教科書之外

殊途同歸的密碼系統

生物學研究的是看起來好像刻意設計的複雜東西。——道金斯(Richard Dawkins,美國演化學家)

撰文/、插畫/陳文盛

教科書之外

殊途同歸的密碼系統

生物學研究的是看起來好像刻意設計的複雜東西。——道金斯(Richard Dawkins,美國演化學家)

撰文/、插畫/陳文盛


上個世紀生物學最驚人的發現是:遺傳訊息(基因)居然是儲藏在DNA上由四個鹼基單元(A、T、G、C)編碼的序列中。細胞把這些鹼基序列翻譯成胺基酸序列,形成各種蛋白質,在生物體中扮演代謝或結構等各種角色。換句話說,生物有個遺傳密碼系統把蛋白質的胺基酸序列編碼在DNA的鹼基序列中。


如此利用一種特定訊號傳遞另一種訊號的密碼系統,原本只出現在人類發明的通信工具,例如18世紀的旗語、19世紀的摩斯密碼和20世紀的現代電腦。這些密碼系統都是人為的刻意設計。地球上的生物在隨機演化中竟然也發展出一套密碼系統,並通用於所有物種,真是匪夷所思。


電腦科學和遺傳學都起源於19世紀下半葉,20世紀開始起飛。DNA雙螺旋和遺傳編碼被發現的時期,電腦的硬體和軟體也發展出完整的基本架構。原本龐大笨重的機械元件被真空管取代,然後進化成電晶體、積體電路。硬體越來越小、速度越來越快、記憶體容量也越來越大。早期的電腦基本上是專為單一程式設計,要改換程式必須施工改裝機器及線路,非常麻煩。1936年涂林(Alan Turing)提出「內儲程式」的觀念,再經馮紐曼(John von Neumann)等人的發展,建立起現代電腦的基本架構。在這個架構中,指令與資料都儲存在機器的記憶體裡;執行工作時才根據需要,從記憶體中擷取特定指令和資料。執行指令的時機可以是預設的,也可以根據情況而定。這樣的設計大幅提高了功能、彈性和安全性,最終成為現代電腦系統的主流。


電腦的資訊是用0和1兩個單元編碼,以1D(線狀)的排列儲存在硬體中;而基因的序列也是以1D的排列,儲存在染色體(細胞的硬體)上。除此之外,二者的資訊都是根據需求而選擇取用,執行的策略也有異曲同工之妙。


當細胞需要執行某一個基因的指令時,它的鹼基序列才會被轉錄到信使RNA(mRNA)上,讓後者在核糖體上轉譯成蛋白質的胺基酸序列;這些蛋白質才在細胞中執行任務。mRNA並不穩定,過了一些時候就會崩解,沒有繼續補充的話,這個基因就算是關閉了。電腦的執行原理也一樣,當它要執行某一個程式或使用某一筆資料的時候,該資訊才會被複製到隨機存取記憶體(RAM)上執行該軟體或處理該資料。RAM上的資訊也是暫時的,隨時可刪去(包括停電)。RAM和RNA上的資訊都是暫時且消耗性的,那些儲存在硬碟和染色體的資訊才具有相對的永久性。這就好像圖書館中的書不外借,只是影印一份可拋棄的副本出借,看完就丟棄。原始資料盡量完整地維持在原位。


電腦這樣的基本作業系統,可不是從分子生物學得到的靈感。涂林的內儲程式觀念發展遠早於DNA雙螺旋的發現。一個自然隨機演化的結果,和一個人為刻意的設計居然不謀而合,自有它的道理。從後見之明的角度來看,二者共享程式儲存、選擇執行、使用副本的整套機制,非常符合效率和安全的邏輯原則,很難想像有更好的設計。至於生物的終極資訊系統──我們的大腦呢?大腦資訊的儲存和處理機制顯然超越簡單的1D數位系統,真相到現在還是撲朔迷離。