建设项目审批后公示在哪个网站,用什么软件做网站前端,网页设计培训 多少钱,无锡江阴做网站公司来源#xff1a;脑极体开一个脑洞#xff1a;如果地球正在面临一场马上到来的毁灭性星际灾害#xff0c;人类又想尽可能地保存地球的生命和文明#xff0c;在现有条件下#xff0c;该怎么办#xff1f;像大刘一样让地球停止自转然后逃离太阳系#xff0c;这恐怕来不及了… 来源脑极体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 在了解DNA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3TB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 25GB 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500GB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700TB的数据相当于1.4万张50GB容量的蓝光光盘或233个3TB的硬盘差不多151KG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——A、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C0 G和T1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。原理是非常简单但科学家是如何做到的呢这就要简单回顾下DNA存储技术的发展史了。DNA存储是如何一步步发展到现在的最先想到这一方法的是一位艺术家Joe Davis他在1988年与哈佛研究人员合作把一个取名为Microvenus小维纳斯的7*5像素矩阵的照片转化成35个碱基的DNA序列插入到大肠杆菌里第一次把不属于自然演化的信息写进了在DNA当中。Microvenus代表女性和地球2010年美国合成生物学家克雷格•文特尔(Craig Venter带领研究团队化学合成了整个支原体基因组DNA取名为“辛西娅Synthia”并以“自娱自乐”的方式将课题研究者的名字、研究所网址和爱尔兰诗人詹姆斯的诗句等信息编码进新合成的DNA中。2011年哈佛大学的合成生物学家乔治·丘奇George Church和加州大学的瑟里·库苏里(Sriram Kosuri)领导的团队以及约翰•霍普金斯大学的基因组专家高原Yuan Gao首次进行了概念证明性实验。团队使用短DNA片段编码了一本丘奇的659KB数据的书。2013年欧洲生物信息研究所EBI的尼克•高德曼Nick Goldman和他的研究团队也成功地将包括莎士比亚十四行诗和马丁•路德•金“我有一个梦想”的演讲片段、一篇沃森和克里克DNA双螺旋论文副本等5个文件编写进了DNA片段里当中。739KB数据成为当时最大的DNA存储文件。2016年微软和华盛顿大学又利用DNA存储技术完成了约200MB数据的存储成为DNA信息存储技术的一个飞跃。2017年7月《自然》杂志发表了哈佛大学医学院的赛斯•希普曼(Seth Shipman)和乔治·丘奇合作的一项活体DNA存储的研究。他们把一部130年前的黑白电影《奔跑中的马》存在了大肠杆菌的DNA上。虽然大肠杆菌体内有一段“奇怪的DNA”不仅能够正常生存还可以正常遗传每次繁衍都是一次数据复制。而且存储在基因组中的电影在每一代大肠杆菌中也都完整无缺地保存下来了。但因为细胞的复制、分裂以及死亡会造成信息出错的风险未来数据安全大多数情况下存储信息的DNA都是以DNA干粉的形式存在活体细胞存储的研究转向合成DNA存储。同一年哥伦比亚大学和纽约基因组中心在《科学》杂志发表了一项称为“DNA喷泉”算法高效的DNA存储策略。这项技术展示了最大化利用DNA的存储潜力成功将海量信息压缩至DNA的四个碱基即为每个DNA编码1.6比特bits的数据比之前多存储了60%的信息逼近理论极限1.8比特。该方法能够将215PB数据存储在一克DNA中相当于2.2亿部电影。2018年爱尔兰沃特福德理工学院WIT研究人员开发出一种新型DNA存储方法可在1克大肠杆菌DNA中存储1ZB的数据。2019年丘奇团队又在《科学》期刊上发表了一项实验结果。