Astăzi purtam o conversație cu un prieten care avea o anumită pregătire în domeniul informaticii. Conversația a deviat spre cercetarea mea și a apărut următoarea întrebare: Care este cantitatea de informații digitale stocate într-un genom uman? Am început să caut în colțurile adânci și întunecate ale creierului meu, dar mi-am dat seama că pur și simplu nu știam răspunsul. Așa că am decis să fac calculele pentru a estima cât de multă informație este stocată în genomul nostru.
Dezvăluirea capacității de stocare a informației în genom
Genomul uman conține întreaga informație genetică a organismului sub formă de secvențe de ADN stocate în 23 de cromozomi (22 de cromozomi autosomici și un cromozom sexual X sau Y), structuri care sunt organizate din ADN și proteine. O moleculă de ADN este alcătuită din două șiruri care formează emblematica „scară răsucită” cu dublă elice, a cărei coloană vertebrală, formată din molecule de zahăr și fosfat, este conectată prin trepte de baze care conțin azot. ADN-ul este compus din 4 baze diferite: Adenină (A), Timină (T), Citosină (C) și Guanină (G). Aceste baze sunt întotdeauna împerecheate în așa fel încât Adenina se conectează cu Timina, iar Citosina se conectează cu Guanina. Aceste împerecheri produc 4 posibilități diferite de perechi de baze: A-T, T-A, G-C și C-G. Genomul uman haploid (care conține doar o singură copie a fiecărui cromozom) este format din aproximativ 3 miliarde de perechi de baze grupate în 23 de cromozomi. O ființă umană moștenește două seturi de genomuri (unul de la fiecare părinte) și, prin urmare, două seturi de cromozomi, pentru un total de 46 de cromozomi, reprezentând genomul diploid, care conține aproximativ 6×10^9 perechi de baze.
Compararea genomului cu stocarea datelor pe calculator
Pentru a reprezenta o secvență de ADN pe un calculator, trebuie să putem reprezenta toate cele 4 posibilități de perechi de baze într-un format binar (0 și 1). Acești biți 0 și 1 sunt de obicei grupați împreună pentru a forma o unitate mai mare, cel mai mic fiind un „octet” care reprezintă 8 biți. Putem indica fiecare pereche de baze folosind un minim de 2 biți, ceea ce ne dă 4 combinații diferite de biți (00, 01, 10 și 11). Fiecare combinație de 2 biți ar reprezenta o pereche de baze ADN. Un singur octet (sau 8 biți) poate reprezenta 4 perechi de baze ADN. Pentru a reprezenta întregul genom uman diploid în termeni de octeți, putem efectua următoarele calcule:
6×10^9 perechi de baze/genom diploid x 1 octet/4 perechi de baze = 1,5×10^9 octeți sau 1,5 gigaocteți, aproximativ 2 CD-uri în valoare de spațiu! Sau suficient de mic pentru a încadra 3 genomuri separate pe un DVD standard!
Stocarea datelor în întregul organism
Ar putea urma unele întrebări interesante. De exemplu, câți megabytes de date genetice sunt stocate în corpul uman? De dragul simplității, să ignorăm microbiomul (toate celulele non-umane care trăiesc în corpul nostru) și să ne concentrăm doar pe celulele care alcătuiesc corpul nostru. Estimările privind numărul de celule din corpul uman variază între 10 trilioane și 100 de trilioane. Să luăm 100 de trilioane de celule ca fiind estimarea general acceptată. Așadar, având în vedere că fiecare celulă diploidă conține 1,5 GB de date (această cifră este foarte aproximativă, deoarece iau în calcul doar celulele diploide și ignor celulele haploide de spermatozoizi și ovule din corpul nostru), cantitatea aproximativă de date stocate în corpul uman este:
1,5 Gbytes x 100 de trilioane de celule = 150 de trilioane de Gbytes sau 150×10^12 x 10^9 octeți = 150 Zettabytes (10^21)!!!!
Schimbul de informații sexuale
În aceeași ordine de idei, cât de multe date genetice sunt schimbate în timpul reproducerii umane?Fiecare spermatozoid la un bărbat uman este heterogametic și haploid, ceea ce înseamnă că acesta conține doar unul dintre cei doi cromozomi sexuali (X sau Y) și doar un set din cei 22 de cromozomi autosomali. Astfel, fiecare spermatozoid conține aproximativ 3 miliarde de baze de informații genetice, reprezentând 750 Mbytes de informații digitale. În medie, ejaculatul uman conține aproximativ 180 de milioane de spermatozoizi. Așadar, asta înseamnă 180 x 10^6 celule haploide x 750 Mbytes/celulă haploidă = 135 x10^9 Mbytes=135000 Terabytes!!!! Urmărind această idee și mai departe, în timp ce sunt transferați 13500 Tbytes, doar o singură celulă spermatozoidă va fuziona cu un ovul, folosind doar 750 Mbytes de date, combinându-le cu alte 750 Mbytes de date din ovul. Astfel, în esență, 99,9999…% din datele transferate în timpul reproducerii sexuale se pierd pe parcurs… Dacă fracțiunea de informație rămasă va avea ca rezultat ceva constructiv este treaba bunilor părinți.
După ce am calculat cifrele de mai sus, se pot pune o mulțime de alte întrebări curioase. V-ați întrebat vreodată care este capacitatea de date a organismului nostru biologic? Care este rata de transmitere a datelor în timpul diviziunii celulare? Rata de transmitere a datelor în timpul fuziunii gameților? Rata de transmitere a datelor atunci când limfocitele umane circulă prin fluxul sanguin? Ce cantitate de date este distrusă zilnic prin apoptoză? Ce cantitate de date este creată zilnic? Cum se compară acest lucru cu rata de transfer de date prin intermediul unei fibre optice?
Vă rugăm să nu ezitați să contribuiți cu propriile calcule și întrebări dubioase mai jos!
V-a ajutat acest lucru? Atunci vă rugăm să împărtășiți cu rețeaua dumneavoastră.