dna存储硕士毕业论文

开一个脑洞：如果地球正在面临一场马上到来的毁灭性星际灾害，人类又想尽可能地保存地球的生命和文明，在现有条件下，该怎么办？ 像大刘一样让地球停止自转然后逃离太阳系，这恐怕来不及了。而如果像诺亚方舟一样，一股脑把人类、动植物和人类的知识搬运到飞船上，现有的火箭运载能力，恐怕也装不下这些物质的亿万分之一。 如果想尽可能多、尽可能长久地保存地球的生物，我们只需要把所有物种的DNA序列信息收集打包，在飞船的低温环境下便可以保存长达数十万年；而人类文明的信息呢？我们知道这些信息最高效的形式就是数据，而这些数据主要存储在硬盘和光盘当中的。 想想这些硬盘储存器的重量和数据密度，我们不得不再一次气馁。更何况，可能飞船还没逃出太阳系，这些数据就会因为硬盘或光盘的寿终正寝而丢失。 那么DNA能不能当做硬盘来存储数据信息呢？答案是，可以的。 DNA绝对是这个星球上最古老的生命信息存储工具，同样也可以作为数据信息的存储介质，且存储密度和使用寿命要远远超出现有的磁盘式的存储方案。因此，DNA存储，正在被人类视为数据存储的未来，成为拯救人类数据存储危机的最好的替代方案。 DNA存储具体是怎么做到的呢？现在发展到那一阶段？商用的话还有哪些阻碍？这需要我们一一解答。在了解DNA存储是如何工作的之前，我们简单了解下磁存储和光存储这两种现有的解决方案的原理。 磁存储的原理就是在金属材料上涂上磁性介质，在通电的情况下形成电磁效应，可以进行存储和表达0101的二进制信息。磁存储的硬盘的优点是录入和读取的速度快，缺点是与体积重量相比，数据密度较低。经过60年发展，大概可以在英寸大小的硬盘驱动上存储3TB数据。 光存储的原理是将数字编码的视频和音频储刻录在光盘表面的凹槽中，再通过激光将这些凹槽中的数据读取出来，进行转存或播放。当前，光存储也正在经历存储的极限。因为想要存下更多的数据，凹槽就必须越小、越紧凑，要求激光的精度也越高。目前，单层蓝光光盘能够保存 25GB 以上的信息，另一种紫外线激光如果研制成功，其光盘容量可以达到500GB的容量。 相对于磁存储和光存储而言，DNA存储有哪些优势？ 首先，就是节约空间。但这些单层平铺式的存储方式，比起DNA的双螺旋立体结构来说，其存储量就有了多个数量级的差距。DAN本身的物理体积极小且又是立体结构，单位空间的数据密度非常高。举个简单的例子，1克DNA不到指尖上一滴露珠大小，却能够储存700TB的数据，相当于万张50GB容量的蓝光光盘，或233个3TB的硬盘（差不多151KG重）。 再则，非常节能。现有存储方式，比如说一个数据中心，要消耗大量的单晶硅，还要消耗大量的电。而DNA物质只需保存在阴凉、干燥的地方就可以，基本不需要额外的人工维护。就算需要把DNA冷冻起来，消耗的资源和能源也几乎可以忽略不计。 此外，最重要的一点就是，保存时间非常久。现在高密度的存储器都会随着时间推移而衰减，能存储时间最长的工具是磁带，其寿命也就50年，其他的存储器寿命更短。比较而言，DNA则保质期就以百年计算了，如果将其冷冻起来，能保存几千甚至上万年。 看来人类文明的拯救方案有了，但DNA存储到底是如何做到的呢？ 众所周知，DNA由四种含氮碱基——A、T、C和G互补配对构成，科学家将腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）分别赋予二进制值（A和C=0 ，G和T=1），随后通过微流体芯片对基因序列进行合成，从而使该序列的位置与相关数据集相匹配。这样就把这些碱基对编码成1和0的组合，就可以用DNA的序列信息来表达二进制的语言了。 当每次将二进制语言写进DNA序列当中，就可以把“DNA硬盘”放到低温环境中进行保存。而需要读取数据的时候，只用对目标DNA进行测序，将碱基对还原成二进制编码，再完成解码，就可以还原为我们常见的数据了。 原理是非常简单，但科学家是如何做到的呢？这就要简单回顾下DNA存储技术的发展史了。最先想到这一方法的是一位艺术家Joe Davis，他在1988年与哈佛研究人员合作，把一个取名为Microvenus（小维纳斯）的7*5像素矩阵的照片，转化成35个碱基的DNA序列，插入到大肠杆菌里，第一次把不属于自然演化的信息写进了在DNA当中。 （Microvenus代表女性和地球） 2010年，美国合成生物学家克雷格•文特尔（(Craig Venter）带领研究团队化学合成了整个支原体基因组DNA，取名为“辛西娅（Synthia）”，并以“自娱自乐”的方式将课题研究者的名字、研究所网址和爱尔兰诗人詹姆斯的诗句等信息编码进新合成的DNA中。 2011年，哈佛大学的合成生物学家乔治·丘奇（George Church）和加州大学的瑟里·库苏里(Sriram Kosuri)领导的团队以及约翰•霍普金斯大学的基因组专家高原（Yuan Gao）首次进行了概念证明性实验。团队使用短DNA片段编码了一本丘奇的659KB数据的书。 2013年，欧洲生物信息研究所（EBI）的尼克•高德曼（Nick Goldman）和他的研究团队也成功地将包括莎士比亚十四行诗和马丁•路德•金“我有一个梦想”的演讲片段、一篇沃森和克里克DNA双螺旋论文副本等5个文件编写进了DNA片段里当中。739KB数据成为当时最大的DNA存储文件。 