生物科技与信息保密

生物科技与信息保密

生命科学学院 097140003 林未

摘要：21世纪是一个高新技术瞬息万变的时代，生物工程技术的飞速发展给生命科学的各个领域带来了巨大的冲击。生物技术在信息科学领域中的应用，有可能引发一场新的信息革命，这给信息安全保密工作带来了新的挑战与机遇。本文探讨了生物技术对现有信息安全保密体制的可能攻击以及生物密码技术在未来信息安全保密领域中的重要作用。

关键词：信息保密安全基因生物密码

当今社会是一个信息社会，这对于信息安全保密工作提出了前所未有的要求。现代生物技术正在为解决人类社会所面临的食品短缺、环境污染等重大问题上发挥越来越大的作用，并逐渐发展形成了强大的现代生物技术产业。然而，随着基因技术及克隆技术等的快速发展，人们逐渐认识到现代生物技术有可能对生态环境和人类健康产生的巨大风险或危险，引起了国际社会的广泛关注。

目前，我国的信息安全保密形势并不乐观，尤其是软硬件核心技术的缺乏，使得我国的信息安全保密工作面临巨大的压力。历史证明，曾经坚固的保密体系在高新技术面前往往是不堪一击的，而信息科学高新技术的发展，往往又会带来新型的安全保密技术，构筑起更安全可靠的、面向未来的国家之盾。如果说人民军队是国家的钢铁长城，那么，在信息社会中，信息安全保密可以说是国家之盾的重要组成部分，是国家的政治和经济安全的决定性因素之一。【1】

1、生物信息科学技术

研究把生物技术应用于信息科学领域，只是最近十多年的事情。目前，该领域的研究集中在分子生物计算技术和分子生物密码技术两个方面。由于现阶段分子生物计算和分子生物密码主要利用DNA作为实现载体，因而，也常被称为DNA 计算和DNA密码。

电子计算技术的出现，是人类社会发展的一次巨大革命，人类的经济、军事和生活都越来越依赖于电子计算机。然而，半导体集成电路的微型化并不是无限度的，发展到今天已经越来越接近物理极限。因此，迫切需要寻找新型技术来继续推动微型化的发展。目前看来，能够继续实现微型化进程，给人类带来更强大计算能力的新技术当属量子计算技术和分子生物计算技术。

很早以前就有人提出现代计算机的基本部件应逐步过渡到分子水平，这样一来，新型的计算机将会比利用当前技术造出来的任何计算机都要小。DNA计算机就是这种思想的一种表现。由于进行计算的元件是体积微小的DNA分子，所以DNA计算机可以前所未有的高并行性进行并行计算。

1994年，Adleman等科学家进行了世界上首次DNA计算，解决了一个7节点

有向汉密尔顿回路问题，标志着信息时代的一个新阶段开始了。随后，有关DNA 计算的研究不断深入，所获得的计算能力也不断增强。【2】到了2002年，Adleman 用DNA计算机解决了一个有20个变量、24个子句、100万种可能的3一SAT问题。这是一个NP—C问题。研究DNA计算的科学家发现，DNA具有超大规模并行性、超高容量的存储密度以及超低的能量消耗，非常适合用于信息领域。利用DNA，人们有可能生产出新型的超级计算机，它们具有前所未有的超大规模并行计算能力，其并行性远超过现有的电子计算机。

这将会给人们带来惊人的计算能力，引发一场新的信息革命。DNA计算的先驱Adleman这样评价DNA计算，“几千年以来，人类社会一直使用各种人造的设备提高自己的计算能力。但是只有在60年前电子计算机出现以后，人类社会的计算能力才有了质的飞跃。现在，分子设备的使用使得人类的计算能力能够获得第二次飞跃”【3】。

DNA计算虽然是一种全新的计算模式，但是在相应的理论计算模型上还是离不开图灵机的影响。在现有的DNA计算模型下。虽然DNA计算的时间复杂度并不随着计算量的增加而显著增加，但是空间复杂度随着计算量的增加而显著增加。计算量越多，需要的DNA分子就越多。DNA分子虽然体积微小，但是可用的分子毕竟有限。譬如，如果用核苷酸编码表示所有的380位二进制数，所需核苷酸的质量就超过了太阳的质量。可用来进行计算的DNA分子数量不能无限增长，也是Dan Boneh等人的方法只能攻破64位以下对称密码系统的原因。有些数学的密码系统，可以很容易的增加密钥长度，从而阻止利用DNA计算机对密码系统进行强力攻击。所以，按照现有的DNA计算模式，DNA计算机虽然极大的提高了人们破译密码的能力，但是并不能对密码系统的安全性构成真正的威胁【4】。

