细胞——超级生物计算机

我爱你文摘 2019-02-23

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最原始简单的细胞也要高于目前最先进最复杂的计算机，原因在于任何细胞都具备主体自主性，而目前的计算机只能作为客体而存在，或至多具有模拟的自主性而难以形成主体性。细胞优越于计算机的方面还表现在：细胞是自然形成的有机体，具有适应环境的完善系统和生理机能，这更是目前计算机所不能比拟的。但尽管如此，细胞也并非超自然的存在，它的所有物质存在和性能都是由于宇宙实在物质演化的结果，因此，我们仍然可通过技术来考究细胞的自然物质原理，最终将细胞还原成自然物质合作系统。本书认为：细胞就是自然形成的具有主体性的超级生物计算机，在这台超级计算机内，细胞内的各种生化物质充当了计算机的各种元件，它们通过能量子流即信息的方式相互作用，以自然形成的程序进行运作，从而构筑了精巧而系统庞大的生命体。如果我们把细胞看成一台精密度极高的计算机的话，那么其结构和运行原理如下：

（一）染色质是细胞中的超级CPU

细胞核是细胞的控制中心，在细胞的代谢、生长、分化中起着重要作用，是遗传物质储存和复制的场所。从细胞核的结构可以看出，细胞核中最重要的结构是染色质，染色质的组成成分是DNA、RNA、组蛋白、非组蛋白，它们共同组成了细胞中的超级CPU，正是基于这个超级CPU，细胞中的主体程序才得以产生。而DNA分子又是主要遗传物质，当遗传物质向后代传递时，必须在核中进行复制。蛋白质的复制是根据核酸所发出的指令，使氨基酸根据其指定的种类进行合成，然后再按指定的顺序排列成所需要复制的蛋白质。细胞核中最重要的物质是核酸，其超级性主要体现在不仅要进行数据运算，而且还要复制遗传物质。

1.染色质的中央处理功能

生物学只关心细胞内代谢、遗传、复制、生长等实在物质现象，而对为何出现这些现象以及物质功能的形成原因则基本漠不关心，或者说，生物学还达不到这样一个研究层面。这就是生物学的狭隘性。事实上，由于生物大分子已经形成了主体程序，那么这种程序指令就要起到对信息分析判断的作用，这就说明计算机中也存在相应的运算器和控制器，而这个运算器和控制器将分别由DNA和RNA担任。

（1）DNA的运算、储存、判断和指令功能。DNA由4种主要的脱氧核苷酸（即 A-腺嘌呤 G-鸟嘌呤 C-胞嘧啶 T-胸腺嘧啶)通过3′，5′-磷酸二酯键连接而成。它们的组成和排列不同，显示不同的生物功能，如编码功能、复制和转录的调控功能等。可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作，主要功能是长期性的资讯储存。带有遗传讯息的DNA片段称为基因，其他的DNA序列，有些直接以自身构造发挥作用，有些则参与调控遗传讯息的表现。

DNA的结构目前一般划分为一级结构、二级结构、三级结构、四级结构四个阶段。DNA的一级结构是指构成核酸的四种基本组成单位—— （核苷酸），通过3',5'－磷酸二酯键彼此连接起来的线形多聚体，以及起基本单位——脱氧核糖核苷酸的排列顺序。每一种脱氧核糖核苷酸由三个部分所组成：一分子含氮碱基+一分子五碳糖(脱氧核糖)+一分子磷酸根。DNA的二级结构是指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。DNA的二级结构分为两大类：一类是右手螺旋，如A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA等；另一类是左手双螺旋，如Z-DNA。詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克所发现的双螺旋，是称为B型的水结合型DNA，在细胞中最为常见。DNA的三级结构是指DNA中单链与双链、双链之间的相互作用形成的三链或四链结构，也称为超螺旋结构。DNA的超螺旋结构可分为正、负超螺旋两大类，并可互相转变。DNA的四级结构是指核酸以反式作用存在（如、）的结构。

我们已知，基于核酸和蛋白质而形成的主体程序的实质是基于能量子流所形成高电位势和低电位势的两种信息组合。这样，DNA长长的链条就成为了承载这种电位势和信息的逻辑电路，而四种脱氧核苷酸就相当于计算机运算器中的四个部件。它们将共同对各种信息进行算术运算和逻辑运算，以判断是否进行相应的程序指令。不过，DNA与一般计算机中运算器不同的是：DNA还具有指令功能和信息储存功能。

