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        相對于磁存儲和光存儲而言,DNA存儲有哪些優勢?

        發布時間:2021-06-11 來源:本站

        開一個腦洞:如果地球正在面臨一場馬上到來的毀滅性星際災害,人類又想盡可能地保存地球的生命和文明,在現有條件下,該怎么辦?

        像大劉一樣讓地球停止自轉然后逃離太陽系,這恐怕來不及了。而如果像諾亞方舟一樣,一股腦把人類、動植物和人類的知識搬運到飛船上,現有的火箭運載能力,恐怕也裝不下這些物質的億萬分之一。


        如果想盡可能多、盡可能長久地保存地球的生物,我們只需要把所有物種的DNA序列信息收集打包,在飛船的低溫環境下便可以保存長達數十萬年;而人類文明的信息呢?我們知道這些信息最高效的形式就是數據,而這些數據主要存儲在硬盤和光盤當中的。

        想想這些硬盤儲存器的重量和數據密度,我們不得不再一次氣餒。更何況,可能飛船還沒逃出太陽系,這些數據就會因為硬盤或光盤的壽終正寢而丟失。

        那么DNA能不能當做硬盤來存儲數據信息呢?答案是,可以的。

        DNA絕對是這個星球上最古老的生命信息存儲工具,同樣也可以作為數據信息的存儲介質,且存儲密度和使用壽命要遠遠超出現有的磁盤式的存儲方案。因此,DNA存儲,正在被人類視為數據存儲的未來,成為拯救人類數據存儲危機的最好的替代方案。

        DNA存儲具體是怎么做到的呢?現在發展到那一階段?商用的話還有哪些阻礙?這需要我們一一解答。

        DNA存儲是如何工作的?
        在了解DNA存儲是如何工作的之前,我們簡單了解下磁存儲和光存儲這兩種現有的解決方案的原理。

        磁存儲的原理就是在金屬材料上涂上磁性介質,在通電的情況下形成電磁效應,可以進行存儲和表達0101的二進制信息。磁存儲的硬盤的優點是錄入和讀取的速度快,缺點是與體積重量相比,數據密度較低。經過60年發展,大概可以在3.5英寸大小的硬盤驅動上存儲3TB數據。

        光存儲的原理是將數字編碼的視頻和音頻儲刻錄在光盤表面的凹槽中,再通過激光將這些凹槽中的數據讀取出來,進行轉存或播放。當前,光存儲也正在經歷存儲的極限。因為想要存下更多的數據,凹槽就必須越小、越緊湊,要求激光的精度也越高。目前,單層藍光光盤能夠保存 25GB 以上的信息,另一種紫外線激光如果研制成功,其光盤容量可以達到500GB的容量。

        相對于磁存儲和光存儲而言,DNA存儲有哪些優勢?
        首先,就是節約空間。但這些單層平鋪式的存儲方式,比起DNA的雙螺旋立體結構來說,其存儲量就有了多個數量級的差距。DAN本身的物理體積極小且又是立體結構,單位空間的數據密度非常高。舉個簡單的例子,1克DNA不到指尖上一滴露珠大小,卻能夠儲存700TB的數據,相當于1.4萬張50GB容量的藍光光盤,或233個3TB的硬盤(差不多151KG重)。

        再則,非常節能?,F有存儲方式,比如說一個數據中心,要消耗大量的單晶硅,還要消耗大量的電。而DNA物質只需保存在陰涼、干燥的地方就可以,基本不需要額外的人工維護。就算需要把DNA冷凍起來,消耗的資源和能源也幾乎可以忽略不計。

        此外,最重要的一點就是,保存時間非常久?,F在高密度的存儲器都會隨著時間推移而衰減,能存儲時間最長的工具是磁帶,其壽命也就50年,其他的存儲器壽命更短。比較而言,DNA則保質期就以百年計算了,如果將其冷凍起來,能保存幾千甚至上萬年。



        看來人類文明的拯救方案有了,但DNA存儲到底是如何做到的呢?

        眾所周知,DNA由四種含氮堿基——A、T、C和G互補配對構成,科學家將腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)分別賦予二進制值(A和C=0 ,G和T=1),隨后通過微流體芯片對基因序列進行合成,從而使該序列的位置與相關數據集相匹配。這樣就把這些堿基對編碼成1和0的組合,就可以用DNA的序列信息來表達二進制的語言了。

        當每次將二進制語言寫進DNA序列當中,就可以把“DNA硬盤”放到低溫環境中進行保存。而需要讀取數據的時候,只用對目標DNA進行測序,將堿基對還原成二進制編碼,再完成解碼,就可以還原為我們常見的數據了。

        原理是非常簡單,但科學家是如何做到的呢?這就要簡單回顧下DNA存儲技術的發展史了。

        DNA存儲是如何一步步發展到現在的?
        最先想到這一方法的是一位藝術家Joe Davis,他在1988年與哈佛研究人員合作,把一個取名為Microvenus(小維納斯)的7*5像素矩陣的照片,轉化成35個堿基的DNA序列,插入到大腸桿菌里,第一次把不屬于自然演化的信息寫進了在DNA當中。

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