在计算机硬件设计中，体积日趋微型化。不再有人认为，迄今携带成千比特信息的集成硅片和用集成电路块精巧组装起来的计算机已经是尽善尽美的了，已有一些计算机专家在设想，有朝一日生物分子本身将起到计算机的作用，这种计算机不是用集成块组装而成，而是用一个个分子构造而就。他们认为，计算机可由成千上万个细菌来建造这一革命性设想的付诸实现将是遗传工程面临的一大任务。

热心于这一设想的专家们相信，技术进步将最终使之成为可能，或许是在今后数十年里。他们确信，电子存储元件原则上可以减小到分子水平。其理由是，既然人体本身是由分子构成的；既然人类已经能利用细菌生产诸如胰岛素这样复杂的激素，为什么我们就不能经由单一的分子元件有朝一日生产一种生物集成块乃至生物电子计算机呢？

当然，现有的计算机技术已经使计算机规模小巧得令人惊叹。当世界上第一台电子数字积分计算机（ENIAC）于1946年问世时，其重量为三十吨，装有18，000个电子管，耗电量为140瓩，这些电量足够一个小城镇照明之用。仅在一年后，贝尔实验室发明了晶体管。晶体管在电流传导方面远较电子管便宜、稳定，且占用体积极小。此项发明使计算机的体积大为缩小。此后计算机研制者纷纷竞争，力图在单块集成板上容纳更多的晶体管。这就达到了称之谓大规模集成电路的水平。近年内一块重量仅为零点几克的高精密集成块可携带200，000个晶体管，而造价只及当年ENIAC的三万分之一。宛如婴儿拇指甲大小的硅片已能携带多达256，000个比特信息。电子可经由紫外线流经线路进入硅片。由于使用了X射线、电子或离子束刻蚀线路，集成块的致密度大大提高，其存储容量已达百万比特的范围。

如此精巧的集成块已经可以引为是当今技术的智慧结晶了，那为何关于研制分子电子装置的设想会激起这么大的兴趣？一部分人认为，集成块微型化已趋于极限的看法值得重视，我们终将面临无论是电子或离子束都不再能刻蚀线路的一天。据此—些计算机专家认为，唯一可行的办法是从小到大，而不是传统的由大到小，即建造分子元件并装入超微电路层里、这样分子就能单独作用。现今硅片上的一个比特信息包容了成万亿计的原子，而在分子电子装置里，一个分子就能存储一个比特信息。使用这一技术将使现有的电子计算机的体积作超级规模的减缩，其递减程度可与当年的ENIAC到今日的袖珍式计算机的变革相媲美。

在许多方面，分子计算机的魅力不在于其可存储更多的信息，而在于它的可思维性。分子生物工程的前景开拓了计算机专家的想象力，是不是能像合成蛋白质那样去制造和组装计算机元件，这一拟议中的设想目前还处于需要更多科学假设支持的阶段。即令最终生物集成块被证明是办不到的，但研制过程本身所遇到的障碍将迫使我们去扩充自己在计算机和分子生物工程方面的知识，了解这些领域的另外一些未知现象。

无论就计算机的特性或技术而言，现今的电子计算机和分子电子装置都无共同之处。电子计算机不是生物，生物过程也不涉及电子传导。现在麻省伍兹霍尔的海洋生物实验室的诺贝尔奖获得者阿 · 谢一一焦尔季（Albert Szent-Gyōrgyi）虽曾于1941年就提出了生物电子理论，但现今人们认识到，生物系统内的电子移动是受严格限制的。尽管呼吸和光合作用里确实存在电子转移，但其中的每一个电子均须在一系列复杂的化学反应过程中由一载体传递到另一载体，其速度之慢与计算机电路的传递速度是不可同日而语的。

即使是拟议中最佳的计算机都不能胜任电子载体的重任，因为电子不能沿着轴线和枝晶体线传递神经脉冲，唯有钠、钾离子能胜任。这些离子与电子性能大相径庭，其脉冲的传递速度远较电子通过线圈的速度为慢，甚至比高速公路上的每秒约为25米、时速90公里的卡车慢得多。人脑能在平行水平上提高功能表达——同时处理众多的脉冲，而大多数计算机在某个时间内只能执行一种指令。因此在我们精确了解计算机如何复制人脑结构前，每秒钟运转一千万米的电子仍是远比离子合适的载体。

