DNA 與 RNA 研究探索：從雙螺旋到生命密碼的全面解析

一、引言：DNA 研究的歷史進(jìn)程 1.1 早期發(fā)現(xiàn)與認(rèn)知?dú)v程

人類對遺傳物質(zhì)的探索可以追溯到19 世紀(jì)中期。1865 年，奧地利科學(xué)家格雷戈爾?孟德爾通過豌豆雜交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了遺傳規(guī)律，提出了 "遺傳因子" 的概念，為現(xiàn)代遺傳學(xué)奠定了基礎(chǔ)。然而，當(dāng)時的科學(xué)家并不知道這些遺傳因子的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么。

真正的突破發(fā)生在1869 年，瑞士生物學(xué)家弗里德里希?米歇爾在研究白細(xì)胞核時，分離出一種含有磷酸的酸性物質(zhì)，他將其命名為"核素"（nuclein），這就是后來我們熟知的 DNA 的雛形。遺憾的是，在隨后的幾十年里，主流科學(xué)界普遍認(rèn)為蛋白質(zhì)才是遺傳信息的載體，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜多樣，而 DNA 被認(rèn)為結(jié)構(gòu)過于簡單，無法承載復(fù)雜的遺傳信息。

這種認(rèn)知一直持續(xù)到20 世紀(jì) 40 年代。1944 年，美國科學(xué)家奧斯瓦爾德?埃弗里、科林?麥克勞德和麥克林恩?麥卡蒂通過肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，首次證明了DNA 是遺傳物質(zhì)。他們的研究表明，從一種肺炎球菌中提取的 DNA 可以將其遺傳特性轉(zhuǎn)移給另一種肺炎球菌，這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們對遺傳物質(zhì)的認(rèn)識。

1.2 關(guān)鍵里程碑事件回顧

DNA 研究的歷史充滿了激動人心的發(fā)現(xiàn)時刻，每一個里程碑都推動著人類對生命本質(zhì)的認(rèn)識向前邁進(jìn)一大步。

1950 年，奧地利生物化學(xué)家埃爾文?查加夫發(fā)現(xiàn)了著名的 "查加夫法則"：在DNA 中，腺嘌呤（A）的數(shù)量等于胸腺嘧啶（T）的數(shù)量，鳥嘌呤（G）的數(shù)量等于胞嘧啶（C）的數(shù)量。這一發(fā)現(xiàn)為后來 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的闡明提供了重要線索。

我們可以把DNA想象成一條神奇的“拉鏈”。

這條拉鏈不是金屬做的，而是由四種不同的“齒”兩兩配對組成的。這四種“齒”就是：腺嘌呤（A），胸腺嘧啶（T），鳥嘌呤（G），胞嘧啶（C）。

它們兩兩配對，非常專一：

A（腺嘌呤）只和 T（胸腺嘧啶）配對。

G（鳥嘌呤）只和 C（胞嘧啶） 配對。

就像一把鎖只能配一把鑰匙，一個凸起的齒必須配一個凹下的槽。A和T是一對，G和C是另一對。

它們組成了“遺傳密碼”：

這條長長的拉鏈上，A, T, C, G這四種“齒”的排列順序是千變?nèi)f化的。比如一段是 A-T-C-G，另一段是 G-C-A-T。

正是這種不同的排列順序，就像摩爾斯電碼一樣，記錄了我們身體所有的遺傳信息，比如眼睛的顏色、頭發(fā)的曲直等等。

因?yàn)檫@條“DNA拉鏈”的規(guī)則是 A必須配T，G必須配C，所以：

在這條完整的拉鏈上，有多少個A，就一定會有多少個T 來和它配對。

同樣，有多少個G，就一定會有多少個C。

這就是查加夫法則的精髓：A的數(shù)量 = T的數(shù)量；G的數(shù)量 = C的數(shù)量。

當(dāng)沃森和克里克試圖構(gòu)建DNA模型時，查加夫的發(fā)現(xiàn)給了他們一個決定性的提示：

它直接證明了DNA分子內(nèi)部存在配對關(guān)系。

它強(qiáng)烈暗示了DNA的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是對稱的、雙鏈的。

他們立刻意識到，DNA不可能是一條單鏈，而應(yīng)該是兩條鏈并排，通過A-T和G-C的配對規(guī)則緊緊地咬合在一起，就像一條擰起來的“螺旋拉鏈”。

所以，正是因?yàn)椴榧臃虬l(fā)現(xiàn)了“A=T, G=C” 這個簡單的數(shù)量關(guān)系，沃森和克里克才最終成功地提出了正確的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并因此獲得了諾貝爾獎。當(dāng)然不只是查加夫有貢獻(xiàn)，還有其他的研究，我們繼續(xù)。

1951 年，英國科學(xué)家羅莎琳德?富蘭克林和莫里斯?威爾金斯開始使用X 射線晶體學(xué)技術(shù)研究 DNA 結(jié)構(gòu)。富蘭克林拍攝的一張編號為 "照片 51" 的 X 射線衍射照片，成為揭示 DNA 結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵證據(jù)。這張照片清晰地顯示了 DNA 的螺旋結(jié)構(gòu)特征，也為沃森和克里克的模型構(gòu)建提供了決定性的信息。

1953 年 2 月 28 日，這一天被永遠(yuǎn)載入科學(xué)史冊。美國生物學(xué)家詹姆斯?沃森和英國物理學(xué)家弗朗西斯?克里克在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室里，用金屬片、鐵棍和鐵絲搭建了一個既像旋梯又像麻花的奇特模型 —— 這就是 DNA 分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型。他們的模型完美地解釋了 DNA 的結(jié)構(gòu)特征：兩條反向平行的多核苷酸鏈相互纏繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)；堿基位于螺旋內(nèi)側(cè)，通過氫鍵形成A-T 和 G-C 的互補(bǔ)配對。

