細胞——超級生物計算機

電腦 遺傳 技術 超級計算機 生物 中央處理器 王江火O新文明國際 2019-04-05

最原始簡單的細胞也要高於目前最先進最複雜的計算機,原因在於任何細胞都具備主體自主性,而目前的計算機只能作為客體而存在,或至多具有模擬的自主性而難以形成主體性。細胞優越於計算機的方面還表現在:細胞是自然形成的有機體,具有適應環境的完善系統和生理機能,這更是目前計算機所不能比擬的。但儘管如此,細胞也並非超自然的存在,它的所有物質存在和性能都是由於宇宙實在物質演化的結果,因此,我們仍然可通過技術來考究細胞的自然物質原理,最終將細胞還原成自然物質合作系統。本書認為:細胞就是自然形成的具有主體性的超級生物計算機,在這臺超級計算機內,細胞內的各種生化物質充當了計算機的各種元件,它們通過能量子流即信息的方式相互作用,以自然形成的程序進行運作,從而構築了精巧而系統龐大的生命體。如果我們把細胞看成一臺精密度極高的計算機的話,那麼其結構和運行原理如下:

(一)染色質是細胞中的超級CPU

細胞核是細胞的控制中心,在細胞的代謝、生長、分化中起著重要作用,是遺傳物質儲存和複製的場所。從細胞核的結構可以看出,細胞核中最重要的結構是染色質,染色質的組成成分是DNA、RNA、組蛋白、非組蛋白,它們共同組成了細胞中的超級CPU,正是基於這個超級CPU,細胞中的主體程序才得以產生。而DNA分子又是主要遺傳物質,當遺傳物質向後代傳遞時,必須在核中進行復制。蛋白質的複製是根據核酸所發出的指令,使氨基酸根據其指定的種類進行合成,然後再按指定的順序排列成所需要複製的蛋白質。細胞核中最重要的物質是核酸,其超級性主要體現在不僅要進行數據運算,而且還要複製遺傳物質。

1.染色質的中央處理功能

生物學只關心細胞內代謝、遺傳、複製、生長等實在物質現象,而對為何出現這些現象以及物質功能的形成原因則基本漠不關心,或者說,生物學還達不到這樣一個研究層面。這就是生物學的狹隘性。事實上,由於生物大分子已經形成了主體程序,那麼這種程序指令就要起到對信息分析判斷的作用,這就說明計算機中也存在相應的運算器和控制器,而這個運算器和控制器將分別由DNA和RNA擔任。

(1)DNA的運算、儲存、判斷和指令功能。DNA由4種主要的脫氧核苷酸(即 A-腺嘌呤 G-鳥嘌呤 C-胞嘧啶 T-胸腺嘧啶)通過3′,5′-磷酸二酯鍵連接而成。它們的組成和排列不同,顯示不同的生物功能,如編碼功能、複製和轉錄的調控功能等。可組成遺傳指令,以引導生物發育與生命機能運作,主要功能是長期性的資訊儲存。帶有遺傳訊息的DNA片段稱為基因,其他的DNA序列,有些直接以自身構造發揮作用,有些則參與調控遺傳訊息的表現。

DNA的結構目前一般劃分為一級結構、二級結構、三級結構、四級結構四個階段。DNA的一級結構是指構成核酸的四種基本組成單位—— (核苷酸),通過3',5'-磷酸二酯鍵彼此連接起來的線形多聚體,以及起基本單位——脫氧核糖核苷酸的排列順序。 每一種脫氧核糖核苷酸由三個部分所組成:一分子含氮鹼基+一分子五碳糖(脫氧核糖)+一分子磷酸根。DNA的二級結構是指兩條脫氧多核苷酸鏈反向平行盤繞所形成的雙螺旋結構。DNA的二級結構分為兩大類:一類是右手螺旋,如A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA等;另一類是左手雙螺旋,如Z-DNA。詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克里克所發現的雙螺旋,是稱為B型的水結合型DNA,在細胞中最為常見。DNA的三級結構是指DNA中單鏈與雙鏈、雙鏈之間的相互作用形成的三鏈或四鏈結構,也稱為超螺旋結構。DNA的超螺旋結構可分為正、負超螺旋兩大類,並可互相轉變。DNA的四級結構是指核酸以反式作用存在(如 、 )的結構。

