碼也是一個很重要的問題。在將計算機數(shù)據(jù)進行了編碼之后，在進行計算的時候在進行一組一組的解碼也是問題的關(guān)鍵所在，找不到合理的解碼方式會導(dǎo)致前面所做的編碼也是一個無用功，在編碼的時候就應(yīng)該有解碼的相應(yīng)處理，解碼也是DNA計算機的重要癥結(jié)所在。
　　三、DNA計算機中隊列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計
　　1.“堿基配對互補”原則
　　在DNA分子鏈中是運用共價鍵的方式結(jié)合在一起，使生物活性分子與不溶性載體表面上的反應(yīng)基團發(fā)生化學反應(yīng)形成共價鍵，而這種共價鍵一般情況下是很穩(wěn)定的不容易出現(xiàn)斷裂或是損壞。在活性酶的作用下運用化學反應(yīng)的方式才能對共價鍵造成一定的破壞。而在DNA計算機的運用當中則表現(xiàn)為計算機數(shù)據(jù)當中數(shù)值與數(shù)值之間存在的載體的處理，而這一載體的體現(xiàn)，通過共價鍵將數(shù)據(jù)以電磁的方式固定到電極針上，根據(jù)不同的電極表面，可采用不同的共價鍵的方法來對數(shù)值進行“堿基配對”從而達到數(shù)值的編碼與解碼問題。
　　2.分子標記
　　在遺傳試驗與育種實踐中，如果發(fā)現(xiàn)了新的基因，就需要對基因進行標記。而在數(shù)據(jù)的配對原則中，也可以根據(jù)這種標記的方法對數(shù)據(jù)進行一定的編碼。舉個例子說明：在計算機的進制中我們可以將其分為二進制、八進制、十六進制等。而在計算機數(shù)據(jù)當中我們也可以對一些特殊的數(shù)據(jù)進行編碼，特別專門進行解碼。這樣就緩解了數(shù)據(jù)在處理時出現(xiàn)的亂碼或者編碼不正確的情況，使得它的計算速率和錯誤糾正率得到很大的提高。
　　DNA計算機是一項新型的信息技術(shù)，在原有計算機的基礎(chǔ)上將會使計算機的整體性能得到很大的提高，這項技術(shù)的研究任重而道遠，需要長期的不斷探索，在技術(shù)的研究上要不斷地更新。同時，根據(jù)DNA分子的特性進行一定的分析與探討。可以看出，在DNA計算問題中，探針DNA分子固定的穩(wěn)定性是影響著與靶DNA分子雜交效率的重要因素，將其應(yīng)用與計算機當中，能夠極大地提高解碼檢測的靈敏度。高密度和高效率固定化將成為目標，使其在DNA計算中的應(yīng)用日趨成熟，進一步提高DNA計算的有效性和檢測的靈敏度。
　　參考文獻：
　　［1］許進，王淑棟，潘林強.DNA計算：一種新的計算模式.清華大學出版社，2004.
　　［2］方剛.基于三鏈核酸與壓電基因傳感器DNA計算研究與探索.華中科技大學，2006：2－9.
　　［3］許進，譚鋼軍.DNA計算機：原理、進展及難點（Ⅳ）：論DNA計算模型.計算機學報，2007，30（6）：881－893.
　　（作者單位 江蘇省宿遷市宿豫區(qū)職業(yè)教育中心）