未來戰(zhàn)略：DNA存儲技術是我們彎道超出的最優(yōu)解

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 研究的歷史進程 1.1 早期發(fā)現(xiàn)與認知歷程

人類對遺傳物質的探索可以追溯到19 世紀中期。1865 年，奧地利科學家格雷戈爾?孟德爾通過豌豆雜交實驗發(fā)現(xiàn)了遺傳規(guī)律，提出了 "遺傳因子" 的概念，為現(xiàn)代遺傳學奠定了基礎。然而，當時的科學家并不知道這些遺傳因子的物質基礎是什么。

真正的突破發(fā)生在1869 年，瑞士生物學家弗里德里希?米歇爾在研究白細胞核時，分離出一種含有磷酸的酸性物質，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，主流科學界普遍認為蛋白質才是遺傳信息的載體，因為蛋白質結構更加復雜多樣，而 DNA 被認為結構過于簡單，無法承載復雜的遺傳信息。

這種認知一直持續(xù)到20 世紀 40 年代。1944 年，美國科學家奧斯瓦爾德?埃弗里、科林?麥克勞德和麥克林恩?麥卡蒂通過肺炎球菌轉化實驗，首次證明了DNA 是遺傳物質。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的認識。

1.2 關鍵里程碑事件回顧

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的認識向前邁進一大步。

1950 年，奧地利生物化學家埃爾文?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 雙螺旋結構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”的排列順序是千變萬化的。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。

因為這條“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。

當沃森和克里克試圖構建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分子內部存在配對關系。

它強烈暗示了DNA的結構應該是對稱的、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，正是因為查加夫發(fā)現(xiàn)了“A=T, G=C” 這個簡單的數(shù)量關系，沃森和克里克才最終成功地提出了正確的DNA雙螺旋結構模型，并因此獲得了諾貝爾獎。當然不只是查加夫有貢獻，還有其他的研究，我們繼續(xù)。

1951 年，英國科學家羅莎琳德?富蘭克林和莫里斯?威爾金斯開始使用X 射線晶體學技術研究 DNA 結構。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 結構的關鍵證據(jù)。這張照片清晰地顯示了 DNA 的螺旋結構特征，也為沃森和克里克的模型構建提供了決定性的信息。

1953 年 2 月 28 日，這一天被永遠載入科學史冊。美國生物學家詹姆斯?沃森和英國物理學家弗朗西斯?克里克在劍橋大學卡文迪許實驗室里，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 分子結構的雙螺旋模型。他們的模型完美地解釋了 DNA 的結構特征：兩條反向平行的多核苷酸鏈相互纏繞，形成右手雙螺旋結構；堿基位于螺旋內側，通過氫鍵形成A-T 和 G-C 的互補配對。

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《脫氧核糖核酸的結構》的論文，僅用了一頁紙的篇幅，卻震撼了整個科學界。這篇論文被認為是 20 世紀最重要的科學發(fā)現(xiàn)之一，與宇宙大爆炸模型、全球地質構造板塊模型、物質結構夸克模型并稱為 20 世紀四大科學模型。

1.3 現(xiàn)代 DNA 研究的發(fā)展趨勢

進入21 世紀以來，DNA 研究進入了前所未有的高速發(fā)展期。隨著測序技術的飛速進步，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工程。

更令人振奮的是，2022 年，端粒到端粒（T2T）聯(lián)盟宣布填補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識達到了前所未有的完整程度。

技術創(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。

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

展望未來，DNA 研究將繼續(xù)朝著更加精準、高效、智能化的方向發(fā)展。人工智能與 DNA 技術的結合，將為疾病預測、藥物開發(fā)、生物制造等領域帶來革命性的突破。我們有理由相信，隨著對 DNA 認識的不斷深入，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 的基礎功能機制 2.1 DNA 的結構與功能

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。它的結構之精巧、功能之復雜，堪稱自然界最偉大的設計之一。

