DNA 与 RNA 研究探索：从双螺旋到生命密码的全面解析

一、引言：DNA 研究的历史进程

1.1 早期发现与认知历程

人类对遗传物质的探索可以追溯到19 世纪中期。1865 年，奥地利科学家格雷戈尔・孟德尔通过豌豆杂交实验发现了遗传规律，提出了 "遗传因子" 的概念，为现代遗传学奠定了基础。然而，当时的科学家并不知道这些遗传因子的物质基础是什么。

真正的突破发生在1869 年，瑞士生物学家弗里德里希・米歇尔在研究白细胞核时，分离出一种含有磷酸的酸性物质，他将其命名为"核素"（nuclein），这就是后来我们熟知的 DNA 的雏形。遗憾的是，在随后的几十年里，主流科学界普遍认为蛋白质才是遗传信息的载体，因为蛋白质结构更加复杂多样，而 DNA 被认为结构过于简单，无法承载复杂的遗传信息。

这种认知一直持续到20 世纪 40 年代。1944 年，美国科学家奥斯瓦尔德・埃弗里、科林・麦克劳德和麦克林恩・麦卡蒂通过肺炎球菌转化实验，首次证明了DNA 是遗传物质。他们的研究表明，从一种肺炎球菌中提取的 DNA 可以将其遗传特性转移给另一种肺炎球菌，这一发现彻底改变了人们对遗传物质的认识。

1.2 关键里程碑事件回顾

DNA 研究的历史充满了激动人心的发现时刻，每一个里程碑都推动着人类对生命本质的认识向前迈进一大步。

1950 年，奥地利生物化学家埃尔文・查加夫发现了著名的 "查加夫法则"：在DNA 中，腺嘌呤（A）的数量等于胸腺嘧啶（T）的数量，鸟嘌呤（G）的数量等于胞嘧啶（C）的数量。这一发现为后来 DNA 双螺旋结构的阐明提供了重要线索。

我们可以把DNA想象成一条神奇的“拉链”。

这条拉链不是金属做的，而是由四种不同的“齿”两两配对组成的。这四种“齿”就是：腺嘌呤（A），胸腺嘧啶（T），鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C）。

它们两两配对，非常专一：

A（腺嘌呤）只和 T（胸腺嘧啶）配对。

G（鸟嘌呤）只和 C（胞嘧啶） 配对。

就像一把锁只能配一把钥匙，一个凸起的齿必须配一个凹下的槽。A和T是一对，G和C是另一对。

它们组成了“遗传密码”：

这条长长的拉链上，A, T, C, G这四种“齿”的排列顺序是千变万化的。比如一段是 A-T-C-G，另一段是 G-C-A-T。

正是这种不同的排列顺序，就像摩尔斯电码一样，记录了我们身体所有的遗传信息，比如眼睛的颜色、头发的曲直等等。

因为这条“DNA拉链”的规则是 A必须配T，G必须配C，所以：

在这条完整的拉链上，有多少个A，就一定会有多少个T 来和它配对。

同样，有多少个G，就一定会有多少个C。

这就是查加夫法则的精髓：A的数量 = T的数量；G的数量 = C的数量。

当沃森和克里克试图构建DNA模型时，查加夫的发现给了他们一个决定性的提示：

它直接证明了DNA分子内部存在配对关系。

它强烈暗示了DNA的结构应该是对称的、双链的。

他们立刻意识到，DNA不可能是一条单链，而应该是两条链并排，通过A-T和G-C的配对规则紧紧地咬合在一起，就像一条拧起来的“螺旋拉链”。

所以，正是因为查加夫发现了“A=T, G=C” 这个简单的数量关系，沃森和克里克才最终成功地提出了正确的DNA双螺旋结构模型，并因此获得了诺贝尔奖。当然不只是查加夫有贡献，还有其他的研究，我们继续。

1951 年，英国科学家罗莎琳德・富兰克林和莫里斯・威尔金斯开始使用X 射线晶体学技术研究 DNA 结构。富兰克林拍摄的一张编号为 "照片 51" 的 X 射线衍射照片，成为揭示 DNA 结构的关键证据。这张照片清晰地显示了 DNA 的螺旋结构特征，也为沃森和克里克的模型构建提供了决定性的信息。

1953 年 2 月 28 日，这一天被永远载入科学史册。美国生物学家詹姆斯・沃森和英国物理学家弗朗西斯・克里克在剑桥大学卡文迪许实验室里，用金属片、铁棍和铁丝搭建了一个既像旋梯又像麻花的奇特模型 —— 这就是 DNA 分子结构的双螺旋模型。他们的模型完美地解释了 DNA 的结构特征：两条反向平行的多核苷酸链相互缠绕，形成右手双螺旋结构；碱基位于螺旋内侧，通过氢键形成A-T 和 G-C 的互补配对。