DNA含有整个生物体的遗传基因（这个基因的密码现在已能解读），DNA还能复制这些信息并将它们传给新的细胞。DNA还含有整套控制细胞所有活动的指示，在细胞分裂前，这些指示通常会被复制成完全相同的另一套，以传给新细胞，这个过程称作DNA复制。复制过程包括DNA结构的拉开和转开，以及分开的两股各自形成新的另一股，合成后的DNA分子各有一新股和一旧股。 DNA以“遥控”的方式来管理细胞，它通过指令细胞制造蛋白质来工作。在所有细胞内，储存于DNA中的遗传信息都指导着蛋白质的合成。而对于细胞的计算机原理，目前人类已经有所意识且已经取得了初步研究成果，这突出表现在：生命科学成果促进了新一代计算——生物计算机的诞生。

生物计算机是随着生物和计算机发展而产生的一种新型计算机。自从1994年提出DNA计算机概念以来，世界上所有发达国家都在加紧对生物计算机进行研究开发。美国洛杉矶加州大学研究小组开发出名叫“环连体”（catenane）的分子微型开关，这些细如毛发的开关可以重复开启和关闭，从而有可能用来制造随机存取存储器。随机存取存储器是计算机中的关键设备，这意味着离生产“可以编织在衣料中”的微型生物计算机时代已经不会太远了。科学家设计的生物计算机模型中DNA绝大多数都是悬浮于充满液体的试管之内来执行运算。与传统电子计算机以“0”和“1”来代表信息不同，在DNA计算机中，信息将以分子代码的形式排列于DNA上，特定的酶可充当“软件”来完成所需的各种信息处理工作。DNA计算机技术的诱惑力，在于其和传统硅技术相比所具有的巨大存储能力；一克DNA所能存储的信息量，估计可与1万亿张CD光盘相当，数百万亿个DNA分子拥有可感受和回应周围环境的所有计算结构，可在一个狭小的表面区域通过生物化学反应来协调工作，这一并行处理能力据认为可与目前功能最为强大的超级电子计算机媲美。生物计算机主要有两个研制方向，一是在不改变传统数字式计算技术的基础上，用含的有DNA分子取代现用的硅半导体元器件，在分子水平上进行器件关开和逻辑操作，其优越性在于不仅大大缩小电子器件的体积，而且优化了工作性能，扩大存储量、提高运算速度。生物计算机另一发展方向即模拟活生物体系统寻找二进制数字新的表达方式，表达载体是生物大分子，目前认为可行的主要有两种：蛋白质、核酸]。

(2)RNA的控制功能（参见图63）。计算机中的控制器是统一指挥和控制计算机各个部分协调操作的中心部件，具有按照一定的顺序取指令、分析指令和执行指令的功能，细胞中的RNA也具有同样的功能。RNA接受来自于DNA的指令后，需要从DNA取出指令，并对该指令进行分析，以判断该指令是一条什么指令。然后，RNA便根据判断结果，按照一定的顺序发出执行该指令的一组操作控制信号，并把这些信号再传给信使RNA和转运RNA执行，这就是RNA的控制功能，但RNA的控制功能不仅于此，它超出计算机一筹的地方还在于：RNA具有信使和转运氨基酸的功能。

我们知道，基因是DNA(脱氧核糖核酸)分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称，是具有遗传效应的DNA分子片段。基因位于染色体上，并在染色体上呈线性排列。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。现代遗传学的研究认为，每个DNA分子上有很多基因，这些基因分别控制着不同的性状，也就是说，基因是决定生物性状的基本单位。研究结果还表明，每一条染色体只含有一个DNA分子，每个DNA分子上有很多个基因，每个基因中又可以含有成百上千个脱氧核苷酸。由于不同基因的脱氧核苷酸的排列顺序(碱基顺序)不同，因此，不同的基因就含有不同的遗传信息。基因的复制是通过DNA分子的复制来完成的。基因不仅可以通过复制把遗传信息传递给下一代，还可以使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质的分子结构上来，从而使后代表现出与亲代相似的性状，遗传学上把这一过程叫做基因的表达。基因的表达是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。我们知道，DNA主要存在于细胞核中，而蛋白质的合成是在细胞质里进行的。那么，DNA所携带的遗传信息是怎样传递到细胞质中去的呢？这就需要通过另一种物质——RNA作为媒介。在细胞核中先把DNA的遗传信息传递给RNA，然后，RNA进入细胞质，在蛋白质合成中起模板作用。因此，基因控制蛋白质合成的过程包括两个阶段——“转录”和“翻译”。转录是在细胞核内进行的。它是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程。RNA只有一条链，RNA没有碱基T(胸腺嘧啶)，而有碱基U(尿嘧啶)。因此，在以DNA为模板合成RNA时，需要以U代替T与A配对。这样，DNA分子就把遗传信息传递到RNA上，这种RNA叫做信使RNA。