DNA 分子呈現(xiàn)出獨特的雙螺旋結構，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構成，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）。這種嚴格的堿基配對原則，不僅保證了 DNA 結構的穩(wěn)定性，更重要的是為遺傳信息的準確復制提供了基礎。

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特的遺傳特征。

DNA 的另一個關鍵功能是自我復制。當細胞分裂時，DNA 分子能夠精確地復制自己，將遺傳信息完整地傳遞給子代細胞。這種復制過程遵循半保留復制機制：DNA 雙鏈首先解開，每條鏈作為模板合成一條新的互補鏈，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 的類型與作用機制

RNA，即核糖核酸（Ribonucleic Acid），在細胞內扮演著多重角色。與 DNA 的雙鏈結構不同，RNA 通常是單鏈分子，但其結構和功能的多樣性遠超 DNA。

根據(jù)結構和功能的不同，RNA 主要分為以下幾類：

信使RNA（mRNA） 是遺傳信息傳遞的 "信使"。它是在細胞核中以DNA 的一條鏈為模板轉錄形成的，攜帶著 DNA 上的遺傳信息，從細胞核進入細胞質，在核糖體上指導蛋白質的合成。可以說，mRNA 是連接基因（DNA）和蛋白質之間的橋梁。

轉運RNA（tRNA） 是蛋白質合成過程中的 "搬運工"。它的分子結構呈三葉草形，一端攜帶特定的氨基酸，另一端有一個反密碼子，可以與mRNA 上的密碼子互補配對。tRNA 的功能是識別 mRNA 上的遺傳密碼，并將相應的氨基酸轉運到核糖體上，按照 mRNA 的指令合成蛋白質。

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

除了這三種主要的RNA 外，細胞中還存在許多其他類型的 RNA，它們在基因表達調控中發(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 剪接中起關鍵作用，能夠識別并切除 mRNA 前體中的內含子，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 結合來調控基因表達，能夠抑制 mRNA 的翻譯或促進其降解，在細胞分化、發(fā)育和疾病發(fā)生等過程中發(fā)揮重要調控作用。

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，但在基因轉錄調控、染色質修飾、轉錄后調控等多個層面發(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的核心概念，它描述了遺傳信息在細胞內的傳遞規(guī)律。1958 年，DNA 雙螺旋結構的發(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 再到蛋白質的傳遞過程。

中心法則的基本路徑包括三個過程：

DNA 復制是遺傳信息傳遞的起點。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胞分裂時能夠準確地傳遞給子代細胞。

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

翻譯是將mRNA 上的遺傳信息轉化為蛋白質的過程。在細胞質的核糖體上，tRNA 根據(jù) mRNA 上的密碼子序列，將相應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。

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（逆轉錄），某些病毒還可以進行 RNA 的自我復制。這些發(fā)現(xiàn)豐富了我們對遺傳信息傳遞規(guī)律的認識。

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胞內流動和表達，也為理解生命的本質提供了理論基礎。基于這一法則，科學家們開發(fā)出了基因工程、基因治療、精準醫(yī)療等一系列革命性技術，深刻改變了生物學研究和醫(yī)學實踐的面貌。

三、DNA 與 RNA 研究的前沿進展 3.1 基因編輯技術的突破與應用

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

CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是細菌和古細菌在長期進化過程中形成的一種適應性免疫系統(tǒng)，用于識別和抵御外來病毒的入侵。2012 年，美國科學家詹妮弗?杜德納和法國科學家埃馬紐埃爾?沙爾龐捷首次在實驗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)獲得諾貝爾化學獎。

CRISPR-Cas9 系統(tǒng)的工作原理相對簡單但極其強大。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；二是向導 RNA（gRNA），它就像一個 "導航系統(tǒng)"，能夠引導 Cas9 蛋白到達特定的 DNA 序列進行切割。通過設計不同的 gRNA，科學家可以在基因組的任何位置進行精確切割。

