DNA计算机中队列数据结构的设计及实现分析
来源:用户上传
作者: 吕汉香
摘 要：随着电子信息技术的不断发展和更新换代，使得计算机的应用也越来越广泛，同时计算机的技术也越来越高端、功能也越智能化。计算机的数据存贮量的多少和计算机的反应速率也来越受到人们的重视。DNA计算机可以贮存的信息是普通电脑硬盘所能贮存的数亿倍，而解决各种繁芜杂乱的问题所耗费的时间仅为现今最具效率的超级计算机的一小部分。而DNA计算机也无疑成为高信息时代的一个重要的新发明。
关键词：DNA计算机;队列数据结构;设计及实现
一、基本原理
机器计算的历史可以追溯到1641年，当年18岁的法国数学家帕斯卡尔成功地制造了一台齿轮传动的八位加法计算机。这使人类计算方式、计算技术进入了一个新的阶段。后经人们数百年的艰辛努力，终于在1945年成功地研制出了世界上第一台电子计算机。从此，人类进入了一个全新的计算技术时代。到了21世纪，可以说是信息时代的大爆炸。新型芯片的诞生使得计算机越来越小，越来越普及。从最早的帕斯卡尔齿轮机到今天最先进的电子计算机，其计算方式都是一种物理性质的符号变换，具体是由“加”和“减”这种基本动作构成的。将计算数据运用进制的方式输入电脑中，使得人们的计算量加大，并且计算精准度也相对较高。然而，目前的DNA计算则有了本质的变化，计算不再是一种物理性质的符号变换，而是一种化学性质的符号变换，即不再是物理性质的“加”“减”操作而是化学性质的切割和粘贴、插入和删除。这种新的计算方式的变革是前所未有的，具有划时代的意义。
DNA分子链，是一条双螺旋长链，上面布满了核苷酸，共拥有四种碱基：腺瞟呤（A）、鸟瞟呤（T）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（G），DNA分子的不同排列方式构成了大千世界中生物细胞的信息。数学家、生物学家、化学家以及计算机专家从中得到了启迪，他们利用DNA能够编码信息的特点，先合成具有特定序列的DNA分子，使它们代表要求解的问题，然后通过生物酶的作用（相当于加减乘除运算），使他们相互反应，形成各种组合，最后过滤掉非正确的组合而得到的编码分子序列就是正确答案。
二、目前DNA计算机存在的问题
1.空间指数暴增的问题
随着问题规模的不断增大，所需要的DNA数据量也会成一定比例的递增趋势。数值在运算过程中，随着数据输入的增多而计算机根据DNA链的原理将数据进行捆绑式计算。这样会增加计算的反应难度，降低了计算程序的反映速率。对于数据程序的控制要求非常高，造成数值或指数暴增的问题。
2.编码难的问题
作为较大规模的DNA计算问题，在编码上存在一定的问题。这就要求一个DNA分子数据在编码的时候需要四个相应的数据来进行编码，在编码的时候还不能出现差错和编码不一的情况，编码不一会导致DNA分子的变异。在数据上则表现为数据的乱码和出错问题，而这也是解决DNA计算机在数据处理上的一大难题。
3.解码检测难的问题
DNA解码的检测充满了整个计算的始终，如何快速准确地进行解码也是一个很重要的问题。在将计算机数据进行了编码之后，在进行计算的时候在进行一组一组的解码也是问题的关键所在，找不到合理的解码方式会导致前面所做的编码也是一个无用功，在编码的时候就应该有解码的相应处理，解码也是DNA计算机的重要症结所在。
三、DNA计算机中队列数据结构的设计
1.“碱基配对互补”原则
在DNA分子链中是运用共价键的方式结合在一起，使生物活性分子与不溶性载体表面上的反应基团发生化学反应形成共价键，而这种共价键一般情况下是很稳定的不容易出现断裂或是损坏。在活性酶的作用下运用化学反应的方式才能对共价键造成一定的破坏。而在DNA计算机的运用当中则表现为计算机数据当中数值与数值之间存在的载体的处理，而这一载体的体现，通过共价键将数据以电磁的方式固定到电极针上，根据不同的电极表面，可采用不同的共价键的方法来对数值进行“碱基配对”从而达到数值的编码与解码问题。
2.分子标记
在遗传试验与育种实践中，如果发现了新的基因，就需要对基因进行标记。而在数据的配对原则中，也可以根据这种标记的方法对数据进行一定的编码。举个例子说明：在计算机的进制中我们可以将其分为二进制、八进制、十六进制等。而在计算机数据当中我们也可以对一些特殊的数据进行编码，特别专门进行解码。这样就缓解了数据在处理时出现的乱码或者编码不正确的情况，使得它的计算速率和错误纠正率得到很大的提高。
DNA计算机是一项新型的信息技术，在原有计算机的基础上将会使计算机的整体性能得到很大的提高，这项技术的研究任重而道远，需要长期的不断探索，在技术的研究上要不断地更新。同时，根据DNA分子的特性进行一定的分析与探讨。可以看出，在DNA计算问题中，探针DNA分子固定的稳定性是影响着与靶DNA分子杂交效率的重要因素，将其应用与计算机当中，能够极大地提高解码检测的灵敏度。高密度和高效率固定化将成为目标，使其在DNA计算中的应用日趋成熟，进一步提高DNA计算的有效性和检测的灵敏度。
参考文献：
［1］许进，王淑栋，潘林强.DNA计算：一种新的计算模式.清华大学出版社，2004.
［2］方刚.基于三链核酸与压电基因传感器DNA计算研究与探索.华中科技大学，2006：2－9.
［3］许进，谭钢军.DNA计算机：原理、进展及难点（Ⅳ）：论DNA计算模型.计算机学报，2007，30（6）：881－893.
（作者单位 江苏省宿迁市宿豫区职业教育中心）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-1757623.htm
