МЕТОДЫ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ БУДУЩЕГО

Исследование IDC (International Data Corporation) – международной консалтинговой компании, занимающейся изучением телекоммуникаций и рынка информационных технологий, показало, что на момент 2012 года было проанализировано менее 1% всей имеющейся информации. По прогнозам, к 2020 г. цифровая вселенная достигнет объема в 40 зеттабайт, а уже к 2025 году человечество будет генерировать в среднем по 160 зеттабайт данных ежегодно. В связи с этим, одной из первостепенных задач IT-сферы становится разрешение проблемы хранения такого количества данных. Динамика показывает, что в скором времени нынешние методы хранения информации могут оказаться нерентабельными или просто неспособными справиться с новым объёмом данных. Это заставляет учёных, искать качественно  новые способы, направленные на экономичное использование имеющихся ресурсов.

Большинство современных действующих решений основано на оптимизации пространства и поиска выгодных мест расположения дата-центров, которые помогут снизить затраты на их содержание. К подобным проектам можно отнести подводные дата-центры проекта Natick компании Microsoft. Их серверы были погружены в воды Тихого океана, предварительно облачённые в водонепроницаемую капсулу. По истечению двух месяцев содержимое было изъято и обнаружено в абсолютной целостности.

Другая группа исследователей предложила возведение небоскрёбов на территории Исландии, чей холодный климат поможет сэкономить на охлаждении дата-центра. В 2016 году проект получил третье место на конкурсе небоскрёбов eVolo, несмотря на стадию разработки.

Не остались без внимания и заброшенные каменоломни. Немалые площади с пониженной температурой и высокой влажностью стали вакантным местом для размещения дата-центра одной строительной компании на северо-востоке США.

Однако ещё с конца ХХ века учёные пытаются рассмотреть такой качественно новый объект для хранения информации как ДНК. Любой носитель рано или поздно устаревает (флопы, диски, флешки), уступая место более технологичной разработке. Но ДНК – это часть живых организмов, часть нас самих, которая, по мнению некоторых учёных, априори устареть не может. ДНК – наследственное вещество, с которым передается из поколения в поколение информация о всех свойствах организма. Молекула ДНК состоит из двух соответствующих друг другу цепей, построенных из отдельных фрагментов-нуклеотидов - и закрученных в спираль вокруг общей оси. Цепи удерживаются водородными связями, которые образуются между строго определенными парами нуклеотидов: аденин (А) – тимин (Т), цитозин (Ц) – гуанин (Г) [1, c. 116]. Именно на базе нуклеотидов происходит запись данных в большинстве технологий.

Помимо неизменной актуальности дезоксирибонуклеиновая кислота обладает рядом ценных преимуществ, позволяющих ей в скором будущем составить конкуренцию другим носителям. Главное и основное – это возможный объём хранения информации. По оценкам исследовательской группы из Вашингтона и фирмы Microsoft, выступивших в 2016 году на двадцать первой Международной конференции по архитектурной поддержки языков программирования и операционных систем в Атланте, максимально возможная плотность информации на один кубический миллиметр – 1 эксабайт, что равно 10¹⁸ байт. Из этого вытекает и такое достоинство как компактность.

Не менее выгодным представляется и долговечность хранения информации. По словам всё той же американской группы учёных целостность данных в ДНК может сохраняться до 500 лет. Для сравнения, ориентировочный срок службы флеш-накопителя составляет 9-10 лет. При условии, что IT-специалисты рекомендуют менять его каждые пять лет во избежание потери данных.

Также разработки в этой области напрямую и косвенно влияют на другие  сферы, такие как медицина, геологии, микробиологии, метеорология и многие другие.

Однако существуют факторы, сдерживающие развитие ДНК как носителя. К ним относят в первую очередь дороговизну исследований и разработок. Медленная скорость записи и чтения информации также может стать явной преградой для использования этой технологии простыми пользователями, оставив главными потребителями государственные и военные службы [2]. Сродни дата-центрам молекула ДНК нуждается в низких температурах, так как в противном случае склонна мутировать, вследствие чего в данные могут закрадываться ошибки. В особенности это касается живых клеток, способных к делению.

Несмотря на все вышеописанные затруднения преимущества ДНК настолько серьёзно заинтересовали учёных, что первые эксперименты над передачей информацией с помощью этих молекул начались ещё в 90-х годах ХХ века, всего спустя 50 лет после их открытия.

Так в июне 1999 года вышла статья американских учёных, разработавших технику отправки секретных сообщений с помощью ДНК. Синтезированная молекула, содержащая последовательность нуклеотидов, сформированных с помощью четверичного кода, была передана в другую лабораторию и успешно дешифрована.

А в мае 2010 Крейг Вентер – первый составитель карты генома человека – взял очищенную от генома бактериальную клетку и поместил в неё сформированную последовательность оснований. Далее в неё были записаны имена учёных и цитаты из классической литературы при помощи четверичного кода.

В 2012 году группа учёных во главе с молекулярным биологом Джорджем Черчем закодировала, на основе двоичного кода, книгу объёмом в 52000 слов, несколько изображений и одну программу на Java. Всё это составило 652 Кб. Плотность информации была равна около 1018 байт на 1 грамм молекул.

И это лишь одни из многочисленных исследований.

За всю историю было выявлено два подхода к записи ДНК: синтез совершенно новой молекулы и кодирование данных в уже существующей ДНК некоторого организма, в том числе бактерии.

Хранение информации внутри штамма Novablue бактерий кишечной палочки было предложено ирландскими специалистами из Технологического института Уотерфорда. Выбор этого именно штамма  обосновывается статичным положением, что обеспечивает лучшую сохранность данных. А использование бактерии позволяет сохранить на 1 грамме ДНК 1 зеттабайт данных. Но, как и вышеуказанные методики, этот способ так же очень дорог [3].

Однако в том же 2018 году американский стартап Catalog бросает вызов этой проблеме внедрения технологии. Компания планирует сгенерировать большое количество нескольких видов молекул длиной до 30 пар оснований, вместо использования уникальных элементов. Это позволит рекомбинировать заготовленные молекулы, экономя на создании новых. Например, закодировать каждый вид молекулы под определённую букву, «печатая» текст. Такой подход существенно снизит расходы и, по оценкам самих стартаперов, ввести на рынок технологию уже в 2019 году.

Таким образом, открытая менее 100 лет назад молекула ДНК уже стала не просто досконально изученной в рамках живых организмов, но и настоящим инструментом передачи, хранения и обработки информации в руках человека.

Список литературы:

1. Популярная медицинская энциклопедия : энциклопедическое издание / ред. В.И. Покровский, Л.О. Бадалян.- 4-е изд., - Ул.: «Книгочей», 1997 – 688 с.
2. Экологический дайджест : новостной портал / FacePla.net. URL:  https://www.facepla.net/the-news/nature-news-mnu/3177-dna-memory.html (дата обращения: 15.11.2019)
3. Ежедневная научно-популярная хроника : новостной портал / ООО «i10.ru». [СПб]. URL: https://hi-news.ru/technology/uchyonye-pridumali-novyj-sposob-xraneniya-dannyx-vnutri-dnk.html (дата обращения: 07.11.2019)