CRISPR 技術的應用前景廣闊。在醫(yī)學領域，它已經(jīng)被用于治療多種遺傳疾病。2023 年，美國 FDA 批準了首個基于 CRISPR 的基因療法 Casgevy，用于治療鐮狀細胞病和 β 地中海貧血癥。這標志著 CRISPR 技術正式從實驗室走向臨床應用。

在農(nóng)業(yè)領域，CRISPR 技術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，科學家們已經(jīng)培育出了抗病性更強、營養(yǎng)價值更高的作物品種。例如，中國科學家利用 CRISPR 技術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。

除了CRISPR-Cas9，科學家們還開發(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)，堿基編輯技術成功挽救了一名患有嚴重遺傳疾病的嬰兒，這是個性化基因編輯治療的首次成功案例。

引導編輯器（Prime Editor） 則更進一步，它結合了 Cas9 蛋白和逆轉錄酶的功能，能夠實現(xiàn)更復雜的基因編輯，包括小片段的插入、刪除和替換。2025 年 5 月，引導編輯技術首次在人體試驗中取得成功，用于治療慢性肉芽腫病，這標志著基因編輯技術進入了一個新階段。

3.2 合成生物學與人工基因組設計

合成生物學是一門將工程學原理應用于生物系統(tǒng)設計的交叉學科，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，合成生物學正在創(chuàng)造出一個又一個奇跡。

人工基因組設計是合成生物學的核心領域之一。2010 年，美國科學家克雷格?文特爾領導的團隊成功合成了第一個人工合成細胞，他們將人工合成的DNA 基因組植入一個去除了遺傳物質的細菌細胞中，創(chuàng)造出了能夠自我復制的 "人造生命"。這一成果震驚了世界，標志著人類從 "解讀" 生命密碼走向 "編寫" 生命密碼。

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

細胞工廠是合成生物學的另一個重要應用方向。通過對微生物進行基因改造，科學家們創(chuàng)造出了能夠生產(chǎn)特定化學品和蛋白質的"細胞工廠"。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，合成生物學進入了 "工程化" 階段。據(jù)統(tǒng)計，DNA 存儲密度已達到 1EB/g（1EB 等于 10 億 GB），微生物細胞工廠生產(chǎn)了全球 30% 的胰島素。美國生物技術公司 Amgen 用細胞工廠生產(chǎn)抗癌藥，成本比化學合成低 70%，產(chǎn)量提升 5 倍。

DNA 存儲技術是合成生物學的一個新興領域。由于 DNA 具有密度高、保存時間長、能耗低等優(yōu)點，它正在成為存儲數(shù)字信息的理想介質。2024 年，哈佛大學的研究團隊成功將一本 300 頁的書、10 張圖片和一段音頻編碼到 DNA 中，并實現(xiàn)了完美讀取。這項技術有望在未來解決數(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)在英偉達市值5萬億，靠的就是GPU以及算力布局。所有AI大模型訓練，都需要存儲海量數(shù)據(jù)。如果你能高效解決DNA存儲技術難題，那么你講引領下一個時代，超AI人工智能時代！

我作為給大家科普，其實最重要的是啟示，讓你學到知識的提前下，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。這并非天方夜譚，而是科學家們?yōu)閼獙θ驍?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訓練中GPU"算力告急"的實時計算需求，但它為解決海量訓練數(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，是將由0和1組成的二進制數(shù)據(jù)，通過編碼規(guī)則，轉換為由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鳥嘌呤（G）這四種堿基構成的DNA序列。你可以把它理解為一種極其高效的"四進制"編碼系統(tǒng)。

實現(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)字信息轉化為DNA語言的過程。例如，00對應A、01對應T、10對應G、11對應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，比如北京大學團隊開發(fā)的"表觀比特（epi-bit）"技術，它像"活字印刷"。他們預制好通用的DNA"活字"和模板，通過酶促反應將信息"印刷"到DNA上，實現(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：當需要讀取數(shù)據(jù)時，使用DNA測序技術（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成原始的二進制數(shù)據(jù)，最終還原成圖片、文檔或視頻。