他们将丘奇的一本大约5.34万个单词《再生合成生物学将如何改变未来的自然和自己》的书以及11张图片和一段Java程序编码进不到亿万分之一克的DNA微芯片再成功利用 DNA 测序来阅读这本书。这些科研的快速发展也意味着DNA合成技术数据写入和DNA测序技术数据读取正走向成熟。但同时DNA编码过程仍然存在着存储/读取速度和成本等问题DNA存储离商业化还在路上。DNA存储商业化的问题与进展在实验室里看起来DNA存储并不复杂但是在商业化上面仍然还面临着一些问题。 首先存储和读取的速度都很慢。DNA存储设备的访问速度很慢存取也很费时间。相比较磁盘存储的电磁信号DNA合成却要依赖于一系列化学反应。用磁盘写入200MB数据不用1秒用DNA合成差不多得需要3周的时间。其次DNA介质不能覆盖和重写。在DNA里一旦把信息存进去一般来说不能修改。想读取这个文档需要把全部信息完全测序出来再转码。第三数据存储的准确性有待提高。目前DNA测序时的重复读取导致读错概率较大。第四随机读写困难。目前DNA合成技术无法一次性产生较长的DNA分子只能合成众多的短片段。这使得在众多DNA小片段组成的混合物当中快速调取特定数据存在困难。最后也是最重要的DNA存储成本太高了。比如目前DNA存储200MB数据需要耗资80万美元而用电子设备成本连1美元都不到。但正如上面所说如果放到更长的时间尺度上和数据存储空间压力下DNA具有的大存储密度、高节能环保、超长稳定性的独特优势就显现出来了。只要随着存储和读取技术的发展DNA编码和测序的效率提升成本大幅下降DNA存储离商业化应用也就不远了。那么现在在商业化上有哪些进展呢在2015年微软公司和华盛顿大学合作发表了一个成果采用定点读取信息也就是给一个长长的DNA链里加入一些追踪标记。这些类似索引机制的标记可以不用每次等测序完整DNA长链就能选取合适的标记进行读取。2018年读取技术又实现突破微软研发了“纳米孔”读取技术让 DNA 介质列能挤过一个很小的纳米孔而读取其中每个 DNA 碱基。这一技术让大大缩小了读取设备的空间开支一个手掌大小的 USB 设备就能进行读取但读取速度在每秒几KB左右可以说仍然相当慢。2019年3月微软团队在《自然》杂志发表一项新的进展他们开发了世界上第一个自动DNA存储介质。相比较于手动操作进行DNA的合成和测序能够自动化方式进行DNA编解码才是未来商业化的出路。另外关于DNA存储和读取时长以及成本的问题一家2016年成立的美国初创公司Catalog也正试图尝试解决。去年Catalog将一共16G的维基百科英文版文本存储在了一个DNA分子上。他们使用了一台DNA书写器设备以4Mbps的速度在DNA中记录这些数据。这意味着在一天内可以记录125GB大约相当于高端手机可以存储的容量。这一速度已经是之前研究所存储速度的三倍。目前Catalog使用了由20到30个碱基对长预制合成DNA链通过酶嵌套在一起可以存储更多的数据。这些片段的排列就像英语使用26个字母一样理论上可以创造出无数的组合。据Catalog估计未来进行1MB数据DNA存储成本将不到0.001美分。当然如果未来这家创业公司真的能够将成本大幅降下来那么确实有可能为DNA数据存储的商业化铺平道路。在2019年《科学美国人》与世界经济论坛联合发布的当年全球十大新兴技术中 DNA数据储存技术名列其中。可以预见磁存储和光存储方式在未来一段时间仍将占据数据存储方式的主流。不过即使我们不会出现地球末日这种极端情况因为近几年数据激增人类也正面临数据存储空间不足的严峻问题。同时数据存储需求激增带来的是硅晶片使用量的激增以及由此引发的环境污染问题、水资源和能源消耗等问题。DNA存储技术的实现一定程度将缓解传统存储的容量问题并大幅减少电子元件和能源的消耗。当然在存取技术上和成本控制上DNA存储为代表的碳基存储方式还有很长的道路要走但随着商业化的进展其规模普及速度也会加快。从数据存储的历史来看存储媒介的变化是一个不断变化且加速的过程DNA存储也应该成为我国关注和研究的技术方向。未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市云脑研究计划构建互联网城市云脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
