半月談?dòng)浾?張漫子

以信息時(shí)代的后見(jiàn)之明回望人類(lèi)演化，我們的文明史，其實(shí)也是一部數(shù)據(jù)史。

在全球80億人平均每人每天產(chǎn)生高達(dá)1.5GB數(shù)據(jù)的今天，“數(shù)據(jù)怎么存、存在哪里好”的問(wèn)題，日益凸顯。要一塊多大的“硬盤(pán)”，才能裝下我們不斷延長(zhǎng)的文明史?答案可能在生命最基礎(chǔ)的單元之中。對(duì)，就是DNA。DNA做的“硬盤(pán)”，你想擁有嗎?

DNA，能當(dāng)“硬盤(pán)”用?

DNA，攜帶生命核心“代碼”的神秘大分子。它有著經(jīng)典而美麗的雙螺旋結(jié)構(gòu)，猶如無(wú)限綿延的莫比烏斯帶，編織出生命體演化的壯闊歷史。生命體規(guī)模巨大的遺傳信息就在此進(jìn)程中代代傳承，精準(zhǔn)而安穩(wěn)，從信息科學(xué)的角度看，確實(shí)不可思議——單個(gè)人體細(xì)胞的平均直徑僅有5到200微米，卻輕松包羅一個(gè)人的全部遺傳信息，30億對(duì)堿基。

DNA可以保存多久?最新答案是200萬(wàn)年。近年科學(xué)家曾從格陵蘭島凍土中成功提取200萬(wàn)年前的DNA序列，其中信息仍歷歷可辨。

既然DNA攜帶的信息可跨越數(shù)百萬(wàn)年之久，那么今天我們這個(gè)信息爆炸的時(shí)代，能否借用這條生命史的莫比烏斯帶保存人間訊息，使之成為接續(xù)人類(lèi)文明的一條紐帶?

大膽假設(shè)，自然要小心求證。我們先來(lái)看看，DNA為什么這么能“裝”?

關(guān)鍵在于兩方面。其一就是雙螺旋結(jié)構(gòu)。“這樣的結(jié)構(gòu)使DNA分子在甚小空間內(nèi)也可以緊湊排列，承載極高密度的信息?！北本┐髮W(xué)軟件研究所副研究員張成解釋道。

北京大學(xué) DNA 存儲(chǔ)研究團(tuán)隊(duì)在做試驗(yàn)

此外，DNA四種堿基(腺嘌呤A、胞嘧啶C、鳥(niǎo)嘌呤G和胸腺嘧啶T)的排列組合變化無(wú)窮，也就意味著它們可以編碼幾乎無(wú)限量的信息，使得DNA理論上具備比任何現(xiàn)有存儲(chǔ)設(shè)備更高的存儲(chǔ)容量。

DNA究竟有多能“裝”?理論上，僅1克DNA就能夠存儲(chǔ)約1000萬(wàn)小時(shí)的高清視頻數(shù)據(jù)，想想看，1千克DNA又能裝下多少?

2023年，我國(guó)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量達(dá)32.85澤字節(jié)(ZB)，相當(dāng)于1000多萬(wàn)座中國(guó)國(guó)家圖書(shū)館的數(shù)字資源總量。折合成我們更熟悉的單位GB，我國(guó)每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到驚人的900億GB。據(jù)國(guó)際機(jī)構(gòu)估計(jì)，剛過(guò)去的2024年，全球生成數(shù)據(jù)有159.2ZB之多。如果僅憑數(shù)據(jù)中心來(lái)存儲(chǔ)，我們要建多少座數(shù)據(jù)中心才能儲(chǔ)存這些數(shù)據(jù)!

尋找體積更小、容量更大的存儲(chǔ)介質(zhì)，已經(jīng)是迫在眉睫之事。DNA，能夠接過(guò)接力棒嗎?