1953 年 4 月 25 日，沃森和克里克在英國《自然》雜志上發(fā)表了題為《脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)》的論文，僅用了一頁紙的篇幅，卻震撼了整個科學(xué)界。這篇論文被認(rèn)為是 20 世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一，與宇宙大爆炸模型、全球地質(zhì)構(gòu)造板塊模型、物質(zhì)結(jié)構(gòu)夸克模型并稱為 20 世紀(jì)四大科學(xué)模型。

1.3 現(xiàn)代 DNA 研究的發(fā)展趨勢

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，DNA 研究進(jìn)入了前所未有的高速發(fā)展期。隨著測序技術(shù)的飛速進(jìn)步，人類基因組計劃于 2003 年提前完成，測定了人類基因組中約 30 億個堿基對的序列，繪制出了人類遺傳信息的 "地圖"。這一成就被譽(yù)為繼曼哈頓原子彈工程和阿波羅登月工程之后的第三大科學(xué)工程。

更令人振奮的是，2022 年，端粒到端粒（T2T）聯(lián)盟宣布填補(bǔ)了人類基因組序列的剩余空白，公布了第一個真正完整的人類基因組序列。這意味著人類對自身遺傳信息的認(rèn)識達(dá)到了前所未有的完整程度。

技術(shù)創(chuàng)新推動著DNA 研究不斷突破邊界。從第一代 Sanger 測序到第二代高通量測序，再到第三代單分子測序，測序技術(shù)的發(fā)展速度令人驚嘆。如今，全基因組測序的成本已從 2001 年的 1 億美元降至約 200 美元，使得個人基因組測序成為現(xiàn)實(shí)。

與此同時，DNA 研究的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。從基礎(chǔ)的基因功能研究，到疾病的基因診斷和治療，從個性化醫(yī)療到精準(zhǔn)營養(yǎng)，從農(nóng)業(yè)育種到生物制造，DNA 技術(shù)正在深刻改變著人類生活的方方面面。特別是 CRISPR 基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)，更是開啟了人類 "編輯" 生命的新紀(jì)元。

展望未來，DNA 研究將繼續(xù)朝著更加精準(zhǔn)、高效、智能化的方向發(fā)展。人工智能與 DNA 技術(shù)的結(jié)合，將為疾病預(yù)測、藥物開發(fā)、生物制造等領(lǐng)域帶來革命性的突破。我們有理由相信，隨著對 DNA 認(rèn)識的不斷深入，人類將能夠更好地理解生命的奧秘，創(chuàng)造更加美好的未來。

二、DNA 與 RNA 的基礎(chǔ)功能機(jī)制 2.1 DNA 的結(jié)構(gòu)與功能

DNA，即脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid），是幾乎所有生物體的遺傳信息載體。它的結(jié)構(gòu)之精巧、功能之復(fù)雜，堪稱自然界最偉大的設(shè)計之一。

DNA 分子呈現(xiàn)出獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)，就像一個扭曲的梯子。這個 "梯子" 由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成，它們圍繞同一中心軸相互纏繞，形成右手螺旋。每條鏈的骨架由交替排列的脫氧核糖和磷酸基團(tuán)構(gòu)成，而 "梯子" 的橫檔則由堿基對組成。

DNA 的堿基有四種：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。這些堿基按照特定的規(guī)律配對：腺嘌呤總是與胸腺嘧啶配對（形成兩個氫鍵），鳥嘌呤總是與胞嘧啶配對（形成三個氫鍵）。這種嚴(yán)格的堿基配對原則，不僅保證了 DNA 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，更重要的是為遺傳信息的準(zhǔn)確復(fù)制提供了基礎(chǔ)。

DNA 最重要的功能是儲存和傳遞遺傳信息。每個DNA 分子就像一本巨大的 "生命天書"，其中的堿基序列編碼了生物體生長、發(fā)育、繁殖和維持生命活動所需的全部遺傳指令。人類基因組包含約 30 億個堿基對，這些堿基對的不同排列組合決定了每個人獨(dú)特的遺傳特征。

DNA 的另一個關(guān)鍵功能是自我復(fù)制。當(dāng)細(xì)胞分裂時，DNA 分子能夠精確地復(fù)制自己，將遺傳信息完整地傳遞給子代細(xì)胞。這種復(fù)制過程遵循半保留復(fù)制機(jī)制：DNA 雙鏈?zhǔn)紫冉忾_，每條鏈作為模板合成一條新的互補(bǔ)鏈，最終形成兩個完全相同的 DNA 分子，每個分子都包含一條來自親代的舊鏈和一條新合成的鏈。

2.2 RNA 的類型與作用機(jī)制

RNA，即核糖核酸（Ribonucleic Acid），在細(xì)胞內(nèi)扮演著多重角色。與 DNA 的雙鏈結(jié)構(gòu)不同，RNA 通常是單鏈分子，但其結(jié)構(gòu)和功能的多樣性遠(yuǎn)超 DNA。

根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能的不同，RNA 主要分為以下幾類：

信使RNA（mRNA） 是遺傳信息傳遞的 "信使"。它是在細(xì)胞核中以DNA 的一條鏈為模板轉(zhuǎn)錄形成的，攜帶著 DNA 上的遺傳信息，從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，在核糖體上指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成?？梢哉f，mRNA 是連接基因（DNA）和蛋白質(zhì)之間的橋梁。

轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA） 是蛋白質(zhì)合成過程中的 "搬運(yùn)工"。它的分子結(jié)構(gòu)呈三葉草形，一端攜帶特定的氨基酸，另一端有一個反密碼子，可以與mRNA 上的密碼子互補(bǔ)配對。tRNA 的功能是識別 mRNA 上的遺傳密碼，并將相應(yīng)的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體上，按照 mRNA 的指令合成蛋白質(zhì)。

核糖體RNA（rRNA） 是核糖體的主要組成部分，占細(xì)胞總RNA 的 75%-85%。它不僅是核糖體的結(jié)構(gòu)骨架，還具有催化功能，能夠催化氨基酸之間形成肽鍵，是蛋白質(zhì)合成的 "裝配線"。

