信息論在生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上信息論在生物學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 *指導(dǎo)教師 *摘要： 信息論近年來迅速發(fā)展，已廣泛滲入物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、仿生學(xué)、經(jīng)濟(jì)和管理等不同領(lǐng)域。本文闡述信息論在現(xiàn)代生物學(xué)、化學(xué)等學(xué)科中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：信息論；生物信息論；化學(xué)信息論；基因編碼一、 概述1948年，Claude E. Shannon在BSTJ發(fā)表題為“The Mathematical Theory of Communica-tion”的著名論文，創(chuàng)立了后人所稱的“信息論”，揭開了人類認(rèn)識(shí)史上的新紀(jì)元:由材料和能量的時(shí)代開始走向自覺地認(rèn)識(shí)和利用信息的時(shí)代?，F(xiàn)在，人們

2、越來越清楚地看到，Shannon信息論的確是科學(xué)史上一座巍峨的里程碑，它把科學(xué)領(lǐng)進(jìn)了信息世界的大門。但是， Shannon信息論并沒有窮盡信息問題的研究。正如Shannon本人所說：“企求一次就揭開自然的全部奧秘，這種期望是不切實(shí)際的”。事實(shí)上，一個(gè)具有旺盛生命力的理論必然會(huì)不斷地滲透到新的領(lǐng)域，不斷地改變自己的面貌 1?，F(xiàn)如今，信息熵概念廣泛滲入物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、仿生學(xué)、經(jīng)濟(jì)和管理等不同領(lǐng)域。信息過程不僅是通訊研究的對(duì)象，而且被當(dāng)作控制社會(huì)的手段來研究 2。就正是由Shannon信息論經(jīng)過不斷的開拓、發(fā)展和升華的結(jié)果，它是信息理論發(fā)展的全新階段。二、信息論與

3、生物學(xué)（一）信息與遺傳21944 年細(xì)菌轉(zhuǎn)化現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，第一次證實(shí)了細(xì)胞核內(nèi) DNA 核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。1953 年沃森和克里克提出 DNA 螺旋結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為是由兩條多核苷酸鏈靠堿基間確定配對(duì)關(guān)系而聯(lián)系在一起，形成猶如螺旋狀的長(zhǎng)梯子，第一梯級(jí)相當(dāng)一對(duì)堿基。梯級(jí)很多，若以500梯級(jí)的大分子計(jì)，其結(jié)構(gòu)可能取型的數(shù)目為10330信息量。歷史上有過物種，最高估計(jì)是40億種，其信息量不過才是10g24*109=31.9比特，可見 DNA 結(jié)構(gòu)可儲(chǔ)存遺傳信息量大得足以使每一物種內(nèi)各個(gè)個(gè)體間都可以有差別。生物性狀的遺傳，是在分子水平上通過DNA 復(fù)制來實(shí)現(xiàn)的。也就是DNA雙鏈松解，每一條鏈再按堿基配對(duì)

4、關(guān)系，吸引相應(yīng)堿基形成與原 DNA 雙鏈相同結(jié)構(gòu)的雙鏈，結(jié)果是一分為二，而復(fù)制中的差錯(cuò)則會(huì)引起生物體變異。蛋白質(zhì)的合成，首先要由 mRNA按模板DNA 的分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄一份副本，然后再按副本轉(zhuǎn)為蛋白質(zhì)“文字”。蛋白質(zhì)種類很多，都由20種氨基酸形成，只是排列結(jié)構(gòu)不同。4種核苷酸排列的 DNA雙鏈，與20種氨基酸排列的蛋白質(zhì)大分子鏈對(duì)應(yīng)，正像點(diǎn)和劃兩種信號(hào)的電報(bào)編碼，要與 26個(gè)英文字母拼成的字對(duì)應(yīng)一樣，有一個(gè)編碼和譯碼的問題。（二）信息與進(jìn)化論信息論的快速發(fā)展也促進(jìn)了與進(jìn)化論的結(jié)合，生物進(jìn)化信息論從信息論和生物熱力學(xué)基礎(chǔ)上開拓出來以后，迅速發(fā)展成一門覆蓋面廣、突破性強(qiáng)的新興學(xué)科。首先，它已合理地解

