DNA's ekstreme kompakthet
Hentet fra FB til Otangelo Grasso
Den ekstreme kompaktheten til DNA som datalagring er intet mindre enn utrolig. DNA har potensialet til å lagre data i størrelsesorden 10^12 mer kompakt enn konvensjonelle lagringsteknologier.
En strategi for høylagringstetthet av digital informasjon, basert på syntetisk DNA 12.aug. 2019
Den binære lagringskapasiteten til et DNA-molekyl er omtrent 4,2 • (10^21) bits per gram, som er 420 milliarder ganger den tradisjonelle lagringsmediet. DNA er også en av de mest stabile biomolekylene, og kan dermed bevare informasjon over ekstremt lange perioder. (1)
La oss ta 100 billioner celler som det generelt aksepterte estimatet. Så gitt at hver diploide celle inneholder 1,5 GB data (dette er veldig omtrentlig, da han bare tar høyde for diploide celler og ignorerer haploide sædceller og eggceller i kroppen vår), den omtrentlige mengden data lagret i menneskekroppen er: 1,5 Gbytes x 100 billioner celler = 150 billioner Gbytes eller 150 • 10 ^ 12 x 10 ^ 9 byte = 150 Zettabyte (10 ^ 21) !!! (2) Hver sædcelle inneholder omtrent 3 milliarder baser av genetisk informasjon, som representerer 750 MB digital informasjon. En gjennomsnittlig menneskelig utløsning inneholder rundt 180 millioner sædceller. Så det er 180 x 10^6 haploide celler x 750 Mbytes/haploide celle = 135 x10 ^ 9 Mbytes = 135000 Terabyte !!!!
Beviset for DNA-lagring
1. I det vitenskapelige magasinet 'Nature,' rapporterte i januar 2013, Nick Goldman et al. om vellykket bruk av DNA for å lagre store mengder data.
2. "Her beskriver vi en skalerbar metode som pålitelig kan lagre mer informasjon enn det som har blitt håndtert før. Vi kodet datafiler på til sammen 739 kilobyte harddisklagring og med en estimert Shannon-informasjon på 5,2 • 10 ^ 6 bits til en DNA-kode, syntetiserte dette DNAet, sekvenserte det og rekonstruerte de originale filene med 100% nøyaktighet. Teoretisk analyse indikerer at vårt DNA-baserte lagringsskjema kan skaleres langt utover dagens globale informasjonsvolum og tilby en realistisk teknologi for storskala, langsiktig og sjeldent tilgjengelige digital arkiver. Faktisk reduserer nåværende trender i teknologiske fremskritt kostnadene for DNA-syntese i et tempo som skal gjøre ordningen vår kostnadseffektiv for 50 års arkivering, innen et tiår."
3. "DNA-basert lagring har potensiale som en praktisk løsning på det digitale arkiveringsproblemet og kan bli en kostnadseffektiv løsning for sjeldent tilgjengelige arkiver," sa Goldman.
4. DNA overgår langt den nåværende menneskeskapte teknologien og kan vare i tusenvis av år. For å få tak i dette, bør du vurdere at 1 petabyte tilsvarer 1 million gigabyte med informasjonslagring. Denne artikkelen rapporterer en informasjonslagringstetthet på 2,2 petabyte per gram.
5. Forskere trengte mange tiår for å finne ut en så utrolig nyttig design av DNA laget, som de sier, fra naturen. Oppdagelsen av den komplekse utformingen av DNA trengte intelligens. Hvordan kan man nekte en overlegen intelligens som designet hundrevis av forskjellige DNA'er, som er nødvendige for overlevelsen av alle artene..