我們已知,基於核酸和蛋白質而形成的主體程序的實質是基於能量子流所形成高電位勢和低電位勢的兩種信息組合。這樣,DNA長長的鏈條就成為了承載這種電位勢和信息的邏輯電路,而四種脫氧核苷酸就相當於計算機運算器中的四個部件。它們將共同對各種信息進行算術運算和邏輯運算,以判斷是否進行相應的程序指令。不過,DNA與一般計算機中運算器不同的是:DNA還具有指令功能和信息儲存功能。

DNA含有整個生物體的遺傳基因(這個基因的密碼現在已能解讀),DNA還能複製這些信息並將它們傳給新的細胞。DNA還含有整套控制細胞所有活動的指示,在細胞分裂前,這些指示通常會被複製成完全相同的另一套,以傳給新細胞,這個過程稱作DNA複製。複製過程包括DNA結構的拉開和轉開,以及分開的兩股各自形成新的另一股,合成後的DNA分子各有一新股和一舊股。 DNA以“遙控”的方式來管理細胞,它通過指令細胞製造蛋白質來工作。在所有細胞內,儲存於DNA中的遺傳信息都指導著蛋白質的合成。而對於細胞的計算機原理,目前人類已經有所意識且已經取得了初步研究成果,這突出表現在:生命科學成果促進了新一代計算——生物計算機的誕生。

生物計算機是隨著生物和計算機發展而產生的一種新型計算機。自從1994年提出DNA計算機概念以來,世界上所有發達國家都在加緊對生物計算機進行研究開發。美國洛杉磯加州大學研究小組開發出名叫“環連體”(catenane)的分子微型開關,這些細如毛髮的開關可以重複開啟和關閉,從而有可能用來製造隨機存取存儲器。隨機存取存儲器是計算機中的關鍵設備,這意味著離生產“可以編織在衣料中”的微型生物計算機時代已經不會太遠了。科學家設計的生物計算機模型中DNA絕大多數都是懸浮於充滿液體的試管之內來執行運算。與傳統電子計算機以“0”和“1”來代表信息不同,在DNA計算機中,信息將以分子代碼的形式排列於DNA上,特定的酶可充當“軟件”來完成所需的各種信息處理工作。DNA計算機技術的誘惑力,在於其和傳統硅技術相比所具有的巨大存儲能力;一克DNA所能存儲的信息量,估計可與1萬億張CD光盤相當,數百萬億個DNA分子擁有可感受和迴應周圍環境的所有計算結構,可在一個狹小的表面區域通過生物化學反應來協調工作,這一併行處理能力據認為可與目前功能最為強大的超級電子計算機媲美。生物計算機主要有兩個研製方向,一是在不改變傳統數字式計算技術的基礎上,用含的有DNA分子取代現用的硅半導體元器件,在分子水平上進行器件關開和邏輯操作,其優越性在於不僅大大縮小電子器件的體積,而且優化了工作性能,擴大存儲量、提高運算速度。生物計算機另一發展方向即模擬活生物體系統尋找二進制數字新的表達方式,表達載體是生物大分子,目前認為可行的主要有兩種:蛋白質、核酸]。

(2)RNA的控制功能(參見圖63)計算機中的控制器是統一指揮和控制計算機各個部分協調操作的中心部件,具有按照一定的順序取指令、分析指令和執行指令的功能,細胞中的RNA也具有同樣的功能。RNA接受來自於DNA的指令後,需要從DNA取出指令,並對該指令進行分析,以判斷該指令是一條什麼指令。然後,RNA便根據判斷結果,按照一定的順序發出執行該指令的一組操作控制信號,並把這些信號再傳給信使RNA和轉運RNA執行,這就是RNA的控制功能,但RNA的控制功能不僅於此,它超出計算機一籌的地方還在於:RNA具有信使和轉運氨基酸的功能。

