文 观察者网心智观察所

就在2025年9月, 也就是离现在不远的时候, 《Nature》杂志上发表了一项能够颠覆计算能力极限的重要研究成果。

来自爱尔兰梅努斯大学汉密尔顿研究所的一支研究队伍对外宣称, 他们制造出了一种前所未有的DNA分子计算机, 这台极为特别的机器既没有金属导线连接, 也不配备散热风扇, 甚至连电源插头这种物件都完全不存在。

研究人员仅仅只是把几十亿条, 那些非常小的遗传密码链给放进去, 放进到了1, 那个普通的、微小的盐水液滴里面, 然后轻轻加热了一下, 之后让它在自然状态下去冷却下来, 在这样一个过程之中, 分子之间就开始自发地去对话了, 它们互相咬合在一起了, 就这样顺利完成了加法计算, 也完成了减法计算, 还顺利完成了乘法计算以及除法计算。

在当今阶段, 全球的数据中心正陷入到电力短缺的危机之中, 而现代的芯片制造技术也逼近了物理层面的天花板。在这样的背景之下, 科学家们选择了跳出传统硅基电路的这种固有的思维定式, 把目光直接投向了生命起源这一领域, 从而开启了一场别样的技术突围。

算力电荒与生命硬盘

随着AI大模型的发展在继续, 并且全球的信息量在暴涨, 现代电脑对电力的使用已经达到了让人吃惊的地步。现在的电脑全部是使用硅芯片来建立的, 这些设备依靠着数量达到百亿级别的晶体管的打开和关闭动作来传输电流, 其中高的电压电平代表着数字0还是1, 低的电压电平也分别对应着相应的数据。

可是, 芯片里面的电路弄得很紧凑, 这样漏电的现象就会变多, 发热的情况也会变得更加厉害。因为要处理这些数据中心产生的大量热量, 所以需要消耗很多水和电, 这种做法给地球的环境带来了非常大的压力。

科学家们在面对这种无休止地消耗能量的状况时, 他们开始向自然界去寻找答案。人类的大脑仅消耗20瓦左右的微弱能量, 这点能量虽然微不足道, 但是它能处理世界上所有最复杂的感知和逻辑运算事情。

大自然在更早之前, 也就是几十亿年前, 就发明出了一种信息载体, 这种做法极其高效、极其稳定, 而这种情况出现在生命内部, 就是DNA。在双螺旋结构构成的生命长链上, 腺嘌呤、胸嘧啶、胞嘧啶与鸟嘌呤这4种化学碱基是紧密相扣的。

它们天然地遵循着严格的配对定律, 其中腺嘌呤永远对应的是胸腺嘧啶，而胞嘧啶永远对应的是鸟嘌呤。由这四种碱基所编织而成的长序列, 详细记录了地球上所有生命的全部遗传蓝图。

信息学家, 很早以前就发现, 只要把计算机里的0和1, 转化成DNA上的4种碱基排列方式, 分子世界, 就会展现出, 让人难以想象的, 存储奇迹。具体来说, 1克DNA, 能够储存的数据量, 是可以高达数亿千兆字节的。

想象一下这个概念, 如果把全人类, 目前记录下来的, 所有数字化电影、文献还有数据, 全都打包塞进DNA里面去, 那么它们所占据的体积, 会比几块方糖还要小得非常非常多。

在这个事之前, 加州理工学院那些科研机构就展开过探索动作, 他们尝试利用DNA分子之间发生的化学反应, 构建出可以识别从0到9的微观人工智能网络。可是长期以来, 分子计算这种技术往往都还停留在单次试验那种状态, 或者只是概念验证阶段而已。

反应过程速度很慢, 系统结构也很脆弱，而且运算完成之后通常就会彻底报废。这就导致它很难像普通电脑那样去多次重复执行不同的程序。梅努斯大学这项新的突破, 其重点在于什么地方呢?

