比超级计算机更聪明高效?“生物计算”展示美妙新图景
谁比超级计算机更聪明、高效、紧凑?
“生物计算”展示出美妙新图景
【科技创新世界潮】
◎本报记者 张梦然
细菌和超级计算机有什么区别?区别是细菌更“高级”,因为它有更多的回路和更强的处理能力。
所有生命都在“计算”。从响应化学信号的单个细胞,到在特定环境中航行的复杂生物体,信息处理是生命系统的核心。经过数十年的尝试,科学家终于开始收集细胞、分子甚至整个生物体,来为人类自己的目的执行计算任务。
从本质上讲,计算机也只是信息处理器,而且人们越来越认识到大自然拥有丰富的这种能力。最明显的例子是复杂生物体的神经系统,它能处理来自环境的大量数据并对各种复杂的行为“下指令”。但即使是最小的细胞,也充满了复杂的生物分子通路,这些通路响应输入信号,打开和关闭基因、产生化学物质或进行自我组织。
最终,生命中所有令人难以置信的壮举,都依赖于DNA存储、复制和传递遗传指令的能力。
如何构建一台生物计算机?
生物系统有自身的独特优势:更紧凑、能源效率更高、可自我维持和自我修复,而且特别擅长处理来自自然界的信号。
在过去的20年里,强大的细胞和分子工程工具让人们终于能在构建生物计算机领域迈出一步。
美国麻省理工学院生物合成学家克里斯托弗·沃伊特说,该方法的核心是“生物电路”,类似于计算机中的电子电路。这些电路涉及各种生物分子相互作用以获取输入,并对其进行处理以产生不同的输出,就像它们的硅对应物一样。通过编辑支撑这些过程的遗传指令,人们现在可以重新连接这些电路以执行自然界从未计划的功能。
2019年,瑞士联邦理工学院利用CRISPR技术,构建了相当于计算机中央处理器(CPU)的生物等效物。这个CPU被插入一个细胞,在那里它调节不同基因的活动以响应专门设计的RNA序列,使细胞实现了类似于硅计算机中的逻辑门。
印度萨哈核物理研究所在2021年更进一步,诱使一群大肠杆菌计算简单迷宫的解决方案。该电路分布在几个大肠杆菌菌株之间,每个菌株都被设计用来解决部分问题。通过共享信息,该电路成功地实现了如何在多个迷宫中导航。
大多数生物系统并不同于经典计算机的二进制逻辑,它们也不会像计算机芯片那样一步步解决问题。它们充满了重复、奇怪的反馈循环和以不同速度并排运行的截然不同的过程。
更怪异的是,生物的计算能力还能完全脱离其自然环境。瑞典隆德大学科学家正在试验一种完全不同的生物计算方法,使用由分子马达驱动的微小蛋白质丝围绕迷宫推进。迷宫的结构经过精心设计,而细丝能同时探索所有路线。这意味着解决更大的问题不需要更多的时间,只需要更多的细丝。
重新设计生物系统会带来什么?
但美国马萨诸塞州塔夫茨大学的迈克尔·莱文认为,生命系统已经在生物学的各个层面展示了令人惊叹的计算壮举,人们应该将重点从尝试重新设计生物系统,转移到寻找与现有系统交互的方法。
莱文实验室已经证明,他们可以操纵细胞之间的电通信,帮助它们决定如何以及在哪里生长。举个恐怖的例子,这可能让蝌蚪的内脏上长出眼睛,或让青蛙长出额外的腿。它并不等同于计算,但团队认为它代表了如何将自然界预先存在的电路折射为一个“新目标”。类似的方法可用来解决广泛的计算任务。
此外,真菌计算的深奥领域也正在显示其应用潜力。英国布里斯托尔西英格兰大学研究显示,真菌在感知pH值、化学物质、光线、重力和机械应力等方面具有的能力令人印象深刻。它们似乎使用电活动的尖峰进行交流,这开辟了将它们与传统电子设备连接的前景。
类器官智能有多智能?