翻译是在细胞质中进行的。它是指以信使RNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。我们已经知道蛋白质是由20种氨基酸组成的，而信使RNA上的碱基只有四种(A、G、C、U)，那么，这四种碱基是怎样决定蛋白质上的20种氨基酸的呢？如果一个碱基决定一个氨基酸，那么，四种碱基只能决定四种氨基酸。如果两个碱基决定一个氨基酸，最多也只能决定16(4²＝16)种氨基酸。因此，科学家们推测，每三个碱基决定一个氨基酸，这样碱基的组合可以达到64(4³＝64)种，这对于决定20种氨基酸来说已经绰绰有余了。例如，UUU可以决定苯丙氨酸，CGU可以决定精氨酸。遗传学上把信使RNA上决定一个氨基酸的三个相邻的碱基，叫做一个”密码子”。信使RNA在细胞核中合成以后，从核孔进入到细胞质中，与核糖体结合起来。核糖体是细胞内利用氨基酸合成蛋白质的场所。那么，氨基酸是怎样被运送到核糖体中的信使RNA上去的呢？这需要有运载工具，这种工具也是一种RNA，叫做转运RNA。转运RNA的种类很多，但是，每一种转运RNA只能识别并转运一种氨基酸。这是因为在转运RNA的一端是携带氨基酸的部位，另一端有三个碱基，每一个转运RNA的这三个碱基，都只能专一地与信使RNA上的特定的三个碱基配对。当转运RNA运载着一个氨基酸进入核糖体以后，就以信使RNA为模板，按照碱基互补配对原则，把转运来的氨基酸放在相应的位置上。转运完毕以后，转运RNA离开核糖体，又去转运下一个氨基酸。当核糖体接受两个氨基酸以后，第二个氨基酸就会被移至第一个氨基酸上，并通过肽键与第一个氨基酸连接起来，与此同时，核糖体在信使RNA上也移动三个碱基的位置，为接受新运载来的氨基酸做好准备。上述过程如此往复地进行，肽链也就不断地延伸，直到信使RNA上出现终止密码子为止。肽链合成以后，从信使RNA上脱离，再经过一定的盘曲折叠，最终合成一个具有一定氨基酸顺序的、有一定功能的蛋白质分子。

上述过程可以看出：DNA分子的脱氧核苷酸的排列顺序决定了信使RNA中核糖核苷酸的排列顺序，信使RNA中核糖核苷酸的排列顺序又决定了氨基酸的排列顺序，氨基酸的排列顺序最终决定了蛋白质的结构和功能的特异性，从而使生物体表现出各种遗传性状。

2.染色体的复制生成功能

细胞在期间会使染色质螺旋化形成，在这个过程中，细胞中每个染色体上的DNA分子会复制生成一个新的DNA分子。这是一个目前水平的计算机所远不能具备的功能，因为计算机只能按照程序机械地执行指令，而不可能生成新的物质。另外，DNA的复制也不同于计算机的复制，DNA的复制实际上是复制出新物质——DNA分子，而计算机的复制则只是非物质的信息复制（或能量子）再现。由此可见，DNA的复制功能将远远超出计算机。