5、釋了個(gè)體發(fā)育與形態(tài)發(fā)生、類群進(jìn)化與系統(tǒng)發(fā)育以及生態(tài)歷史與其進(jìn)化等等問題，并突出了它們的共同規(guī)律，第二，集合了廣泛領(lǐng)域里的研究資料和人員，有從事分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、群體遺傳學(xué)、生態(tài)遺傳學(xué)、進(jìn)化分類學(xué)、古生物學(xué)以及數(shù)理計(jì)算機(jī)學(xué)領(lǐng)域里的學(xué)者們。第三，由于突破了進(jìn)化論與第二定律之間長(zhǎng)久未統(tǒng)一的問題，因而決定它成為進(jìn)化論中最廣義的理論，將遺傳進(jìn)化的諸項(xiàng)基本因素復(fù)制和繁殖、突變和重組、選擇和隔離等賦以科學(xué)的定性，有利于各派觀點(diǎn)間的統(tǒng)一進(jìn)化信息論趨向于比較成熟時(shí)間還不太長(zhǎng)。它的快速發(fā)展說明了以前的各派進(jìn)化理論在新的現(xiàn)實(shí)問題面前暴露出局限性，發(fā)生了劇烈的沖突，并引起不時(shí)的爭(zhēng)論，促使廣大學(xué)者去發(fā)現(xiàn)更廣泛的新

6、理論，推動(dòng)進(jìn)化論的不斷發(fā)展和完善3。（三）信息論與生物醫(yī)學(xué)6人體是一個(gè)高度有序的聚細(xì)胞體。生命現(xiàn)象要求分子，細(xì)胞、結(jié)構(gòu)、組織和功能等在空間和時(shí)間上高度有序。要維持自身的高度有序狀態(tài)，維持生長(zhǎng)，發(fā)育過程，就必須不斷地從外界攝取食物和能量，同時(shí)向環(huán)境排出廢物。薛定諤把生命有機(jī)體從環(huán)境汲取食物稱為“汲取負(fù)熵”。他認(rèn)為有機(jī)體就是依賴負(fù)熵為生的，生命有機(jī)體正是從汲取秩序的食物中汲取秩序維持自身的高度有序水平，而這正意味著汲取了信息。因?yàn)椴淮_定性是無序性的量度，獲得信息將使無序性減少而使有序性增加，因此獲得信息的過程是從無序向有序轉(zhuǎn)化的過程，這種轉(zhuǎn)化的定量描述是通過信息量來實(shí)現(xiàn)的。從以上的分析可知，對(duì)生命

7、系統(tǒng)發(fā)展的有利因素是負(fù)熵，對(duì)系統(tǒng)發(fā)展的不利因素是熵增。正常機(jī)體不斷從環(huán)境汲取信息(負(fù)熵)在機(jī)體內(nèi)合成高度有序的結(jié)構(gòu)，同時(shí)機(jī)體內(nèi)的有序結(jié)構(gòu)又在不斷自發(fā)地破壞(即熵值在增加)，因此各局部處于存有一定信息的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定態(tài)之中。這些狀態(tài)可以采用具有滴與負(fù)熵意義的指標(biāo)定量表示，根據(jù)這些指標(biāo)數(shù)值的增減就可以判斷系統(tǒng)功能狀態(tài)的變化是趨于鞏固和激活，還是趨于瓦解和衰落。目前，對(duì)于生命體的各個(gè)層次，人們從不同水平確定其信息量。例如在DNA水平上主要考慮的是相對(duì)熵、等概散度和獨(dú)立散度，這些決定了DNA中堿基的有序性;在蛋白質(zhì)水平上主要考慮的是熵和相對(duì)熵的大小，這些量提示氨基酸結(jié)構(gòu)是否具有生理功能;在系統(tǒng)水平上，主要考

8、慮的是信息熵，最大熵，負(fù)熵和剩余度等。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，從患者血液中獲得的生化指標(biāo)的信息特征找出科學(xué)規(guī)律，對(duì)疾病的進(jìn)程進(jìn)行定性判斷，定量描述及動(dòng)態(tài)分析都是生物醫(yī)學(xué)的貢獻(xiàn)。三、信息論與化學(xué)（一）超分子化學(xué)與化學(xué)信息學(xué)的提出41987年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、法國(guó)化學(xué)家萊恩(Lehn)在定義超分子化學(xué)時(shí)所提出的化學(xué)信息論的概念，指的是與超分子形成過程密切相關(guān)的化學(xué)信息。 Lehn在處理超分子化學(xué)的問題時(shí)，用的是與傳統(tǒng)所不同的視角，他在繼承化學(xué)家所習(xí)慣的空間匹配和電性匹配等原則的同時(shí)，提出了超分子、分子識(shí)別、化學(xué)信息和化學(xué)反應(yīng)智能化等一系列新概念。為了解釋上述過程及其他類似過程的化學(xué)本質(zhì)，Lehn從現(xiàn)代生物學(xué)

