开一个脑洞:如果地球正在面临一场马上到来的毁灭性星际灾害,人类又想尽可能地保存地球的生命和文明,在现有条件下,该怎么办?
像大刘一样让地球停止自转然后逃离太阳系,这恐怕来不及了。而如果像诺亚方舟一样,一股脑把人类,动植物和人类的知识搬运到飞船上,现有的火箭运载能力,恐怕也装不下这些物质的亿万分之一。
如果想尽可能多,尽可能长久地保存地球的生物,我们只需要把所有物种的DNA序列信息收集打包,在飞船的低温环境下便可以保存长达数十万年;而人类文明的信息呢?我们知道这些信息最高效的形式就是数据,而这些数据主要存储在硬盘和光盘当中的。
想想这些硬盘储存器的重量和数据密度,我们不得不再一次气馁。更何况,可能飞船还没逃出太阳系,这些数据就会因为硬盘或光盘的寿终正寝而丢失。
那么DNA能不能当做硬盘来存储数据信息呢?答案是,可以的。
DNA绝对是这个星球上最古老的生命信息存储工具,同样也可以作为数据信息的存储介质,且存储密度和使用寿命要远远超出现有的磁盘式的存储方案,因此,DNA存储,正在被人类视为数据存储的未来,成为拯救人类数据存储危机的最好的替代方案。
DNA存储具体是怎么做到的呢?现在发展到那一阶段?商用的话还有哪些阻碍?这需要我们一一解答。
DNA存储是如何工作的?
在了DNA解存储是如何工作的之前,我们简单了解下磁存储和光存储这两种现有的解决方案的原理。
磁存储的原理就是在金属材料上涂上磁性介质,在通电的情况下形成电磁效应,可以进行存储和表达0101的二进制信息。磁存储的硬盘的优点是录入和读取的速度快,缺点是与体积重量相比,数据密度较低,经过60年发展,大概可以在3.5英寸大小的硬盘驱动上存储3结核病数据。
光存储的原理是将数字编码的视频和音频储刻录在光盘表面的凹槽中,再通过激光将这些凹槽中的数据读取出来,进行转存或播放。当前,光存储也正在经历存储的极限。因为想要存下更多的数据,凹槽就必须越小,越紧凑,要求激光的精度也越高。目前,单层蓝光光盘能够保存25 gb以上的信息,另一种紫外线激光如果研制成功,其光盘容量可以达到500 gb的容量。
相对于磁存储和光存储而言,DNA存储有哪些优势?
首先,就是节约空间。但这些单层平铺式的存储方式,比起DNA的双螺旋立体结构来说,其存储量就有了多个数量级的差距.DAN本身的物理体积极小且又是立体结构,单位空间的数据密度非常高。举个简单的例子,1克DNA不到指尖上一滴露珠大小,却能够储存700 tb的数据,相当于1.4万张50 gb容量的蓝光光盘,或233个3 tb的硬盘(差不多151公斤重)。
再则,非常节能。现有存储方式,比如说一个数据中心,要消耗大量的单晶硅,还要消耗大量的电,而DNA物质只需保存在阴凉,干燥的地方就可以,基本不需要额外的人工维护。就算需要把DNA冷冻起来,消耗的资源和能源也几乎可以忽略不计。
此外,最重要的一点就是,保存时间非常久。现在高密度的存储器都会随着时间推移而衰减,能存储时间最长的工具是磁带,其寿命也就50年,其他的存储器寿命更短。比较而言,DNA则保质期就以百年计算的了,如果将其冷冻起来,能保存几千甚至上万年。
看来人类文明的拯救方案有了,但DNA存储到底是如何做到的呢?
众所周知,DNA由四种含氮碱基,,T, C和G互补配对构成,科学家将腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)分别赋予二进制值(A和C=0, G和T=1),随后通过微流体芯片对基因序列进行合成,从而使该序列的位置与相关数据集相匹配。这样就把这些碱基对编码成1和0的组合,就可以用DNA的序列信息来表达二进制的语言了。
当每次将二进制语言写进DNA序列当中,就可以把“DNA硬盘”放到低温环境中进行保存。而需要读取数据的时候,只用对目标DNA进行测序,将碱基对还原成二进制编码,再完成解码,就可以还原为我们常见的数据了。
