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1、漫談生命與信息,李 衍 達(dá) 2009.4,一、生命的信息系統(tǒng),19世紀(jì)40年代開始，生物學(xué)的研究進(jìn)入分子水平 對于生命的本質(zhì)問題的研究到了原子分子水平,世界上大約有 動(dòng)物100多萬種 植物30多萬種 微生物10多萬種 每種生物都有十分精巧的結(jié)構(gòu)，有它特殊的食性與行為。,動(dòng)物胚胎比較圖 從左到右為魚，蠑螈，龜，雞，豬，牛，兔，及人胚胎的第一至三期,T細(xì)胞、紅細(xì)胞、血小板（電鏡）,人的壽命大約為100年 大象的壽命約為120年 海龜可活到300歲 樹木有些可活至幾千年,是誰安排了這一切？ (2003),基因：核苷酸序列（或DNA）中的一段子序列，可以編碼轉(zhuǎn)換成某一種蛋白質(zhì)（或RNA），從而具有一定

2、的功能。 “結(jié)構(gòu)基因”編碼某種蛋白質(zhì)。 “調(diào)節(jié)基因”和“操縱基因”控制生物的各種遺傳性狀，調(diào)節(jié)基因如何表達(dá)、實(shí)現(xiàn)它的功能，如： 傳感基因、調(diào)節(jié)基因、激體RNA、受體基因等，它們的作用都是起調(diào)節(jié)與控制作用。,“結(jié)構(gòu)基因”：主要作用是編碼所需的氨基酸以及構(gòu)成蛋白質(zhì)所需的氨基酸序列。,生物體這種充分利用資源來表示信息的能力是符合信息理論的，也是令人驚嘆的。 生物界在遺傳密碼上是完全一致的（至今只發(fā)現(xiàn)個(gè)別例外）生命的高度統(tǒng)一性。 基因工程,基因工程： 對原有的不正?；蜻M(jìn)行剔除和修飾，以去除不好的基因，也可以對原有正常的基因進(jìn)行添加和替換，甚至可以導(dǎo)入人體內(nèi)原本不存在的基因。還可以對體內(nèi)的基因進(jìn)行與原

3、來作用相反的調(diào)節(jié)。例如： 西紅柿防腐 蠶豆和向日葵 農(nóng)作物抗病 疫苗 制藥,基因疾?。?人體如果某個(gè)基因或多個(gè)基因出現(xiàn)毛病，就可能給人體的健康帶來很大影響。例如： 地中海貧血癥 血友病 哮喘 精神分裂癥 糖尿病 兔唇 等 現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多達(dá)5000種（約占人類疾病總數(shù)的1/4）的遺傳病。,生物遺傳的奧秘不僅在于它有成套的、統(tǒng)一的遺傳密碼系統(tǒng)，而且在于它有操作、控制這些遺傳密碼使之能作有序活動(dòng)達(dá)到生物功能的機(jī)制： DNA的編碼區(qū)帶有組成人體的具體材料（蛋白質(zhì)、結(jié)構(gòu)RNA等）的信息，,大量的非編碼區(qū)包含 把這些材料按照特定的時(shí)間、空間加以安置，以組成完整個(gè)體的四維調(diào)控信息。 許多其他的遺傳信息。如動(dòng)

4、物的生活習(xí)性 甚至，生物的一切，從生到死，可以說都是受遺傳信息的調(diào)節(jié)。,如何才能有序的表達(dá)如此復(fù)雜的各種遺傳信息？ 怎樣才能有條不紊地執(zhí)行這些千頭萬緒的過程？ 這些信息以什么一種方式寫入DNA的非編碼區(qū)呢？,人類基因組計(jì)劃給人們提供了大量的關(guān)于基因的數(shù)據(jù)。基因組數(shù)據(jù)量以指數(shù)形式增長。 對這些數(shù)據(jù)怎么來理解，特別是關(guān)于基因組的表達(dá)，它的調(diào)控過程，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的功能，這些問題的研究隨著人類基因組計(jì)劃的完成，將成為大家所關(guān)心的問題。,DNA本質(zhì)上是一個(gè)信息系統(tǒng)，是生物的遺傳信息系統(tǒng) 遺傳只是生命中重要的一步 生命的本質(zhì)是什么呢？,1、生命的本質(zhì)是什么： E.Schodinger在“生命是什么

