问题：﻿未来十年哪些基础科学突破会影响互联网科技产业？产业互联网和消费互联网融合创新，会带来哪些改变？ 本提问为「知乎 2018『互联网洞见者』」十个提问的第一问，由腾讯董事局主席兼首席执行官马化腾（知乎 ID :ponyma）提出。更多详细信息，请点击…
话题：﻿互联网、科技、科学、产业互联网、消费互联网
回答：﻿谢@叶竹邀请……生物学基础研究的突破，还能影响互联网产业吗。呃，我觉得不太可能。生物基础研究所需的技术发展，倒是也许能够产生一些影响，我就答一个抛砖引玉。（多图警告）DNA存储替代磁性硬盘存储更新：评论区问题很多，反对意见更多啊…这个东西技术上的问题欢迎讨论，不过也请各位您先耐心看完我写了什么，再评论技术缺陷。至于是不是有前景，我没法评价，生物领域根本没人关心也没人做这个东西。这事除了几个搞算法的，主要是美国IT企业投资，比尔盖茨本人牵头，如果你觉得你比微软、google、facebook的高层都懂IT类公司的需求，请随便反对，毕竟他们可能只是钱烧的瞎投。EdinburghiGEM2016@半佛仙人提到了互联网公司的一个命门就是数据存储和传输问题。按照目前互联网数据的增长速度，有预计2025年将达到163ZB=1.63*10^9TB。而到了2040年，地球上所有的硅储备全用上都可能不足够存储数据。https://www.storagenewsletter.com/2017/04/05/total-ww-data-to-reach-163-zettabytes-by-2025-idc/一个解决思路是在目前磁盘的这个路子继续优化，压缩磁盘的体积和读写速度。另一方面，生物学能提供一个强大的解决方案，就是把信息存储在DNA里——亿万年来地球上所有的生物学信息都是这么存储过来的。这个想法，自1964年MikhailNeiman提出，并于2012年首次实现，到现在目前已经有很多进展了。DNA作为存储介质的先天优势先谈谈为什么选择DNA做存储介质。众所周知，DNA是一个双螺旋。在双螺旋之中，每个最小单元包含一对碱基，就是负责编码的分子结构。DNA中一共有四种碱基，ATGC，其中AT可以配对，GC可以配对。每个碱基对，也相应的有四种组合AT，TA，GC，CG。从而每个单元可以编码2bit的信息（如果考虑各种物理化学限制，会少降低到1.83bit【1】），而且每一个DNA分子的有两条链可供读取。https://en.wikipedia.org/wiki/DNA粗略而言，编码一个现代人所需要的DNA，差不多是60亿个碱基，每个碱基有ATGC四种选择，这差不多就是15GB的数据了——相比而言，现在市面上流行的U盘很多是16GB，8GB，就是这个数量级的。人存储这么多数据，只需要23对染色体，总重3.59pg。1pg相当于10^12之1g，可以说质量微乎其微了。不但质量小，DNA还可以高度折叠，实现极小的体积。半套人的数据，在精子里可以压缩到3μm×5μm的一个小“弹头”。这么说可能比较抽象，回到我们最开始的那个信息爆炸导致的存储不足的问题。单纯考虑存储的最大上限，1gDNA含有近10^21个碱基对，就是910EB的信息量。也就是说，到了2025，基本上只需要一勺DNA就能把全世界上所有的互联网信息都记录下来。DNAdatastoragecouldhold1.8zettabytesofinformationin4gramsofliquid(Flickr/CC),(https://www.ibtimes.co.uk/dna-data-storage-1-8-zettabytes-information-single-spoon-liquid-1488529)质量低体积小，就便于运输，想想现在亚马逊的数据迁移服务都是用卡车运硬盘，专车snowmobile一车也就只能拉100PB。如果使用DNA作为数据载体的话，用顺丰快递，像snowmobile的这个数据量，轻轻松松就能送出一个亿！除此之外，双螺旋结构的DNA本身的物理化学性质极其稳定——这也是为什么几乎所有的动物都使用DNA作为编码信息的存储材料的原因之一。最新的研究表示，DNA分子的物质半衰期长达521年【2】。而且，DNA的数据还可以非常容易地拷贝，只需要利用DNA聚合酶，使用PCR这个几乎所有生物实验室都配备的技术，就可以在数小时内复制海量的数据。Polymerasechainreaction-Wikipedia，每一轮反应，DNA的总量就翻倍一次特别的，这个拷贝时间是由每个DNA的复制片段的长度决定，而不是DNA总量决定。不管是10TB的数据，还是100EB的数据，假如说都是以200bpDNA为单位存储的，那么复制所需的时间都是十几分钟（当然复制越多的数据，需要越多的酶和分子原料）。这在目前的磁盘存储是不可想象的。换句话说，和现在我们的数据拷贝不同的是，DNA的拷贝对于数据总量并不敏感。综上，DNA作为信息载体有这么几个优点：信息密度非常高——可以用很小的质量、很小的体积存储大量的信息；保质期非常久；非常容易复制粘贴——而且不管多大的样本，复制所需时间都差不多。另外一个相对于磁盘更优的特点，就是技术升级都是对DNA的编码、合成和阅读能力进行革新，不会改变DNA本身，所以不会发生3.5寸软盘用着用着就没法用的情况。当然光吹DNA好，现实情况是目前还没人用DNA替代磁盘。