它就是真正地把DNA从以前那种单纯的、被动的静态档案库的样子, 改造成了一台可以反复进行运算的机器, 而且这台机器的速度是非常快的，同时也是非常稳固的分子机器。

盐水滴里的分子乐高积木

显微镜下呈现出的景象显示, 这个由DNA构成的计算机所经历的工作步骤, 看起来就像是那些特别精细又复杂的微型积木在进行自我组合的奇妙过程。从事研究的科学家们在实施实验时的办法, 从侧面看上去似乎显得简单到了极点。

操作人员从一个普通的研究用小试管中取来了样品, 往里添加了仅仅一滴含有盐分的小体积液体试剂, 接着把很多很多的、数量达到百亿或万亿规模的、专门按照要求生产出来的短小的DNA链条片段放到一起, 并与那一种相对较长的DNA引导长链进行混合搭配处理。

整台设备是不需要连通外界电网的, 也是不需要电池来持续供电的。启动这台机器的开机键, 只是发出了一次极其微弱而且短暂的热量脉冲。把水温稍稍抬高一点之后, 原本缠绕在一起的分子链条就得以舒展和松开了。紧接着的话, 这滴盐水就开始慢慢自然地冷却下来。

随着温度的逐渐下降, 悬浮在溶液里面的数以亿计的DNA短链, 就要开始在微观空间里面高速地漂移了, 并且会发生非常频繁的碰撞。因为碱基之间天然是具有特定的吸附化学特性的, 所以只有那些序列是完全互补的片段才能够严丝合缝地把它们咬住并锁死。

短链就像是被赋予了智能的小工件一样, 能够非常精确地去寻找长支架上的对应槽位, 并且依附上去。

计算机科学家阿比尔·埃什拉博士解释道, 那一滴液体里面, 装着数万亿条短链。因为这些分子一直在做热运动, 所以这些短链就会自己开始活动。这种活动是让它们沿着热力学的最稳定方向进行。在这个过程中, 短链们互相展开竞争、替换还有结合。

这个整个的过程, 是完全没有反感的顺应了物理和化学的天然规律。也就是由分子自己去自发地寻找那个能量最低的稳定结构状态。等到整个冷却这个过程平稳地结束以后, 那一群原本在好几个不同地方散开的遗传分子们, 就已经在那个盐水水滴里面搭建出了一座结构非常精密的纳米级别的立体形状了。

这个最终成型的微观物理形态, 本身就是经过严密推测计算得出来的最终答案。传统的电脑需要把计算过程拆成一个一个的电脉冲, 然后再通过显卡转化成屏幕上面显示的像素点来给用户展示；而这一台分子计算机, 则是能够直接把数学算法里面的逻辑推演, 巧妙地编排成分子自己去组装的几何蓝图。

研究人员只要借助现代化的分子探测方法以及成像技术去读取这个纳米结构的具体形态, 就可以非常准确地把运算结果给弄明白, 至于整个推演过程来讲, 完全不需要任何金属电路来参加, 这全都靠生物分子自己本身的物理化学特性在里面驱动。

不仅会算加减乘除，还能反复开机

在以前的时候, 外界常常把DNA计算看成是只能在纸上谈论、脱离实际的科学幻想。这种看法来源于很多人的日常印象, 他们觉得化学反应通常动作缓慢、效率低下, 而且只要有一点点杂质的干扰, 就非常容易出错。可是, 来自梅努斯大学的实验团队用实际行动打破了这个一直存在的刻板印象。

研究人员在基准测试的过程中, 专门为这滴盐水编写了10个截然不同的算法程序, 并且把这些程序全都执行了一遍。对于像计算10加3等于几这样基础算术题来说, 分子混合液在30秒之内就完成了全部重组操作, 并给出了精准答案。

而面对更加复杂的考验时, 比如涉及到3400万个数值这样一个规模的, 包含有100个二进制比特位在内的大规模加法运算任务, 这套微观系统总共消耗了大约14个小时的时间来交出它的答卷。

作者在陈述中表示, 虽然当前的运算速率不能拿过去那种基于硅材料的处理芯片来做比较, 但如果从水平方向去观察之前的那些利用分子来进行计算的成绩, 那么可以确定的是, 这套硬件系统绝对是如今在全球范围内跑得最快、构造最复杂的那些DNA计算机当中的一个。

