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天人地 2024-01-29 16:52
信息时代的人类,对于储存空间的匮乏却在发愁了。根据一家调查机构的统计,到2025年,全世界的信息数据,将从30多ZB增加到175ZB。1ZB等于1万亿GB,所以这巨量的数据,确实让人很头疼。


除了没有地方可储存数据外,人类目前现有的各种储存介质,无论如何都难以做到百分百完美,时间长了总会出现耗损,因此还得不停备份。
于是,储存空间不够和耗损,这两个问题成为21世纪新的难点。在这种情况下,有科学家很早就盯上了DNA。


因为从本质上来看,DNA本质上也是一个储存空间,只不过它储存的是生物信息。而且根据此前的研究来看,DNA这种天然演化生成的信息密度,要比人类费心研究出来的其他介质好多了。
很小的一部分,就能储存数百万GB的信息,这空间确实远超人类的制造。除了储存量大,它相比于人造的介质耗损又很低。其储存的信息,可以长达几百年。
所以在这种情况下,科学家始终盯着DNA不放,就想看看能不能将数据储存到它的里面。实际具有可操作性吗?





生物信息和其他信息能一样吗


DNA上储存的信息,可以简单理解成是基因片段。它以一定的数量和顺序排列着。而DNA整体,又是双螺旋式的分子链,这些分子链,是由不同的脱氧核糖核酸按顺序组成的。
正是按照它给出的信息指令,生命才会从最初的受精卵,逐步分裂形成更多的细胞。细胞生成后,再依照DNA里储存的信息,分化形成各种身体组织。接着,组织之上再形成器官,由此一个完整的生命体就出现了。


这一切的基础,正是靠着DNA的信息储存,只不过这些信息是生物信息,或者说是生命信息。那么,如果将它们改成其他的信息,DNA能够进行储存吗?
科学家不光考虑过,而且在上世纪就曾做过类似的实验。
DNA的信息储存机制虽然是生命演化的步骤,可机制本身跟人类的编码却有些一致。也正因为如此,当人类可以在电脑上,靠着0和1两个字符来表示一切的时候,生物学家同样也能操控DNA,来编写相类似的信息。


上世纪80年代,一张照片就被储存到了DNA上,请注意是真的储存。具体就是依照上面所说的情况,先将照片改写成二进制的数据,之后再将其转化成ATCG序列,这样就将信息储存到这段DAN里了。
如何进行信息的读取呢?只要给DNA测序,就等于在读取信息。即便是将信息,储存在了活着细胞的DNA里,本身也丝毫没有影响。
近年来,哈佛医学院的遗传学专家,又把整部电影储存在了DNA上。此前的照片储存,包括这一次的电影储存,所用DNA都是大肠杆菌的。


虽然它的DNA里被储存了奇怪的东西,但经过储存后,大肠杆菌本身活得好好的,看起来丝毫不受任何影响。
更有意思的是,信息在它的体内,也是可以通过下一代的繁殖而复制。这就是说,那不被储存的电影,会一代代的通过繁殖而遗传下来。
而国内的科研人员,在2023年时也做过类似的研究。来自北京大学的研究人员,将一篇5KB的文章,储存到了一个细菌的DNA里。





字符串刻录在DNA碱基上


DNA碱基对组成的序列,犹如原始的结绳记事,而且序列构成的链条越长,代表记载的信息也就越多。
同样,科研人员先将要储存的信息转化编码,而后将字符串刻录到DNA的碱基对上,这样不同的碱基,就等于记录了不同的字符串。
至于读取信息,现在的技术也已相当成熟。国内在这方面的研究已经持续了十几年,而且已经形成了储存信息的DNA池。


这些被专门培养的DNA分子,作为生物硬盘,被保存在特定的溶液里。一个DNA分子,就能保存200比特的信息,而一根小小的试管里,就能储存大量的DNA分子。
有了这样的生物硬盘,可以传统的硬盘好多了。因为一毫升的DNA溶液里,就能储存2000个以上2TB硬盘的数据。
而且读取信息的仪器也相当小,只要取出一点细菌溶液,而后经过处理就能读取到上面的记录。这种模式本身,由于要运用到专业的设备和技术,肯定还无法推广。其实即便未来推广了,也不知道普通人有多少数据,需要兴师动众用这样的方式进行储存。