6. At naturens intelligens faktisk er Guds intelligens siden intelligens bare er en persons eiendom.
7. Dermed eksisterer uunngåelig Gud .
Perry Marshall, Evolution 2.0, side 192
Datalagring og komprimering med ultrahøy tetthet
Cellene dine inneholder minst 92 DNA-tråder og 46 dobbelt-heliske kromosomer. Totalt strekker de seg 1,8 meter fra ende til annen. Hver menneskelig DNA-streng inneholder like mye data som en CD. Hver DNA-streng i kroppen din strukket fra ende til annen, ville nå fra jorden til solen og tilbake 600 ganger. Når du klør deg i armen, inneholder de døde hudcellene som flasser av mer informasjon enn et lager med harddisker.
Celler lagrer data med millioner av ganger mer tetthet enn harddisker.. . Ikke bare det, de bruker disse dataene til å lagre instruksjoner langt mer effektivt enn menneskeskapte programmer; tenk at Windows tar 20 ganger så mye plass (bits) som ditt eget genom. Vi vet ikke helt hvordan vi skal kvantifisere den totale informasjonen i DNA. Genomet er ufattelig mer elegant, mer sofistikert og mer effektivt i bruk av data enn noe vi noen gang har designet. Selv med det fantastiske tempoet i Moores lov - prinsippet om at datatettheten dobles hvert annet år og kostnadene halveres - er det vanskelig å anslå hvor mange århundrer det kan ta før menneskelig teknologi tar det igjen. Forhåpentligvis kan lærdommene vi fra DNA øke innsatsen vår. Et enkelt gen kan brukes hundre ganger av forskjellige aspekter av det genetiske programmet, uttrykt på hundre forskjellige måter (248). Det samme programmet gir unike instruksjoner til flere hundre forskjellige typer celler i menneskekroppen; det dikterer deres forhold til hverandre i et tredimensjonalt rom for å lage organer, så vel som i en fjerde dimensjon, tidslinjen for vekst og utvikling. Den vet for eksempel at guttenes stemmer må endres når de er 13 år og ikke når de er 3. Det er langt fra klart hvordan denne informasjonen lagres og hvor den ligger. å begrense vår forståelse av DNA-data til datamodeller er i seg selv et begrensende paradigme. Dette er desto mer grunn til at vår standard for fortreffelighet burde være cellen og ikke vår egen teknologi:
• DNA er et programmeringsspråk, en database, en kommunikasjonsprotokoll og en svært komprimert lagringsenhet for lesing og skriving av data - alt på samme tid.
• Som programmeringsspråk er det mer allsidig enn C, Visual Basic eller PHP.
• Som en database har det større tettere enn Oracle eller MySQL.
• Som kommunikasjonsprotokoll kaster det bort mindre plass enn TCP/IP, og er mer robust enn Ethernet.
• Som en komprimeringsalgoritme er det overlegen WinZip eller noe annet vi har drømt om.
• Som lagringsmedium er det billioner ganger tettere enn en CD, og pakker informasjon på mindre plass enn noen harddisk eller minnebrikke som er laget.
• Og selv den minste bakterien er i stand til å bruke alle disse mekanismene for å dominere sitt miljø og leve i fellesskap med andre celler.
Dawkins, The Blind Watchmaker, s. 116–117 :
Det er nok informasjonskapasitet i en enkelt menneskecelle til å lagre Encyclopaedia Britannica, alle de 30 volumene av den, tre eller fire ganger. ... Det er nok lagringskapasitet i DNA til et enkelt liljefrø eller en enkelt salamandersæd til å lagre Encyclopaedia Britannica 60 ganger. Noen arter av urettmessig kalt 'primitive' amøber har like mye informasjon i sitt DNA som 1000 Encyclopaedia Britannicas.
Hvorfor er DNA (og ikke RNA) en stabil lagringsform for genetisk informasjon?
http://biochemistryrevisited.blogspot.com.br/2008/01/why-is-dna-and-not-rna-stable-storage.html
Blendende design i miniatyr: lagring av DNA-informasjon, av Werner Gitt
Cellene i menneskekroppen kan produsere minst 100 000 forskjellige typer proteiner, alle med en unik funksjon. Informasjonen for å lage hver av disse kompliserte molekylære maskinene lagres på det velkjente molekylet, DNA.