除了這三種主要的RNA 外，細(xì)胞中還存在許多其他類型的 RNA，它們在基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮著重要作用：

小核RNA（snRNA） 參與真核生物mRNA 前體的加工過程，特別是在 RNA 剪接中起關(guān)鍵作用，能夠識別并切除 mRNA 前體中的內(nèi)含子，將外顯子連接起來形成成熟的 mRNA。

微小RNA（miRNA） 是一類長度約22 個核苷酸的小分子 RNA，通過與 mRNA 結(jié)合來調(diào)控基因表達(dá)，能夠抑制 mRNA 的翻譯或促進(jìn)其降解，在細(xì)胞分化、發(fā)育和疾病發(fā)生等過程中發(fā)揮重要調(diào)控作用。

長非編碼RNA（lncRNA） 是長度超過200 個核苷酸的非編碼 RNA 分子，雖然不編碼蛋白質(zhì)，但在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控、染色質(zhì)修飾、轉(zhuǎn)錄后調(diào)控等多個層面發(fā)揮重要作用。

2.3 中心法則：遺傳信息的傳遞路徑

中心法則是分子生物學(xué)的核心概念，它描述了遺傳信息在細(xì)胞內(nèi)的傳遞規(guī)律。1958 年，DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者之一弗朗西斯?克里克提出了這一法則，闡明了遺傳信息從 DNA 到 RNA 再到蛋白質(zhì)的傳遞過程。

中心法則的基本路徑包括三個過程：

DNA 復(fù)制是遺傳信息傳遞的起點(diǎn)。在這個過程中，DNA 分子以自身為模板，合成出兩個完全相同的 DNA 分子。這一過程保證了遺傳信息在細(xì)胞分裂時能夠準(zhǔn)確地傳遞給子代細(xì)胞。

轉(zhuǎn)錄是將DNA 上的遺傳信息轉(zhuǎn)移到 RNA 上的過程。在轉(zhuǎn)錄過程中，RNA 聚合酶以 DNA 的一條鏈為模板，按照堿基互補(bǔ)配對原則合成 mRNA。這個過程就像將 DNA 這本 "生命天書" 中的信息轉(zhuǎn)錄到 mRNA 這個 "信使" 上。

翻譯是將mRNA 上的遺傳信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的過程。在細(xì)胞質(zhì)的核糖體上，tRNA 根據(jù) mRNA 上的密碼子序列，將相應(yīng)的氨基酸依次連接起來，形成具有特定氨基酸序列的蛋白質(zhì)。

值得注意的是，中心法則并不是絕對的單向傳遞。在某些情況下，遺傳信息可以從RNA 傳遞到 DNA（逆轉(zhuǎn)錄），某些病毒還可以進(jìn)行 RNA 的自我復(fù)制。這些發(fā)現(xiàn)豐富了我們對遺傳信息傳遞規(guī)律的認(rèn)識。

中心法則的發(fā)現(xiàn)具有劃時代的意義，它不僅解釋了遺傳信息如何在細(xì)胞內(nèi)流動和表達(dá)，也為理解生命的本質(zhì)提供了理論基礎(chǔ)?；谶@一法則，科學(xué)家們開發(fā)出了基因工程、基因治療、精準(zhǔn)醫(yī)療等一系列革命性技術(shù)，深刻改變了生物學(xué)研究和醫(yī)學(xué)實(shí)踐的面貌。

三、DNA 與 RNA 研究的前沿進(jìn)展 3.1 基因編輯技術(shù)的突破與應(yīng)用

基因編輯技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)從科幻概念變成了現(xiàn)實(shí)，其中最具革命性的就是CRISPR-Cas9 系統(tǒng)。這項技術(shù)就像一把 "分子剪刀"，能夠精確地切割 DNA 分子，實(shí)現(xiàn)對基因的刪除、插入或修改。

CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是細(xì)菌和古細(xì)菌在長期進(jìn)化過程中形成的一種適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，用于識別和抵御外來病毒的入侵。2012 年，美國科學(xué)家詹妮弗?杜德納和法國科學(xué)家埃馬紐埃爾?沙爾龐捷首次在實(shí)驗(yàn)室中重建了這一系統(tǒng)，并證明可以將其改造為基因編輯工具。2020 年，兩人因這一突破性發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎。

CRISPR-Cas9 系統(tǒng)的工作原理相對簡單但極其強(qiáng)大。它主要由兩部分組成：一是Cas9 蛋白，它就像一把 "分子剪刀"，能夠切割 DNA 雙鏈；二是向?qū)?RNA（gRNA），它就像一個 "導(dǎo)航系統(tǒng)"，能夠引導(dǎo) Cas9 蛋白到達(dá)特定的 DNA 序列進(jìn)行切割。通過設(shè)計不同的 gRNA，科學(xué)家可以在基因組的任何位置進(jìn)行精確切割。

CRISPR 技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，它已經(jīng)被用于治療多種遺傳疾病。2023 年，美國 FDA 批準(zhǔn)了首個基于 CRISPR 的基因療法 Casgevy，用于治療鐮狀細(xì)胞病和 β 地中海貧血癥。這標(biāo)志著 CRISPR 技術(shù)正式從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(yīng)用。

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，CRISPR 技術(shù)正在革新作物育種方式。通過編輯作物的抗病基因、營養(yǎng)基因等，科學(xué)家們已經(jīng)培育出了抗病性更強(qiáng)、營養(yǎng)價值更高的作物品種。例如，中國科學(xué)家利用 CRISPR 技術(shù)成功培育出了抗白粉病的小麥新品種，為保障糧食安全做出了重要貢獻(xiàn)。