5、？”中寫道： “生命有機(jī)體是怎樣避免衰退的呢？直接的回答是：靠吃、喝、呼吸，以及同化（植物），專門術(shù)語：新陳代謝。對生的最初認(rèn)識(shí)是物質(zhì)交換，但說本質(zhì)是物質(zhì)交換是荒唐的，氮、氧、硫等任一原子與同類的另一原子是等價(jià)的，交換沒有意義。有人說是以能量為生，也是荒謬的，一個(gè)成年有機(jī)體所含的能量與所含的物質(zhì)一樣，是固定不變的，任何一個(gè)卡路里與其他卡路里價(jià)值是一樣的，交換又有什么用處？,二、生命的本質(zhì)信息,食物中含有什么寶貴東西，使我們免于死亡呢？ 自然界中每件事在進(jìn)程中都熵增，到接近最大熵，就要死亡。要擺脫死亡的唯一方法是從環(huán)境中不斷吸取負(fù)熵。有機(jī)體是以負(fù)熵為生的，或更確切地說，新陳代謝中的本質(zhì)的東西，乃

6、是使有機(jī)體成功地消除了當(dāng)它自身活動(dòng)時(shí)不得不產(chǎn)生的全部的熵。,這樣，一個(gè)有機(jī)體使它本身穩(wěn)定在一個(gè)相當(dāng)高的有序水平上（等效于相當(dāng)?shù)偷撵刂担┑霓k法，確實(shí)是在于從它的環(huán)境中不斷吸取秩序。其實(shí)就高等動(dòng)物而言，我們是知道這種秩序的，它們完全是以此為生的，即是說：被它們作為食物的、復(fù)雜程度不同的有機(jī)物中，物質(zhì)的狀態(tài)是極有秩序的。動(dòng)物在利用這些食物之后，排泄出來的是大大降解了的東西，然而不是徹底的分解，因?yàn)橹参镞€能利用它（當(dāng)然植物在日光中吸取了負(fù)熵的最有力的供應(yīng)）?！?薛定諤在這里所說的“秩序”，就是信息。因?yàn)椋畔⑹俏镔|(zhì)結(jié)構(gòu)性的一個(gè)度量。 所以，最后，薛定諤對生命是什么的結(jié)論是：生命的本質(zhì)是信息。 因此，不

7、理解信息，就難以理解生命。,進(jìn)化是生命的基本特征 進(jìn)化的本質(zhì)是什么呢？ 是適應(yīng)“環(huán)境”并保持與提高“秩序性” 所以，信息系統(tǒng)的研究接近于生命的本質(zhì),三、一種新的生命形式人工生命,從信息系統(tǒng)出發(fā)的生命形式 元胞自動(dòng)機(jī) 計(jì)算機(jī)病毒 電子寵物 這些人工生命可以看作具有生命特征的一種信息系統(tǒng)。,自然界里的生物：以核酸分子作為信息載體，生命的特征由核酸載體的信息系統(tǒng)決定。 人工生命：把具有生命特征的信息系統(tǒng)加載在計(jì)算機(jī)上，它的載體是數(shù)字0和1，它同樣具有生命的特征。,生物體內(nèi)部的信息系統(tǒng)： 表示生命特征的信息系統(tǒng) 基本的生命特征：可以自我繁衍；可以進(jìn)化；死亡的能力。 具有自繁衍、進(jìn)化和死亡特征的就是具有