1953 年 4 月 25 日，沃森和克里克在英国《自然》杂志上发表了题为《脱氧核糖核酸的结构》的论文，仅用了一页纸的篇幅，却震撼了整个科学界。这篇论文被认为是 20 世纪最重要的科学发现之一，与宇宙大爆炸模型、全球地质构造板块模型、物质结构夸克模型并称为 20 世纪四大科学模型。

1.3 现代 DNA 研究的发展趋势

进入21 世纪以来，DNA 研究进入了前所未有的高速发展期。随着测序技术的飞速进步，人类基因组计划于 2003 年提前完成，测定了人类基因组中约 30 亿个碱基对的序列，绘制出了人类遗传信息的 "地图"。这一成就被誉为继曼哈顿原子弹工程和阿波罗登月工程之后的第三大科学工程。

更令人振奋的是，2022 年，端粒到端粒（T2T）联盟宣布填补了人类基因组序列的剩余空白，公布了第一个真正完整的人类基因组序列。这意味着人类对自身遗传信息的认识达到了前所未有的完整程度。

技术创新推动着DNA 研究不断突破边界。从第一代 Sanger 测序到第二代高通量测序，再到第三代单分子测序，测序技术的发展速度令人惊叹。如今，全基因组测序的成本已从 2001 年的 1 亿美元降至约 200 美元，使得个人基因组测序成为现实。

与此同时，DNA 研究的应用领域也在不断拓展。从基础的基因功能研究，到疾病的基因诊断和治疗，从个性化医疗到精准营养，从农业育种到生物制造，DNA 技术正在深刻改变着人类生活的方方面面。特别是 CRISPR 基因编辑技术的出现，更是开启了人类 "编辑" 生命的新纪元。

展望未来，DNA 研究将继续朝着更加精准、高效、智能化的方向发展。人工智能与 DNA 技术的结合，将为疾病预测、药物开发、生物制造等领域带来革命性的突破。我们有理由相信，随着对 DNA 认识的不断深入，人类将能够更好地理解生命的奥秘，创造更加美好的未来。

二、DNA 与 RNA 的基础功能机制

2.1 DNA 的结构与功能

DNA，即脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid），是几乎所有生物体的遗传信息载体。它的结构之精巧、功能之复杂，堪称自然界最伟大的设计之一。

DNA 分子呈现出独特的双螺旋结构，就像一个扭曲的梯子。这个 "梯子" 由两条反向平行的多核苷酸链组成，它们围绕同一中心轴相互缠绕，形成右手螺旋。每条链的骨架由交替排列的脱氧核糖和磷酸基团构成，而 "梯子" 的横档则由碱基对组成。

DNA 的碱基有四种：腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。这些碱基按照特定的规律配对：腺嘌呤总是与胸腺嘧啶配对（形成两个氢键），鸟嘌呤总是与胞嘧啶配对（形成三个氢键）。这种严格的碱基配对原则，不仅保证了 DNA 结构的稳定性，更重要的是为遗传信息的准确复制提供了基础。

DNA 最重要的功能是储存和传递遗传信息。每个DNA 分子就像一本巨大的 "生命天书"，其中的碱基序列编码了生物体生长、发育、繁殖和维持生命活动所需的全部遗传指令。人类基因组包含约 30 亿个碱基对，这些碱基对的不同排列组合决定了每个人独特的遗传特征。

DNA 的另一个关键功能是自我复制。当细胞分裂时，DNA 分子能够精确地复制自己，将遗传信息完整地传递给子代细胞。这种复制过程遵循半保留复制机制：DNA 双链首先解开，每条链作为模板合成一条新的互补链，最终形成两个完全相同的 DNA 分子，每个分子都包含一条来自亲代的旧链和一条新合成的链。

2.2 RNA 的类型与作用机制

RNA，即核糖核酸（Ribonucleic Acid），在细胞内扮演着多重角色。与 DNA 的双链结构不同，RNA 通常是单链分子，但其结构和功能的多样性远超 DNA。

根据结构和功能的不同，RNA 主要分为以下几类：

信使RNA（mRNA） 是遗传信息传递的 "信使"。它是在细胞核中以DNA 的一条链为模板转录形成的，携带着 DNA 上的遗传信息，从细胞核进入细胞质，在核糖体上指导蛋白质的合成。可以说，mRNA 是连接基因（DNA）和蛋白质之间的桥梁。

