DNA計(jì)算機(jī)可進(jìn)化嗎

許多先進(jìn)技術(shù)的實(shí)踐似乎都來(lái)自戰(zhàn)爭(zhēng)的想象。在科幻世界中，未來(lái)戰(zhàn)士們的大腦被植入芯片，使大腦基本能力呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，令戰(zhàn)斗力超凡。他們能回憶起任何一個(gè)訓(xùn)練細(xì)節(jié)，也能在任何時(shí)刻準(zhǔn)確無(wú)誤地接受上級(jí)指令，成為以一敵百的“超級(jí)戰(zhàn)士”。

現(xiàn)實(shí)中，這種植入芯片提高作戰(zhàn)能力的設(shè)想并非第一次出現(xiàn)，而腦神經(jīng)與芯片連接，比國(guó)際空間站與一節(jié)火車對(duì)接要復(fù)雜得多，畢竟腦機(jī)接口技術(shù)要鏈接的是兩種絕然不同的物質(zhì)。

不過(guò)，最近進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員應(yīng)用定向進(jìn)化方法創(chuàng)造了制造二氧化硅的酶，而二氧化硅是用于制造半導(dǎo)體和計(jì)算機(jī)芯片的材料。也就是說(shuō)，未來(lái)，就像科幻小說(shuō)那樣，向大腦植入以DNA為基礎(chǔ)的人造智能芯片，就像現(xiàn)在接種疫苗一樣簡(jiǎn)單。

至少，它可以讓已準(zhǔn)確“運(yùn)行”50年的“摩爾定律”繼續(xù)生效。1965年，英特爾創(chuàng)始人之一戈登?摩爾就計(jì)算技術(shù)作出一項(xiàng)預(yù)言，也就是至今仍然有效的“摩爾定律”，內(nèi)容是電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會(huì)增加一倍，計(jì)算機(jī)的處理速度也將提升一倍。如今，大多數(shù)專家預(yù)計(jì)這種增長(zhǎng)速率將在2020年前放緩，但這種創(chuàng)造硅半導(dǎo)體的全新方法可望繼續(xù)保持這種速率，甚至可能予以加速。

人工干預(yù)的進(jìn)化

不久前，刊登在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的研究報(bào)告對(duì)此作了詳細(xì)解讀，來(lái)自加州大學(xué)圣巴巴拉分校和其他地區(qū)的研究人員已經(jīng)掌握了進(jìn)化過(guò)程，用于制造能夠產(chǎn)生新型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的酶。

“它看起來(lái)像是自然選擇，但我們做的其實(shí)是人工選擇。”加州大學(xué)圣巴巴拉分校榮譽(yù)教授，該報(bào)告作者之一丹尼爾?莫爾斯在一次訪談中說(shuō)。具體做法是讓取自海綿動(dòng)物的一種酶突變，形成多種突變體，“我們從百萬(wàn)種突變的DNA中選出能夠制造半導(dǎo)體的一個(gè)”。

在此前一項(xiàng)研究中，莫爾斯和研究小組的其他成員曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)了硅蛋白——一種海綿動(dòng)物用于構(gòu)建它們的硅骨骼的天然酶。碰巧的是，這種礦物同樣被用于制造半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)芯片。“于是我們就想，是否可以通過(guò)基因工程改變酶的結(jié)構(gòu)，使之可以制造通常活生物體不會(huì)制造的其他礦物質(zhì)和半導(dǎo)體？”莫爾斯說(shuō)。

為了使之成為可能，研究人員分離出攜帶硅蛋白編碼的DNA片段并大量復(fù)制，然后在DNA中定向引入數(shù)百萬(wàn)種突變。在此過(guò)程中，偶爾會(huì)出現(xiàn)硅蛋白突變體，它們能夠生成不同的半導(dǎo)體——這種工藝完全是自然選擇的翻版，只不過(guò)所費(fèi)時(shí)間更短，而且受到人工選擇的定向干預(yù)，并非適者生存的結(jié)果。

