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DNA未來或成完美硬盤?研究發現:一公斤DNA能保存所有的地球文明!
2024/01/30

過去,我們用紙張或者其他媒介儲存和書寫信息,雖然量也很大,但還沒有出現過因為儲存空間不夠而發愁的情況。

信息時代的人類,對于儲存空間的匱乏卻在發愁了。根據一家調查機構的統計,到2025年,全世界的信息數據,將從30多ZB增加到175ZB。1ZB等于1萬億GB,所以這巨量的數據,確實讓人很頭疼。

除了沒有地方可儲存數據外,人類目前現有的各種儲存介質,無論如何都難以做到百分百完美,時間長了總會出現耗損,因此還得不停備份。

于是,儲存空間不夠和耗損,這兩個問題成為21世紀新的難點。在這種情況下,有科學家很早就盯上了DNA。

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因為從本質上來看,DNA本質上也是一個儲存空間,只不過它儲存的是生物信息。而且根據此前的研究來看,DNA這種天然演化生成的信息密度,要比人類費心研究出來的其他介質好多了。

很小的一部分,就能儲存數百萬GB的信息,這空間確實遠超人類的制造。除了儲存量大,它相比于人造的介質耗損又很低。其儲存的信息,可以長達幾百年。

所以在這種情況下,科學家始終盯著DNA不放,就想看看能不能將數據儲存到它的里面。實際具有可操作性嗎?

DNA上儲存的信息,可以簡單理解成是基因片段。它以一定的數量和順序排列著。而DNA整體,又是雙螺旋式的分子鏈,這些分子鏈,是由不同的脫氧核糖核酸按順序組成的。

正是按照它給出的信息指令,生命才會從最初的受精卵,逐步分裂形成更多的細胞。

細胞生成后,再依照DNA里儲存的信息,分化形成各種身體組織。接著,組織之上再形成器官,由此一個完整的生命體就出現了。

這一切的基礎,正是靠著DNA的信息儲存,只不過這些信息是生物信息,或者說是生命信息。那麼,如果將它們改成其他的信息,DNA能夠進行儲存嗎?

科學家不光考慮過,而且在上世紀就曾做過類似的實驗。

DNA的信息儲存機制雖然是生命演化的步驟,可機制本身跟人類的編碼卻有些一致。也正因為如此,當人類可以在電腦上,靠著0和1兩個字符來表示一切的時候,生物學家同樣也能操控DNA,來編寫相類似的信息。

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上世紀80年代,一張照片就被儲存到了DNA上,請注意是真的儲存。具體就是依照上面所說的情況,先將照片改寫成二進制的數據,之后再將其轉化成ATCG序列,這樣就將信息儲存到這段DAN里了。

如何進行信息的讀取呢?只要給DNA測序,就等于在讀取信息。即便是將信息,儲存在了活著細胞的DNA里,本身也絲毫沒有影響。

近年來,哈佛醫學院的遺傳學專家,又把整部電影儲存在了DNA上。此前的照片儲存,包括這一次的電影儲存,所用DNA都是大腸桿菌的。

雖然它的DNA里被儲存了奇怪的東西,但經過儲存后,大腸桿菌本身活得好好的,看起來絲毫不受任何影響。

更有意思的是,信息在它的體內,也是可以通過下一代的繁殖而復制。這就是說,那不被儲存的電影,會一代代的通過繁殖而遺傳下來。

而國內的科研人員,在2023年時也做過類似的研究。來自北京大學的研究人員,將一篇5KB的文章,儲存到了一個細菌的DNA里。

DNA堿基對組成的序列,猶如原始的結繩記事,而且序列構成的鏈條越長,代表記載的信息也就越多。

同樣,科研人員先將要儲存的信息轉化編碼,而后將字符串刻錄到DNA的堿基對上,這樣不同的堿基,就等于記錄了不同的字符串。

至于讀取信息,現在的技術也已相當成熟。國內在這方面的研究已經持續了十幾年,而且已經形成了儲存信息的DNA池。

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這些被專門培養的DNA分子,作為生物硬盤,被保存在特定的溶液里。一個DNA分子,就能保存200比特的信息,而一根小小的試管里,就能儲存大量的DNA分子。