转运RNA（tRNA） 是蛋白质合成过程中的 "搬运工"。它的分子结构呈三叶草形，一端携带特定的氨基酸，另一端有一个反密码子，可以与mRNA 上的密码子互补配对。tRNA 的功能是识别 mRNA 上的遗传密码，并将相应的氨基酸转运到核糖体上，按照 mRNA 的指令合成蛋白质。

核糖体RNA（rRNA） 是核糖体的主要组成部分，占细胞总RNA 的 75%-85%。它不仅是核糖体的结构骨架，还具有催化功能，能够催化氨基酸之间形成肽键，是蛋白质合成的 "装配线"。

除了这三种主要的RNA 外，细胞中还存在许多其他类型的 RNA，它们在基因表达调控中发挥着重要作用：

小核RNA（snRNA） 参与真核生物mRNA 前体的加工过程，特别是在 RNA 剪接中起关键作用，能够识别并切除 mRNA 前体中的内含子，将外显子连接起来形成成熟的 mRNA。

微小RNA（miRNA） 是一类长度约22 个核苷酸的小分子 RNA，通过与 mRNA 结合来调控基因表达，能够抑制 mRNA 的翻译或促进其降解，在细胞分化、发育和疾病发生等过程中发挥重要调控作用。

长非编码RNA（lncRNA） 是长度超过200 个核苷酸的非编码 RNA 分子，虽然不编码蛋白质，但在基因转录调控、染色质修饰、转录后调控等多个层面发挥重要作用。

2.3 中心法则：遗传信息的传递路径

中心法则是分子生物学的核心概念，它描述了遗传信息在细胞内的传递规律。1958 年，DNA 双螺旋结构的发现者之一弗朗西斯・克里克提出了这一法则，阐明了遗传信息从 DNA 到 RNA 再到蛋白质的传递过程。

中心法则的基本路径包括三个过程：

DNA 复制是遗传信息传递的起点。在这个过程中，DNA 分子以自身为模板，合成出两个完全相同的 DNA 分子。这一过程保证了遗传信息在细胞分裂时能够准确地传递给子代细胞。

转录是将DNA 上的遗传信息转移到 RNA 上的过程。在转录过程中，RNA 聚合酶以 DNA 的一条链为模板，按照碱基互补配对原则合成 mRNA。这个过程就像将 DNA 这本 "生命天书" 中的信息转录到 mRNA 这个 "信使" 上。

翻译是将mRNA 上的遗传信息转化为蛋白质的过程。在细胞质的核糖体上，tRNA 根据 mRNA 上的密码子序列，将相应的氨基酸依次连接起来，形成具有特定氨基酸序列的蛋白质。

值得注意的是，中心法则并不是绝对的单向传递。在某些情况下，遗传信息可以从RNA 传递到 DNA（逆转录），某些病毒还可以进行 RNA 的自我复制。这些发现丰富了我们对遗传信息传递规律的认识。

中心法则的发现具有划时代的意义，它不仅解释了遗传信息如何在细胞内流动和表达，也为理解生命的本质提供了理论基础。基于这一法则，科学家们开发出了基因工程、基因治疗、精准医疗等一系列革命性技术，深刻改变了生物学研究和医学实践的面貌。

三、DNA 与 RNA 研究的前沿进展

3.1 基因编辑技术的突破与应用

基因编辑技术的发展已经从科幻概念变成了现实，其中最具革命性的就是CRISPR-Cas9 系统。这项技术就像一把 "分子剪刀"，能够精确地切割 DNA 分子，实现对基因的删除、插入或修改。

CRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）是细菌和古细菌在长期进化过程中形成的一种适应性免疫系统，用于识别和抵御外来病毒的入侵。2012 年，美国科学家詹妮弗・杜德纳和法国科学家埃马纽埃尔・沙尔庞捷首次在实验室中重建了这一系统，并证明可以将其改造为基因编辑工具。2020 年，两人因这一突破性发现获得诺贝尔化学奖。

CRISPR-Cas9 系统的工作原理相对简单但极其强大。它主要由两部分组成：一是Cas9 蛋白，它就像一把 "分子剪刀"，能够切割 DNA 双链；二是向导 RNA（gRNA），它就像一个 "导航系统"，能够引导 Cas9 蛋白到达特定的 DNA 序列进行切割。通过设计不同的 gRNA，科学家可以在基因组的任何位置进行精确切割。

CRISPR 技术的应用前景广阔。在医学领域，它已经被用于治疗多种遗传疾病。2023 年，美国 FDA 批准了首个基于 CRISPR 的基因疗法 Casgevy，用于治疗镰状细胞病和 β 地中海贫血症。这标志着 CRISPR 技术正式从实验室走向临床应用。