2、生物密码技术

首先需要说明的是，这里所指的生物密码技术，不是一般人所说的遗传密码。生物密码也可以称为DNA密码技术，是近年来伴随着生物计算的研究而出现的密码学新领域，其特点是以DNA为信息载体，以现代生物技术为实现工具，挖掘DNA固有的高存储密度、高并行性等优点，实现加密、认证、签名等密码学功能【5】。由于不完全依赖于传统的计算复杂问题，DNA密码很可能对未来的量子计算机之类的超级计算机的攻击免疫。

在DNA加密方面，Reif等纠利用DNA实现了一次一密的加密方式。他认为，一次一密的使用之所以受限制，是因为保存一个巨大的一次一密乱码本非常困难。DNA具有体积小，存储量大的优点，1克DNA就包含有1021个碱基，或者说108 TB，几克DNA就能够储存世界上现有的所有数据。所以，DNA非常适合用作存储一次一密乱码本。Reif的方法考虑到了DNA的高容量存储特性，具有潜在的使用价值，也许会成为解决一次一密乱码本存储的有效方法。不过，制备一个能够方便地分离并读取出数据的大规模DNA一次一密乱码本非常困难。对于发送者和接收者来说，都要进行目前看来还有些复杂的生物学实验，需要在一个装备精良的实验室里才能实现，因此加密和解密的成本也很高。今后很多年内，上述问题都会严重限制Reif方案的可行性。

DNA密码是生命科学和密码学的交叉学科。以往，这两个领域的研究人员很少在一起工作，因此不熟悉对方的研究领域，这使得DNA密码的研究充满了艰辛。也许正是由于这个原因，最近几年国外缺乏DNA密码研究的突破性成果。在研究的过程，提出了以生物学困难问题作为DNA密码的安全依据，并构建了生物学单向函数用于建立DNA密码系统，设计了对称和非对称加密以及信息隐藏系统。【6】

DNA密码具有一些潜在的、独特的优良特性。这些潜在的优良性质包括：DNA 密码的加密和解密过程有可能利用DNA计算所体现出的超大规模并行性，实现快速的加密和解密；DNA密码可以利用DNA的生物化学特性，实现前所未有的高密度数据存储；DNA密码的安全性不完全依赖于困难数学问题，对量子计算机这样的超级计算机的攻击免疫。如果今后量子计算机强大到足以攻击数学的密码系统，DNA密码对量子攻击免疫的能力就显得尤其重要。由于DNA密码具有的上述优良特性，DNA密码在未来很可能就会成为新一代密码系统，与传统的数学密码以及量子密码配合使用。

DNA密码处于研究的初期，还有很多问题有待解决。但是DNA密码表现出了传统的密码系统所不具有的独特优势。正如Adleman所说，生物分子可以用于分子计算等非生物学的应用。在这样的应用中，生物分子代表了自然界演化了30亿年的未经开发的遗产，有巨大的、有待开发的潜力。

3、生物安全

将生物安全作为国家安全战略已为多数国家所认同，并将其作为应急处置与减灾能力的重要组成部分和发展的保证。

由于生物安全涉及生物学、生物信息学、流行病学、传染病学等多个学科，以及计算机、信息、通讯、传感器等多项技术，因此，各国均以建立多学科技术集成的平台和体系作为保证其在该领域处于领先水平的前提。在国内进一步加强生物安全基础设施建设，建立国家和地方的生物安全技术平台，保持生物安全研究持续发展。另外，对生物危害防御和应急处置技术要注意严加保密。生物危害防御与应急技术是处置各类生物危害事件的保障和关键，出于政治原因和安全考虑，各国尤其是西方国家对涉及生物危害特别是生物恐怖防御与应急处置的技术严格保密，对相关产品严加封锁，禁止出口。【7】

21世纪，生化武器威胁是现实问题，军事上可以构成一种战略威慑背景，在恐怖活动等非军事冲突中是一种新手段，而控制生化武器的发展与扩散具有很大复杂性，必须从多方面采取措施，建立对生化武器的全面防范体系，才能有效地制止生化武器的发展与扩散问题，其主要方面有：强化相关军控活动。有效实施化武公约，增订核查条款以强化生物武器公约。在反恐怖活动、危险品控制、环境保护等类国际条约增订控制生化武器及其材料的相关条款。强化与生化武器相关的贸易管理体制及措施。制定与利用生化武器及材料问题相关的国际制裁与惩罚条约。控制相关的基础研究与发展。强化对生物技术误用的监督与管理。提高生化防护的技术水平。发展对化生武器的预测、预警技术。发展对生物武器的检测与防护技术和装备。发展对未来新类型生化武器的防护技术。

4、基因资源保护

人类目前正处于一场从物理学、化学时代向生物学时代、从工业革命向生物技术革命的伟大转变之中，人类经济赖以发展的原始资源正在从化石燃料、金属和矿藏转向基因。基因是必须严防流失的国家资源，又是必须严加保护的个人数据。为了切实保障公民的人权与自由，从法律上明确基因的基本特征、基因数据与个人隐私的关系，对基因与基因研究必须采取严密、细致、具有可操作性的法律控制措施。