这次的进步可不只是运行速度上去了, 这个研究最出彩的地方其实在于它特别耐用, 而且能反复用好多次。以前搞生物计算的反应, 大家都开玩笑说就跟一次性火柴似的, 化学反应一做完, 试管里头有用的东西就全都用没了, 要是还想接着算下一道题，那得重新洗好试管, 再从头配一遍新的试剂才行。

但是梅努斯大学弄的这个优化系统完全不一样, 它展现出了跟机械硬件一样的坚不可摧的特性。研究人员在同一个盐水液滴里面, 连续地执行了多达25次完全不一样的计算任务。

每一次的计算工作完成以后, 系统只要重新进行微小的温控调节操作, 就能非常迅速地刷新并且复位, 马上就可以投入下一道解题任务中去, 在整个过程当中, 计算的精确度和反应的性能方面, 完全没有出现任何程度的减弱或者下降现象。

这就代表着人类对于生物计算机技术领域的探索活动, 正式地从那种使用一次就丢弃的单次消耗品时期, 跨入了具有可编程功能、以及能够实现重复利用目标的一个实用性工程设计的新阶段里面。

游进血管的医生与沉睡千年的冷数据

梅努斯大学的达米安·伍兹教授指出, 人类思维长期以来被单一类型的硅基电脑给禁锢住了。只要一提计算机, 脑海中浮现的就只有闪烁的指示灯、硅晶圆和电路板。然而计算的本质就是信息的处理以及状态的演化。在大自然中, 到处都存在奇妙的计算形态。人类自身的大脑和细胞机理, 便是最为杰出的范例。

既然DNA计算机在纯粹的运算速度上面, 是没法跟超级芯片去比拼的, 那科研人员为什么要去花那么大的力气和心血在这上面呢? 答案就是在它的身上。由生命密码搭建出来的这台机器, 有一块硅基芯片永远都进不去的范围, 那是它的天地。

因为DNA这种物质, 它有一种天然的, 而且是极致的生物相容性, 它本来就是生命组织里面的核心成分。传统的金属芯片无论做到多么微小, 它们始终被视为一种外来的异物, 因而完全没法直接让人体的微观生理环境给接纳住, 可是未来的DNA计算机则相反, 它们能摇身一变, 化作纳米级别的人体卫士。

在未来的医疗构想里那些被经过精密编程安排好的DNA计算机, 能够潜进人类的血液循环系统之中, 顺着血管的走向去四处游弋并进行巡检巡查的工作。

它们可以实时的去感知血液里面的许多种化学信号还有蛋白质分子浓度的具体情况, 就好像是医生在特别小的微观尺度上面, 针对每一个单独的细胞都在做现场的会诊活动一样, 它们能够非常精准地把那些已经发生了癌变或者出现了病变的细微微小细胞给识别出来, 随后会在这些细胞的表面就地完成相关的判断以及分析工作, 接着马上就会去触发药物释放的那个开关, 这样一来就完成了无创操作同时也实现了极致的精准的靶向性消除作用。

DNA计算机在信息冷存储这个领域里, 同样也展现出了那种谁都挡不住的战略价值。传统数据中心使用的硬盘和磁带, 它们的寿命通常也就是短短几年到十几年这么点时间。这些东西不仅需要人们长期通电去维系, 还得耗费非常庞大的电力来维持恒温以及除湿的状态。

一旦断了电的话, 就会直接面临数据丢失的这个风险。可是相反的呢, 被密封在合适环境当中的DNA分子, 其性质是极为稳定的。哪怕要历经数千年风霜的洗礼, 上面所镌刻的信息, 仍然还是可以被人完整地破译出来的。

我们把DNA那种超高的存储密度, 和它在原位进行计算的能力结合在一起。这样做出来的未来档案库, 再也不用那些像工厂一样巨大无比的机房了。其实, 一座微缩的DNA文库就足够了。它足以将全人类几千年来积累的文明成果, 都非常安全地封存起来。

这些信息会保持在零功耗的沉睡状态之中, 默默地等待着未来的人们把它们读取出来, 并且进行解析。梅努斯大学的人做了这么一件事儿。他们在试管里的盐水当中点亮了那一簇微弱的微光。这个动作正在把生命物质本身变成一把金钥匙。这把金钥匙可以开启一个完全崭新的智能纪元, 那是属于未来的。