在农业领域，CRISPR 技术正在革新作物育种方式。通过编辑作物的抗病基因、营养基因等，科学家们已经培育出了抗病性更强、营养价值更高的作物品种。例如，中国科学家利用 CRISPR 技术成功培育出了抗白粉病的小麦新品种，为保障粮食安全做出了重要贡献。

除了CRISPR-Cas9，科学家们还开发出了多种新型基因编辑工具。 碱基编辑器（Base Editor） 能够在不切割 DNA 双链的情况下，实现单个碱基的替换，就像 "分子橡皮擦" 一样精确修改基因序列。2025 年，一项突破性研究发现，碱基编辑技术成功挽救了一名患有严重遗传疾病的婴儿，这是个性化基因编辑治疗的首次成功案例。

引导编辑器（Prime Editor） 则更进一步，它结合了 Cas9 蛋白和逆转录酶的功能，能够实现更复杂的基因编辑，包括小片段的插入、删除和替换。2025 年 5 月，引导编辑技术首次在人体试验中取得成功，用于治疗慢性肉芽肿病，这标志着基因编辑技术进入了一个新阶段。

3.2 合成生物学与人工基因组设计

合成生物学是一门将工程学原理应用于生物系统设计的交叉学科，它不仅要理解生命，更要创造生命。在DNA 和 RNA 研究的推动下，合成生物学正在创造出一个又一个奇迹。

人工基因组设计是合成生物学的核心领域之一。2010 年，美国科学家克雷格・文特尔领导的团队成功合成了第一个人工合成细胞，他们将人工合成的DNA 基因组植入一个去除了遗传物质的细菌细胞中，创造出了能够自我复制的 "人造生命"。这一成果震惊了世界，标志着人类从 "解读" 生命密码走向 "编写" 生命密码。

在酵母基因组合成方面，中国科学家做出了重要贡献。2017 年，由天津大学、清华大学和深圳华大基因研究院组成的研究团队，成功合成了 4 条人工酵母染色体，占酵母基因组的约 1/3。这是继美国科学家之后，中国在人工合成生命领域取得的重大突破。

细胞工厂是合成生物学的另一个重要应用方向。通过对微生物进行基因改造，科学家们创造出了能够生产特定化学品和蛋白质的"细胞工厂"。这些被基因编辑过的大肠杆菌、酵母菌等微生物，能够以葡萄糖等简单原料，生产出胰岛素、青蒿素、生物柴油等多种产品。

2024 年，合成生物学进入了 "工程化" 阶段。据统计，DNA 存储密度已达到 1EB/g（1EB 等于 10 亿 GB），微生物细胞工厂生产了全球 30% 的胰岛素。美国生物技术公司 Amgen 用细胞工厂生产抗癌药，成本比化学合成低 70%，产量提升 5 倍。

DNA 存储技术是合成生物学的一个新兴领域。由于 DNA 具有密度高、保存时间长、能耗低等优点，它正在成为存储数字信息的理想介质。2024 年，哈佛大学的研究团队成功将一本 300 页的书、10 张图片和一段音频编码到 DNA 中，并实现了完美读取。这项技术有望在未来解决数据存储的难题。

读到这里，你震惊吗？DNA还能解决未来数据存储的难题？那怎么存储呢？要知道现在英伟达市值5万亿，靠的就是GPU以及算力布局。所有AI大模型训练，都需要存储海量数据。如果你能高效解决DNA存储技术难题，那么你讲引领下一个时代，超AI人工智能时代！

我作为给大家科普，其实最重要的是启示，让你学到知识的提前下，还能看到未来，指引你快人一步去研究和探索，去布局和策划。

用DNA这种生命的基本分子来存储电影、文档甚至整个数据库，听起来像是科幻小说，但它正在迅速走向现实。这并非天方夜谭，而是科学家们为应对全球数据爆炸式增长而探索的一种革命性存储方案。

虽然DNA存储目前还不能直接解决AI训练中GPU"算力告急"的实时计算需求，但它为解决海量训练数据的长期、低成本存储提供了极具潜力的方向，可以从根源上缓解数据存储的能耗和空间压力。

DNA存储如何工作

DNA存储的本质，是将由0和1组成的二进制数据，通过编码规则，转换为由腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）这四种碱基构成的DNA序列。你可以把它理解为一种极其高效的"四进制"编码系统。

实现这一步主要包括三个核心步骤：

1. 编码与写入：这是将数字信息转化为DNA语言的过程。例如，00对应A、01对应T、10对应G、11对应C。传统方法像"雕版印刷"，需要根据数据从头合成全新的DNA链，成本高、速度慢。但近年来出现了突破性技术，比如北京大学团队开发的"表观比特（epi-bit）"技术，它像"活字印刷"。他们预制好通用的DNA"活字"和模板，通过酶促反应将信息"印刷"到DNA上，实现了并行写入，大大提升了效率并降低了成本。