有了這樣的生物硬盤,可以傳統的硬盤好多了。因為一毫升的DNA溶液里,就能儲存2000個以上2TB硬盤的數據。

而且讀取信息的儀器也相當小,只要取出一點細菌溶液,而后經過處理就能讀取到上面的記錄。這種模式本身,由于要運用到專業的設備和技術,肯定還無法推廣。其實即便未來推廣了,也不知道普通人有多少數據,需要興師動眾用這樣的方式進行儲存。

也有人擔心,用這樣的方式儲存數據,會不會對細菌本身的DNA造成影響,要是一不留神改變了其遺傳指令,弄出什麼可怕的東西就得不償失了。

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對此,國內的科研人員表示,在進行刻錄的時候,會提前和基因庫中的信息進行比照。這樣可以確保所錄入的信息中,不會出現跟生物基因相同的片段。

簡單理解起來就是,記錄的信息,不是表現生物本身特性的,對細菌自己來說,那些信息對它沒有什麼實質性意義,構不成遺傳指令。

科研人員表示,下一步的研究,還能通過融入別的指令信息,確保細菌在特定環境里死亡。

至于為何非要這樣儲存數據,就又得說到儲存空間上來了。

科研人員表示,傳統硬盤儲存方式,不但儲存空間有限,本身因為散熱也會擠占空間。對比之下,DNA的儲存密度,是傳統硬盤的1000萬倍。

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從時常上來說,哪怕是因為成為化石的DNA,通過技術手段,照樣能夠將上面的信息讀取。而傳統的硬盤,肯定不具備這麼長的壽命。

而且,用DNA來保存數據,基本上不存在能量的耗損。傳統的硬盤儲存大量數據,耗電和散熱,都是相當大的能耗。而DNA儲存的數據,在常溫狀態下就能保存。

那麼,即便有大數據的儲存需求,究竟是哪些數據,需要用到這樣的方式來儲存呢?

最常見的,是天文學領域產生的數據。天文觀測每天產生的數據,是以PB為單位來計算的。1PB的文件,就能裝滿1024個容量為1TB的硬盤。

面對如此海量的數據,未來技術一旦成熟,就能輕松將其儲存在DNA的硬盤里了。此前有研究顯示,1公斤的DNA,就能將全世界的數據全部儲存完。

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目前該技術最大的難度,還在于應用和推廣。技術的難度,必然推高了其成本,因此普及化的推廣眼下肯定還是做不到的。

不過在科研人員看來,未來研究的方向,還是有可能將儲存的技術小型化和便捷化的。比如DNA池,就好比一個大數據中心。而細菌基因組,就相當于一個U盤。

當然,究竟何時才能出現這樣的儲存形式,目前也只有期待了。

此外,很多人也不禁會產生另一種疑問,DNA的結構如此精妙,那麼它又是怎麼來的呢?真的如同進化論所說,是進化而來的?

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此前就有觀點認為,地球上生命的DNA可能來自宇宙,而且攜帶其前來的是隕石。那些在早期與地球碰撞的小行星,有的結構里就含有DNA組成成分。

此前,有科學家對地球上的一些古老隕石進行了研究,居然在上面發現了鳥嘌呤的疑似物質。2019年,又有科學家研究發現,在宇宙深處的一些星際云中,也發現了有DNA組成的成分。

雖然發現了DNA出現在外太空,而且小行星撞擊地球,早期也確實有可能將某種DNA的成分帶來地球,進而就像散播種子一樣,讓生命在地球上生成繁衍。

但是,這依舊無法解釋DNA來自哪里。這些來自太空的疑似DNA,它們的前身又是來自哪里的呢?就目前來看,這還是相當困擾人類的一個問題。

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雖然人類現在還搞不清DNA的生成機制,但現在依照已經掌握的技術,除了能在DNA上面儲存信息外,人類還想通過改造DNA,進而來合成一種新的生命。

目前,相關的研究還處在起步階段,現在的合成細菌基因組制造,在研究領域已經擁有較為成熟的技術了。

但是,如果想合成植物或者是動物的話,由于基因的表達十分復雜,合成起來的難度也將是指數級別的。在一些科學家看來,未來100年,人類也就改造一下某些細菌或者真菌。想要合成高等的動物體,還是相當困難的。

有困難不假,但人類在這一領域的研究,未來肯定會繼續推動。畢竟要不是研究,人類也找不到DNA這種絕佳的「硬盤」。下一步,能把這項技術從研究推廣到現實中,就已經很了不起了。

嚴禁無授權轉載,違者將面臨法律追究。

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