DNA的复制是一个边解旋边复制的过程。复制开始时，DNA分子首先利用细胞提供的能量，在解旋酶的作用下，把两条螺旋的双链解开，这个过程叫做解旋。然后，以解开的每一段母链为模板，以周围环境中游离的四种脱氧核苷酸为原料，按照碱基互补配对原则，在有关酶的作用下，各自合成与母链互补的一段子链。随着解旋过程的进行，新合成的子链也不断地延伸，同时，每条子链与其对应的母链盘绕成双螺旋结构，从而各形成一个新的DNA分子。这样，复制结束后，一个DNA分子就形成了两个完全相同的DNA分子。新复制出的两个子代DNA分子，通过细胞分裂分配到子细胞中去。由于新合成的每个DNA分子中，都保留了原来DNA分子中的一条链，因此，这种复制方式叫做半保留复制。DNA分子独特的双螺旋结构，为复制提供了精确的模板，通过碱基互补配对，保证了复制能够准确地进行。DNA分子通过复制，使遗传信息从亲代传给了子代，从而保持了遗传信息的连续性。

在DNA的复制过程中，DNA和RNA分工明确有条不紊地进行，明显地体现了程序化特点；而RNA的主动转录和翻译则使其在复制的过程中，明显地体现出了主体性特点。当遗传信息被完全复制给下一代的时候，所形成的生命体将会表现出与上一代完全相同的性状，理论上，就会事实上形成了自然化的克隆过程。但现实中往往并非如此，由于环境的原因，遗传信息并非会原封不动地完全传给下一代，而是有选择地发生了改变，这就形成了遗传性状的变异。遗传变异是生命进化的普遍现象，正是由于这个现象，生命的发展历程才展现出了起丰富多彩的一面，才使生命的进化逐步由低级走向高级。

DNA的复制功能虽然将远远超出计算机，但其复制过程所体现的实质性东西与计算机还是一致的。由DNA的复制过程可以看出，DNA分子复制需要模板、原料、能量和酶等基本条件。DNA的复制是在这些条件都充分具备后才有可能，其中，能量的供应是尤为重要的。因为，新生成的DNA分子不仅需要模板、原料等，也需要极限粒子的支持和辅助，而极限粒子的生成需要大量的能量子。那么，这些能量子来自于何处哪？——细胞质

（二）细胞质具有强大的信息储存和能量供应功能

细胞质基质又称是细胞质中均质而半透明的胶体部分，充填于其它有形结构之间。细胞质基质的化学组成可按其分子量大小可分为、中等分子和大分子等三类。小分子包括水、；属于中等分子的有、糖类、、核苷酸及其衍生物等；大分子则包括多糖、、脂蛋白和RNA等。生物学上认为，细胞质基质的主要功能是：为各种细胞器维持其正常结构提供所需要的环境，为各类细胞器完成其功能活动供给所需的一切底物，同时也是进行某些活动的场所。站在统一信息论角度上分析，细胞质则相当于信息存储器和能量及原料供应场所。

1.蛋白质具有巨大的信息储存性能

细胞质中最重要的生物大分子就是蛋白质。蛋白质生物体中广泛存在的一类生物大分子，由核酸编码的α氨基酸之间通过α氨基和α羧基形成的肽键连接而成的肽链，经翻译后加工而生成的具有特定立体结构的、有活性的大分子。蛋白质不仅是细胞的主要结构成分，而且更重要的是，生物专有的催化剂－－酶是蛋白质，因此细胞的代谢活动离不开蛋白质。一个细胞中约含有104种蛋白质，分子的数量达1011个。蛋白质是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。因此，它是与生命及与各种形式的紧密联系在一起的物质。中的每一个和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质的种类很多，但基本都是由20多种氨基酸按不同比例组合而成的。蛋白质是构成机体组织、器官的重要成分，人体各组织、器官无一不含蛋白质。蛋白质是以酸为基本单位构成的生物大分子。蛋白质分子上氨基酸的序列和由此形成的立体结构构成了蛋白质结构的多样性。蛋白质具有一级、二级、三级、四级结构，蛋白质分子的结构决定了它的功能。

蛋白质是生命表征的主要承载体，之所以如此，主要是因为蛋白质中承载着主要的生命体信息。蛋白质是一个巨大的储存器，如果把DNA看做是计算机主存的话，那么，蛋白质就是容量更为巨大的外储存器。