8、生命特征的信息系統(tǒng)。 生物體內(nèi)部的信息系統(tǒng) 適應(yīng)核酸分子的需要而形成相應(yīng)的信號(hào)分子，進(jìn)行必要的信息交換，調(diào)控核酸分子進(jìn)行能量交換和物質(zhì)交換所特殊需要的信息和調(diào)控指令。,第二部分是核酸分子所特有的 第一部分和人工生命里面所表現(xiàn)的信息系統(tǒng)一樣。 人工生命的研究會(huì)有助于我們理解生物的信息系統(tǒng)；理解哪一部分是具有生命特征的。開展人工生命的研究不僅對研究人造的自動(dòng)機(jī)是很重要的，而且對研究能夠表征生命特征的這種信息和結(jié)構(gòu)來說也是非常重要的。所以，人工生命的研究對于生物系統(tǒng)信息性質(zhì)的研究是一個(gè)很重要的工具。,人工生命可以遺傳、進(jìn)化、繁殖，并世代生存下去，只要環(huán)境合適 能否想象成另一種新的生命形式呢？,四、兩

9、種生命形式的交流,BCI（Brain Computer Interface）腦與計(jì)算機(jī)的交互,Brain Computer Interface, BCI (Brain Machine Interface, BMI) (Human Computer Interface, HCI),A brain-computer interface is a communication system that does not depend on the brains normal output pathways of peripheral nerves and muscles.,Actions from th

10、oughts,Brain Machine Interface,Type 2: rely on the real-time sampling and processing of large-scale brain activity to control artificial devices.,Type 1: Use artificially generated electrical signals to stimulate brain tissue in order to transmit some particular type of sensory information or to mim

11、ic a particular neurological function.,1、人工耳蝸聽覺編碼刺激：外界與聽覺的交流 人工耳蝸組成部分：體外語音處理器、傳輸電路、體內(nèi)刺激產(chǎn)生電路以及電極組。,耳蝸中的電極,2、外信號(hào)指揮老鼠走迷宮：外信號(hào)與鼠腦的交流,Guided rat navigation using brain microstimulation ( Nature 417, 37 - 38 (2002) ),3、腦電波指揮計(jì)算機(jī)：人腦與外界的交流,mobile robot,brain,two-way signal exchange,Cyborg: a half-living, half

12、-robot creature,Northwestern Univ. Chicago, USA,Artifcial Life 2000,是兩個(gè)信息系統(tǒng)的交流 現(xiàn)在的腦機(jī)交互是機(jī)器與腦的直接交流，既不只是宏觀模擬，又不是結(jié)構(gòu)模仿，是在信息處理一致性的基礎(chǔ)上找到對應(yīng)的信號(hào)所進(jìn)行的交流，具有新的意義。 BCI說明，人工腦與生物腦在信息處理上機(jī)理一致，只需加上中介（Interface）即可交流。,幾個(gè)例子： 通過腦機(jī)交互，識(shí)別腦信息 進(jìn)而解碼腦信息 進(jìn)而調(diào)控腦功能，對認(rèn)知、醫(yī)療等有極大作用,如癲癇抑制： 監(jiān)測腦的癲癇發(fā)作信號(hào)，利用外信號(hào)輸入抑制其發(fā)病 阿爾茲海默癥震顫的抑制： 在特殊腦區(qū)輸入電信號(hào),遙

13、控果蠅： 耶魯大學(xué)醫(yī)學(xué)院Susana Lima等在果蠅體內(nèi)插入一個(gè)編碼大鼠離子通道的基因，這種特殊的離子通道允許帶電粒子在ATP存在的情況下穿過細(xì)胞膜，并因此而傳遞電脈沖。然后用另一種分子包住ATP使之處于不活躍狀態(tài)，并將之注入果蠅體內(nèi)。當(dāng)ATP受紫外激光照射時(shí)，便恢復(fù)自由狀態(tài)，從而激活大鼠離子通道，使果蠅神經(jīng)元產(chǎn)生興奮。,多巴胺能神經(jīng)元可影響果蠅的行走，對于那些多巴胺能神經(jīng)元能表達(dá)大鼠離子通道的果蠅來說，激光會(huì)使好靜的個(gè)體變得異?；钴S，通過激光就能遙控果蠅跳躍、振翅與飛翔。 利用這種方法可研究很多其它行為，如求偶、交配和覓食等,腦記憶的解碼： 林龍年副教授與波士頓大學(xué)的錢卓教授用高密度多通道