现有计算机的信息流控制电子开关与控制神经脉冲流的神经中枢表层的选通离子通道的电子开关有相似性。但这种相似性被夸大了，电子开关本身是简单的，或开或关，而离子通道却不容随意开关，其闭合开关是随反映众多通道活性的整个神经表层传导的随机过程而定的；计算机开关里信号是由电子携带的，而神经传递介质携带信号则是从神经细胞到神经细胞。简言之，二者实际上在结构方面并无共同之处，因而其作用就不会相似了。

一般情况下，分子电子装置具有电子学的所有优点——传导速率接近光速；转换速度仅为微微秒10^-12秒）。这种假设的分子可能与天然的普通蛋白质完全不同。这种新分子非用不可，因为作为生物学基石的天然蛋白质不可能传导电子。但不无遗憾的是，至今尚无证据表明）遗传工程诱导细菌产生的任何一种蛋白质在电子传导方面比天然蛋白质略胜一筹。尽管事实上分子电子装置还未发明，但不少技术专家撇开理论上的难题，已经着手研制工作：设计电子分子开关和能连接此开关的分子导线。

计算机的首要部件是能存储、释放信息的装置——开关。计算机信息以二进制数字形式输入对应于一组问题的相应答案。存储信息的元件必须能在两种不同形态间（如开和关）作前后转换。计算机操作者必须能对元件提出疑问，知道开关处于何种状态。现今的电子计算机里是由晶体管担负开关任务的，当答案为“是”时，就允许电流通行；当答案为“不”时，则切断电流。计算机的存储器通过观察电子是否按特定编址流动而得出判断。拟议中的分子开关倘能问世，那其成就足堪与曾导致所谓的信息时代到来的晶体管的功绩相比，这将是电子学上的第二次飞跃：从体积庞大的电子管到微型晶体管，继而再到亚微分子。

任何可转换元件——即能稳定处于两种状态之任一种的元件，都可用作存储器。如摄影胶卷就是一种可转换元件，当其曝光时，产生化学变化，信息（图像）被记录下来。不同于作间断记录的摄影胶卷，计算机存储器必须能连续变化，且必须能重复使用。这样它就势必是一组_子以承受可逆变化，但目前这种存储器（无论是人工或天然的）还不存在。

确实许多结构简单的有机化合物（基团聚合性或电子质子定位良好的有机化合物）都能经受两种相对稳定状态间的可逆变化。这些过程已为大家所了解。其中一部分已作存储功能之用。这些化合物中，既可被转换、又可通过光探测信息的光敏材料乃是佼佼者。事实上由英国Aberystwyth大学的H. G. 海勒研制的光致变色系统，（一种可逆的光致变色系统）已用于制造光学磁带，这种磁带较通常的磁带具有更大的存储量。然而光是否能使分子元件转换，目前还不清楚。因为光线的精确瞄准能力要视光线本身的波长而定。即使光致变色系统采用的是最短的波长（约为2500埃），还是不能用于100埃一段的单一分子的编址、询问或转换。唯一可行的办法是用大于光波长的距离来阻隔分子元件，可是那里已无插足之地，因为所要求的这一距离已相当于今天硅片的元件阻隔尺寸。

与简单分子生物不同，氢原子的体积是如此小，以致它可以通过挡板，这样在某些情况下它们就能在一些分子中迅速改变位置（尽管我们现在还无法测出这些变化）。基于此，那些经受可逆变化涉及氢原子的分子已被选作存储元件材料。虽然氢原子确能迅速穿越挡板但它们也可能会因漏泄而返回挡板，这样偶尔会导致信息的丢失。

穿越挡板很可能是实现以一组分子电子装置设计存储器的最难逾越的障碍。由于单个元件日趋微型和致密化，电子能穿过元件，“串话”交连，摧毁取决于它们在某一地方的存在而确定的信息。现有的电子装置是通过将元件尽可能互相分开，从而轻易解决互相干扰这一问题的。最终，很有可能不是有功部分的体积而是微型化的这种限定标准导致了互相干扰的产生。如果元件间的接连处是足够大，那么分子何以充任元件呢？

眼下分子装置水平上的有关连接元件的情况还无人知晓。二十年前有关“分子导线”，一种线性分子导体的建设性看法就由斯坦福大学的威廉 · A · 莱特尔（William A. Little）作为一种高温生物超导体提出。虽然这种复杂的聚合物至今未见问世，但这一思想无疑激起了生物导体领域的兴趣，使该领域的工作大大推进了一步。

近年来有关分子导线的设想，如纳瓦尔（Naval）研究实验室的弗雷斯特 · 卡特（Forrest Carter）提出的设想，是基于多聚物是多股链，而不是单链。当添加少量杂质后，即使聚合物被互相缠绕，它们仍能有效地引导电子至聚合物链上。乍一看，它们的状态就似乎也是单一分子导线或单独分子传导层。现在尚不清楚的是，这样的材料是否可作为分子导线的原型，因为即便绝大多数电子是沿着链移动的，但链与链之间的相互干扰也是不容忽视的。

