超越时空

    编者按  DNA是生物数据库，它的主要功能是存储包含各种指令的生物信息。但你知道DNA也能够像磁盘、光盘一样存储数据吗？让我们走近大自然最古老、迄今容量最大的存储媒介——DNA，感受其神奇之处。

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    国际调研机构IDC发布的《数据时代2025》预测，全球数据总量将从2018年的33ZB增至2025年的175ZB。未来，如何存储人类活动产生的海量数据是一大难题。

    DNA全称为脱氧核糖核酸，是构成生命体的基础单位，包含了生物体的遗传信息。由于DNA的信息密度极高，一小段DNA就能够存储数百万字节的数据，而且DNA的存储寿命非常长，可以达到数百年或更长时间，因此，科学家们不断探索将DNA作为一种信息存储介质的可能性。

    非生命信息可存入DNA

    众所周知，生命信息是靠DNA存储的。DNA绝对是地球上最古老的信息存储工具。不过，DNA能当作硬盘存储信息吗？非生命的信息可以存入DNA上吗？答案是可以的。

    1988年，艺术家乔·戴维斯把一张35像素的照片编辑到大肠杆菌的DNA序列中，这是人类第一次在DNA上写入不属于自然的信息。他管这张图片叫作“小维纳斯”。

    这是怎么做到的呢？其实，DNA存储信息和密码编码是一个道理。计算机可以用0和1这两个字符表示所有的信息，我们同样可以用ATCG4种碱基来表示同样的信息。

    如果你想存储一张图片，可以先把图片还原成0-1的二进制数据，再把这个数据对应转换成ATCG的序列，然后用DNA合成技术把这段序列合成出来，信息也就被存在这段DNA里。想读取的时候，就对这段DNA做测序。此外，把信息存储到活细胞的DNA里，也是可行的。

    2017年7月，《自然》杂志发表了哈佛医学院遗传学系教授乔治·丘奇和同事的研究，他们把一部黑白电影存在了大肠杆菌的DNA上。虽然体内有一段奇怪的DNA，但大肠杆菌正常生存，还可以正常遗传，并且每次繁衍都是一次数据复制。存储在基因组中的电影，在每一代大肠杆菌中都完整无缺地保存下来了。

    1千克DNA可存储全球数据

    DNA不仅可以存储海量数据，而且读写数据的速度也非常快。同时，由于DNA存储媒介不需要任何能源维持，因此它具有极高的能源效率。

    DNA还有着极高的存储密度，其中一个原因是DNA有4种碱基，与计算机系统采用的二进制相比，DNA存储的信息量呈现指数级增长。在一个系统下，1克DNA可存储2.15亿千兆字节的数据，重量不到一块方糖的DNA可存储世界上所有的电影。有研究发现，1千克DNA可存储全球数据。

    此外，通过DNA存储信息，也是让信息保存千万年的方法。不久前，天津大学宣布，该校合成生物学团队创新DNA存储算法，将10幅精选敦煌壁画存入DNA中，通过加速老化实验验证，壁画信息在实验室常温下可保存千年，在9.4℃下可保存两万年。该算法支持DNA分子成为世界上最可靠的数据存储介质之一，可以让面临老化、破损危机的人类文化遗产信息保存上千年甚至上万年。

    但是，由于DNA的存储和读取过程比较复杂，目前的DNA存储技术还不够成熟。此外，DNA存储需要高昂的成本，并且需要先进的实验设备和技术，因此，该技术并未得到大规模应用。目前的研究过程还减少了活体细胞的使用，这是考虑到细胞会死亡，且在不断分裂复制过程中存在着出错的风险。为了保障数据安全，大多数情况下，存储信息的DNA都以DNA干粉的形式存在。

    DNA既是生命的基石，也是信息传递的重要媒介，其巨大的信息存储能力和长期的稳定性，使其成为未来信息存储的极具潜力的领域之一。我们期待着人类在未来开创出更加广阔的DNA信息存储新纪元。

    （作者系科幻作家）