細胞——超級生物計算機

我們知道,基因是DNA(脫氧核糖核酸)分子上具有遺傳效應的特定核苷酸序列的總稱,是具有遺傳效應的DNA分子片段。基因位於染色體上,並在染色體上呈線性排列。基因不僅可以通過複製把遺傳信息傳遞給下一代,還可以使遺傳信息得到表達。現代遺傳學的研究認為,每個DNA分子上有很多基因,這些基因分別控制著不同的性狀,也就是說,基因是決定生物性狀的基本單位。研究結果還表明,每一條染色體只含有一個DNA分子,每個DNA分子上有很多個基因,每個基因中又可以含有成百上千個脫氧核苷酸。由於不同基因的脫氧核苷酸的排列順序(鹼基順序)不同,因此,不同的基因就含有不同的遺傳信息。基因的複製是通過DNA分子的複製來完成的。基因不僅可以通過複製把遺傳信息傳遞給下一代,還可以使遺傳信息以一定的方式反映到蛋白質的分子結構上來,從而使後代表現出與親代相似的性狀,遺傳學上把這一過程叫做基因的表達。基因的表達是通過DNA控制蛋白質的合成來實現的。我們知道,DNA主要存在於細胞核中,而蛋白質的合成是在細胞質裡進行的。那麼,DNA所攜帶的遺傳信息是怎樣傳遞到細胞質中去的呢?這就需要通過另一種物質——RNA作為媒介。在細胞核中先把DNA的遺傳信息傳遞給RNA,然後,RNA進入細胞質,在蛋白質合成中起模板作用。因此,基因控制蛋白質合成的過程包括兩個階段——“轉錄”和“翻譯”。 轉錄是在細胞核內進行的。它是指以DNA的一條鏈為模板,按照鹼基互補配對原則,合成RNA的過程。RNA只有一條鏈,RNA沒有鹼基T(胸腺嘧啶),而有鹼基U(尿嘧啶)。因此,在以DNA為模板合成RNA時,需要以U代替T與A配對。 這樣,DNA分子就把遺傳信息傳遞到RNA上,這種RNA叫做信使RNA。

翻譯是在細胞質中進行的。它是指以信使RNA為模板,合成具有一定氨基酸順序的蛋白質的過程。我們已經知道蛋白質是由20種氨基酸組成的,而信使RNA上的鹼基只有四種(A、G、C、U),那麼,這四種鹼基是怎樣決定蛋白質上的20種氨基酸的呢?如果一個鹼基決定一個氨基酸,那麼,四種鹼基只能決定四種氨基酸。如果兩個鹼基決定一個氨基酸,最多也只能決定16(42=16)種氨基酸。因此,科學家們推測,每三個鹼基決定一個氨基酸,這樣鹼基的組合可以達到64(43=64)種,這對於決定20種氨基酸來說已經綽綽有餘了。例如,UUU可以決定苯丙氨酸,CGU可以決定精氨酸。遺傳學上把信使RNA上決定一個氨基酸的三個相鄰的鹼基,叫做一個”密碼子”。信使RNA在細胞核中合成以後,從核孔進入到細胞質中,與核糖體結合起來。核糖體是細胞內利用氨基酸合成蛋白質的場所。那麼,氨基酸是怎樣被運送到核糖體中的信使RNA上去的呢?這需要有運載工具,這種工具也是一種RNA,叫做轉運RNA。轉運RNA的種類很多,但是,每一種轉運RNA只能識別並轉運一種氨基酸。這是因為在轉運RNA的一端是攜帶氨基酸的部位,另一端有三個鹼基,每一個轉運RNA的這三個鹼基,都只能專一地與信使RNA上的特定的三個鹼基配對。當轉運RNA運載著一個氨基酸進入核糖體以後,就以信使RNA為模板,按照鹼基互補配對原則,把轉運來的氨基酸放在相應的位置上。轉運完畢以後,轉運RNA離開核糖體,又去轉運下一個氨基酸。當核糖體接受兩個氨基酸以後,第二個氨基酸就會被移至第一個氨基酸上,並通過肽鍵與第一個氨基酸連接起來,與此同時,核糖體在信使RNA上也移動三個鹼基的位置,為接受新運載來的氨基酸做好準備。上述過程如此往復地進行,肽鏈也就不斷地延伸,直到信使RNA上出現終止密碼子為止。 肽鏈合成以後,從信使RNA上脫離,再經過一定的盤曲摺疊,最終合成一個具有一定氨基酸順序的、有一定功能的蛋白質分子。