主要有三个技术难题：如何编码（基本解决）如何读出（还在不断进步）如何从头书写（处于瓶颈，暂时有一些小的突破）以目前的DNA书写、读出的成本而言，DNA存储，最适合替代磁盘的领域，是永久存档（archive）——数据量极大，但是不需要反复书写、阅读。这也是目前主要的研究方向。目前各大IT公司中，微软应该是走的最靠前的，早在2015年就和华盛顿大学合作成立了DNA存储研究组。DNAStorage-MicrosoftResearch​www.microsoft.comDNA存储的编码算法最新进展——DNA喷泉（DNAFountain）虽然前面说1gDNA可以储存高达910EB的信息，但是如果了解一点通信原理，就知道实际上能使用的远远小于这个数值。信息存储进入DNA之后，还需要能够正确地读得出来，要不然就是白写了。所以对于目前的数字信息，需要一种特殊的算法转化成DNA序列用于合成，从而使得DNA能够存储足够多的数据，同时能够抵抗复制错误，使得信息高保真。最早版本（Churchetal2012）的编码方法只是一种proofofprinciple，实际上来讲效果是比较差的。每gDNA只能存储~1PB，而且还不管保真度，错了没法纠错。这个方向最新的工作是一种称为DNA喷泉的算法，可以在1gDNA里，高保真地存储214PB数据，约等于是100000000部电影的容量。这里就不具体介绍算法本身了，感兴趣的同学可以阅读原文【1】。通俗的解释（英文视频）：https://www.youtube.com/watch?v=mywIrEmDgdg我就着重展示一下，到底能有多保真：从10ngDNA的样品出发，进行10次PCR，每次PCR就相当于把DNA翻倍10次，最终一共产生2.2810^15个拷贝——相当于一份文件在全世界所有人手里转几十圈。这时拿出一小撮DNA，通过高通量测序还是能够毫不出错地读出所有信息（perfectdecoding）。超过摩尔定律的DNA测序技术目前成本最低的大量DNA读取方法是通过第二代高通量测序（next-generationsequencing）。技术原理其实不复杂，简单讲，就这么几个关键环节【3】：在一个芯片上固定大量不同的DNA，然后进行DNA的复制反应让ATGC不同的碱基被加入到新生DNA的时候产生不同的荧光用一个高精尖的摄像头把DNA复制过程拍下来通过对荧光timelapse图像处理，就知道每个DNA的序列都是什么了https://www.nature.com/articles/nbt1486目前来讲，测序成本还是和读取硬盘没法比的，以通量较大的IlluminaHiSeq2000为例，产生600Gb数据的成本是几十美元，而由于读取DNA产生的数据是冗余的，所以用来存储原始数据的DNA容量，粗略估计也就是在10Gb上下。不过好消息是，测序的成本仍然在极速的下降，下降速度大幅超过摩尔定律，而且势头不减。再过几年，可能就会变得极其平价【4】。仍然居高不下的DNA合成成本在三个问题之中，反而是DNA的合成技术最处于瓶颈。目前通用的技术，是先通过化学方法，合成小的DNA片段，然后再讲他们拼接到一起。而合成小DNA片段的成本已经很多年没什么变化了【5】。虽然组装大片段DNA的技术在不断发展，但是仍然还是治标不治本。蓝色：测序成本；红色：小片段DNA合成成本；黄色：基因合成成本解决DNA合成成本，有两个思路，一个是降低DNA的化学合成成本，代表的生物技术公司是最近上市的TwistBioscience。他们最近也参与到了DNA存储的领域之中。他们的核心想法就是把原来做的DNA的化学合成的大试管，缩小微芯片的方寸之间。像下面这样的1cm×1cm见方的芯片上，有很多绿色圆形小芯片，每个小芯片是个蜂巢阵，每个蜂巢又有6个反应池。这样，一个小小芯片上，就可以同时合成成千上万的DNA小片段，而合成每个DNA片段所需要的原料也少了许多。另一个思路是直接抛弃化学合成，而是用生物酶合成更长的DNA，这方面的生物技术公司也有很多。我们楼下门口就有一家DNAscript。但是总的来讲，还没有那么成熟，毕竟是从头发展一个新技术。总结一下，DNA是个很有前景的数据存储载体，体积小，质量小，稳定，易复制，高保真。目前已有的技术还有成本较高的问题，使得DNA的应用情景局限在永久存档。主要的技术瓶颈在于DNA的合成成本。以上参考：【1】DNAFountainenablesarobustandefficientstoragearchitectureDNAFountainenablesarobustandefficientstoragearchitecture​science.sciencemag.orgBioRxiv:DNAFountainenablesarobustandefficientstoragearchitecture​www.biorxiv.org【2】DNA半衰期Thehalf-lifeofDNAinbone:measuringdecaykineticsin158datedfossils​rspb.royalsocietypublishing.org【3】高通量测序Next-generationDNAsequencing​www.nature.com【4】测序成本Technology:The$1,000genome​www.nature.com【5】LearnScienceatScitable​www.nature.com