DNA存儲的優(yōu)勢與當前挑戰(zhàn)

DNA存儲之所以備受關注，是因為它擁有傳統(tǒng)硅基存儲介質難以比擬的天然優(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，這項技術走向大規(guī)模應用還面臨一些挑戰(zhàn)：

成本高昂：目前合成和測序DNA的費用依然昂貴。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。

技術成熟度：當前的DNA存儲系統(tǒng)在錯誤率、自動化以及標準化方面仍需改進。

盡管DNA存儲無法替代GPU進行實時計算，但它對于AI發(fā)展的意義在于解決海量訓練數(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存儲技術的研究正圍繞降低成本、提高速度展開。例如，北大團隊的"活字印刷"法以及中國科學院研究的"DNA活字"方法與自動化設備"畢昇一號"，都旨在通過并行操作和預制件復用來突破傳統(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"四進制編碼，分子級存儲，生命級壽命"。它目前還是一項前沿技術，主要面向對存儲密度和長期保存有極高要求的特定領域，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：一個細胞里有多少信息？

我們人體的每個有細胞核的細胞（成熟的紅細胞除外）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）可以看作是四進制（0,1,2,3） 的編碼系統(tǒng)。

在信息學中，每個堿基對可以編碼2比特（bit）的信息。

那么，一個細胞核內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

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

第二步：一個成年人有多少個細胞？

根據(jù)生物學界最權威的估計之一（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/細胞 × 37.2萬億個細胞

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，轉換成更大的單位：

轉換成 GB：除以 1024≈ 28,700,000,000,000 GB

轉換成 TB：再除以 1024≈ 28,000,000,000 TB

轉換成 PB：再除以 1024≈ 27,300,000 PB

轉換成 EB：再除以 1024≈ 26,660 EB

轉換成 ZB：再除以 1024≈ 26 ZB

最終結論與一個重要的思考

一個成年人體內所有DNA的總信息量，理論上可以達到 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)布的最新預測，2025年全球一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量約為213.56ZB 。該機構還提到，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信息量，就相當于全球年數(shù)據(jù)總量的九分之一！這是一個令人瞠目結舌的密度。

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“思想實驗”。它假設我們身體的每一個細胞的信息都是獨立且不同的。而事實并非如此！

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

所以，更準確的說法是：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，復印了37萬億份。

信息本身的“獨特內容”，也就是那本“獨一無二的百科全書”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家對DNA存儲技術如此著迷——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。

那么我們應該如何定義信息？是物質嗎？有能量嗎？這是一個非常深刻的問題，它觸及了物理、信息科學和哲學的核心。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，但它離不開物質作為載體。

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。當我說“會下雨”時，這個回答就為你提供了信息，因為它消除了你的不確定性。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，不是物質本身，而是原子排列的結構信息。你的DNA和猩猩的DNA在化學物質上幾乎一樣，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. 哲學層面：一個基本維度

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

二、信息與物質、能量的關系：密不可分的“鐵三角”

盡管信息本身不是物質或能量，但它們三者構成了一個密不可分的“鐵三角”關系。

信息 vs 物質：依賴與超越

依賴：信息必須依賴物質作為載體。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制和轉換，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)絡傳播。載體在變，物質在變，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！這是物理學家羅夫·蘭道爾 在1961年提出的原理。

為什么？因為擦除信息是一個不可逆的過程，它減少了系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)，本質上是熵減的過程。為了維持熱力學第二定律（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）是受能量和熱力學定律嚴格約束的。這也解釋了為什么強大的計算機和AI需要巨大的能耗——它們在進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，也不是能量：它是獨立于載體物質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、結構性的，能夠被測量（單位為“比特”），并嚴格遵守物理定律（如熱力學定律）。