2. 存储：合成后的DNA可以在低温、干燥、避光的环境中稳定保存数千年甚至更久。

3. 读取与解码：当需要读取数据时，使用DNA测序技术（如纳米孔测序仪）获取DNA的碱基序列，再通过解码算法将其恢复成原始的二进制数据，最终还原成图片、文档或视频。

DNA存储的优势与当前挑战

DNA存储之所以备受关注，是因为它拥有传统硅基存储介质难以比拟的天然优势：

超高存储密度：理论上是现有存储介质的千万倍以上。

极长的保存寿命：在适宜条件下，DNA可保存数万年。

极低的能耗：DNA存储只需在读取和写入时消耗能量，日常保存几乎无额外能耗。

然而，这项技术走向大规模应用还面临一些挑战：

成本高昂：目前合成和测序DNA的费用依然昂贵。据一份市场报告显示，存储1GB的电影大约需要花费358万美元。

读写速度慢：与传统电子存储的纳秒级访问速度相比，DNA存储的完整读写流程通常需要数小时，目前更适合冷数据存储。

技术成熟度：当前的DNA存储系统在错误率、自动化以及标准化方面仍需改进。

尽管DNA存储无法替代GPU进行实时计算，但它对于AI发展的意义在于解决海量训练数据的存储瓶颈。

AI模型，尤其是大模型，需要吞噬天量的数据。这些数据绝大多数是访问频率很低的"冷数据"，但为了模型迭代和长期保存，又必须留存。传统数据中心为此消耗巨大的空间和电力。DNA存储的潜力正在于此——以极小的物理空间和近乎为零的维护能耗，将人类的知识和海量数据保存数千年。

目前，DNA存储技术的研究正围绕降低成本、提高速度展开。例如，北大团队的"活字印刷"法以及中国科学院研究的"DNA活字"方法与自动化设备"毕昇一号"，都旨在通过并行操作和预制件复用来突破传统串行合成的瓶颈。

总的来说，用DNA存储数据，可以概括为"四进制编码，分子级存储，生命级寿命"。它目前还是一项前沿技术，主要面向对存储密度和长期保存有极高要求的特定领域，如国家档案、文化遗产数字化保存、医疗基因数据长期保存 以及航天领域等。

那么一个人成人所包含的信息量大概是多少G？这个问题你思考过吗？

简单来说，这个信息量是一个天文数字，大到几乎无法用我们熟悉的“GB”或“TB”来衡量，而是需要用“泽字节（ZB）”甚至更高单位来描述。

下面我们来分步估算一下，让你有个直观的感受。

第一步：一个细胞里有多少信息？

我们人体的每个有细胞核的细胞（成熟的红细胞除外）都包含一整套完整的DNA，也就是我们的基因组。

人类基因组由约31.6亿个碱基对（A-T, C-G）组成。

这4种碱基（A, T, C, G）可以看作是四进制（0,1,2,3） 的编码系统。

在信息学中，每个碱基对可以编码2比特（bit）的信息。

那么，一个细胞核内DNA的信息量大约是：

31.6亿 碱基对 × 2 比特/碱基对 = 63.2亿 比特

换算成我们更熟悉的字节（Byte，1 Byte = 8 bit）：

63.2亿 比特 ÷ 8 = 7.9亿 字节 ≈ 790 MB

结论一：你身体里的任意一个细胞，其DNA所包含的信息量就大约等于一张CD-ROM（700MB）的容量。这里面存储了构建和维持你这个个体所需的全部遗传蓝图。

第二步：一个成年人有多少个细胞？

根据生物学界最权威的估计之一（来自2013年《自然》杂志上的一篇研究），一个成年人的细胞总数大约是 37.2万亿个。这个数字非常巨大：37,200,000,000,000。

第三步：总信息量是多少？

现在，我们把两者相乘：790 MB/细胞 × 37.2万亿个细胞

计算这个数字：790× 37.2万亿≈29,388,000,000,000,000 MB

让我们把这个大到难以理解的数字，转换成更大的单位：

转换成 GB：除以 1024≈ 28,700,000,000,000 GB

转换成 TB：再除以 1024≈ 28,000,000,000 TB

转换成 PB：再除以 1024≈ 27,300,000 PB

转换成 EB：再除以 1024≈ 26,660 EB

转换成 ZB：再除以 1024≈ 26 ZB

最终结论与一个重要的思考

一个成年人体内所有DNA的总信息量，理论上可以达到 约26 ZB（泽字节）。

这个规模有多恐怖？

据国际数据公司（IDC）2025年发布的最新预测，2025年全球一年产生的数据总量约为213.56ZB 。该机构还提到，这一数据后续会持续高速增长，到2029年将激增到527.47ZB 。

