生物工程的光芒: 声生物技术
一架被劫持的飞机孤零零地停在机场一角,两个劫匪一边张牙舞爪地威胁乘客,一边气势汹汹地通过话机向指挥台提出蛮横无理的要求。突然,舷窗外人影一闪,劫匪还没反应过来,就已失去了知觉。3秒钟之后,特种部队冲进了机舱..原来,他们使用了次声炸弹。这种炸弹爆炸时产生强大的次声波,会把人震昏过去,但又不至于丧命。
上面的场景是发生在美国西部某州的一场演习,演习的中心就是测试次声炸弹的威力与安全性。专家们认为,次声炸弹可能是对付各种劫持者和抢劫犯的最佳武器,它既厉害又人道。据说,威力更大的次声武器也已经问世,那可是准备用于战争的。
次声是频率小于20赫兹的声波。次声的强度达到一定程度就会对生物机体发生影响,次声炸弹只是其中的一个例子。在声波的另一个极端是频率高于20000赫兹的超声波,它对生物机体的影响可能大家比较熟悉一点。超声波手术刀和超声波结石粉碎机已经广泛投入临床应用,用超声治疗脑血管意外偏瘫和冠心病的效果令人瞩目。超声加热治癌机能使深部肿瘤组织温度升高5~7℃,再结合化疗和辐射,可以杀灭90%以上的癌细胞,而所透过的表皮和正常组织却完好无损。这种治癌方法被确认为手术、化疗、放射疗法之后的第四种有效手段。超声波在医疗上的全面应用已拓展出一门新的学科——超声治疗学。
再来看看频率在20~20000赫兹之间的正常声波。
“对牛弹琴”是大家很熟悉的成语。在奶牛挤奶时播放音乐以提高产奶量,过去也曾作为笑话流传过。而今,它却是举世公认而且广泛采用的饲养技术,它的内容更丰富了。例如,音乐不仅是在挤奶时播放,在喂食、休息时也要定时播放;乐曲的选择也至关重要,只有轻快、优美、流畅的乐曲才能达到理想的效果。据说有人试验过,施特劳斯的圆舞曲《蓝色的多瑙河》会使奶牛的产奶量大增。而沉郁、悲壮的贝多芬第九交响乐却会使产奶量锐减。
蚊子对声音是很敏感的。据说,有一位歌剧演员在演唱高调滑音时,一群雄蚊子向他那大张着的嘴巴扑来,弄得他尴尬万分。也许是那滑音和雌蚊的声音相近的缘故吧!相反,怀卵的雌蚊由于厌恶雄蚊的纠缠,一听到雄蚊的声音就赶快溜之大吉。目前美国、西欧流行的声波驱蚊器就是根据这个原理制造的。它发出的是雄蚊飞行时振翼的特殊声波,能把雌蚊赶得远远的。
根据鱼类对声波的反应,用特定的声波诱集或驱赶鱼类进行捕捞,是一种现代化的渔业技术,已经很常见了。更奇妙的是“声音驯鱼”。就是对养殖的鱼群用特定的声音进行驯化,使它们一听到这种声音就会赶来取食。等到这种条件反射稳固以后,把这些鱼放到鱼群聚集的海域,过一阶段再用这种特定的声音进行诱捕,那些已驯化的鱼听到声音便急急赶来,还充当了“带头羊”的角色,带来了大量野生的未经驯化的同伴。这种新奇的捕鱼手段已经试验成功,而且取得了可观的效益。
两大高新技术的交汇
这里所说的两大高新技术的交汇,是指神经网络计算机和生物芯片的结合。
曾有人使用一台有翻译功能的电脑,将一句话从英语译成俄语,再回过来译成英语。原句是“心有余而力不足”,想不到,一个来回后面目全非,成了“伏特加酒很凶,但肉已发臭”。
这是真实的,不是笑话。它说明,电脑尽管有惊人的运算速度和存贮信息的能力,却仍然不及人脑聪明。由140亿个神经细胞组成的人脑,在学习、联想、整体判别、优化控制等方面,是电脑望尘莫及的。
80年代以来,许多电脑专家转而致力于研究人脑的结构和功能,期望用最尖端的材料和电子线路来模仿人脑的功能,包括神经细胞的兴奋和抑制,神经网络的联通和整合,大脑的思维、判别和反射等等。在此基础上,就可能制造出新一代计算机——神经网络计算机。和过去的所有计算机不一样,神经网络计算机有学习能力,会积累经验,增长知识,在记忆、联想、模糊识别等方面逼近或超过了人脑。它被称为第六代计算机。
1992年,日本的一家公司宣布研制出一部“通用神经网络计算机”。这部计算机模仿人脑神经细胞传递信息的方式,使用32个有学习能力的大规模集成电路,不用软件,不需要解读软件命令的线路。它的处理速度奇快,人脑要1个多小时读完的文字,它在千分之几秒内就能读完。
在当代的高新技术中,计算机技术和生物技术是两大主力。神经网络计算机可说是这两大技术融汇的产物,但它是宏观方面的产品。在微观方面,生物技术也同样为计算机技术作出了巨大的贡献,那就是近年来各发达国家都在加紧研制的生物芯片。
作为计算机核心元件的芯片,至今仍是以半导体为材料的。但半导体芯片的发展已快要达到理论上的极限。它面临的困境是半导体的集成密度受到限制。一片硅片上最多只能排列几千万个晶体管元器件,否则就会有发热、漏电等问题。这样,芯片的存储容量就有限了,而芯片容量的限制直接会影响到计算机处理信息的速度。所以,要使计算机技术再次取得新的突破,必然的趋势是用新一代的芯片——生物芯片来取代半导体芯片。
生物芯片的主体是生物大分子。蛋白质、核酸等生物大分子都具有像半导体那样的光电转换功能和开关功能。但目前为各国科学家看好的是蛋白质分子。蛋白质分子具有低阻抗、低能耗的性质,不存在散热问题。它的三维立体排列使它具有较大的存储容量。使用蛋白质芯片的计算机,处理信息的速度可望提高几个数量级。另外,蛋白质分子还有自行组装和再生的能力,为计算机全面模仿人脑、实现高智能化提供了可能。
选择哪种蛋白质分子来担当这一重任呢?这可是各国科学家在努力攻关的核心问题。一种嗜盐菌的紫膜中的蛋白质分子(代号叫bR)看来是选作生物芯片的理想材料,因为它来源广泛,具备作为光电转换和开关元件的优良性能。而紫膜是目前唯一的结晶状生物膜,稳定性很好。我国科学家在紫膜蛋白质分子的研究中也有不少建树,有可能为生物芯片的问世作出自己的贡献。
制作生物芯片除了直接选用天然蛋白质分子之外,一种更为奇妙的手段是制造人工蛋白质分子。这有两种途径。一种是通过DNA重组,使某种微生物“分泌”出合乎要求的蛋白质分子;另一种是直接用蛋白质的基本材料氨基酸来进行组装。人工蛋白质分子是根据理想的蓝图来进行构筑的,性能当然比天然蛋白质分子优异,但同时也存在着更多的困难,目前尚处于实验研制阶段,离实际应用还有不小的距离。
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