除了CRISPR-Cas9，科學(xué)家們還開發(fā)出了多種新型基因編輯工具。 堿基編輯器（Base Editor） 能夠在不切割 DNA 雙鏈的情況下，實(shí)現(xiàn)單個堿基的替換，就像 "分子橡皮擦" 一樣精確修改基因序列。2025 年，一項突破性研究發(fā)現(xiàn)，堿基編輯技術(shù)成功挽救了一名患有嚴(yán)重遺傳疾病的嬰兒，這是個性化基因編輯治療的首次成功案例。

引導(dǎo)編輯器（Prime Editor） 則更進(jìn)一步，它結(jié)合了 Cas9 蛋白和逆轉(zhuǎn)錄酶的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的基因編輯，包括小片段的插入、刪除和替換。2025 年 5 月，引導(dǎo)編輯技術(shù)首次在人體試驗(yàn)中取得成功，用于治療慢性肉芽腫病，這標(biāo)志著基因編輯技術(shù)進(jìn)入了一個新階段。

3.2 合成生物學(xué)與人工基因組設(shè)計

合成生物學(xué)是一門將工程學(xué)原理應(yīng)用于生物系統(tǒng)設(shè)計的交叉學(xué)科，它不僅要理解生命，更要創(chuàng)造生命。在DNA 和 RNA 研究的推動下，合成生物學(xué)正在創(chuàng)造出一個又一個奇跡。

人工基因組設(shè)計是合成生物學(xué)的核心領(lǐng)域之一。2010 年，美國科學(xué)家克雷格?文特爾領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊成功合成了第一個人工合成細(xì)胞，他們將人工合成的DNA 基因組植入一個去除了遺傳物質(zhì)的細(xì)菌細(xì)胞中，創(chuàng)造出了能夠自我復(fù)制的 "人造生命"。這一成果震驚了世界，標(biāo)志著人類從 "解讀" 生命密碼走向 "編寫" 生命密碼。

在酵母基因組合成方面，中國科學(xué)家做出了重要貢獻(xiàn)。2017 年，由天津大學(xué)、清華大學(xué)和深圳華大基因研究院組成的研究團(tuán)隊，成功合成了 4 條人工酵母染色體，占酵母基因組的約 1/3。這是繼美國科學(xué)家之后，中國在人工合成生命領(lǐng)域取得的重大突破。

細(xì)胞工廠是合成生物學(xué)的另一個重要應(yīng)用方向。通過對微生物進(jìn)行基因改造，科學(xué)家們創(chuàng)造出了能夠生產(chǎn)特定化學(xué)品和蛋白質(zhì)的"細(xì)胞工廠"。這些被基因編輯過的大腸桿菌、酵母菌等微生物，能夠以葡萄糖等簡單原料，生產(chǎn)出胰島素、青蒿素、生物柴油等多種產(chǎn)品。

2024 年，合成生物學(xué)進(jìn)入了 "工程化" 階段。據(jù)統(tǒng)計，DNA 存儲密度已達(dá)到 1EB/g（1EB 等于 10 億 GB），微生物細(xì)胞工廠生產(chǎn)了全球 30% 的胰島素。美國生物技術(shù)公司 Amgen 用細(xì)胞工廠生產(chǎn)抗癌藥，成本比化學(xué)合成低 70%，產(chǎn)量提升 5 倍。

DNA 存儲技術(shù)是合成生物學(xué)的一個新興領(lǐng)域。由于 DNA 具有密度高、保存時間長、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，它正在成為存儲數(shù)字信息的理想介質(zhì)。2024 年，哈佛大學(xué)的研究團(tuán)隊成功將一本 300 頁的書、10 張圖片和一段音頻編碼到 DNA 中，并實(shí)現(xiàn)了完美讀取。這項技術(shù)有望在未來解決數(shù)據(jù)存儲的難題。

讀到這里，你震驚嗎？DNA還能解決未來數(shù)據(jù)存儲的難題？那怎么存儲呢？要知道現(xiàn)在英偉達(dá)市值5萬億，靠的就是GPU以及算力布局。所有AI大模型訓(xùn)練，都需要存儲海量數(shù)據(jù)。如果你能高效解決DNA存儲技術(shù)難題，那么你講引領(lǐng)下一個時代，超AI人工智能時代！

我作為給大家科普，其實(shí)最重要的是啟示，讓你學(xué)到知識的提前下，還能看到未來，指引你快人一步去研究和探索，去布局和策劃。

用DNA這種生命的基本分子來存儲電影、文檔甚至整個數(shù)據(jù)庫，聽起來像是科幻小說，但它正在迅速走向現(xiàn)實(shí)。這并非天方夜譚，而是科學(xué)家們?yōu)閼?yīng)對全球數(shù)據(jù)爆炸式增長而探索的一種革命性存儲方案。

雖然DNA存儲目前還不能直接解決AI訓(xùn)練中GPU"算力告急"的實(shí)時計算需求，但它為解決海量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的長期、低成本存儲提供了極具潛力的方向，可以從根源上緩解數(shù)據(jù)存儲的能耗和空間壓力。

DNA存儲如何工作

DNA存儲的本質(zhì)，是將由0和1組成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過編碼規(guī)則，轉(zhuǎn)換為由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）這四種堿基構(gòu)成的DNA序列。你可以把它理解為一種極其高效的"四進(jìn)制"編碼系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)這一步主要包括三個核心步驟：

1. 編碼與寫入：這是將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為DNA語言的過程。例如，00對應(yīng)A、01對應(yīng)T、10對應(yīng)G、11對應(yīng)C。傳統(tǒng)方法像"雕版印刷"，需要根據(jù)數(shù)據(jù)從頭合成全新的DNA鏈，成本高、速度慢。但近年來出現(xiàn)了突破性技術(shù)，比如北京大學(xué)團(tuán)隊開發(fā)的"表觀比特（epi-bit）"技術(shù)，它像"活字印刷"。他們預(yù)制好通用的DNA"活字"和模板，通過酶促反應(yīng)將信息"印刷"到DNA上，實(shí)現(xiàn)了并行寫入，大大提升了效率并降低了成本。