这意味着，仅仅一个人的生物学信息量，就相当于全球年数据总量的九分之一！这是一个令人瞠目结舌的密度。

但是，这里有一个极其重要的概念需要澄清：

这个26 ZB的计算，是基于一个“思想实验”。它假设我们身体的每一个细胞的信息都是独立且不同的。而事实并非如此！

你身体里几乎所有细胞的DNA都是一模一样的复制品（除了生殖细胞和少数突变）。你肝脏细胞的DNA和你皮肤细胞的DNA，在信息内容上几乎是完全相同的。它们之所以功能不同，是因为基因的选择性表达（就像同一本说明书，不同章节被不同细胞阅读和执行）。

所以，更准确的说法是：信息的总“物理副本”数量是 26 ZB。这就像你把同一本750MB的百科全书，复印了37万亿份。

信息本身的“独特内容”，也就是那本“独一无二的百科全书”本身，仍然只有 750MB 左右。

这个惊人的对比恰恰解释了为什么科学家对DNA存储技术如此着迷——它证明了在分子级别上，我们可以用极小的空间存储海量的信息。

那么我们应该如何定义信息？是物质吗？有能量吗？这是一个非常深刻的问题，它触及了物理、信息科学和哲学的核心。我们每天都在处理信息，但它究竟是什么？

简单来说，我们可以这样初步理解：

信息不是物质，但它离不开物质作为载体。

信息不是能量，但它的处理和传递需要消耗能量。

它远不止是一个“概念”，而是一种客观存在的属性，描述了系统的有序程度和模式。

下面我们分层来解析这个复杂而迷人的问题。

一、信息是什么？从“信使”到“宇宙基石”

我们可以从三个层面来理解信息的定义：

1. 日常层面：消除不确定性的东西

比如，你问我：“明天会下雨吗？”在回答之前，你对天气是不确定的。当我说“会下雨”时，这个回答就为你提供了信息，因为它消除了你的不确定性。这是信息论创始人克劳德·香农的定义核心。

2. 物理层面：秩序与模式的描述

信息是物质和能量在时空中排列的顺序和模式。同样一堆碳原子，按一种模式排列是石墨，软而黑；按另一种模式排列是钻石，硬而透明。决定它们区别的，不是物质本身，而是原子排列的结构信息。你的DNA和猩猩的DNA在化学物质上几乎一样，正是那A, T, C, G的不同序列信息，决定了你是人而不是猩猩。

3. 哲学层面：一个基本维度

一些前沿物理学家提出了“万物源自比特”的猜想。他们认为，信息可能是比物质和能量更基本的存在，是构建宇宙的基石。时空、物质、能量都可能是信息派生出来的现象。我在科普书籍《信息与关系》一书中详细介绍和论述了信息涌现法则的原理，为大家建立了“信息与关系”是如何缔造我们这个世界的。你可以去单独阅读整本书。

二、信息与物质、能量的关系：密不可分的“铁三角”

尽管信息本身不是物质或能量，但它们三者构成了一个密不可分的“铁三角”关系。

信息 vs 物质：依赖与超越

依赖：信息必须依赖物质作为载体。书上的墨水、DNA的碱基序列、硬盘的磁畴、神经的电脉冲……没有载体，信息就无法存在和传递。

超越：同样的信息可以在不同载体间复制和转换，而本身不变。比如莎士比亚的十四行诗，可以写在羊皮纸上、印在书里、存储在DNA中、通过网络传播。载体在变，物质在变，但信息本身是守恒的。

信息 vs 能量：消耗与控制

信息处理需要能量：你的大脑思考、电脑计算、DNA转录翻译，都需要消耗能量来读取、处理和存储信息。这是显而易见的。

更深刻的关系：信息有能量吗？——兰道尔原理

这里有一个非常反直觉的物理学发现：存储和持有静态信息本身不需要能量。你的U盘放着不动，里面的信息不会耗电。

但是，擦除信息却必然消耗能量，并产生热量！这是物理学家罗夫·兰道尔 在1961年提出的原理。

为什么？因为擦除信息是一个不可逆的过程，它减少了系统的微观状态数，本质上是熵减的过程。为了维持热力学第二定律（总熵增加），这个过程就必须以向环境放热（增加环境熵）为代价。

所以，信息本身没有能量，但操控信息（尤其是擦除）是受能量和热力学定律严格约束的。这也解释了为什么强大的计算机和AI需要巨大的能耗——它们在进行海量的信息处理和（临时数据的）擦除。

