《信息生物学刍议》.pdf

第200356年卷第116期月 ActaScientia内ru蒙m古N大at学ur学ali报um(U自n然iv科er学sita版ti)sNeiMongol NOV． 2005 V01．36 No．6 文章编号 ：100O一1638(2005)06—0653—12 信息生物学刍议 罗辽复 (内蒙古大学物理系，呼和浩特 010021) 摘要：提出分子生物学以生命信息流的运动(生命信息的遗传，传输，控制与表达)的基本规律 为核心，按实证性和理性相结合的原则重新建立或组织的研究路线，把这样建立或组织起来的 分子生物学称为信息生物学．提出信息生物学应包含至少两方面的规律，一是编码信息量的扩 增规律 ，二是信息系统的精确性，容错性和热力学有序性．尝试采用比较清晰的逻辑形式表达 上述两方面5条基本规律为中心的信息生物学内容． 关键词：信息生物学；编码信息量；编码序列多样性；信息系统的精确性；信息系统的容错性； 热力学有序性 中图分类号：Q61 文献标识码 ：A 引 言 分子生物学需要有一条主线来统领理论研究，这条主线是什么?本文提出，这条主线应是以生命 信息流的运动(生命信息的遗传，传输，控制与表达)的基本规律为核心，解释和预测基本的分子生物 学实验．生命系统和无生命世界的区别在哪里?一言以蔽之，在于信息．生命是物质，但不光是物质；生 命是能量，但不光是能量，生命还是信息，信息是生命的精髓．人生殖细胞的DNA只有二干亿分之一 克重，这一点儿DNA从物质组成来讲无非是碳氢氧氮等元素组成，并不稀奇，从能量来讲也没有什 么珍贵，它的意义在于包含了生命发育、成长，一直到死亡的全部信息．过去的自然科学基本上聚焦于 物质和能量．这是 自然界的两个基本范畴．不同于物质和能量，与其相平行的 信‘息’是 自然界的第三 个基本范畴．生命系统的特征就在于它包含的大量信息．什么是信息?根据 申农的定义，信息是通过 对事物随机选取的可能性来度量的．大量信息意味着大量偶然性．对于偶然性，物理学习惯的处理是 进行统计研究．但 自然界教给我们另一种处理方法，就是对每一次的偶然性进行随机确定，通过 自然 选择找出一条最佳或较佳的路线 (或序列)．这个被保留下来的序列反映了大量偶然性背景中形成的 生命之序．因此，生命信息是通过亿万年的自然选择，在无生命的自然界中在随机的背景下形成的，是 大量的偶然性凝练而成的．对于这个有趣的大课题，物理学家还不会处理；也就是说，信息的研究，除 了一个定义而外，基本上还没有进入物理学．这对敢于创新的年青物理学家来说，是一个绝好的机会． 近代科学是从伽里略一牛顿开始的，已经形成了一种规范，这个科学规范有两个特点 “．第一是 实证性，伽里略继承了文艺复兴的先进思想，“我们的一切知识全都来 自我们的感觉能力”，“经验是一 切可靠知识的母亲，那些不是从经验里产生，不接受经验检定的学问，那些无论在开头、中间或未尾都 不通过任何感官的学问是虚妄无实的，充满谬误的”．充分重视实验，才能摆脱中世纪哲学的桎梏．第 二是理性，任何实验都必须与推理相结合，才能去粗取精、弃伪存真．最好的最严密的推理工具是逻 辑、是数学，看上去非常隐晦、非常复杂、非常困难的问题，如果懂了逻辑精神，一步一步推理，就变成 很简单、很明了、很容易的了．伽里略十分重视数学，他说 “自然之书是用数学语言写成的，没有数学， t 收稿 日期 ：2005—08—12 基金项 目：国家 自然科学基金重大项 654 内蒙古大学学报 (自然科学版) 一 个人只能在黑暗的迷宫里徘徊”．牛顿 《自然哲学的数学原理》一书的写法就是借鉴欧儿里德的 《几 何原本》．试问，如果没有数学的精密的推演，如何能证 明天体运动和地面上抛物，是 由于同一种力一 一 万有引力呢?所以实证性和理性的结合便形成了四百年来的科学传统和规范，这种结合在物理学中 特别是二十世纪的物理学中表现得最为完美和富有成果，相对论和量子论是这种结合的典范．这个规 范正在向其他学科渗透，生命科学也正在接受理性