2. 存儲：合成后的DNA可以在低溫、干燥、避光的環(huán)境中穩(wěn)定保存數(shù)千年甚至更久。

3. 讀取與解碼：當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時，使用DNA測序技術(shù)（如納米孔測序儀）獲取DNA的堿基序列，再通過解碼算法將其恢復(fù)成原始的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，最終還原成圖片、文檔或視頻。

DNA存儲的優(yōu)勢與當(dāng)前挑戰(zhàn)

DNA存儲之所以備受關(guān)注，是因?yàn)樗鼡碛袀鹘y(tǒng)硅基存儲介質(zhì)難以比擬的天然優(yōu)勢：

超高存儲密度：理論上是現(xiàn)有存儲介質(zhì)的千萬倍以上。

極長的保存壽命：在適宜條件下，DNA可保存數(shù)萬年。

極低的能耗：DNA存儲只需在讀取和寫入時消耗能量，日常保存幾乎無額外能耗。

然而，這項技術(shù)走向大規(guī)模應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)：

成本高昂：目前合成和測序DNA的費(fèi)用依然昂貴。據(jù)一份市場報告顯示，存儲1GB的電影大約需要花費(fèi)358萬美元。

讀寫速度慢：與傳統(tǒng)電子存儲的納秒級訪問速度相比，DNA存儲的完整讀寫流程通常需要數(shù)小時，目前更適合冷數(shù)據(jù)存儲。

技術(shù)成熟度：當(dāng)前的DNA存儲系統(tǒng)在錯誤率、自動化以及標(biāo)準(zhǔn)化方面仍需改進(jìn)。

盡管DNA存儲無法替代GPU進(jìn)行實(shí)時計算，但它對于AI發(fā)展的意義在于解決海量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的存儲瓶頸。

AI模型，尤其是大模型，需要吞噬天量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)絕大多數(shù)是訪問頻率很低的"冷數(shù)據(jù)"，但為了模型迭代和長期保存，又必須留存。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心為此消耗巨大的空間和電力。DNA存儲的潛力正在于此——以極小的物理空間和近乎為零的維護(hù)能耗，將人類的知識和海量數(shù)據(jù)保存數(shù)千年。

目前，DNA存儲技術(shù)的研究正圍繞降低成本、提高速度展開。例如，北大團(tuán)隊的"活字印刷"法以及中國科學(xué)院研究的"DNA活字"方法與自動化設(shè)備"畢昇一號"，都旨在通過并行操作和預(yù)制件復(fù)用來突破傳統(tǒng)串行合成的瓶頸。

總的來說，用DNA存儲數(shù)據(jù)，可以概括為"四進(jìn)制編碼，分子級存儲，生命級壽命"。它目前還是一項前沿技術(shù)，主要面向?qū)Υ鎯γ芏群烷L期保存有極高要求的特定領(lǐng)域，如國家檔案、文化遺產(chǎn)數(shù)字化保存、醫(yī)療基因數(shù)據(jù)長期保存 以及航天領(lǐng)域等。

那么一個人成人所包含的信息量大概是多少G？這個問題你思考過嗎？

簡單來說，這個信息量是一個天文數(shù)字，大到幾乎無法用我們熟悉的“GB”或“TB”來衡量，而是需要用“澤字節(jié)（ZB）”甚至更高單位來描述。

下面我們來分步估算一下，讓你有個直觀的感受。

第一步：一個細(xì)胞里有多少信息？

我們?nèi)梭w的每個有細(xì)胞核的細(xì)胞（成熟的紅細(xì)胞除外）都包含一整套完整的DNA，也就是我們的基因組。

人類基因組由約31.6億個堿基對（A-T, C-G）組成。

這4種堿基（A, T, C, G）可以看作是四進(jìn)制（0,1,2,3） 的編碼系統(tǒng)。

在信息學(xué)中，每個堿基對可以編碼2比特（bit）的信息。

那么，一個細(xì)胞核內(nèi)DNA的信息量大約是：

31.6億 堿基對 × 2 比特/堿基對 = 63.2億 比特

換算成我們更熟悉的字節(jié)（Byte，1 Byte = 8 bit）：

63.2億 比特 ÷ 8 = 7.9億 字節(jié) ≈ 790 MB

結(jié)論一：你身體里的任意一個細(xì)胞，其DNA所包含的信息量就大約等于一張CD-ROM（700MB）的容量。這里面存儲了構(gòu)建和維持你這個個體所需的全部遺傳藍(lán)圖。

第二步：一個成年人有多少個細(xì)胞？

根據(jù)生物學(xué)界最權(quán)威的估計之一（來自2013年《自然》雜志上的一篇研究），一個成年人的細(xì)胞總數(shù)大約是 37.2萬億個。這個數(shù)字非常巨大：37,200,000,000,000。

第三步：總信息量是多少？

現(xiàn)在，我們把兩者相乘：790 MB/細(xì)胞 × 37.2萬億個細(xì)胞

計算這個數(shù)字：790× 37.2萬億≈29,388,000,000,000,000 MB

讓我們把這個大到難以理解的數(shù)字，轉(zhuǎn)換成更大的單位：

轉(zhuǎn)換成 GB：除以 1024≈ 28,700,000,000,000 GB

轉(zhuǎn)換成 TB：再除以 1024≈ 28,000,000,000 TB

轉(zhuǎn)換成 PB：再除以 1024≈ 27,300,000 PB

轉(zhuǎn)換成 EB：再除以 1024≈ 26,660 EB

轉(zhuǎn)換成 ZB：再除以 1024≈ 26 ZB

最終結(jié)論與一個重要的思考

一個成年人體內(nèi)所有DNA的總信息量，理論上可以達(dá)到 約26 ZB（澤字節(jié)）。

這個規(guī)模有多恐怖？

據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（IDC）2025年發(fā)布的最新預(yù)測，2025年全球一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量約為213.56ZB 。該機(jī)構(gòu)還提到，這一數(shù)據(jù)后續(xù)會持續(xù)高速增長，到2029年將激增到527.47ZB 。