即使我们能从众多的链中分离出单分子链，但单一分子链是否能有效地引导电子仍是未知数。能如同单分子导线那样起作用的材料往往成了多种传导阻滞现象的牺牲品。如金属，当其体积减小到分子规模时，传导性就随之发生变化。贝尔实验室的杰丽 · 多兰（Jerry Dolan）和道格拉斯 · 奥谢罗夫（Douglas Osberoff）近来表明，在低温状态下，厚30埃宽1000埃的铂金丝的传导率与大面积材料的传导率相比有显著的降低。显然，原子水平的畸变出现于“导线”中，从而产生了可容纳电子载体的条件齐全的小环境。由于传导速度取决于电子平稳的移动，这种定位效应就严重阻碍了传导，限制了分子导线的使用——如果我们有朝一日能制造这种分子导线的话。

纵然我们不间断地设计分子逻辑电路和存储元件——开关，即找到一种将它们适当连接起来的方法，我们还得组装整个机器。在今天普通化学范围内，似乎还不拥有一种能直接将分子计算机那样复杂的结构进行组装的手段。近来，马里兰州Rockville的EMV公司的J. H. 麦克亚里（J. H. McAlear）和J. U. 韦伦（J. U. Wehrung）及北卡罗来纳大学的J. S. 汉克尔（J. S. Hanker）业已证明，具有分子规模特征的模式已在覆有蛋白质多聚溶素的薄层上体现出来，这是创建分子生物电子装置的首次尝试，因为经银盐处理后，模型就形成了一分子传导网络。但此举并不意味着在研制分子电子装置方面已经取得了突破性进展，原因在于它沿用的是通常的光刻技术，是对金属板上的模型进行复制而不是从单个分子复制而成。换言之，它所采用的办法依然是从大到小而不是由小到大。

现今的遗传工程是否有助于我们创建生物电子计算机呢？在付出可观的人力财力后，我们已能驱使细菌诱生许多具有任何所需氨基酸顺序的蛋白质复制品，先决条件是这些蛋白质对微生物无毒化作用。这是一个革命性成就。但这对于建造生物集成块的努力并无非常大的推动作用，主要因为蛋白质不能传导电子，作为元件或导体它们的作用并不是不可或缺的。当然它们作为基质或模板融合由其他有机分子构成的活性电子元素是合适的。即使这些元件组成了电子装置，它们也已是“人工”的了，即不再是细菌的产物，而是化学烧杯的杰作。只有在我们能具体了解如何建造这种包含了分子过程且不需要电子流的计算装置后，才可以认为确实是从蛋白质上创建出了计算机。

我们距合成可起计算装置作用甚至距可起到这种装置的模板作用的工程蛋白质的目标尚十分遥远。这表明我们至今无法确定某种氨基酸的顺序，该顺序导致产生具有右三维构型的执行特定功能的合成蛋白质。甚至我们无法精确预知天然蛋白质的氨基酸顺序的三维结构，也无法预知三维结构蛋白质的功能。事实上，尽管对天然蛋白质的研究已达三十年之久，但对它们结构、功能间的联系（当然对其类型和功能是清楚的）远不是完全知悉的。

即使最终我们搞清楚了建造分子计算装置的确切的分子结构）是电子或是非电子的，那这是否意味着它能起到与硅片同样的作用？元件的有机分子特性势必要影响其功能。复杂的分子结构一经建立，就必然会出某些差错，而有机材料的结构比之今天使用的诸如硅片之类的无机材料远为复杂，这就更易出偏差。生物系统是通过提供自身的大部分自由能给纠错装置来解决这些问题的。譬如，酶和其他功能性蛋白质以特有的速率降解并以相应的速率被分解、置换。如果分子集成块也须具有修复功能，那就需要更多层次的络合物。因而与其要具有修复功能，不如在分解时简单地添置一种类似接收功能的附加元件，当然这样也要增大集成块的体积。

显然，分子电子装置时代并未到来，面临着不少基本问题和棘手的技术问题。但有一点是可以肯定的，即没有人能否定这一时代终将到来。在我们着手设计复杂的功能分子前， · 必须学会如何依循着自然状态设计这些分子，了解蛋白质结构是如何转译成蛋白质功能；多余的酶如何被分解和置换；大脑是如何处理信息的，实际上是要了解人本身是怎样记忆的。

（The Sciences，1983年5~6月）