2016年，微软和华盛顿大学又利用DNA存储技术完成了约200MB数据的存储，成为DNA信息存储技术的一个飞跃。 2017年7月，《自然》杂志发表了哈佛大学医学院的赛斯•希普曼(Seth Shipman)和乔治·丘奇合作的一项活体DNA存储的研究。他们把一部130年前的黑白电影《奔跑中的马》存在了大肠杆菌的DNA上。虽然大肠杆菌体内有一段“奇怪的DNA”，不仅能够正常生存，还可以正常遗传，每次繁衍都是一次数据复制。而且存储在基因组中的电影，在每一代大肠杆菌中也都完整无缺地保存下来了。 但因为细胞的复制、分裂以及死亡，会造成信息出错的风险，未来数据安全，大多数情况下存储信息的DNA都是以DNA干粉的形式存在，活体细胞存储的研究转向合成DNA存储。 同一年，哥伦比亚大学和纽约基因组中心在《科学》杂志发表了一项称为“DNA喷泉”算法高效的DNA存储策略。这项技术展示了最大化利用DNA的存储潜力，成功将海量信息压缩至DNA的四个碱基，即为每个DNA编码比特（bits）的数据，比之前多存储了60%的信息，逼近理论极限（比特）。该方法能够将215PB数据存储在一克DNA中，相当于亿部电影。 2018年，爱尔兰沃特福德理工学院（WIT）研究人员开发出一种新型DNA存储方法，可在1克大肠杆菌DNA中存储1ZB的数据。 2019年，丘奇团队又在《科学》期刊上发表了一项实验结果。他们将丘奇的一本大约万个单词《再生：合成生物学将如何改变未来的自然和自己》的书，以及11张图片和一段Java程序，编码进不到亿万分之一克的DNA微芯片，再成功利用 DNA 测序来阅读这本书。 这些科研的快速发展也意味着DNA合成技术（数据写入）和DNA测序技术（数据读取）正走向成熟。但同时，DNA编码过程仍然存在着存储/读取速度和成本等问题，DNA存储离商业化还在路上。在实验室里，看起来DNA存储并不复杂，但是在商业化上面，仍然还面临着一些问题。 首先，存储和读取的速度都很慢。DNA存储设备的访问速度很慢，存取也很费时间。相比较磁盘存储的电磁信号，DNA合成却要依赖于一系列化学反应。用磁盘写入200MB数据，不用1秒，用DNA合成差不多得需要3周的时间。 其次，DNA介质不能覆盖和重写。在DNA里，一旦把信息存进去，一般来说不能修改。想读取这个文档，需要把全部信息完全测序出来再转码。 第三，数据存储的准确性有待提高。目前DNA测序时的重复读取导致读错概率较大。 第四，随机读写困难。目前DNA合成技术无法一次性产生较长的DNA分子，只能合成众多的短片段。这使得在众多DNA小片段组成的混合物当中，快速调取特定数据存在困难。 最后，也是最重要的，DNA存储成本太高了。比如目前DNA存储200MB数据，需要耗资80万美元，而用电子设备，成本连1美元都不到。 但正如上面所说，如果放到更长的时间尺度上和数据存储空间压力下，DNA具有的大存储密度、高节能环保、超长稳定性的独特优势就显现出来了。只要随着存储和读取技术的发展，DNA编码和测序的效率提升，成本大幅下降，DNA存储离商业化应用也就不远了。 那么，现在在商业化上有哪些进展呢？ 在2015年，微软公司和华盛顿大学合作发表了一个成果，采用定点读取信息，也就是给一个长长的DNA链里加入一些追踪标记。这些类似索引机制的标记，可以不用每次等测序完整DNA长链，就能选取合适的标记进行读取。 2018年，读取技术又实现突破，微软研发了“纳米孔”读取技术，让 DNA 介质列能挤过一个很小的纳米孔而读取其中每个 DNA 碱基。这一技术让大大缩小了读取设备的空间开支，一个手掌大小的 USB 设备就能进行读取，但读取速度在每秒几KB左右，可以说仍然相当慢。 2019年3月，微软团队在《自然》杂志发表一项新的进展，他们开发了世界上第一个自动DNA存储介质。相比较于手动操作进行DNA的合成和测序，能够自动化方式进行DNA编解码才是未来商业化的出路。 另外，关于DNA存储和读取时长以及成本的问题，一家2016年成立的美国初创公司Catalog也正试图尝试解决。 去年，Catalog将一共16G的维基百科英文版文本存储在了一个DNA分子上。他们使用了一台DNA书写器设备，以4Mbps的速度在DNA中记录这些数据。这意味着在一天内可以记录125GB，大约相当于高端手机可以存储的容量。这一速度已经是之前研究所存储速度的三倍。 目前，Catalog使用了由20到30个碱基对长预制合成DNA链，通过酶嵌套在一起，可以存储更多的数据。这些片段的排列就像英语使用26个字母一样，理论上可以创造出无数的组合。据Catalog估计，未来进行1MB数据DNA存储成本将不到美分。 当然，如果未来这家创业公司真的能够将成本大幅降下来，那么确实有可能为DNA数据存储的商业化铺平道路。 在2019年，《科学美国人》与世界经济论坛联合发布的当年全球十大新兴技术中， DNA数据储存技术名列其中。 可以预见，磁存储和光存储方式在未来一段时间仍将占据数据存储方式的主流。不过，即使我们不会出现地球末日这种极端情况，因为近几年数据激增，人类也正面临数据存储空间不足的严峻问题。同时，数据存储需求激增，带来的是硅晶片使用量的激增，以及由此引发的环境污染问题、水资源和能源消耗等问题。 DNA存储技术的实现，一定程度将缓解传统存储的容量问题，并大幅减少电子元件和能源的消耗。