上述過程可以看出:DNA分子的脫氧核苷酸的排列順序決定了信使RNA中核糖核苷酸的排列順序,信使RNA中核糖核苷酸的排列順序又決定了氨基酸的排列順序,氨基酸的排列順序最終決定了蛋白質的結構和功能的特異性,從而使生物體表現出各種遺傳性狀。

2.染色體的複製生成功能

細胞在 期間會使染色質螺旋化形成 ,在這個過程中,細胞中每個染色體上的DNA分子會複製生成一個新的DNA分子。這是一個目前水平的計算機所遠不能具備的功能,因為計算機只能按照程序機械地執行指令,而不可能生成新的物質。另外,DNA的複製也不同於計算機的複製,DNA的複製實際上是複製出新物質——DNA分子,而計算機的複製則只是非物質的信息複製(或能量子)再現。由此可見,DNA的複製功能將遠遠超出計算機。

DNA的複製是一個邊解旋邊複製的過程。複製開始時,DNA分子首先利用細胞提供的能量,在解旋酶的作用下,把兩條螺旋的雙鏈解開,這個過程叫做解旋。然後,以解開的每一段母鏈為模板,以周圍環境中游離的四種脫氧核苷酸為原料,按照鹼基互補配對原則,在有關酶的作用下,各自合成與母鏈互補的一段子鏈。隨著解旋過程的進行,新合成的子鏈也不斷地延伸,同時,每條子鏈與其對應的母鏈盤繞成雙螺旋結構,從而各形成一個新的DNA分子。這樣,複製結束後,一個DNA分子就形成了兩個完全相同的DNA分子。新複製出的兩個子代DNA分子,通過細胞分裂分配到子細胞中去。由於新合成的每個DNA分子中,都保留了原來DNA分子中的一條鏈,因此,這種複製方式叫做半保留複製。DNA分子獨特的雙螺旋結構,為複製提供了精確的模板,通過鹼基互補配對,保證了複製能夠準確地進行。DNA分子通過複製,使遺傳信息從親代傳給了子代,從而保持了遺傳信息的連續性。

在DNA的複製過程中,DNA和RNA分工明確有條不紊地進行,明顯地體現了程序化特點;而RNA的主動轉錄和翻譯則使其在複製的過程中,明顯地體現出了主體性特點。當遺傳信息被完全複製給下一代的時候,所形成的生命體將會表現出與上一代完全相同的性狀,理論上,就會事實上形成了自然化的克隆過程。但現實中往往並非如此,由於環境的原因,遺傳信息並非會原封不動地完全傳給下一代,而是有選擇地發生了改變,這就形成了遺傳性狀的變異。遺傳變異是生命進化的普遍現象,正是由於這個現象,生命的發展歷程才展現出了起豐富多彩的一面,才使生命的進化逐步由低級走向高級。

DNA的複製功能雖然將遠遠超出計算機,但其複製過程所體現的實質性東西與計算機還是一致的。由DNA的複製過程可以看出,DNA分子複製需要模板、原料、能量和酶等基本條件。DNA的複製是在這些條件都充分具備後才有可能,其中,能量的供應是尤為重要的。因為,新生成的DNA分子不僅需要模板、原料等,也需要極限粒子的支持和輔助,而極限粒子的生成需要大量的能量子。那麼,這些能量子來自於何處哪?——細胞質