9、中借用了“識(shí)別”的概念。因?yàn)樽R(shí)別是一種以信息的識(shí)別和接收為前提的智能化過程，所以Lehn接著又提出了化學(xué)信息與化學(xué)反應(yīng)智能化的概念。Lehn在此處提出的化學(xué)信息，并非具體的某個(gè)化學(xué)事件或化合物，而是一種起誘導(dǎo)和決定超分子形成過程作用的信息，亦即當(dāng)?shù)孜锱c受體在相互作用時(shí)，以對(duì)另一方所提供的或所具有的有效化學(xué)信息的識(shí)別為前提，這就是化學(xué)信息論。“化學(xué)信息”，至今還只是個(gè)模糊的含義，沒有明確的定義，但是卻被化學(xué)家們所普遍接受，因?yàn)槿R恩所提出的與分子識(shí)別概念相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)是比比皆是。從化學(xué)親和力的概念發(fā)展到今天化學(xué)信息與分子識(shí)別的概念，這是一條曲折的道路?；瘜W(xué)信息論在以后的發(fā)展中，還有待于物理學(xué)家

10、，化學(xué)家和信息學(xué)家的聯(lián)手作戰(zhàn)。（二）信息論與化學(xué)計(jì)量學(xué)由于計(jì)算技術(shù)與信息論的結(jié)合，一門嶄新的分析化學(xué)分支學(xué)科化學(xué)計(jì)量學(xué)應(yīng)運(yùn)而生5。它的產(chǎn)生和發(fā)展使分析化學(xué)進(jìn)入了一個(gè)新的境界，使分析化學(xué)從單純的“信息提供者”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢栴}的解決者”?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)也是統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的“接口”，也可認(rèn)作是分析化學(xué)的“軟件”。自從Kowalski將信息論在分析化學(xué)中的應(yīng)用引入化學(xué)計(jì)量學(xué)領(lǐng)域以來，化學(xué)計(jì)量學(xué)得到了飛速的發(fā)展。在卡爾曼濾波(KF)的研究中，由于分析化學(xué)所涉及的對(duì)象是與物質(zhì)及能量相關(guān)的信息。因此，分析過程與傳統(tǒng)的通信處理信息過程頗為相似。1979年P(guān)ouilsse首次將KF理論用于多組分體系的吸收光譜

11、分析，將重疊的光譜曲線進(jìn)行快速的濾波過程。 Weutezll用典型的氨基酸混合物和BIM計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，以KF法分析了甘氨酸和天冬天冬酰胺混合物。Hayashi以信息論和KF為基礎(chǔ)優(yōu)化了液相色譜法的檢測(cè)波長(zhǎng)。郭寅龍等用自適應(yīng)卡爾曼濾波(AKF)解決了相互干擾的多組分體系分析，避免了在信息未知的條件下KF性能不好的缺點(diǎn)。石樂明等將KF技術(shù)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)分析了5組分混合食用色素，提高了分析的自動(dòng)化。李華則利用誤差校正因子校正掩蔽劑殘余背景的KF方法分析了實(shí)際鋼樣，獲得滿意結(jié)果。由此可見，化學(xué)計(jì)量學(xué)在信息論的產(chǎn)生后飛速發(fā)展5。四、總結(jié)與展望信息熵的概念在自然科學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，無論是物理，化學(xué)，生

12、物等自然科學(xué)還是心理、翻譯等社會(huì)學(xué)科。本文也概括了許多信息論實(shí)際應(yīng)用的例子，例如血液鑒別，對(duì)疾病的定性判斷，基因編碼測(cè)序。數(shù)據(jù)的傳輸和信息的利用必須依靠于信息論，在信息爆炸的今天，信息論的應(yīng)用已經(jīng)不止于傳統(tǒng)科學(xué)，由信息論衍生的新興學(xué)科也必然快速發(fā)展，最終服務(wù)和應(yīng)用于社會(huì)。參考文獻(xiàn)1 鐘義信. 信息科學(xué)與信息論J. 通信學(xué)報(bào), 1990:45-51.2 王玲俐, 羅惠謙. 信息論的發(fā)展和意義J. 科技進(jìn)步與對(duì)策, 2001, 18:106-107. DOI:doi:10.3969/j.issn.1001-7348.2001.08.048.3 凌錦良. 生物進(jìn)化信息論概述J. 自然雜志, 1990

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