生物学专业硕士毕业论文

生物科学是对生命活动规律和生命本质进行研究的一门学科，是认识自然的有利工具。那么关于生物学专业硕士毕业论文要求怎么写的呢？我们不妨来参考下范文吧!以下是我为您搜集整理提供到的生物学专业硕士毕业论文内容，希望对您有所帮助！欢迎阅读参考学习！

摘要：随着我国对科学技术的探究和发展，生物科学与技术研究成为21世纪以来人类关注的重点话题，其发展与人们的生活息息相关，改变着人们的生产活动和生活面貌。随着生物科学技术的不断成熟，生物科学逐渐运用于现代医疗领域、农学领域和工业领域，它对基因遗传和生物化学的研究也具有重大意义。因此，重视生物科学的发展与应用，是关乎生活的重要话题。本文从生物科学的应用、研究成果进展和生物科学技术对社会的影响三方面对生物科学的发展与应用进行阐述。

关键词：生物科学;科学技术;发展;应用;研究进展

生物科学是对生命活动规律和生命本质进行研究的一门学科，是认识自然的有利工具。20世纪50年代以来， DNA双螺旋结构的构建和基因重组等技术的重大突破发展，使得现代的生物技术逐渐趋于成熟。生物科学的发展对医学领域和农业领域的发展有重大的推动作用。重视生物科学的发展对人类的生产生活带来了巨大的影响。

一、生物科学的研究成果及发展

(一) 基因组计划的实施

破译基因的遗传码，解开生命的奥秘是基因破译的主要目的。目前，科学研究人员对遗传图、物理图和转录图的制作工作已由相关的制作单位完成，这在理论上具有重大的进步意义的同时也具有重要的实践意义和很高的商业价值。2013年的1月中国科学家成功破译了小菜蛾基因组，历时三年的研究，终于得出了小菜蛾的基因组图谱，科学家指出，将进一步与国内外人员合作交流，在小菜蛾基因组的研发完成后，将继续开展研究与抗药性和食性生长发育密切相关的功能基因组学和遗传学，为小菜蛾的有效防御、持续控制提供科学依据。