蛋白质中的许多氨基酸分子按一定顺序排列成一级结构，再经修饰加工盘旋折叠，形成蛋白质大分子。某些氨基酸分子基因的缺失或添加，会造成蛋白质功能上的对立，如丝氨酸或酪氨酸的磷酸化和去磷酸化是蛋白质活性的开关，磷酸基因的有无关系到分子活性是否存在，是否会引发随后的一连串反应，生命机体中许多重要的生命活动都与之相关。因而，蛋白质分子中氨基酸磷酸化、去磷酸化状态用于新一代计算机研制即被考虑代表二进制中的０或１。蛋白质的空间结构也可作为设计二进制数字新的表达形式的出发点，美国科学家曾发现一种嗜盐细菌体内存在感光蛋白，称为ＢＲ，光照时，结构发生改变并释放出少量电荷，故尔可领先光作为触发开关，记录数字化信息。20世纪８０年代，已研制出一种激光驱动ＢＲ的二维计算机存储器，据估计，可存储１８０亿个信息单元。假如ＢＲ蛋白再经遗传工程改造，同样容量可存储５０００亿个信息单元。另外，以蛋白质为研究方向的生物计算机除利用蛋白质化学组成、空间结构上的特点外，功能也是考虑内容之一。

蛋白质的巨量储存功能主要是基于蛋白质的复杂结构而产生的，更为主要的还在于蛋白质能够与核酸一起共同生成主体程序，从而使生命体呈现出生命活力。

2. 、糖类等有机物储存足够的能量维持DNA、蛋白质等生物大分子的生成

在程序的生成上，生命主体程序与计算机被动程序都是基于能量子流序列产生的，它们只是复杂程度不同而已，并没有没有本质性区别。问题在于：正因为计算机被动程序来自于人工设计，所以计算机可以由人类来提供能源而进行程序活动；但细胞是基于自然演化而形成的，他的程序运作以及合成DNA、蛋白质等生物分子所需要的能量是来自于哪里哪？很显然，细胞需要自己的程序能设定能量的来源，而这些来源主要是基于太阳、大气、地热等周围环境，不过这些能量源往往要受到环境的影响而变得不够稳定。因此，细胞就采取了一种变通的方式——将能量储存于其机体内的脂类、糖类等易于分解为能量的有机分子中。

细胞中的糖类既有，也有多糖。细胞中的单糖是作为能源以及与糖有关的化合物的原料存在。重要的单糖为五碳糖（戊糖）和六碳糖（己糖），其中最主要的五碳糖为，最重要的六碳糖为葡萄糖。葡萄糖不仅是能量代谢的关键单糖，而且是构成多糖的主要单体。

脂类包括：脂肪酸、中性脂肪、、蜡、磷酸甘油酯、鞘脂、糖脂、等。中性脂肪主要为甘油酯：它是脂肪酸的羧基同甘油的羟基结合形成的甘油三酯。甘油酯是体内脂肪的主要贮存形式。当体内、蛋白质或脂类过剩时，即可转变成甘油酯贮存起来。甘油酯为能源物质，氧化时可比糖或蛋白质释放出高两倍的能量。营养缺乏时，就要动用甘油酯提供能量。

磷脂对细胞的结构和代谢至关重要，它是构成生物膜的基本成分，也是许多的参与者。糖脂也是构成细胞膜的成分，与细胞的识别和表面抗原性有关。类固醇类是异戊二烯的，都不含脂肪酸。生物中主要的萜类化合物有胡萝卜素和、E、K等。还有一种多萜醇磷酸酯，它是细胞质中糖基转移酶的载体。

脂类和糖类是能量储存的主要单元体，当它们分解时就会释放出易于被细胞重新合成极限粒子的能量子，这些合成的极限粒子有助于DNA分子复制生成新的DNA分子，同时也有助于细胞进行生命其它有机物的生成、代谢活动等生命活动。除了脂类和糖类外，、核苷酸、脂蛋白、蛋白质有时也可以作为储存能量的单元体。

这样，通过如上剖析细胞的构成运作机制，就会发现：细胞具有极其复杂精巧的机构，其功能远较计算机更为完善，是一台名副其实的超级生物计算机。细胞为什么能够自主性地维持自己生命的存在与发展？遗传机制又是如何形成的？很显然，我们必须设定细胞具备一套维护自我存在与发展的自动指令系统才能合理地说明这些问题，而这套指令系统也肯定是以某种程序为导向的，只不过，我们迄今为止还尚不能更系统地揭示这套指令系统的秘密而已。相信随着时间的推移，技术的发展一定会使我们能够揭示其奥妙，届时，人类也定会通过计算机技术来实现合成细胞的梦想，用实践证明：细胞就是自然形成的超级生物计算机。