漫谈生命与信息.ppt

漫谈生命与信息,李 衍 达 2009.4,一、生命的信息系统,19世纪40年代开始，生物学的研究进入分子水平 对于生命的本质问题的研究到了原子分子水平,世界上大约有 动物 100多万种 植物 30多万种 微生物 10多万种 每种生物都有十分精巧的结构，有它特殊的食性与行为。,动物胚胎比较图 从左到右为鱼，蝾螈，龟，鸡，猪，牛，兔，及人胚胎的第一至三期,T细胞、红细胞、血小板（电镜）,人的寿命大约为100年 大象的寿命约为120年 海龟可活到300岁 树木有些可活至几千年,是谁安排了这一切？ (2003),基因：核苷酸序列（或DNA）中的一段子序列，可以编码转换成某一种蛋白质（或RNA），从而具有一定的功能。 “结构基因”编码某种蛋白质。 “调节基因”和“操纵基因”控制生物的各种遗传性状，调节基因如何表达、实现它的功能，如： 传感基因、调节基因、激体RNA、受体基因等，它们的作用都是起调节与控制作用。,“结构基因”：主要作用是编码所需的氨基酸以及构成蛋白质所需的氨基酸序列。,生物体这种充分利用资源来表示信息的能力是符合信息理论的，也是令人惊叹的。 生物界在遗传密码上是完全一致的（至今只发现个别例外）生命的高度统一性。 基因工程,基因工程： 对原有的不正常基因进行剔除和修饰，以去除不好的基因，也可以对原有正常的基因进行添加和替换，甚至可以导入人体内原本不存在的基因。还可以对体内的基因进行与原来作用相反的调节。例如： 西红柿防腐 蚕豆和向日葵 农作物抗病 疫苗 制药,基因疾病： 人体如果某个基因或多个基因出现毛病，就可能给人体的健康带来很大影响。例如： 地中海贫血症 血友病 哮喘 精神分裂症 糖尿病 兔唇 等 现在已经发现多达5000种（约占人类疾病总数的1/4）的遗传病。,生物遗传的奥秘不仅在于它有成套的、统一的遗传密码系统，而且在于它有操作、控制这些遗传密码使之能作有序活动达到生物功能的机制： DNA的编码区带有组成人体的具体材料（蛋白质、结构RNA等）的信息，,大量的非编码区包含 把这些材料按照特定的时间、空间加以安置，以组成完整个体的四维调控信息。 许多其他的遗传信息。如动物的生活习性 甚至，生物的一切，从生到死，可以说都是受遗传信息的调节。,如何才能有序的表达如此复杂的各种遗传信息？ 怎样才能有条不紊地执行这些千头万绪的过程？ 这些信息以什么一种方式写入DNA的非编码区呢？,人类基因组计划给人们提供了大量的关于基因的数据。基因组数据量以指数形式增长。 对这些数据怎么来理解，特别是关于基因组的表达，它的调控过程，蛋白质的结构和蛋白质的功能，这些问题的研究随着人类基因组计划的完成，将成为大家所关心的问题。,DNA本质上是一个信息系统，是生物的遗传信息系统 遗传只是生命中重要的一步 生命的本质是什么呢？,1、生命的本质是什么： E.Schodinger在“生命是什么？”中写道： “生命有机体是怎样避免衰退的呢？直接的回答是：靠吃、喝、呼吸，以及同化（植物），专门术语：新陈代谢。对生的最初认识是物质交换，但说本质是物质交换是荒唐的，氮、氧、硫等任一原子与同类的另一原子是等价的，交换没有意义。有人说是以能量为生，也是荒谬的，一个成年有机体所含的能量与所含的物质一样，是固定不变的，任何一个卡路里与其他卡路里价值是一样的，交换又有什么用处？,二、生命的本质信息,食物中含有什么宝贵东西，使我们免于死亡呢？ 自然界中每件事在进程中都熵增，到接近最大熵，就要死亡。要摆脱死亡的唯一方法是从环境中不断吸取负熵。有机体是以负熵为生的，或更确切地说，新陈代谢中的本质的东西，乃是使有机体成功地消除了当它自身活动时不得不产生的全部的熵。,这样，一个有机体使它本身稳定在一个相当高的有序水平上（等效于相当低的熵值）的办法，确实是在于从它的环境中不断吸取秩序。其实就高等动物而言，我们是知道这种秩序的，它们完全是以此为生的，即是说：被它们作为食物的、复杂程度不同的有机物中，物质的状态是极有秩序的。动物在利用这些食物之后，排泄出来的是大大降解了的东西，然而不是彻底的分解，因为植物还能利用它（当然植物在日光中吸取了负熵的最有力的供应）。”,薛定谔在这里所说的“秩序”，就是信息。因为，信息是物质结构性的一个度量。 所以，最后，薛定谔对生命是什么的结论是：生命的本质是信息。 因此，不理解信息，就难以理解生命。,进化是生命的基本特征 进化的本质是什么呢？ 是适应“环境”并保持与提高“秩序性” 所以，信息系统的研究接近于生命的本质,三、一种新的生命形式人工生命,从信息系统出发的生命形式 元胞自动机 计算机病毒 电子宠物 这些人工生命可以看作具有生命特征的一种信息系统。,自然界里的生物：以核酸分子作为信息载体，生命的特征由核酸载体的信息系统决定。 人工生命：把具有生命特征的信息系统加载在计算机上，它的载体是数字0和1，它同样具有生命的特征。,生物体内部的信息系统： 表示生命特征的信息系统 基本的生命特征：可以自我繁衍；可以进化；死亡的能力。 具有自繁衍、进化和死亡特征的就是具有生命特征的信息系统。 生物体内部的信息系统 适应核酸分子的需要而形成相应的信号分子，进行必要的信息交换，调控核酸分子进行能量交换和物质交换所特殊需要的信息和调控指令。