DNA：时间刻印的信息宝库

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：不可思议的是，在大多数生物体的DNA中，竟然多数段落都是乱码。拿我们人类的DNA来看，有用的基因组只有22000个，总长度仅占DNA的3%，其余97%的区域都被“垃圾基因”占据。DNA不仅可以储存信息，而且信息衰减和损耗几乎为零。如今全球每年产生的数据需要4180亿个1TB的硬盘才能放下，而把这些数据储存在DNA上，仅仅需要1千克DNA物质。同时，DNA存储费用比较昂贵。

光子计算带来了算力的提升。但计算与储存如同好马配好鞍，两者相辅相成。计算速度与储存速度不匹配，就会遇到著名的冯·诺依曼瓶颈。那么，在数据爆炸的时代，储存技术又有哪些想象空间呢？

大家是否幻想过一个问题：假设人类文明被一场灾难摧毁，我们的知识和历史还能保留吗？纸张会腐烂，硬盘会降解，甚至连石头也会风化。但是，有一种物质可以无视这些物理过程，那就是DNA。

我们知道，组成DNA的基本单元是脱氧核苷，每个脱氧核苷都带有一个碱基，而碱基共有四种类型，分别是腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶。如果用0、1、2、3各代表一个碱基，就可以组成一个四进制的存储方式。人类基因组包含大约相当于750MB的信息，这么多信息就储存在一条比细胞还小得多的DNA上，并且事无巨细地告诉我们的身体：鼻子该长在哪里，眼睛该长成什么颜色，某个蛋白又该怎么合成。

不可思议的是，在大多数生物体的DNA中，竟然多数段落都是乱码。拿我们人类的DNA来看，有用的基因组只有22000个，总长度仅占DNA的3%，其余97%的区域都被“垃圾基因”占据。这些垃圾基因其实是曾经与生命活动有关但后来失效的基因，因此无论对这些基因怎样改动，都不会对生命活动造成影响。

于是科学家想，既然DNA上的乱码区可以随意填写，那何不填写上我们需要保存的信息呢？

2000年，美国生物学家把一段信息“刻”进了细菌的体内，这段信息就是爱因斯坦著名的质能方程“E＝mc2”。2003年，又有人把迪士尼动画片中的一段曲子“刻”进了细菌体内。到了2010年，当首个人造细胞诞生时，领导该项工作的美国基因学家卡耐基·文特尔又把所有参与该项目的科学家的名字“刻”进了人造细胞的DNA上。

DNA不仅可以储存信息，而且信息衰减和损耗几乎为零。2019年，据《连线》杂志报道，科学家通过一种含有DNA数据的材料，用3D打印的方式制造出一只塑料兔子。神奇的是，即使切下这只塑料兔子的尾巴，也可以在尾巴的DNA信息中制造出一只一模一样的塑料兔子。

这正是因为DNA存储可以提供大量的信息密度和超常的半衰期。

如今全球每年产生的数据需要4180亿个1TB的硬盘才能放下，而把这些数据储存在DNA上，仅仅需要1千克DNA物质。不仅如此，依靠生物碱基不同的排列方式，这些信息还可以在－18℃的环境储存100万年之久。

虽然DNA存储可以应对数据爆炸，但离真正商用还非常遥远。特别是数据的读写速度还非常慢，比如仅仅5MB的数据，读写就需要花费4天时间。同时，DNA存储费用比较昂贵。但是，随着生物技术的发展，DNA存储费用已经呈现大幅下降趋势，就拿基因测序的费用来说，2012年的费用仅是2001年的百万分之一。

DNA：时间刻印的信息宝库

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