(二)细胞全能技术的实施与应用

随着人类基因组图谱的进一步发展，更多的生物模式经重要的动植物基因组将不断被揭露。细胞全能技术是一项快速纯合创造新品种的先进技术。21世纪后，生物的起源、原始细胞的产生和新生物的形式与改造等重大理论问题在我国已经得到重大的发展。人类对生物生命本质的认识将会进一步的提高，这对生物细胞全能技术的理论性和实践性的发展都将会产生重大的'影响，对新品种作物的选育具有指导性因素。

(三)生物识别技术

生物识别技术是指依据人类自身所固有的生理或行为特征而进行识别的一种技术。目前，应用最为广泛的包括有：指纹识别、手掌几何学识别、声音识别、面部识别等。生物识别具有不易遗忘、防伪性能高、不易被盗、便于携带等特点，容易和电脑配套使用，从而增强在使用过程中的自动化管理，已广泛用于胜负、军队、银行等地。但生物识别技术中由于其中一部分技术含量较高，现在还处于试验阶段。

二、生物科学的应用

(一) 农业领域的生物科学技术

20世纪以来，在生物科学领域，分子生物学的诞生及现代生物技术的兴起已然成为人类社会进步最伟大的事件之一。20世纪末21世纪初，对基因组学的突破性研究推动了生物技术进入迅猛发展的阶段。动植物和微生物技术在农业领域的发展已对农业起到了极大的推动作用。不仅如此，转基因技术的推广应用使得农业得到了相应的发展。同时，抗病虫、除草剂的使用推进了转基因棉花、玉米、花生、大豆等的商业化发展。现代分子生物学与传统的动植物育种学催生了新型的分子育种学。

(二) 生物科学在医学上的应用

药品领域的开发对生物科学的运用已达到相对成熟的阶段。改革开放后，生物技术制药受到了相对高度的重视，为生物高新技术的发展投入了大量的人力财力，因此，我国生物技术制药得到了快速的发展，已达到国际水平。2013年7月，深圳华大基因研究院亚洲癌症研究组织合作完成干细胞癌基因研究项目，这是继乙肝病毒整合机制研究之后的又一项重要生物科学研究成果。通过对88例癌患者进行全基因组测序，发现了一些列与肝细胞癌发生发展相关的基因突变，找到了肝细胞癌发生的两条关键性途径，从而为日后肝细胞癌治疗法的药物开发奠定了基础。

三、生物科学对社会带来的影响

20世纪70年代以来，随着生物科学的发展，生物科学基础的研究取得了不断突破。我国的生物科学技术成果在世界范围内得到了公众认可。在工业化和商业化飞速发展的今天，生物技术具有了良好的发展环境。通过对社会各个领域的发展经验总结得出，生物科学技术的发展仍然面临着众多挑战。我国的科研管理部门应对高校或科研组的科研项目加大人力财力的扶持，鼓励更多的青年科学家、技术专家投身于生物科学的研究中，并为他们提供多学科的培训，使得多学科科学的发展能具有高度的综合性，从而推进多领域的融合，促进现代社会生物科学技术的革新与健康发展。

四、结束语

生物科学技术的研究是科学应用研究的源泉，随着科学技术的进步和多种学科的融合发展，生物科学逐渐从单一化发展为多层次、多方面的科学技术，由宏观逐步发展到微观的可操作性。生物科学的发展对人们的生产生活产生了重要影响，赢得了人们越来越多的关注。我国的生物技术在发展中不断突破，研究成果已遍布全世界，相信如此下去，将会赢得生物科学的巨大成果。加大生物科学技术的研究进程，促进现代生物科学技术的良性有利发展，以实现我国科学技术又快又好的发展。

参考文献：

[1] 周宜君，张淑萍，杨林等.民族高校生物科学类综合性、研究型野外实习的探索与实践――以中央民族大学实验基地为个案[J].民族教育研究，2009，20(5)：18-22.

[2] 郝建华，卢祥云，韩曜平等.应用型本科生物科学专业人才培养方案的构建――以常熟理工学院生物科学(师范)专业为例[J].新课程研究(高等教育)，2011，(3)：14-16.

[3] 赵格日乐图，苏亚拉图，哈斯巴根等.生物科学专业野外综合实习教学改革与实践――以内蒙古师范大学生物科学专业为例[J].内蒙古师范大学学报(教育科学版)，2011，24(5)：148-151..

[4] 李朝晖，周峰，华春等.高校生物科学专业人才培养方案的改革与实践――以南京晓庄学院生物科学专业为例[J].南京晓庄学院学报，2013，25(5)：66-68..

[5] 叶辉，丁斐，王兆慧等.特色专业与重点学科一体化建设实践与探索――以南通大学生物科学特色专业与生物学重点学科建设为例[J].安徽农业科学，2012，40(23)：11885-11887