科技创新世界潮
科技日报记者 张梦然。科技 细菌和超级计算机有什么区别?区别在于细菌更“先进”,创新潮因为它们有更多的世界回路和更强的处理能力。 所有的科技生命都在“计算”。信息处理是创新潮生命系统的核心,从响应化学信号的世界单个细胞到在特定环境中航行的复杂生物体。经过几十年的科技尝试,科学家们终于开始收集细胞、创新潮分子甚至整个生物体来执行计算任务。世界 真菌可能与标准电子设备相连。科技 本质上,世界计算机只是科技一种信息处理器,人们越来越意识到大自然具有丰富的创新潮能力。最明显的世界例子是复杂生物的神经系统,它可以处理来自环境的大量数据,并“命令”各种复杂的行为。但即使是最小的细胞也充满了复杂的生物分子通路,它们响应输入信号,打开和关闭基因,产生化学物质或进行自组织。 最后,生活中所有令人难以置信的壮举都取决于DNA存储、复制和传递遗传指令的能力。 如何构建生物计算机? 生物系统有其独特的优点:更紧凑、更高的能源效率、自我维护和自我修复,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终于让人们在构建生物计算机领域迈出了一步。 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。与硅对应物一样,这些电路涉及各种生物分子的相互作用来获取输入,并对其进行处理,以产生不同的输出。通过编辑支持这些过程的遗传指令,人们现在可以重新连接这些电路来执行自然界从未计划过的功能。 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的技术(CPU)生物等效物。CPU插入细胞,调整不同基因的活动,响应专门设计的RNA序列,使细胞实现类似硅计算机的逻辑门。 2021年,印度萨哈核物理研究所进一步诱导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一些问题。该电路通过共享信息成功地实现了如何在多个迷宫中导航。 大多数生物系统不同于经典计算机的二进制逻辑,它们不会像计算机芯片那样一步一步地解决问题。它们充满了重复、奇怪的反馈循环和不同速度并排运行的完全不同的过程。 更奇怪的是,生物的计算能力可以完全脱离其自然环境。瑞典隆德大学的科学家们正在尝试一种完全不同的生物计算方法,在迷宫周围使用由分子电机驱动的微小蛋白丝。精心设计的迷宫结构,细丝可以同时探索所有路线。这意味着不需要更多的时间来解决更大的问题,只需要更多的细丝。 重新设计生物系统会带来什么? 然而,马萨诸塞州塔夫茨大学的迈克尔·莱文认为,生命系统在生物学的各个方面都表现出了惊人的计算壮举,人们应该把重点从试图重新设计生物系统转移到寻找与现有系统互动的方法。 莱文实验室已经证明,它们可以操纵细胞之间的电通信,帮助它们决定如何生长和生长。举个可怕的例子,它可能会让蝌蚪的内脏长出眼睛,或者让青蛙长出额外的腿。它不等同于计算,但团队认为它代表了如何将自然界预先存在的电路转化为“新目标”。类似的方法可以用来解决广泛的计算任务。 此外,真菌计算的深奥领域也显示出其应用潜力。布里斯托尔西英格兰大学的研究表明,真菌感知pH值、化学物质、光、重力和机械应力的能力令人印象深刻。它们似乎利用电气活动的尖峰进行交流,开辟了将其与传统电子设备连接起来的前景。 智能类器官有多智能? 探索生物计算离不开人们至今已知的最强大的计算设备:大脑。 实验室培养的脑细胞可用于计算。 目前组织工程学的进步意味着科学家可以从干细胞中培育出相当于微脑的复杂神经元簇,即“脑器官”。同时,将信号传输到脑细胞并解码其反应意味着人们已经开始测试器官的记忆和学习能力。 今年早些时候,约翰斯·霍普金斯大学团队总结了“类器官智能”的愿景。目标与人工智能相反:它们不会使计算机更像大脑,而是试图使脑细胞更像计算机。 创业公司Cortical可以在硅芯片上训练人脑细胞玩电子乒乓球游戏Pong。在他们的新软件中,任何具有基本编码技能的人都可以编程“培养皿大脑”。 然而,目前所有这些生物计算方法都远未成为主流。与硅芯片的设计和制造能力相比,人们操纵生物学的能力仍处于初级阶段。然而,生物计算的巨大潜力和数十亿美元的生物技术投资将在未来几年为这一领域带来快速进步。
图片来源:安德鲁·阿达马茨基。创新潮
图片来源:托马斯哈滕/约翰斯霍普金斯大学。
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