這意味著，僅僅一個人的生物學(xué)信息量，就相當(dāng)于全球年數(shù)據(jù)總量的九分之一！這是一個令人瞠目結(jié)舌的密度。

但是，這里有一個極其重要的概念需要澄清：

這個26 ZB的計算，是基于一個“思想實(shí)驗(yàn)”。它假設(shè)我們身體的每一個細(xì)胞的信息都是獨(dú)立且不同的。而事實(shí)并非如此！

你身體里幾乎所有細(xì)胞的DNA都是一模一樣的復(fù)制品（除了生殖細(xì)胞和少數(shù)突變）。你肝臟細(xì)胞的DNA和你皮膚細(xì)胞的DNA，在信息內(nèi)容上幾乎是完全相同的。它們之所以功能不同，是因?yàn)榛虻倪x擇性表達(dá)（就像同一本說明書，不同章節(jié)被不同細(xì)胞閱讀和執(zhí)行）。

所以，更準(zhǔn)確的說法是：信息的總“物理副本”數(shù)量是 26 ZB。這就像你把同一本750MB的百科全書，復(fù)印了37萬億份。

信息本身的“獨(dú)特內(nèi)容”，也就是那本“獨(dú)一無二的百科全書”本身，仍然只有 750MB 左右。

這個驚人的對比恰恰解釋了為什么科學(xué)家對DNA存儲技術(shù)如此著迷——它證明了在分子級別上，我們可以用極小的空間存儲海量的信息。

那么我們應(yīng)該如何定義信息？是物質(zhì)嗎？有能量嗎？這是一個非常深刻的問題，它觸及了物理、信息科學(xué)和哲學(xué)的核心。我們每天都在處理信息，但它究竟是什么？

簡單來說，我們可以這樣初步理解：

信息不是物質(zhì)，但它離不開物質(zhì)作為載體。

信息不是能量，但它的處理和傳遞需要消耗能量。

它遠(yuǎn)不止是一個“概念”，而是一種客觀存在的屬性，描述了系統(tǒng)的有序程度和模式。

下面我們分層來解析這個復(fù)雜而迷人的問題。

一、信息是什么？從“信使”到“宇宙基石”

我們可以從三個層面來理解信息的定義：

1. 日常層面：消除不確定性的東西

比如，你問我：“明天會下雨嗎？”在回答之前，你對天氣是不確定的。當(dāng)我說“會下雨”時，這個回答就為你提供了信息，因?yàn)樗四愕牟淮_定性。這是信息論創(chuàng)始人克勞德·香農(nóng)的定義核心。

2. 物理層面：秩序與模式的描述

信息是物質(zhì)和能量在時空中排列的順序和模式。同樣一堆碳原子，按一種模式排列是石墨，軟而黑；按另一種模式排列是鉆石，硬而透明。決定它們區(qū)別的，不是物質(zhì)本身，而是原子排列的結(jié)構(gòu)信息。你的DNA和猩猩的DNA在化學(xué)物質(zhì)上幾乎一樣，正是那A, T, C, G的不同序列信息，決定了你是人而不是猩猩。

3. 哲學(xué)層面：一個基本維度

一些前沿物理學(xué)家提出了“萬物源自比特”的猜想。他們認(rèn)為，信息可能是比物質(zhì)和能量更基本的存在，是構(gòu)建宇宙的基石。時空、物質(zhì)、能量都可能是信息派生出來的現(xiàn)象。我在科普書籍《信息與關(guān)系》一書中詳細(xì)介紹和論述了信息涌現(xiàn)法則的原理，為大家建立了“信息與關(guān)系”是如何締造我們這個世界的。你可以去單獨(dú)閱讀整本書。

二、信息與物質(zhì)、能量的關(guān)系：密不可分的“鐵三角”

盡管信息本身不是物質(zhì)或能量，但它們?nèi)邩?gòu)成了一個密不可分的“鐵三角”關(guān)系。

信息 vs 物質(zhì)：依賴與超越

依賴：信息必須依賴物質(zhì)作為載體。書上的墨水、DNA的堿基序列、硬盤的磁疇、神經(jīng)的電脈沖……沒有載體，信息就無法存在和傳遞。

超越：同樣的信息可以在不同載體間復(fù)制和轉(zhuǎn)換，而本身不變。比如莎士比亞的十四行詩，可以寫在羊皮紙上、印在書里、存儲在DNA中、通過網(wǎng)絡(luò)傳播。載體在變，物質(zhì)在變，但信息本身是守恒的。

信息 vs 能量：消耗與控制

信息處理需要能量：你的大腦思考、電腦計算、DNA轉(zhuǎn)錄翻譯，都需要消耗能量來讀取、處理和存儲信息。這是顯而易見的。

更深刻的關(guān)系：信息有能量嗎？——蘭道爾原理

這里有一個非常反直覺的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)：存儲和持有靜態(tài)信息本身不需要能量。你的U盤放著不動，里面的信息不會耗電。

但是，擦除信息卻必然消耗能量，并產(chǎn)生熱量！這是物理學(xué)家羅夫·蘭道爾 在1961年提出的原理。

為什么？因?yàn)椴脸畔⑹且粋€不可逆的過程，它減少了系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)，本質(zhì)上是熵減的過程。為了維持熱力學(xué)第二定律（總熵增加），這個過程就必須以向環(huán)境放熱（增加環(huán)境熵）為代價。

所以，信息本身沒有能量，但操控信息（尤其是擦除）是受能量和熱力學(xué)定律嚴(yán)格約束的。這也解釋了為什么強(qiáng)大的計算機(jī)和AI需要巨大的能耗——它們在進(jìn)行海量的信息處理和（臨時數(shù)據(jù)的）擦除。

