DNA计算机

刘颂豪等

    ①DNA计算机是一种生物形式的计算机。遗传物质DNA（脱氧核糖核酸）分子是一条双螺旋“长链”，链上布满了“珍珠”即核苷酸。科学家研究发现，DNA分子通过这些“珍珠”的不同排列，能够表达出生物体各种细胞拥有的大量基因物质。数学家、生物学家、化学家以及计算机专家从中得到启迪，正在合作研制未来的液体DNA电脑。它利用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，然后通过与生物酶（在此相当于加、减、乘、除运算）的相互作用，使它们相互反应，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。

    ②由于DNA分子能同时进行大量的生化反应，所以DNA计算机在结构上是超大规模并行的，这种“试管型”的计算方式，在理论上可处理传统计算机的硅芯片和电流难以处理的问题，尤其是那些计算量随计算规模成指数增长的问题。

    ③DNA计算机以核苷酸为内存，且具有超大规模并行结构，所以DNA分子计算机最大的优点在于其惊人的存贮容量和运算速度。1立方米的DNA溶液，可存储1万亿亿的二进制数据。十几个小时的DNA计算，相当于所有电脑问世以来的总运算量。未来计算机的芯片和磁盘都用DNA溶液来代替，其强大的功能将令人惊讶。而且，DNA计算消耗的能量非常小，只有电脑的十亿分之一。

    ④DNA计算机诞生于1994年，发明人是莱昂那多•阿德莱曼（Leonard  Adleman）．阿德莱曼用“试管”DNA计算机做实验，测试出了DNA计算机的可行性。他的“试管计算机”在几秒内得出了结果，但他花去了数周时间去拣出那些正确的答案。

    ⑤传统电子技术将在2020年后的某个时候达到物理极限。威斯康星麦迪逊大学的科学家在简化和按比例放大这种技术方面迈出了重要的一步。他们采取了不同于其他先驱者所进行的试管实验的办法，而是把DNA链固定到一块镀金的玻璃载片（一种DNA芯片）上。其他研究人员则希望把DNA计算技术送回到活细胞中。像科幻小说中描述的向大脑植入以DNA为基础的人造智能芯片，也许在不久的将来就像现在接种疫苗一样简单。

    ⑥DNA分子计算机将是计算机发展的方向之一。现在已经设计出了DNA逻辑门、DNA片段以及更多超前的东西，现在DNA计算机最大的问题是很难检测其计算的结果。一旦这个问题得到解决，DNA计算机将会很快问世。但不要过早地期待它取代传统计算机（塑料制品与硅片的结合）．大部分专家预言：比起用来运行文字处理程序和发送电子邮件，未来的DNA计算机的应用极可能集中在破译密码和绘制飞行航线方面。

食品添加剂

      ①俗话说：“民以食为天。”近年来，我们的食品安全环境日趋严峻，随着毒奶粉、染色馒头等事件的不断出现，人们不禁要问，食品添加剂安全吗？

      ②食品添加剂是指经国家批准的，因防腐保鲜、提高加工工艺等需要而加入食品中的化学合成物或天然物质。我国《食品添加剂使用卫生标准》将其分为防腐剂、凝固剂、品质改良剂、增味剂、营养强化剂等22类1 500多种。当人类的食品进入工业化生产之后，除了极少数的天然野生食品外，几乎没有什么是不含添加成分的。目前，近97%的食品中使用了各类添加剂。可以说，食品添加剂已成为现代食品工业生产中不可缺少的物质。

      ③食品添加剂对食品的防腐保鲜效果十分明显。根据食品安全要求，每克食品的细菌总数不能超过8万个。假如不用防腐剂，即使在0 ℃～4 ℃的低温环境中，肉制品保存到第五天，细菌总数也将超过每克10万个。而防腐剂能遏制肉制品中的肉毒梭状芽孢杆菌的大量繁殖，有效延长肉制品的保质期。

      ④食品添加剂不但能防腐保鲜，还能改善食品的外观和口味。食品的酸、甜、鲜通常不是食品天然拥有的口味，往往是由添加剂“调”出来的。食品的诱人口感，如面条有弹性、点心酥脆，大多也是添加剂的功劳。

      ⑤现在，人们又发现不少食品添加剂还具有防病抗病的功能。如腐乳红曲是由大米发酵而来的，能够降低血脂，它既是色素又是功能性添加剂；从甘草里面提取的甜味剂，能改善肝功能；从玉米芯里面提取的木糖醇具有护肝、防龋齿的作用。除此以外，食品添加剂还能够调整食物的营养结构，如在面粉里面添加钙粉、维生素等，能使面粉的营养更加全面。

      ⑥现代食品工业发展离不开食品添加剂，食品添加剂的使用也直接影响食品安全。例如，摄入过多的膨松剂或防腐剂，轻则会引起流口水、腹泻、心跳加快等症状，重则会对胃、肝、肾造成严重危害。为规范食品添加剂的使用，各国都制定了严格的法律法规。如我国的食品卫生标准就明确规定，山梨酸钾可以作为食品防腐剂，但必须严格控制添加比例，它的许可添加量为0.5%以内。在美国，苯甲酸钠只允许在化妆品中使用，并且浓度必须在0.1%～0.2%范围内。世界卫生组织也规定了一个“ADI”值，即依照人体体重，一种无健康危害的食品添加剂的每日允许摄入量的估计值。例如糖精钠的ADI值为5毫克/公斤，即糖精钠每日允许摄入量为每公斤体重5毫克。