3. 它是秩序和現(xiàn)實的根源：它決定了物質的組織方式，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”和“能量”之后，我們所認知的宇宙的第三個基本要素。它就像建造大樓的設計藍圖：藍圖本身不是磚塊（物質），也不是起重機（能量），但沒有藍圖，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信息藍圖，在消耗能量的過程中，利用物質構建出的一個精妙絕倫的奇跡。

因為我們前面講過記憶的篇章，這里做一個補充，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“出廠預裝系統(tǒng)和硬件驅動盤”。

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)歷和學習，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，如輻射導致的突變）。

它被復制到你身體的幾乎每一個細胞里。

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)絡里，具體來說，是存儲在神經(jīng)細胞之間的連接強度和結構變化中。

記憶存儲在哪里？—— “大腦可塑性與神經(jīng)網(wǎng)絡”

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

當你學習一首詩時，你的大腦中特定一組神經(jīng)元被同時激活。反復的激活會使得這些神經(jīng)元之間的連接點——“突觸”——變得更加高效和強大。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。

長期記憶甚至會導致神經(jīng)元生長出新的連接，甚至整個腦區(qū)的結構發(fā)生微小的物理和化學改變。

信息的“存儲”，就是這些突觸連接強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。

所以，記憶是“活”的，是動態(tài)的，存在于神經(jīng)網(wǎng)絡的功能和結構之中；而DNA是“硬編碼”的，是靜態(tài)的，存在于細胞核的化學序列中。

一個關鍵的區(qū)別：獲得性遺傳的迷思

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

但現(xiàn)代生物學（除了表觀遺傳學等一些復雜特例外）已經(jīng)明確，后天的學習和記憶是無法遺傳給后代的。你的孩子需要從零開始學習他們自己的詩歌，因為他們繼承的是和你一樣的“出廠預裝系統(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？

構建和維持你身體這臺“生物機器”的終極藍圖。

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)絡連接中。它是一個動態(tài)的、電化學的、可塑的系統(tǒng)，而不是一個靜態(tài)的化學序列。

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

記憶存儲在你的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡里，具體來說，是存儲在神經(jīng)細胞之間的連接強度和結構變化中。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，帶向了人體最復雜的器官——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

這是一個關公戰(zhàn)秦瓊式的比較，因為它們存儲信息的原理完全不同。但如果我們強行從“信息容量”的角度來估算，結論非常有趣。

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

它的特點是：信息高度精確、靜態(tài)不變、每個細胞都有一份完整副本

大腦存儲（網(wǎng)絡式）：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 “突觸的連接強度和模式” 存在。每個突觸都可以有不同的強度，這就像一個巨大的多維網(wǎng)絡，其可能的狀態(tài)組合是一個天文數(shù)字。

科學家們根據(jù)神經(jīng)元和突觸的復雜程度進行估算，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，你身體里所有細胞的DNA副本總量（約26 ZB）遠大于大腦的容量。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、關聯(lián)的、可重構的。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，可能天然就有更強的注意力和信息關聯(lián)能力。他們能自動將新信息與已有的龐大知識網(wǎng)絡緊密聯(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：白天學習的海量信息，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）：他們大腦中負責“遺忘”的機制（比如前額葉皮質的抑制功能）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大的“索引系統(tǒng)”。由于信息在編碼時就進行了深度關聯(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擔。

正常的“遺忘”機制，是人類大腦為了心理健康和高效思考而進化出的重要保護功能。它幫我們過濾雜質，提取精華，讓我們能夠專注于當下和未來。

存儲量：大腦的有效動態(tài)存儲空間可能遠超單個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，中國獨立學者。原名王銀，陜西綏德縣人。1988年出生，現(xiàn)居西安。哲學家，藝術家，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》《云淡風清》《我的世界》《牙牙學語》等。其作品樸實大膽，富有新意。

個人座右銘：生命在于運動，更在于探索。

靈遁者熱讀書籍有：科普六部曲，國學三部曲，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》《重構世界》《觀自在大千世界》《信息與關系》。

國學三部曲分別為：《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》，《云淡風輕》《我的世界》《春風與你》。