要探寻生物计算,离不开人们迄今已知的最强大计算设备:大脑。
当前组织工程学的进步意味着,科学家们可从干细胞中培育出相当于微型大脑的复杂神经元簇,也就是“大脑类器官”。与此同时,能将信号传输到脑细胞并能解码它们的反应,意味着人们已经开始试验类器官的记忆和学习能力。
今年早些时候,美国约翰斯·霍普金斯大学团队概述了“类器官智能”这一新领域的愿景。目标与人工智能相反:他们不会让计算机更像大脑,而是试图让脑细胞更像计算机。
初创公司Cortical已可训练在硅芯片上培养的人类脑细胞来玩电子乒乓游戏Pong。而在它们的新软件中,任何具有基本编码技能的人都能为“培养皿大脑”编程。
不过,所有这些生物计算方法目前都远未成为主流。与设计和制造硅芯片的能力相比,人们操纵生物学的能力仍处于初级阶段。但生物计算的巨大潜力和投入生物技术的数十亿美元,将在未来几年为这个领域带来快速进步。
相关推荐
黑龙江饶河再现野生东北虎足迹
四川内江市市中区发生3.2级地震 震源深度10千米
海南将迎来春节前出岛车客高峰 各港口出岛秩序总体平稳
(新春走基层)“喜迎全运会 瑞蛇贺新春”新春庙会在广州举行
羊角把、牛角、十字扣,春运涨知识→小设计大用途
岁暮冰嬉 寒尽春生 这些“速度与激情”谁看了不想玩一把?
“家门口能挣钱,好日子有盼头”(新春走基层)
国家中医药局:九成以上三级妇幼保健院设置中医类临床科室
湖南零陵腊肉飘香年味浓 供销两旺助增收
春节临近 你的家乡举办哪些活动?一起来寻找年味儿→
新春走基层丨让每一盏车灯都安然明亮 他们是“魔鬼风口”的风雪护路人
中国将386.7万家固定污染源纳入排污许可管理
- 最近发表
-
- 随机阅读
-
- “美军是臭名昭著的污染者”,海岛居民抱怨——
- 拜登麦卡锡连续三周密集谈判债务上限仍无果
- 税务总局谈个税“一老一小”专项附加扣除标准提高:2023年度人均减税超1000元
- 南昌留学生共度“豫章中秋会” 品味传统文化
- 2022年 明星跨界让人“眼界大开”
- 德国汽车专家:中国坚定扩大对外开放引人注目 对德国经济而言中国重要性不可替代
- 武汉轮渡发布紧急运营调整通告
- 致死率高!近期已有发生!吃海鲜时千万注意
- 深山里的诗歌课:不功利无期待 写诗和摘苞谷一样日常
- 让微观主体有更多收获 这些重要改革举措与你有关
- 美媒:美国空气污染呈现种族地域差异
- 策展人赵冰:用国际化语言传播傈僳族传统文化
- 威神V迷你四辑《Phantom》发行 将通过直播与粉丝见面
- 来自101个国家和地区旅客从西双版纳中老边境出入境
- 是去是留 阑尾炎到底要不要做手术?
- 常泰长江大桥主航道桥钢桥面铺装施工启动
- “氢”装上阵!首台“宁东号”氢动力机车正式下线
- “一带一路”上的陕西故事丨用文旅搭起陕西与中亚间的“彩虹桥”
- 中缅边境打洛口岸改扩建入境大厅启用首日超6600人次出入境
- 海南岛等地仍有强降雨 台风“康妮”将影响东南沿海
- 热门推荐
-
- 印尼新总统普拉博沃宣誓就职
- 南京直飞墨尔本航线开通
- 中央气象台继续发布强对流天气蓝色预警
- “海陆空”基建并进 广西推动西部陆海新通道运行质效提升
- 新疆阿克苏地区乌什县发生5.6级地震 震源深度18千米
- 南昌“大学生青英创业联盟”成立 创业赛事助1.6万人根植洪城
- 北京交响乐团开启龙年首场演出
- 光伏行业周期性调整 龙头企业公布业绩
- 国家优秀自费留学生奖学金颁奖仪式在纽约举行
- 助力“麻辣烫”之旅 银川火车站将开行天水南动车组列车
- 中欧班列(西安)跨里海国际运输走廊发车活动举行
- 中新网评:红线不可逾越,对学术不端必须零容忍
- 南非驻华大使:希望两国城市间有更多航班
- 央行宣布将择机降准降息 “择机”以何为标志?专家解读
- 马来西亚总理安瓦尔:《北京宣言》是迈向巴勒斯坦民族团结的关键一步
- 孙艺洲:“叔圈新人”
- 2024年惠州海事局客船应急搜救演练成功举行
- 数字赋能开辟高质量就业新空间 “青年之桥”公益活动在河北省机电工程技师学院举行
- 周口店遗址文化展海南开展 观众探寻“北京人”足迹
- 中企在非积极承担社会责任 铺就共同发展之路