我們可以這樣來定義信息：

1. 它不是物質(zhì)，也不是能量：它是獨(dú)立于載體物質(zhì)和消耗能量之外的另一種基本存在。

2. 它絕非虛幻的概念：它是客觀的、結(jié)構(gòu)性的，能夠被測量（單位為“比特”），并嚴(yán)格遵守物理定律（如熱力學(xué)定律）。

3. 它是秩序和現(xiàn)實(shí)的根源：它決定了物質(zhì)的組織方式，從而決定了我們看到的萬千世界。

4. 它與能量緊密關(guān)聯(lián)：雖然持有信息不耗能，但創(chuàng)建、傳輸和擦除信息都與能量消耗和熵增密不可分。

所以，信息或許是繼“物質(zhì)”和“能量”之后，我們所認(rèn)知的宇宙的第三個基本要素。它就像建造大樓的設(shè)計藍(lán)圖：藍(lán)圖本身不是磚塊（物質(zhì)），也不是起重機(jī)（能量），但沒有藍(lán)圖，磚塊就只是一堆亂石，無法成為一座宏偉的建筑。你這個人，正是你的DNA信息藍(lán)圖，在消耗能量的過程中，利用物質(zhì)構(gòu)建出的一個精妙絕倫的奇跡。

因?yàn)槲覀兦懊嬷v過記憶的篇章，這里做一個補(bǔ)充，讓大家更好的理解。這種DNA存儲和我們的記憶有什么不同？記憶的東西是存儲到了DNA里了嗎？

答案是：不是。你記憶的詩歌、電話號碼等個人信息，并沒有存儲在你的DNA序列中。

用一個清晰的比喻來解釋這兩者的根本區(qū)別：

DNA 就像你電腦的“出廠預(yù)裝系統(tǒng)和硬件驅(qū)動盤”。

它里面寫滿了固定的、與生俱來的程序：比如如何長出心臟，如何制造血紅蛋白，你的頭發(fā)大概是什么顏色。

這個“系統(tǒng)盤”在人的一生中基本是只讀的。你后天的經(jīng)歷和學(xué)習(xí)，幾乎不會改變這個盤里刻錄的原始信息（除了極少數(shù)特殊情況，如輻射導(dǎo)致的突變）。

它被復(fù)制到你身體的幾乎每一個細(xì)胞里。

記憶則像你電腦“硬盤里后天安裝的軟件、創(chuàng)建的文件和瀏覽記錄”。你學(xué)會的詩歌、記住的電話號碼、對初戀的印象，都屬于這類。

這些“文件”是通過你的經(jīng)歷（輸入）和思考（處理）動態(tài)寫入的。

它們存儲在你的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里，具體來說，是存儲在神經(jīng)細(xì)胞之間的連接強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化中。

記憶存儲在哪里？—— “大腦可塑性與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”

記憶的本質(zhì)是大腦神經(jīng)回路連接的強(qiáng)化或弱化。這個過程被稱為“神經(jīng)可塑性”。

當(dāng)你學(xué)習(xí)一首詩時，你的大腦中特定一組神經(jīng)元被同時激活。反復(fù)的激活會使得這些神經(jīng)元之間的連接點(diǎn)——“突觸”——變得更加高效和強(qiáng)大。這就像是在一片草叢中，經(jīng)常走的一條路會變得越來越清晰。

長期記憶甚至?xí)?dǎo)致神經(jīng)元生長出新的連接，甚至整個腦區(qū)的結(jié)構(gòu)發(fā)生微小的物理和化學(xué)改變。

信息的“存儲”，就是這些突觸連接強(qiáng)度和模式的特定組合。

信息的“讀取”，就是再次激活這個特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

所以，記憶是“活”的，是動態(tài)的，存在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能和結(jié)構(gòu)之中；而DNA是“硬編碼”的，是靜態(tài)的，存在于細(xì)胞核的化學(xué)序列中。

一個關(guān)鍵的區(qū)別：獲得性遺傳的迷思

你可能會想：“如果我努力學(xué)到的知識能寫進(jìn)DNA里，那我的孩子不就能天生會背詩了嗎？” 這正是法國生物學(xué)家拉馬克提出的“用進(jìn)廢退、獲得性遺傳”的猜想。

但現(xiàn)代生物學(xué)（除了表觀遺傳學(xué)等一些復(fù)雜特例外）已經(jīng)明確，后天的學(xué)習(xí)和記憶是無法遺傳給后代的。你的孩子需要從零開始學(xué)習(xí)他們自己的詩歌，因?yàn)樗麄兝^承的是和你一樣的“出廠預(yù)裝系統(tǒng)盤”（DNA），而不是你一生積累的“個人文件和軟件”（記憶）。

DNA里存儲的是什么？

構(gòu)建和維持你身體這臺“生物機(jī)器”的終極藍(lán)圖。

它決定了你的物種、你的先天潛能，但它不記錄你的個人歷史。

記憶存儲在哪里？存儲在你大腦千億個神經(jīng)元所形成的、不斷變化的網(wǎng)絡(luò)連接中。它是一個動態(tài)的、電化學(xué)的、可塑的系統(tǒng)，而不是一個靜態(tài)的化學(xué)序列。

所以，當(dāng)你下次流利地背出一首詩時，你應(yīng)該感嘆的不是你的DNA，而是你那無比復(fù)雜、充滿活力、正在實(shí)時工作的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

記憶存儲在你的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)里，具體來說，是存儲在神經(jīng)細(xì)胞之間的連接強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)變化中。那么這種存儲和DNA硬存儲，哪個存儲更大？為什么會有人過目不忘？

這又是一個極其精彩的問題，它把我們從前沿的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，帶向了人體最復(fù)雜的器官——大腦的奧秘。

我們來逐一拆解這兩個問題。

一、存儲容量之爭：大腦 vs. DNA

這是一個關(guān)公戰(zhàn)秦瓊式的比較，因?yàn)樗鼈兇鎯π畔⒌脑硗耆煌?。但如果我們?qiáng)行從“信息容量”的角度來估算，結(jié)論非常有趣。