把數(shù)據(jù)刻進(jìn)DNA

把海量數(shù)據(jù)存入DNA，也就三步。

第一步，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入DNA，也就是將今日信息世界通行的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為DNA序列，0和1不同的排列組合實(shí)現(xiàn)的多樣編碼，與DNA序列四種堿基遵循一定之規(guī)的排列，二者之間要想轉(zhuǎn)化無(wú)礙，就要制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幋a規(guī)則，比如，每2個(gè)二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)1種核苷酸組合。

接下來(lái)，構(gòu)建存儲(chǔ)信息的DNA分子。也就是按照前一步獲得的編碼布置堿基，合成DNA鏈。只不過(guò)，目前常用的化學(xué)合成法效率還嫌低了些，科學(xué)家正在積極探求新方法，利用DNA聚合酶催化的酶促合成法，就為許多科學(xué)家所看好。還有科學(xué)家提出并行寫(xiě)入DNA信息。近期，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用“分子活字印刷”方法，實(shí)現(xiàn)了27.5萬(wàn)比特的平行DNA存儲(chǔ)。

最后，就是存儲(chǔ)與讀取了。DNA存儲(chǔ)對(duì)環(huán)境的要求，不外低溫、干燥、避光，低溫(一般為零下20攝氏度甚至更低)的干燥環(huán)境能減緩DNA分子的降解速度，避光則是為了防止光照引發(fā)DNA分子損傷，確保存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不會(huì)“變質(zhì)”。

給DNA“硬盤(pán)”一點(diǎn)耐心

前面提到，DNA存儲(chǔ)不僅存得久，而且存得牢，若能有效避免水分與紫外線的影響，DNA可以在數(shù)十萬(wàn)年內(nèi)保持穩(wěn)定不變。

更妙的是，DNA存儲(chǔ)還是一種“低碳之選”。DNA存儲(chǔ)額外耗能極低，理想保存環(huán)境與日常環(huán)境相差不大，要想在能源有限條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期保存，DNA存儲(chǔ)堪稱(chēng)首選。

并行分子印刷 DNA 存儲(chǔ)示意圖

但是，在今天談DNA存儲(chǔ)，還是一種憧憬，我們也需要明白，有幾樣問(wèn)題若不解決，DNA存儲(chǔ)還是不能成為我們的下一代主流存儲(chǔ)。

——成本高昂。目前合成2MB的DNA數(shù)據(jù)需要7000美元，讀取數(shù)據(jù)需要再加2000美元，如果以DNA形式存儲(chǔ)1GB大小的電影，編碼大約需要花費(fèi)358萬(wàn)美元。

——讀寫(xiě)速度太慢。以目前的技術(shù)合成DNA，每添加一個(gè)堿基大約需要0.1秒鐘。別覺(jué)得這時(shí)間不長(zhǎng)，以此速度，保存一首高音質(zhì)的MP3歌曲都需要差不多1個(gè)月。

——讀取準(zhǔn)確率還不夠高。寫(xiě)入過(guò)程可能出現(xiàn)不正確的情況，讀取時(shí)也可能因測(cè)序誤差導(dǎo)致還原數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。分子數(shù)據(jù)不比完全虛擬的0與1，自身難免有瑕疵，若不找到合適的處理辦法，DNA存儲(chǔ)的精度會(huì)大打折扣。

革命性的技術(shù)，往往起于看似幼稚的嘗試，人類(lèi)文明史無(wú)數(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)都佐證了這一點(diǎn)。如果整部人類(lèi)文明史承傳賡續(xù)的方式，都可以來(lái)一個(gè)大進(jìn)步，那么我們又有什么理由不對(duì)今天的探索多些耐心呢?在傳遞地球生命的莫比烏斯帶上，刻下萬(wàn)物靈長(zhǎng)探索與創(chuàng)造的證明，會(huì)是智慧生命演化史上激動(dòng)人心的時(shí)刻。

編輯：范鐘秀