(二)細胞質具有強大的信息儲存和能量供應功能

細胞質基質又稱 是細胞質中均質而半透明的膠體部分,充填於其它有形結構之間。細胞質基質的化學組成可按其分子量大小可分為 、中等分子和大分子等三類。小分子包括水、 ;屬於中等分子的有 、糖類、 、核苷酸及其衍生物等;大分子則包括多糖、 、脂蛋白和RNA等。生物學上認為,細胞質基質的主要功能是:為各種細胞器維持其正常結構提供所需要的 環境,為各類細胞器完成其功能活動供給所需的一切底物,同時也是進行某些 活動的場所。站在統一信息論角度上分析,細胞質則相當於信息存儲器和能量及原料供應場所。

細胞——超級生物計算機

1.蛋白質具有巨大的信息儲存性能

細胞質中最重要的生物大分子就是蛋白質。蛋白質生物體中廣泛存在的一類生物大分子,由核酸編碼的α氨基酸之間通過α氨基和α羧基形成的肽鍵連接而成的肽鏈,經翻譯後加工而生成的具有特定立體結構的、有活性的大分子。蛋白質不僅是細胞的主要結構成分,而且更重要的是,生物專有的催化劑--酶是蛋白質,因此細胞的代謝活動離不開蛋白質。一個細胞中約含有104種蛋白質,分子的數量達1011個。蛋白質是生命的物質基礎,沒有蛋白質就沒有生命。因此,它是與生命及與各種形式的 緊密聯繫在一起的物質。 中的每一個 和所有重要組成部分都有蛋白質參與。蛋白質的種類很多,但基本都是由20多種氨基酸按不同比例組合而成的。蛋白質是構成機體組織、器官的重要成分,人體各組織、器官無一不含蛋白質。蛋白質是以 酸為基本單位構成的生物大分子。蛋白質分子上氨基酸的序列和由此形成的立體結構構成了蛋白質結構的多樣性。蛋白質具有一級、二級、三級、四級結構,蛋白質分子的結構決定了它的功能。

蛋白質是生命表徵的主要承載體,之所以如此,主要是因為蛋白質中承載著主要的生命體信息。蛋白質是一個巨大的儲存器,如果把DNA看做是計算機主存的話,那麼,蛋白質就是容量更為巨大的外儲存器。

蛋白質中的許多氨基酸分子按一定順序排列成一級結構,再經修飾加工盤旋摺疊,形成蛋白質大分子。某些氨基酸分子基因的缺失或添加,會造成蛋白質功能上的對立,如絲氨酸或酪氨酸的磷酸化和去磷酸化是蛋白質活性的開關,磷酸基因的有無關係到分子活性是否存在,是否會引發隨後的一連串反應,生命機體中許多重要的生命活動都與之相關。因而,蛋白質分子中氨基酸磷酸化、去磷酸化狀態用於新一代計算機研製即被考慮代表二進制中的0或1。蛋白質的空間結構也可作為設計二進制數字新的表達形式的出發點,美國科學家曾發現一種嗜鹽細菌體內存在感光蛋白,稱為BR,光照時,結構發生改變並釋放出少量電荷,故爾可領先光作為觸發開關,記錄數字化信息。20世紀80年代,已研製出一種激光驅動BR的二維計算機存儲器,據估計,可存儲180億個信息單元。假如BR蛋白再經遺傳工程改造,同樣容量可存儲5000億個信息單元。另外,以蛋白質為研究方向的生物計算機除利用蛋白質化學組成、空間結構上的特點外,功能也是考慮內容之一。