定向進(jìn)化

為了弄清哪些硅蛋白DNA的突變形式能夠?qū)е滤璧陌雽?dǎo)體生成，DNA需要通過(guò)一個(gè)細(xì)胞的分子機(jī)器進(jìn)行表達(dá)。“問(wèn)題是，盡管二氧化硅相對(duì)無(wú)害于活細(xì)胞，我們想要生成的一些半導(dǎo)體則帶有毒性，”莫爾斯說(shuō)，“因此我們不能使用活細(xì)胞，必須采用合成的細(xì)胞替代物。”

作為人工合成的細(xì)胞替代物，研究小組利用塑料珠表面在水中形成的微小囊泡。一種不同形式的海綿動(dòng)物DNA被涂在數(shù)百萬(wàn)微珠表面，浸在水里，水里則添加了DNA酶表達(dá)所需的化學(xué)物質(zhì)。

接下來(lái)，塑料珠“細(xì)胞”被封閉在油里，作為人工制作的細(xì)胞膜。塑料珠再被置于一種溶劑中，其中含有變異酶開始在塑料珠表面合成半導(dǎo)體礦物質(zhì)過(guò)程中所需的化學(xué)物質(zhì)（硅和鈦）。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的等待，讓酶完成材料的制造工作，然后使塑料珠穿過(guò)激光束，激光束旁邊的感應(yīng)器會(huì)自動(dòng)識(shí)別出那些攜帶所需半導(dǎo)體(二氧化硅或二氧化鈦)的塑料珠。隨后，那些表面成功合成了半導(dǎo)體的微珠被破碎，以便發(fā)生突變的DNA可被分離并確認(rèn)其效能。

各種形態(tài)的二氧化硅如今被用于計(jì)算機(jī)芯片的生產(chǎn)，而二氧化鈦則用于制造太陽(yáng)能電池。利用生物酶和定向進(jìn)化制造這些材料是首要目的。

當(dāng)然，上述成果并不意味著研究人員已可以讓細(xì)胞自行制造計(jì)算機(jī)芯片，但它的確預(yù)示著以新工藝制造半導(dǎo)體的發(fā)展方向。

人機(jī)合一有多遠(yuǎn)

完全可以想象，基于此而產(chǎn)生的DNA計(jì)算技術(shù)一旦成熟，那么真正的“人機(jī)合一”就會(huì)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榇竽X本身就是一臺(tái)自然的DNA計(jì)算機(jī)，只要有一個(gè)接口，DNA計(jì)算機(jī)通過(guò)接口可以直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴(kuò)充部分，而且它以從人體細(xì)胞吸收營(yíng)養(yǎng)的方式來(lái)補(bǔ)充能量，不用外界的能量供應(yīng)。

無(wú)疑，DNA計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)將給整個(gè)世界帶來(lái)巨大的變化。它在研究邏輯、破譯密碼、基因編程、疑難病癥防治以及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。如果DNA計(jì)算機(jī)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，那么在人體甚至在細(xì)胞內(nèi)運(yùn)行的計(jì)算機(jī)研制就成為可能，它能夠充當(dāng)監(jiān)控裝置，發(fā)現(xiàn)潛在的致病變化，還可以在人體內(nèi)合成所需的藥物，治療癌癥、心臟病、動(dòng)脈硬化等疑難病癥，甚至在恢復(fù)盲人視覺方面，也將大顯身手。

不過(guò)，由于受目前生物技術(shù)水平的限制，DNA計(jì)算過(guò)程中，前期DNA分子鏈的創(chuàng)造和后期DNA分子鏈的挑選，要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)墓ぷ髁俊６覕?shù)以億計(jì)的DNA分子非常復(fù)雜，在反應(yīng)過(guò)程中很容易發(fā)生變質(zhì)和損傷，甚至試管壁吸附殘留都可能發(fā)生致命錯(cuò)誤。因此，DNA計(jì)算機(jī)真正進(jìn)入現(xiàn)實(shí)生活尚需時(shí)日。

雨讀根據(jù)《史密森雜志》博客、北青網(wǎng)、科技部門戶網(wǎng)站、百度百科綜合編輯。