DNA存儲（硬盤式）：正如我們之前討論的，一個細(xì)胞核里的DNA大約能存儲 750 MB 的原始數(shù)據(jù)。

它的特點(diǎn)是：信息高度精確、靜態(tài)不變、每個細(xì)胞都有一份完整副本

大腦存儲（網(wǎng)絡(luò)式）：大腦的存儲依賴于約860億個神經(jīng)元，以及它們之間形成的百萬億個突觸連接。

信息不是以“字節(jié)”的形式存在，而是以 “突觸的連接強(qiáng)度和模式” 存在。每個突觸都可以有不同的強(qiáng)度，這就像一個巨大的多維網(wǎng)絡(luò)，其可能的狀態(tài)組合是一個天文數(shù)字。

科學(xué)家們根據(jù)神經(jīng)元和突觸的復(fù)雜程度進(jìn)行估算，大腦的總存儲容量可能在 1 TB 到 2.5 PB（1 PB = 1000 TB） 之間。

從絕對容量上看，你身體里所有細(xì)胞的DNA副本總量（約26 ZB）遠(yuǎn)大于大腦的容量。但從“有效信息量” 來看，大腦的存儲能力很可能是優(yōu)于單個DNA分子的。

更重要的是，大腦的存儲是動態(tài)的、關(guān)聯(lián)的、可重構(gòu)的。而DNA的存儲是靜態(tài)的、孤立的、固定的。

二、為什么會有人“過目不忘”？—— 記憶的“編碼”與“檢索”效率

“過目不忘”是記憶功能的極端表現(xiàn)。我們可以把它理解為一場信息處理的完美風(fēng)暴，主要涉及三個環(huán)節(jié)：編碼、鞏固、檢索。

1. 超凡的“編碼”

普通情況：我們記憶時，可能心不在焉，信息只是淺層處理，就像用鉛筆在紙上隨意記筆記，很快就模糊了。

“過目不忘”者：他們的大腦在信息輸入時，可能天然就有更強(qiáng)的注意力和信息關(guān)聯(lián)能力。他們能自動將新信息與已有的龐大知識網(wǎng)絡(luò)緊密聯(lián)系起來。比如，記憶一個數(shù)字時，不是記數(shù)字本身，而是關(guān)聯(lián)到歷史事件、顏色、形狀、個人經(jīng)歷等。這就像用雕刻刀在石頭上刻字，并與其他石頭緊密勾連，自然深刻難忘。

2. 高效的“鞏固”

普通情況：白天學(xué)習(xí)的海量信息，大部分會被大腦在睡眠期間“修剪”和“清理”，只保留被認(rèn)為重要的部分。這是正常的“遺忘”，是為了提高效率。

“過目不忘”者（尤其是超憶癥患者）：他們大腦中負(fù)責(zé)“遺忘”的機(jī)制（比如前額葉皮質(zhì)的抑制功能）可能相對較弱。這使得大量瑣碎的信息也能從短期記憶順利轉(zhuǎn)化為長期記憶，而不會被過濾掉。他們不是“記得更牢”，而是“忘得更少”。

3. 極速的“檢索”

普通情況：回憶就像在一個雜亂的大倉庫里找東西，需要時間。

“過目不忘”者：他們的大腦擁有一個極度高效和強(qiáng)大的“索引系統(tǒng)”。由于信息在編碼時就進(jìn)行了深度關(guān)聯(lián)，他們可以像使用超級搜索引擎一樣，瞬間提取出任何需要的記憶。

用電腦來比喻：

普通人：CPU（注意力）時高時低，內(nèi)存（工作記憶）有限，硬盤（長期記憶）的存儲和索引系統(tǒng)也比較普通。

“過目不忘”者：擁有頂級的CPU、超大的內(nèi)存，以及一塊幾乎沒有碎片、索引完美、永不覆蓋數(shù)據(jù)的“永生硬盤”。

一個重要的思考：遺忘是禮物

值得注意的是，絕大多數(shù)“超憶癥”患者并不認(rèn)為這是一種天賦，反而是一種詛咒。想象一下，你一生中所有悲傷、痛苦、尷尬的瞬間，都像發(fā)生在昨天一樣清晰且持續(xù)地涌入腦海，無法擺脫。這會給精神帶來巨大的負(fù)擔(dān)。

正常的“遺忘”機(jī)制，是人類大腦為了心理健康和高效思考而進(jìn)化出的重要保護(hù)功能。它幫我們過濾雜質(zhì)，提取精華，讓我們能夠?qū)Ｗ⒂诋?dāng)下和未來。

存儲量：大腦的有效動態(tài)存儲空間可能遠(yuǎn)超單個DNA分子，但與你全身DNA的總物理副本量無法相比。

摘自靈遁者書籍《探索生命》

作者簡介：靈遁者，中國獨(dú)立學(xué)者。原名王銀，陜西綏德縣人。1988年出生，現(xiàn)居西安。哲學(xué)家，藝術(shù)家，作家。代表作品《觸摸世界》《行者乾坤》《探索生命》《變化》《相觀天下》《手診面診色診大全》《筆有千鈞》《非線性波動》《見微知著》《探索宇宙》《偉大的秘密》《自卑之旅》《云淡風(fēng)清》《我的世界》《牙牙學(xué)語》等。其作品樸實(shí)大膽，富有新意。

個人座右銘：生命在于運(yùn)動，更在于探索。

靈遁者熱讀書籍有：科普六部曲，國學(xué)三部曲，散文小說五部曲。

科普五部曲分別為：《變化》《見微知著》《探索生命》《重構(gòu)世界》《觀自在大千世界》《信息與關(guān)系》。

國學(xué)三部曲分別為：《相觀天下》《手診面診色診大觀園》《樸易天下》。

散文小說五部曲分別為：《偉大的秘密》《非線性波動》《從今往后》，《云淡風(fēng)輕》《我的世界》《春風(fēng)與你》。