我们可以这样来定义信息：

1. 它不是物质，也不是能量：它是独立于载体物质和消耗能量之外的另一种基本存在。

2. 它绝非虚幻的概念：它是客观的、结构性的，能够被测量（单位为“比特”），并严格遵守物理定律（如热力学定律）。

3. 它是秩序和现实的根源：它决定了物质的组织方式，从而决定了我们看到的万千世界。

4. 它与能量紧密关联：虽然持有信息不耗能，但创建、传输和擦除信息都与能量消耗和熵增密不可分。

所以，信息或许是继“物质”和“能量”之后，我们所认知的宇宙的第三个基本要素。它就像建造大楼的设计蓝图：蓝图本身不是砖块（物质），也不是起重机（能量），但没有蓝图，砖块就只是一堆乱石，无法成为一座宏伟的建筑。你这个人，正是你的DNA信息蓝图，在消耗能量的过程中，利用物质构建出的一个精妙绝伦的奇迹。

因为我们前面讲过记忆的篇章，这里做一个补充，让大家更好的理解。这种DNA存储和我们的记忆有什么不同？记忆的东西是存储到了DNA里了吗？

答案是：不是。你记忆的诗歌、电话号码等个人信息，并没有存储在你的DNA序列中。

用一个清晰的比喻来解释这两者的根本区别：

DNA 就像你电脑的“出厂预装系统和硬件驱动盘”。

它里面写满了固定的、与生俱来的程序：比如如何长出心脏，如何制造血红蛋白，你的头发大概是什么颜色。

这个“系统盘”在人的一生中基本是只读的。你后天的经历和学习，几乎不会改变这个盘里刻录的原始信息（除了极少数特殊情况，如辐射导致的突变）。

它被复制到你身体的几乎每一个细胞里。

记忆则像你电脑“硬盘里后天安装的软件、创建的文件和浏览记录”。你学会的诗歌、记住的电话号码、对初恋的印象，都属于这类。

这些“文件”是通过你的经历（输入）和思考（处理）动态写入的。

它们存储在你的大脑神经网络里，具体来说，是存储在神经细胞之间的连接强度和结构变化中。

记忆存储在哪里？—— “大脑可塑性与神经网络”

记忆的本质是大脑神经回路连接的强化或弱化。这个过程被称为“神经可塑性”。

当你学习一首诗时，你的大脑中特定一组神经元被同时激活。反复的激活会使得这些神经元之间的连接点——“突触”——变得更加高效和强大。这就像是在一片草丛中，经常走的一条路会变得越来越清晰。

长期记忆甚至会导致神经元生长出新的连接，甚至整个脑区的结构发生微小的物理和化学改变。

信息的“存储”，就是这些突触连接强度和模式的特定组合。

信息的“读取”，就是再次激活这个特定的神经网络。

所以，记忆是“活”的，是动态的，存在于神经网络的功能和结构之中；而DNA是“硬编码”的，是静态的，存在于细胞核的化学序列中。

一个关键的区别：获得性遗传的迷思

你可能会想：“如果我努力学到的知识能写进DNA里，那我的孩子不就能天生会背诗了吗？” 这正是法国生物学家拉马克提出的“用进废退、获得性遗传”的猜想。

但现代生物学（除了表观遗传学等一些复杂特例外）已经明确，后天的学习和记忆是无法遗传给后代的。你的孩子需要从零开始学习他们自己的诗歌，因为他们继承的是和你一样的“出厂预装系统盘”（DNA），而不是你一生积累的“个人文件和软件”（记忆）。