Vi tror at vi har gjort det veldig bra med menneskelig teknologi, og pakket informasjon veldig tett på datamaskinens harddisker, sjetonger og CD-ROM-disker. Imidlertid lagrer alle disse informasjon på overflaten, mens DNA lagrer den i tre dimensjoner. Det er den tetteste informasjonslagringsmekanismen som er kjent i universet.
La oss se på mengden informasjon som kan være inneholdt i et pinhead volum av DNA. Hvis all denne informasjonen ble skrevet inn i pocketbøker, ville den utgjøre en bunke av slike bøker 500 ganger høyere enn herfra til månen! Utformingen av et så utrolig 
system for informasjonslagring indikerer en svært intelligent designer.
I tillegg er det selve informasjonen, som lagres på DNA, og overføres fra generasjon til generasjon av levende ting. Det er ingen vitenskapslover som støtter ideen om at livet, med all sin informasjon, kunne ha kommet fra ikke-levende kjemikalier. Tvert imot, vet vi at fra vitenskapslovene, spesielt i mitt eget kompetanseområde, at meldinger (som de som vi finner i alle levende ting) alltid peker tilbake til en intelligent avsender. Når vi ser på levende ting i lys av DNA, gir 1.Mosebok-skapelsen virkelig mening til det vitenskapelige beviset.
90 GB data lagret i 1 gram bakterier.
Mens nåværende elektroniske datalagringsmetoder nærmer seg grensene i tetthet, oppnådde teamet enestående resultater med en koloni av E.coli. Deres teknikk gjør at ekvivalenten til USAs uavhengighetserklæring kan lagres i DNAet til 18 bakterielle celler. Gitt at det er omtrent ti millioner celler i ett gram biologisk materiale, er potensialet for datalagring stort. Videre kan data krypteres ved hjelp av den naturlige prosessen med stedsspesifikk genetisk rekombinasjon: informasjon krypteres av rekombinasegener, hvis handlinger styres av en transkripsjonsfaktor. (1)
'Informasjonsinnholdet i en enkel celle er estimert til rundt 10^12 bits, sammenlignet med omtrent hundre millioner sider av Encyclopedia Britannica.'
Carl Sagan, 'Life' in Encyclopedia Britannica: Macropaedia (1974 ed.), S. 893-89:
Tallet på 10^12 bits av informasjon, for en bakterie er avledet fra entropiske betraktninger, som på grunn av det tett integrerte forholdet mellom informasjon og entropi regnes som det mest nøyaktige målet for den transcendente informasjonen som er tilstede i en 'enkel' livsform. For beregninger, se følgende side:
Molecular Biophysics - Information theory. Relation between information and entropy(2)
Den største kjente tettheten av informasjon er den i DNA fra levende celler. Diameteren til dette kjemiske lagringsmediet er d = 2 nm, og spiralinkrementet til spiralen er 3,4 nm (1 nm = 10^-9 m = 10^-6 mm). Volumet til denne sylinderen er V = h • π •r^2
V = 3,4 • 10^-6 mm • π• (10-6 mm) ^2= 10,68 • 10^-18 mm3 per vikling.
Det er 10 kjemiske bokstaver (nukleotider) i hver vikling av dobbeltspiralen (= 0,34 • 10-9 m / bokstav), som gir en statistisk informasjonstetthet (ρ) på:
ρ = 10 bokstaver / (10,68 • 10-18 mm3) = 0,94 • 10^18 bokstaver per mm3.
Denne pakkingstettheten er så ufattelig stor at vi trenger illustrative sammenligninger.
Først: Hva er mengden informasjon som finnes i et nålhode av DNA? Hvor mange pocketbøker kan lagres i dette volumet?