14、體記錄技術(shù)，以小鼠為對象，將96根微電極插入小鼠的海馬區(qū)，成功地記錄到多達(dá)幾百種神經(jīng)元活動(dòng)情況。設(shè)計(jì)幾種特殊的行為模式刺激小鼠，研究其神經(jīng)編碼，發(fā)現(xiàn)有效放電反應(yīng)的神經(jīng)元組成了記憶編碼的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)單元。這些編碼單元通過它們的激活狀態(tài)，可以把任何一種驚嚇經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成一串二進(jìn)制數(shù)字 大腦很有可能利用同樣的原理來完成其它一系列的高級認(rèn)知功能。,腦機(jī)交互的信息分析，對認(rèn)知功能的解碼，對治療神經(jīng)性疾病乃至其它方面都有重大意義,五、生物和復(fù)雜系統(tǒng),復(fù)雜系統(tǒng)的性質(zhì)： 復(fù)雜系統(tǒng)的突現(xiàn) 自相似性，可以用分形維數(shù)對它的自相似性進(jìn)行描述；也可以用分形噪聲，通過濾波器的辦法來對它進(jìn)行建模。 混沌行為，吸引子是混沌表達(dá)的一種

15、形式。 非線性特征 ，自組織現(xiàn)象,如果將自組織、自繁衍、自死亡和進(jìn)化這些特性組合起來基本上具備了生命的基本功能。 復(fù)雜系統(tǒng)的自組織再加上控制理論的信息的交換，信息的交換同時(shí)調(diào)控了物質(zhì)和能量的交換，把這些東西聯(lián)系起來可能為我們理解生命的本質(zhì)提供了一種新的線索和可能性。,反過來，生物體是不是具有復(fù)雜系統(tǒng)這些特性呢？ 宏觀： 對心臟的跳動(dòng)和心電圖甚至是腦的活動(dòng)和腦電圖的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果是這些數(shù)據(jù)具有混沌動(dòng)力學(xué)的特征，是一種混沌行為。 生物的呼吸周期、睡眠周期、生殖周期這些宏觀的表現(xiàn)也都具有復(fù)雜系統(tǒng)的性質(zhì)，都具有混沌的性質(zhì) 生物系統(tǒng)從宏觀上具有復(fù)雜系統(tǒng)的特性。,微觀： DNA序列具有自相似特性，是具有復(fù)雜系統(tǒng)性質(zhì)的。,大腸桿菌DNA全序列中腺嘌呤的100bp濃度分布圖與理想的分形序列有相似之處,計(jì)算H系數(shù)的線性擬合情況,從宏觀上來說，生物系統(tǒng)具有復(fù)雜系統(tǒng)特性； 從微觀上來說，也具有復(fù)雜系統(tǒng)特性。 復(fù)雜系統(tǒng)的分析方法可能可以對生物系統(tǒng)的分析方法提供另外一種工具，幫助我們理解生物系統(tǒng)內(nèi)部的性質(zhì)，以及生物系統(tǒng)的特性是怎么產(chǎn)生的。,復(fù)雜系統(tǒng)具有“小社會(huì)”的性質(zhì) 人的社會(huì)是復(fù)雜系統(tǒng) 互聯(lián)網(wǎng)也是復(fù)雜系統(tǒng) 復(fù)雜系統(tǒng)的特性可以使我們理解生命是如何出現(xiàn)的 自組織，從無到有,復(fù)雜系統(tǒng)特性使我們理解為何生命會(huì)保持自身的“結(jié)構(gòu)有序性”，甚至通過進(jìn)化來提