      ⑦必须指出的是，一直受到人们谴责的苏丹红、三聚氰胺等都不是食品添加剂，而是非法添加物。这样的非法添加物常见的还有块黄、硼酸、硫氰酸钠、蛋白精、酸性橙等。一般来说，不违规、不超量、不超范围地使用食品添加剂，食品是安全的。

                                                                                                                                                               （选自《科学画报》，有删改）

【链接材料】                某食品配料表

口罩之学问：外科医生的视角

宋刚

①说起口罩，外科医生使用的次数比较多，只要上台做手术必须戴上口罩、帽子。新型冠状病毒肺炎在我国的疫情高峰虽过，口罩不再“一罩难求”，但在复工、复产、复学的需求下，依然是大家生活、工作的必备品。网上购物平台各种口罩令人眼花缭乱：外科口罩、医用口罩、纱布口罩、N95口罩，可反复使用的口罩……价格越贵越好吗？如何选到合适的、性价比高的口罩？外科医生眼里口罩应该是怎样的呢？

②戴口罩就是要将灰尘、雾霾颗粒、细菌、病毒挡在口鼻之外，现在当务之急更是要挡住新型冠状病毒。这些颗粒、微生物虽然肉眼难以看见，但具体尺寸又差别巨大。例如，肉眼可见的灰尘颗粒尺寸至少需要达到50微米以上，而病毒的尺寸单位则是纳米级别。要知道，1毫米=1000微米，1微米=1000纳米。我们常说的PM2.5的单位就是微米，指等于或者小于2.5微米的颗粒物。PM2.5可以经过口鼻喉、支气管直达肺泡，其中的部分有害物质进入肺泡的毛细血管参加全身血液循环，部分有害物质则永久停留在肺泡无法呼出。直径大于10微米的颗粒物能被鼻毛和鼻腔结构沿途阻留。

③新型冠状病毒的直径为60～140纳米（即0.06~0.14微米），比PM2.5小得多，是其几十分之一。目前没有任何一款口罩能够过滤掉如此之小的颗粒物。不过，病毒在空气中不易单独存在，需要借助一定的载体，例如呼吸道飞沫、气溶胶等，而呼吸道飞沫的直径普遍大于5微米，称之为载体的空气动力学直径。在检测口罩的过滤效能时，常用空气动力学直径在0.3微米的氯化钠颗粒物或性质相当的气溶胶颗粒物作为测试介质。

④口罩的核心材料是中间过滤层的熔喷非织造布，以聚丙烯为材料，形成纵横交错、随机层叠的纤维，纤维直径一般为0.5～10微米，主要依靠机械阻隔、静电吸附作用阻挡颗粒物。颗粒越大，越容易被机械阻隔；颗粒越小，越容易被静电吸附。中间过滤层的内外侧还分别有一层非织造布，外层防水、防飞沫，内层吸湿、提高舒适度。而20世纪普遍使用的棉纱口罩是以脱脂纱布为材料，至少12层，经、纬纱≥9根/厘米，主要起到保暖、阻挡较大灰尘的作用。

⑤口罩的种类很多，老百姓尤其关注带“医用”二字的口罩。医用口罩分为一次性使用医用口罩、医用外科口罩、医用防护口罩。一次性使用医用口罩又称医用普通口罩，用于普通医疗环境中佩戴；医用外科口罩适合医务人员在进行有创操作时佩戴，外科医生做手术佩戴的就是医用外科口罩；医用防护口罩约等于老百姓常说的N95或者KN95口罩，但又有一些不同，具体在后文详述。

⑥口罩按照有无灭菌过程又分为灭菌型和非灭菌型口罩，前面提到的三种口罩全为按照标准生产的灭菌型口罩。非灭菌型并不意味着细菌很多、不能佩戴。口罩的生产车间都有严格的微生物控制要求，一般使用环氧乙烷进行消毒和灭菌，还需要等待一段时间待环氧乙烷残留达标后方可使用。正规厂家生产的非灭菌型口罩虽然没有消毒和灭菌的工艺，但对佩戴者没有危害。

⑦医用口罩除了可以保护医务人员，还要保护患者，尤其是接受手术的患者，所以按照标准生产的医用口罩必须灭菌。

⑧口罩最关键的分类指标是过滤效率，包括细菌过滤效率和颗粒物过滤效率。能阻隔越小的颗粒物，口罩的过滤性能越高。由于病毒一般以呼吸道飞沫颗粒物或气溶胶颗粒物作为载体，而细菌的尺寸远大于颗粒物载体，所以颗粒物过滤效率是代表口罩过滤效率的重要指标。医用普通口罩不对颗粒物过滤效率进行要求，医用外科口罩要求颗粒物过滤效率≧30%，医用防护口罩≧95%，99%，99.97%（即大家常说的N95、N99、N100口罩）。N或者KN是指用于防护非油性颗粒物，病毒颗粒物载体是非油性的，所以防病毒认准N或者KN就行。从过滤效率上讲，医用防护口罩>医用外科口罩>医用普通口罩。

⑨医用N95口罩和工业N95口罩对非油性颗粒物的过滤效果一样（即防病毒的效果一样），主要不同在于前者可以防止医疗操作过程中体液飞溅到口罩上发生渗漏。因此对于大众来说，佩戴工业用N95口罩可以起到一样的防病毒效果。另外，虽然医用防护口罩的过滤效率高于医用外科口罩，但前者对合成体液穿透的阻断却低于后者。在疫情高峰阶段，笔者就是用防雾霾工业N90口罩，外加医用外科口罩在门诊和病房工作，一加一的效果接近医用防护口罩。

（选自《科学时报》，有删改 2020.5.09）