迄今为止，我们已经发现生物性状遗传的稳定性主要取决于基因，人类的相当一部分疾病都与基因有关，基因的某些缺陷可以运用生物工程技术加以弥补、校正。虽然目前人类对基因的认识还十分肤浅，但我们可以肯定地说，基因对生物性状遗传的作用是直接的、非人为的，基因是自然物质而非人造物。【8】

根据专业内的通说，基因研究大体可分为基因测序、功能研究、药物开发、生产工艺研究四个阶段。在宏观上如果不作价值区分可以说基因资源是无限的，但是，具有研究价值的特定基因的可获性却是十分有限的。“物以稀为贵”的规律在人类基因研究样本的获取上表现得格外突出。基因研究具有巨大功利性，关键环节的突破将会带来无穷的经济利益，这在当今世界早已不言自明。据罗玉中教授介绍，美国现已对基因的发现采取专利保护措施，关于肥胖的基因专利实施许可费明码标价为三千万美元，关于哮喘的基因专利实施许可费高达九千万美元。为此，我国《人类遗传资源管理暂行办法》第4条规定：“国家对重要遗传家系和特定地区遗传资源实行申报制度，发现和持有重要遗传家系和特定地区遗传资源的单位或个人，应及时向有关部门报告，未经许可，任何单位和个人不得擅自采集、收集、买卖、出口、出境或以其他形式对外提供。”【9】

在人类历史上，关于血统高贵与低贱的争论几乎一直没有停过。目前，全球的基因研究虽有《关于DNA 取样：控制和获得的声明》、《关于克隆的声明》等作为安全准则，但是，这些声明的实际约束效力是难以使人放心的。“基因技术可以改造人种”的说法，不得不使我们担心某些人到底要用基因技术干什么。首先，是人的基因是否确有优劣之分? 如果人为地(至少是依照目前的认识能力) 标示所谓的“好基因”、“坏基因”，基因歧视就不可避免会出现，“优等人种”之类的老调就会以基因研究的成果重新弹起。于是，婚前健康体检就可能悄然扩大为基因检测；雇主就可以用“选拔人才”之类冠冕堂皇的理由对被雇用对象进行基因检测；某些少数民族、某些有遗传疾病的家族成员就会受到不公正的待遇；人类再生性克隆的禁止也许真的会成为一纸空文。有人提议用强化基因检测结果保密制度的办法来防止基因检测弊端的失控，用心可谓良苦，但实际效果很可能类似目前的禁止用“B 超”检查胎儿性别一样而不能达到预期的效果。

“人类基因组是构成人类家庭所有成员的基本单位，它们之间存在着固有的差异，无论它们的遗传特征如何，每个个体的独特性和差异性都应当受到尊重。在基因研究中，要坚决防止具有遗传学特征的各种形式的歧视。”【10】

科学是一把双刃剑，当我们充分估价基因研究将给人类带来福音的同时，必

须清醒地认识到基因也可能成为一旦失控就再也无法控制的“祸因”。基因研究既为人类认识自身奥秘和纷繁复杂的自然界提供了锐利的武器，展示了广阔的前景，也向人类提出了严峻的挑战。

5、思考

作为一个大国，我国没有赶上硅芯片时代的崛起，导致了几十年的科技落后，而在将来的生物计算时代和量子计算时代，我国必须要迎头赶超。为了国家的安全，必须对信息安全保密新技术的研究投入足够的重视。

参考文献

【1】L Adleman，Molecular computation of solutions to combinatorial problems．Science，1994，266：1021—1023

【2】 S Ravinderjit，R Braich，N Chelyapov，et a1．Solution of a 20-Variable 3-SAT Problem on a DNA Computer．Science．2002．266：499～502

【3】Q Liu，L Wang，Frutos A G，et a1．DNA computing on surfaces．Nature，2000，403：175

【4】肖国镇，卢明欣．DNA计算与DNA密码．工程数学学报，2006，23(1)：1—6 【5】肖国镇，卢明欣，秦磊，来学嘉．密码学的新领域——DNA密码．科学通报，2006，51(10)：1139—1144

【6】卢明欣，来学嘉，肖国镇，秦磊．基于DNA技术的对称加密方法．中国科学E辑(信息科学)，2007，37(2)：175—182

【7】陈放.建立我国生物安全防御体系战略设想及应对措.决策咨询通讯·第15卷，04年第1期(总第59期)：22-24

【8】倪慧芳，刘次全．基因与生殖干预中的伦理问题〔J〕．自然辩证法研究，1999(1).

【9】邱宗仁．人类基因组研究和伦理学〔J〕．自然辩论法通讯，1999 (1). 【10】郭自力．人类基因组计划与人权保障〔J〕．法学家，2000 (2) 1