蛋白質的巨量儲存功能主要是基於蛋白質的複雜結構而產生的,更為主要的還在於蛋白質能夠與核酸一起共同生成主體程序,從而使生命體呈現出生命活力。

2. 、糖類等有機物儲存足夠的能量維持DNA、蛋白質等生物大分子的生成

在程序的生成上,生命主體程序與計算機被動程序都是基於能量子流序列產生的,它們只是複雜程度不同而已,並沒有沒有本質性區別。問題在於:正因為計算機被動程序來自於人工設計,所以計算機可以由人類來提供能源而進行程序活動;但細胞是基於自然演化而形成的,他的程序運作以及合成DNA、蛋白質等生物分子所需要的能量是來自於哪裡哪?很顯然,細胞需要自己的程序能設定能量的來源,而這些來源主要是基於太陽、大氣、地熱等周圍環境,不過這些能量源往往要受到環境的影響而變得不夠穩定。因此,細胞就採取了一種變通的方式——將能量儲存於其機體內的脂類、糖類等易於分解為能量的有機分子中。

細胞中的糖類既有 ,也有多糖。細胞中的單糖是作為能源以及與糖有關的化合物的原料存在。重要的單糖為五碳糖(戊糖)和六碳糖(己糖),其中最主要的五碳糖為 ,最重要的六碳糖為葡萄糖。葡萄糖不僅是能量代謝的關鍵單糖,而且是構成多糖的主要單體。

脂類包括:脂肪酸、中性脂肪、 、蠟、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、 等。中性脂肪主要為甘油酯:它是脂肪酸的羧基同甘油的羥基結合形成的甘油三酯。甘油酯是 體內脂肪的主要貯存形式。當體內 、蛋白質或脂類過剩時,即可轉變成甘油酯貯存起來。甘油酯為能源物質,氧化時可比糖或蛋白質釋放出高兩倍的能量。營養缺乏時,就要動用甘油酯提供能量。

磷脂對細胞的結構和代謝至關重要,它是構成生物膜的基本成分,也是許多 的參與者。糖脂也是構成細胞膜的成分,與細胞的識別和表面抗原性有關。 類固醇類是異戊二烯的 ,都不含脂肪酸。生物中主要的萜類化合物有胡蘿蔔素和 、E、K等。還有一種多萜醇磷酸酯,它是細胞質中糖基轉移酶的載體。

脂類和糖類是能量儲存的主要單元體,當它們分解時就會釋放出易於被細胞重新合成極限粒子的能量子,這些合成的極限粒子有助於DNA分子複製生成新的DNA分子,同時也有助於細胞進行生命其它有機物的生成、代謝活動等生命活動。除了脂類和糖類外, 、核苷酸、脂蛋白、蛋白質有時也可以作為儲存能量的單元體。

這樣,通過如上剖析細胞的構成運作機制,就會發現:細胞具有極其複雜精巧的機構,其功能遠較計算機更為完善,是一臺名副其實的超級生物計算機。細胞為什麼能夠自主性地維持自己生命的存在與發展?遺傳機制又是如何形成的?很顯然,我們必須設定細胞具備一套維護自我存在與發展的自動指令系統才能合理地說明這些問題,而這套指令系統也肯定是以某種程序為導向的,只不過,我們迄今為止還尚不能更系統地揭示這套指令系統的祕密而已。相信隨著時間的推移,技術的發展一定會使我們能夠揭示其奧妙,屆時,人類也定會通過計算機技術來實現合成細胞的夢想,用實踐證明:細胞就是自然形成的超級生物計算機。

細胞——超級生物計算機

不過,細胞的自組織的程序僅僅能滿足自己的生理需要,所以,他的壽命是有限的,因此他必然會通過程序複製自身來取得生命的延續。這樣,細胞便在結構上發生了明顯的進化。細胞先由原核生物進化到真核細胞,再由真核細胞進化到多細胞生物,而這一切都是由於生物基因的信息表達和遺傳變異的作用。

往期精彩鏈接

生命是主體程序的載體

最低等的生物智慧也超過最複雜的人工智能

相關推薦

推薦中...