DNA里存储的是什么？

构建和维持你身体这台“生物机器”的终极蓝图。

它决定了你的物种、你的先天潜能，但它不记录你的个人历史。

记忆存储在哪里？存储在你大脑千亿个神经元所形成的、不断变化的网络连接中。它是一个动态的、电化学的、可塑的系统，而不是一个静态的化学序列。

所以，当你下次流利地背出一首诗时，你应该感叹的不是你的DNA，而是你那无比复杂、充满活力、正在实时工作的神经网络。

记忆存储在你的大脑神经网络里，具体来说，是存储在神经细胞之间的连接强度和结构变化中。那么这种存储和DNA硬存储，哪个存储更大？为什么会有人过目不忘？

这又是一个极其精彩的问题，它把我们从前沿的数据存储技术，带向了人体最复杂的器官——大脑的奥秘。

我们来逐一拆解这两个问题。

一、存储容量之争：大脑 vs. DNA

这是一个关公战秦琼式的比较，因为它们存储信息的原理完全不同。但如果我们强行从“信息容量”的角度来估算，结论非常有趣。

DNA存储（硬盘式）：正如我们之前讨论的，一个细胞核里的DNA大约能存储 750 MB 的原始数据。

它的特点是：信息高度精确、静态不变、每个细胞都有一份完整副本

大脑存储（网络式）：大脑的存储依赖于约860亿个神经元，以及它们之间形成的百万亿个突触连接。

信息不是以“字节”的形式存在，而是以 “突触的连接强度和模式” 存在。每个突触都可以有不同的强度，这就像一个巨大的多维网络，其可能的状态组合是一个天文数字。

科学家们根据神经元和突触的复杂程度进行估算，大脑的总存储容量可能在 1 TB 到 2.5 PB（1 PB = 1000 TB） 之间。

从绝对容量上看，你身体里所有细胞的DNA副本总量（约26 ZB）远大于大脑的容量。但从“有效信息量” 来看，大脑的存储能力很可能是优于单个DNA分子的。

更重要的是，大脑的存储是动态的、关联的、可重构的。而DNA的存储是静态的、孤立的、固定的。

二、为什么会有人“过目不忘”？—— 记忆的“编码”与“检索”效率

“过目不忘”是记忆功能的极端表现。我们可以把它理解为一场信息处理的完美风暴，主要涉及三个环节：编码、巩固、检索。

1. 超凡的“编码”

普通情况：我们记忆时，可能心不在焉，信息只是浅层处理，就像用铅笔在纸上随意记笔记，很快就模糊了。

“过目不忘”者：他们的大脑在信息输入时，可能天然就有更强的注意力和信息关联能力。他们能自动将新信息与已有的庞大知识网络紧密联系起来。比如，记忆一个数字时，不是记数字本身，而是关联到历史事件、颜色、形状、个人经历等。这就像用雕刻刀在石头上刻字，并与其他石头紧密勾连，自然深刻难忘。

2. 高效的“巩固”

普通情况：白天学习的海量信息，大部分会被大脑在睡眠期间“修剪”和“清理”，只保留被认为重要的部分。这是正常的“遗忘”，是为了提高效率。

“过目不忘”者（尤其是超忆症患者）：他们大脑中负责“遗忘”的机制（比如前额叶皮质的抑制功能）可能相对较弱。这使得大量琐碎的信息也能从短期记忆顺利转化为长期记忆，而不会被过滤掉。他们不是“记得更牢”，而是“忘得更少”。

3. 极速的“检索”

普通情况：回忆就像在一个杂乱的大仓库里找东西，需要时间。

“过目不忘”者：他们的大脑拥有一个极度高效和强大的“索引系统”。由于信息在编码时就进行了深度关联，他们可以像使用超级搜索引擎一样，瞬间提取出任何需要的记忆。

用电脑来比喻：

普通人：CPU（注意力）时高时低，内存（工作记忆）有限，硬盘（长期记忆）的存储和索引系统也比较普通。

“过目不忘”者：拥有顶级的CPU、超大的内存，以及一块几乎没有碎片、索引完美、永不覆盖数据的“永生硬盘”。

一个重要的思考：遗忘是礼物

值得注意的是，绝大多数“超忆症”患者并不认为这是一种天赋，反而是一种诅咒。想象一下，你一生中所有悲伤、痛苦、尴尬的瞬间，都像发生在昨天一样清晰且持续地涌入脑海，无法摆脱。这会给精神带来巨大的负担。

正常的“遗忘”机制，是人类大脑为了心理健康和高效思考而进化出的重要保护功能。它帮我们过滤杂质，提取精华，让我们能够专注于当下和未来。

存储量：大脑的有效动态存储空间可能远超单个DNA分子，但与你全身DNA的总物理副本量无法相比。

摘自灵遁者书籍《探索生命》

作者简介：灵遁者，中国独立学者。原名王银，陕西绥德县人。1988年出生，现居西安。哲学家，艺术家，作家。代表作品《触摸世界》《行者乾坤》《探索生命》《变化》《相观天下》《手诊面诊色诊大全》《笔有千钧》《非线性波动》《见微知著》《探索宇宙》《伟大的秘密》《自卑之旅》《云淡风清》《我的世界》《牙牙学语》等。其作品朴实大胆，富有新意。

个人座右铭：生命在于运动，更在于探索。灵遁者书籍aixldz

灵遁者热读书籍有：科普六部曲，国学三部曲，散文小说五部曲。

科普五部曲分别为：《变化》《见微知著》《探索生命》《重构世界》《观自在大千世界》《信息与关系》。

国学三部曲分别为：《相观天下》《手诊面诊色诊大观园》《朴易天下》。

散文小说五部曲分别为：《伟大的秘密》《非线性波动》《从今往后》，《云淡风轻》《我的世界》《春风与你》。