Eksempel: Paperback-utgaven av 'Did God Use Evolution'? har følgende data:
Tykkelse = 12 mm, 160 sider, LB = 250 000 bokstaver/bok
Volumet på et nålhode med en diameter på 2 mm (r = 1 mm):
Volum av nålhode (VN) = 4/3 πr^3 = 4,19 mm3
Hvor mange bokstaver kan lagres i volumet til 1 nålhode?
Bokstaver i nålhode = VN • ρ = 4,19 mm3 • (0,94 • 10^18 bokstaver / mm3) = 3,94 • 10^18 bokstaver
Hvor mange bøker kan lagres i volumet med 1 nålhode?
n = LP / LB = 3,94 • 1018 bokstaver / (250 000 bokstaver / bok) = 15,76 • 10^12 bøker
Hva er høyden på bunken?
h = 15,76 • 10^12 bøker • 12 mm / bok = 189,1 • 10^12 mm = 189,1 • 10^6 km
Avstand til månen M = 384.000 km
Hvor mange ganger er avstanden til månen dette?
m = h / M = 189,1 • 10^6 km / 384 000 km = 492,5 ganger
Et nåhode inneholder DNA-informasjon, som utbrettet strekker seg 492 ganger til månen.
For det andre: Det menneskelige genomet har 3 • 10^9 bokstaver (nukleotider). I kroppsceller er det 6 • 10^9 bokstaver.
Lengden på genomet LG er gitt av
LG = (0,34 • 10^-9 m / bokstav) • 3 • 10^9 bokstaver = 1,02 m
Volumet av det menneskelige genomet VG er
VG = LG/r = 3 • 10^9 bokstaver / (0,94 • 10^18 bokstaver/mm3) = 3,19 • 10^-9 mm3
Volumet av et nålhode med en diameter på 2 mm: V = 4/3 πr^3 = 4,19 mm3
Hvor mange menneskelige genomer kan være inneholdt i ett nålhode?
k = 4,19 mm3 / (3,19 • 10-9 mm3) = 1,313 • 10^9 ganger
Volumet av ett nålehodet tilsvarer volumet til genomene for mer enn tusen millioner mennesker eller nesten en femtedel av verdens befolkning (7,6 milliarder i 2018).
For det tredje: En enorm lagringstetthet oppnås, mangfold større enn det moderne datamaskiner kan oppnå. For å forstå lagringstettheten til dette materialet, kan vi forestille oss å ta materialet fra hodet på en tapp med en diameter på 2 mm og strekke det ut i en ledning, som har samme diameter som et DNA-molekyl. Hvor lang ville denne ledningen være?
Diameter av DNA-molekylet d = 2 nm = 2 • 10^-6 mm (radius r = 10^-6 mm)
Tverrsnitt A av DNA-molekylet:
A = r^2 π = (1 nm)^ 2 π = (10-6 mm) ^2 π = 3,14 • 10^-12 mm2
Ledningens lengde LL = Volumet på nålen VP / tverrsnitt A
LL = VP / A = 4,19 mm3 / (3,14 • 10^-12 mm2) = 1,33 • 10^12 mm = 1,33 • 10^6 km
Ekvators lengde = 40.000 km. Antall ganger (n) info-innholdet i nålehodet vil nå rundt jorda:
n= 1,334 • 10^6 km / 40 000 km = 33,3 ganger
Hvis vi strekker ut DNA-materialet til et nålhode ut til en ledning med samme tynne diameter som et DNA-molekyl, vil det ha en lengde mer enn 30 ganger rundt ekvator.
Disse sammenligningene illustrerer på en fantastisk måte de strålende lagringskonseptene vi har å gjøre med her, samt den økonomiske bruken av materiale og miniatyrisering.
Den høyeste kjente (statistiske) informasjonstettheten oppnås i levende celler, og overgår langt de beste prestasjonene med høyt integrerte lagringstettheter i datasystemer.
Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund