Contributing Writers Antoine Boutros The Natural Ways of Storing Information
Antoine Boutros - Writing the genetic code with a three-character system gives the opportunity to register a large amount of instructions in a small amount of space. The number of possible sequences in the DNA molecule depends on the length of the sequence multiplied by four (since 4 is the number of the genetic alphabet) , which means that the amount of diversity that a code can provide is very large.
In the DNA cell, every one million “characters” represent a longitudinal distance that does not exceed 3.4×105 nanometers or 0.034 centimeters and occupy a total volume that does not exceed 106 cubic nanometers or 10-15 cubic centimeters. Therefore, we can conclude that a human cell with a diameter equal to 20 microns contains 3×109 nucleotides capable of storing all the genetic information in a cube each side of which does not exceed 1.5 microns or 1.5× 10-4 cm. Therefore, if this kind of genetic information was printable, it would need one million pages.
Thus, if the human being is proud of modern technology’s ability to invent chips capable of storing large amounts of information, this achievement is in fact very small when compared with the miraculous storage available inside a cell. The core memory used in the early days of computers was capable of storing 4,096 bits in an area not exceeding 6,400 mm2 , whereas the Dynamic RAM chip allows the storage of 1,048,576 bits in an area not exceeding 50 mm2, forming a spatial storage density capacity of 21,000 in each mm2 (1,048,576 divided by 50).
On the contrary the DNA molecule consists of a double spiral and this is where the comparison between the storage capacity of a DNA molecule and the man-made storage devices indicate enormous differences. In fact, the DNA storage density is estimated to be around 45×1012 more than the storage capacity of the dynamic millennium chip. How can we explain this huge difference?
The answer lies in three factors:
First: the DNA molecule technologically uses a cubic volumetric technology i.e. a three-dimensional one; whereas the synthetic chips use a spatial storage technology, i.e. a two-dimensional one. Although the chip consists of many layers, the storage elements are always two-dimensional.
Second: theoretically, one molecule is enough to represent one unit of information. This economical technology is exactly what goes into the design of a DNA molecule. Despite all the scientific efforts, miniaturization is still far from achieving this objective.
Third: one major disadvantages of the chip is that it is designed to only work in the 2 mode switch that is the binary language: zero and one. On the other hand, the DNA molecule incorporates four chemical symbols, which allow a quadruple code that can be translated by two bits in each situation.
The stored accumulated human knowledge is currently estimated in the world’s libraries at 1018 bits (i.e. number 10 to the power 18). If we want to store this considerable amount of information in natural storage containers i.e. in the DNA molecule, 1% of the size of a pinhead is enough. However, if we want to use chips, we would need a long chain of chips extending from the earth to the moon.
Life surrounds us in many diverse ways. Despite their simplicity, even single-celled organisms are more complicated and targeted in their design than any other human invention. Although mater between living and energy are two essential qualities for existence, they do not play any role in distinguishing between living and solid systems. Among the most prominent characteristics of living organisms is the information that they contain related to the necessary operations to achieve their functions or to multiply and continue. According to V. Braitenbreg, a German cybernetics scientist, “the information transfer plays a key role in everything alive. When insects move pollen from one flower to another, this process is in fact a process of transferring genetic information carried by the dust as a tool of fertilization. Whereas the material, i.e. the tool and the mean used in the transfer process, is of no real importance.”
أنطوان بطرس - تتيح كتابة الشيفرة الوراثية بنظام ثلاثي من الحروف المجال لتدوين مقدار كبير من التعليمات في مقدار صغير من المساحة. ولما كان عدد التسلسلات المختلفة الممكنة في جزيء “الدنا» (DNA) يعتمد على طول السلسلة مضروبا بالرقم 4، (الذي يشكل كل سطر من أبجدية اللغة الكيميائية الوراثية (نوكليوتايد Nucleotide )، فمعنى ذلك أن مقدار التنوع الذي يمكن أن توفره الشيفرة كبير جداً.
في خلية الدنا فإن كل مليون “حرف” يشكل مسافة طولية لا تتعدى 3.4×105 نانو متر أو 0.034 سمنتمتر ويحتل حجما إجماليا لا يتعدى 106 نانو متر مكعب أو 10-15 سنتمتر مكعب. بمعنى أن خلية بشرية قطرها 20 مايكرون تتضمن 3×109 من النوكليوتايدات التي تستطيع أن تخزن كل المعلومات الوراثية في مكعب لا يزيد كل جانب فيه عن 1.5 مايكرون او 1.5 ×10-4 سنتمتر. وبالمقارنة فان هذه المعلومات الوراثية، لو كانت أحرفا طباعية لاحتاجت الى مليون صفحة من كتاب مطبوع.
وإذا كان الانسان يفخر بأنه ابتدع بواسطة التكنولوجيا الحديثة الشريحة القادرة على خزن كميات هائلة من المعلومات، فان هذا الانجاز ليس في الحقيقة شيئا يذكر بالنسبة لما هو متوافر داخل الخلية من إعجاز تخزيني.
فما هو وجه المقارنة بين أدوات الخزن الطبيعية كجزيء الدنا وأدوات الخزن الاصطناعية التي هي من صنع الانسان كشريحة السيليكون. للاجابة على ذلك لا بد من استعراض 3 تكنولوجيات خزن مختلفة: الذاكرة الحلقية والشريحة وجزيء الدنا.
الذاكرة الحلقية: كانت الذاكرات الحلقية المستخدمة في بداية عهد الكمبيوترات - ويطلق عليها حلقية لتشكلها من حلقات نحاسية - قادرة على خزن 4,096 بت في مساحة لا تتعدى 6,400 ملمتر2. وهذا يعادل كثافة تخزين مساحية توازي 0.64 بت لكل ملمتر2 . فاذا كانت لدينا حلقة قطرها 1.24 ملمتر ذات حجم تخزين يبلغ 7,936 للملمتر3 ( حاصل ضرب 6,400 × 1.24) فان الكثافة التخزينية تصبح 0.52بت لكل ملمتر3.
الشريحة: وتصنع من مواد نصف ناقلة كالسيليكون. ان ذاكرة رام الدينامية المليونية تسمح بخزن 1,048,576 بت في مساحة لا تزيد عن 50 ملمتر2، مشكلة سعة كثافة خزن مساحية بمعدل 21,000 في كل ملمتر2 (قسمة 1,048,576 على 50). فاذا جعلنا سماكة الشريحة نصف ملمتر نصل إلى كثافة خزن حجمية بحدود 42,000بت في الملمتر3 (قسمة 1,048,576 على 50 ×0.5) . ومعنى ذلك أن الشريحة تتخطى الذاكرات الحلقية القديمة بمعدل 32,800 مرة كثافة الخزن المساحية وبمعدل 81,000 مرة كثافة الخزن الحجمية.
جزيء الدنا: جميع الكائنات الخلوية وكثير من الفيروسات تستخدم جزيء الدنا بطريقة متماثلة. أي أن الدنا فيها يتشكل من لولب حلزوني مجدول ومزدوج. أما بقية الفيروسات فتستعمل الأحماض الأمينية النووية الأحادية الجدائل (الرناRNA). والارقام التي نستخلصها من مقارنة طاقة جزيء الدنا على التخزين مع أدوات الخزن التي هي من صنع الانسان، تشير إلى فوارق ذات أرقام فلكية. إذ ان كثافة الخزن في الدنا تقدر بحدود 45× 12 10 ضعف طاقة الشريحة الألفية الدينامية على الخزن. فكيف يمكن تفسير هذا الفارق البالغ 4,554 تريليون بين أرفع تكنولوجيا حققها الإنسان والأنظمة الطبيعية.
الجواب يكمن في 3 عوامل:
أولاً: أن جزيء الدنا يستخدم تكنولوجيا خزن حجمية مكعبة أي ذات ثلاثة أبعاد. في حين أن الشرائح المصنعة تستخدم تكنولوجيا خزن مساحية، أي ذات بعدين. ورغم أن الشريحة تتألف من عدة طبقات فان عناصر الخزن فيها هي دائما ذات بعدين.
ثانياً: من الوجهة النظرية فان جزيئا واحدا كاف لتمثيل وحدة من المعلومات. وهذه التكنولوجيا الاقتصادية هي بالضبط ما يدخل في تصميم جزيء الدنا. وبالرغم من جميع الجهود العلمية فان تكنولوجيا التصغير لا تزال مقصرة عن تحقيق هذا الهدف.
ثالثاً: من سيئات الشرائح انها غير مؤهلة للتعامل إلا مع حالتين من عمل البدالة. الأمر الذي يفرض استعمال اللغة الرقمية الثنائية أي صفر وواحد دون غيرها. في حين ان جزيء الدنا يتضمن أربع رموز كيميائية الأمر الذي يسمح بشيفرة رباعية حيث يمكن فيها لكل حالة أن تترجم ببتين (2 bits).
وتقدر المعرفة البشرية المتراكمة المخزونة حاليا في مكتبات العالم ب 18 10 بت (أي الرقم 10 بجانبه 18 صفر) حسب بعض التقديرات وربما كان اقل بكثير من الواقع. فإذا شئنا أن نخزن هذا القدر الهائل من المعلومات في أوعية الخزن الطبيعية، أي في جزيء الدنا، فان ما يوازي 1 % من حجم رأس دبوس كاف لحفظها. أما إذا شئنا الاستعانة بالشرائح فان ما يلزمنا هو كدسة من الشرائح تمتد بين الأرض والقمر.
وتحيط بنا الحياة بأشكال متعددة متنوعة. حتى الكائنات الأحادية الخلايا هي، رغم كل بساطتها أكثر تعقيدا واستهدافا في تصميمها من أي اختراع بشري. ورغم أن المادة والطاقة هما صفتان اساسيتان للوجود، فهما لا تلعبان أي دور في التمييز بين الأنظمة الحية والجامدة. ومن أبرز ميزات الكائنات الحية هو ما تحتوية من معلومات تتعلق بما تقوم به من عمليات لازمة لإتمام وظائفها أو لتكاثرها وبالتالي استمرارها. وبحسب ف بريتنبرغ (V. Braitenbreg)، أحد علماء السيبرنيات الألمان، فان “المعلومات جزء جوهري من طبيعة الحياة الأساسية”، وان نقل المعلومات يلعب دوراً رئيسياً في كل ما هو حي. فحينما تنقل الحشرات غبار الطلع من زهرة الى أخرى فان ما تقوم به بالواقع هو عملية نقل للمعلومات الوراثية التي يحملها الغبار بصفته أداة إخصاب. أما المادة، أي الأداة والوسيلة التي تنطوي عليها عملية النقل هذه، فلا أهمية حقيقية لها.
| < Prev | Next > |
|---|
Follow Us!
Antoine Boutros Recent Articles
-
The Code of Life Antoine Boutos - Despite the milestones achieved in deciphering the cell and specifying the secret of life and how genetic instructions move from one cell to the next, the mystery of how the genetic...
-
DNA: the keeper of the secret of life Antoine Boutros - In our present series on the DNA we have demonstrated how this unique substance is the factor that passes genetic instructions from one cell to another. We must now deal with another...
-
DNA = Heredity Antoine Boutros - Wondering about the availability of evidence that the DNA is the hereditary factor that transfers genetic instructions from one cell to another, was the closing statement of last month’s...
-
Where Could the Secret of Life Be Found? Antoine Boutros - Experiments aiming at identifying the structure of DNA caught the attention of a young American scientist, by the name of James Watson, who had just graduated from Indiana University...
-
How does information pass from one cell to another? Antoine Boutros - In 1969, the Swiss Biochemist Friedrich Miescher succeeded in isolating an enigmatic chemical substance in the nucleus of the cell. Heedless of that substance’s significance, Miescher...
-
The discovery of the Gene Antoine Boutros - Mendel’s experiments had significant scientific and economic implications. As a result of his knowledge of the laws of genetics and rules of hybridization, scientists were able to...
-
Chromosomes, the key to genetics Antoine Boutros - Genetics is the process by which features are transmitted from the parent to the offspring. However, it is an uncertain process; we cannot determine its direction in advance. The child...
-
What a Miracle? What if we could watch a video of the cell while it divides itself and reproduces? What we shall see is undoubtedly one of the most exciting spectacles Antoine Boutros - We shall see something like an urgent delivery taking place. As if an urgent message arrives and suddenly all activities in the cell stop as if a plant closed down and its workers...
-
Bold experiments in the DNA revival Antoine Boutros - The success of the process of reviving extinct plant or animal species depends on the success of scientists in extracting a specific molecule from the amino acids present in the nucleus...
-
Reviving the life saving code Antoine Boutros - Ninety-five million years ago, two flies were flying above the surface of a wide lake that later became the American State of New Jersey. They landed on the trunk of a tree most probably...
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