,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现的信息系统一样。 人工生命的研究会有助于我们理解生物的信息系统；理解哪一部分是具有生命特征的。开展人工生命的研究不仅对研究人造的自动机是很重要的，而且对研究能够表征生命特征的这种信息和结构来说也是非常重要的。所以，人工生命的研究对于生物系统信息性质的研究是一个很重要的工具。,人工生命可以遗传、进化、繁殖，并世代生存下去，只要环境合适 能否想象成另一种新的生命形式呢？,四、两种生命形式的交流,BCI（Brain Computer Interface） 脑与计算机的交互,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 thoughts,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 mimic a particular neurological function.,1、人工耳蜗听觉编码刺激：外界与听觉的交流 人工耳蜗组成部分：体外语音处理器、传输电路、体内刺激产生电路以及电极组。,耳蜗中的电极,2、外信号指挥老鼠走迷宫：外信号与鼠脑的交流,Guided rat navigation using brain microstimulation ( Nature 417, 37 - 38 (2002) ),3、脑电波指挥计算机：人脑与外界的交流,mobile robot,brain,two-way signal exchange,Cyborg: a half-living, half-robot creature,Northwestern Univ. Chicago, USA,Artifcial Life 2000,是两个信息系统的交流 现在的脑机交互是机器与脑的直接交流，既不只是宏观模拟，又不是结构模仿，是在信息处理一致性的基础上找到对应的信号所进行的交流，具有新的意义。 BCI说明，人工脑与生物脑在信息处理上机理一致，只需加上中介（Interface）即可交流。,几个例子： 通过脑机交互，识别脑信息 进而解码脑信息 进而调控脑功能，对认知、医疗等有极大作用,如癫痫抑制： 监测脑的癫痫发作信号，利用外信号输入抑制其发病 阿尔兹海默症震颤的抑制： 在特殊脑区输入电信号,遥控果蝇： 耶鲁大学医学院Susana Lima等在果蝇体内插入一个编码大鼠离子通道的基因，这种特殊的离子通道允许带电粒子在ATP存在的情况下穿过细胞膜，并因此而传递电脉冲。然后用另一种分子包住ATP使之处于不活跃状态，并将之注入果蝇体内。当ATP受紫外激光照射时，便恢复自由状态，从而激活大鼠离子通道，使果蝇神经元产生兴奋。,多巴胺能神经元可影响果蝇的行走，对于那些多巴胺能神经元能表达大鼠离子通道的果蝇来说，激光会使好静的个体变得异常活跃，通过激光就能遥控果蝇跳跃、振翅与飞翔。 利用这种方法可研究很多其它行为，如求偶、交配和觅食等,脑记忆的解码： 林龙年副教授与波士顿大学的钱卓教授用高密度多通道体记录技术，以小鼠为对象，将96根微电极插入小鼠的海马区，成功地记录到多达几百种神经元活动情况。设计几种特殊的行为模式刺激小鼠，研究其神经编码，发现有效放电反应的神经元组成了记忆编码的神经网络单元。这些编码单元通过它们的激活状态，可以把任何一种惊吓经历转化成一串二进制数字 大脑很有可能利用同样的原理来完成其它一系列的高级认知功能。,脑机交互的信息分析，对认知功能的解码，对治疗神经性疾病乃至其它方面都有重大意义,五、生物和复杂系统,复杂系统的性质： 复杂系统的突现 自相似性，可以用分形维数对它的自相似性进行描述；也可以用分形噪声，通过滤波器的办法来对它进行建模。 混沌行为，吸引子是混沌表达的一种形式。 非线性特征 ，自组织现象,如果将自组织、自繁衍、自死亡和进化这些特性组合起来基本上具备了生命的基本功能。 复杂系统的自组织再加上控制理论的信息的交换，信息的交换同时调控了物质和能量的交换，把这些东西联系起来可能为我们理解生命的本质提供了一种新的线索和可能性。,反过来，生物体是不是具有复杂系统这些特性呢？ 宏观： 对心脏的跳动和心电图甚至是脑的活动和脑电图的数据进行分析，结果是这些数据具有混沌动力学的特征，是一种混沌行为。 生物的呼吸周期、睡眠周期、生殖周期这些宏观的表现也都具有复杂系统的性质，都具有混沌的性质 生物系统从宏观上具有复杂系统的特性。,微观： DNA序列具有自相似特性，是具有复杂系统性质的。,大肠杆菌DNA全序列中腺嘌呤的100bp浓度分布图与理想的分形序列有相似之处,计算H系数的线性拟合情况,从宏观上来说，生物系统具有复杂系统特性； 从微观上来说，也具有复杂系统特性。 复杂系统的分析方法可能可以对生物系统的分析方法提供另外一种工具，帮助我们理解生物系统内部的性质，以及生物系统的特性是怎么产生的。,复杂系统具有“小社会”的性质 人的社会是复杂系统 互联网也是复杂系统 复杂系统的特性可以使我们理解生命是如何出现的 自组织，从无到有,复杂系统特性使我们理解为何生命会保持自身的“结构有序性”，甚至通过进化来提