也有人担心,用这样的方式储存数据,会不会对细菌本身的DNA造成影响,要是一不留神改变了其遗传指令,弄出什么可怕的东西就得不偿失了。
对此,国内的科研人员表示,在进行刻录的时候,会提前和基因库中的信息进行比照。这样可以确保所录入的信息中,不会出现跟生物基因相同的片段。
简单理解起来就是,记录的信息,不是表现生物本身特性的,对细菌自己来说,那些信息对它没有什么实质性意义,构不成遗传指令。


科研人员表示,下一步的研究,还能通过融入别的指令信息,确保细菌在特定环境里死亡。
至于为何非要这样储存数据,就又得说到储存空间上来了。



DNA可以将全世界的数据都存下


科研人员表示,传统硬盘储存方式,不但储存空间有限,本身因为散热也会挤占空间。对比之下,DNA的储存密度,是传统硬盘的1000万倍。


从时常上来说,哪怕是因为成为化石的DNA,通过技术手段,照样能够将上面的信息读取。而传统的硬盘,肯定不具备这么长的寿命。
而且,用DNA来保存数据,基本上不存在能量的耗损。传统的硬盘储存大量数据,耗电和散热,都是相当大的能耗。而DNA储存的数据,在常温状态下就能保存。
那么,即便有大数据的储存需求,究竟是哪些数据,需要用到这样的方式来储存呢?


最常见的,是天文学领域产生的数据。天文观测每天产生的数据,是以PB为单位来计算的。1PB的文件,就能装满1024个容量为1TB的硬盘。
面对如此海量的数据,未来技术一旦成熟,就能轻松将其储存在DNA的硬盘里了。此前有研究显示,1公斤的DNA,就能将全世界的数据全部储存完。
目前该技术最大的难度,还在于应用和推广。技术的难度,必然推高了其成本,因此普及化的推广眼下肯定还是做不到的。


不过在科研人员看来,未来研究的方向,还是有可能将储存的技术小型化和便捷化的。比如DNA池,就好比一个大数据中心。而细菌基因组,就相当于一个U盘。
当然,究竟何时才能出现这样的储存形式,目前也只有期待了。
此外,很多人也不禁会产生另一种疑问,DNA的结构如此精妙,那么它又是怎么来的呢?真的如同进化论所说,是进化而来的?





DNA可能来自宇宙深处吗


此前就有观点认为,地球上生命的DNA可能来自宇宙,而且携带其前来的是陨石。那些在早期与地球碰撞的小行星,有的结构里就含有DNA组成成分。
此前,有科学家对地球上的一些古老陨石进行了研究,居然在上面发现了鸟嘌呤的疑似物质。2019年,又有科学家研究发现,在宇宙深处的一些星际云中,也发现了有DNA组成的成分。


虽然发现了DNA出现在外太空,而且小行星撞击地球,早期也确实有可能将某种DNA的成分带来地球,进而就像散播种子一样,让生命在地球上生成繁衍。
但是,这依旧无法解释DNA来自哪里。这些来自太空的疑似DNA,它们的前身又是来自哪里的呢?就目前来看,这还是相当困扰人类的一个问题。


结语
虽然人类现在还搞不清DNA的生成机制,但现在依照已经掌握的技术,除了能在DNA上面储存信息外,人类还想通过改造DNA,进而来合成一种新的生命。
目前,相关的研究还处在起步阶段,现在的合成细菌基因组制造,在研究领域已经拥有较为成熟的技术了。


但是,如果想合成植物或者是动物的话,由于基因的表达十分复杂,合成起来的难度也将是指数级别的。在一些科学家看来,未来100年,人类也就改造一下某些细菌或者真菌。想要合成高等的动物体,还是相当困难的。


有困难不假,但人类在这一领域的研究,未来肯定会继续推动。毕竟要不是研究,人类也找不到DNA这种绝佳的“硬盘”。下一步,能把这项技术从研究推广到现实中,就已经很了不起了。


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