What is Information in biology?// 生物中的信息是什么

写这篇文章的起因是:失眠,想了太多。主要在想密度涨落如何能够应用到实际生物研究中

有几个点:

  1. 能不能对CA建构一个自指,或者说,能不能建造出一个能够改变自身规则的CA? CA规则的一个有趣之处就在于,两个东西之间的互动是完全由这两个东西自身决定的。也就是说,它们的互动不需要借助一个更加基础的规则(Fundmental Law,典型的还原论),而仅仅取决于这两个东西自身的性质。往宽了讲,两个蛋白质的相互作用,也不应该取决于其结构内部的细节,而应该取决于这两个蛋白质本身所蕴含的信息。
  2. 基于我目前的实验,我想做一个比较宽泛的陈述:信息存在于时空的涨落/不均匀性。这个命题还可以换种方式陈述:一个完全均匀的时空是不包任何含信息的。 虽然说科学界公认的遗传物质是DNA,但是很难说这个论点对我们解释生命起到了多大帮助。相反的,越来越多的非DNA调控方式正在被发现,以至于到了需要修改中心法则的时候。
  3. 我比较期待的一些事:
    1. RNA生命的复活:也就是说不使用蛋白质进行新陈代谢,而是只使用RNA和DNA作为工具传宗接代。
    2. 更加高效且逼真的生命模拟器:这需要我们把生命行为的信息组分高度抽象出来。
    3. 以信息交流为基础的新医疗模式:因为生命的本质其实是信息的传递,任何化学组分或者蛋白质都仅仅是信息的载体,那么任何疾病都可以看作是信息处理的结果,那么也应当通过建构适当的信息载体进行干涉。
  4. 死或生?
    1. 生命的本征特性是什么? 什么样的东西是死的?什么样的东西是活的?我给出的答案仍然基于我对CA的理解:不能接受外界信息的东西是死的,能对外界信息作出反应的是活的。考虑这样一个思想实验:你手上有一个细菌,现在让你杀死它,你有哪些方法可以达成这个目标?(a)在细胞膜上打个洞(可以是用Ampicillin),细菌因物质泄漏而死 (b) 给细菌吃点毒素,阻挠它的蛋白质生产,细菌失去自我调控能力而死 (c) 将细菌加温到1000摄氏度,细菌因细胞膜破裂而死(其实这个死法比较难分析)。(注意这里我们可以重新定义生命:生命就是,可以死去的东西,这个定义可以和信息定义做一个比较)
    2. 我最喜欢的方法其实是(b)喂毒药。原因是这样的,你只能给生命喂毒药。比如说石头没有生命,我让你给石头喂毒药,你就算拿石头砸自己的脑袋也想不出来。毒药之所以为毒,是因为它具备调控这个系统的信息。 也就是说,毒药是能和生命进行有趣的互动的,而进行这种互动的能力本身,就是生命的一个特征。我想把这种互动能力看作是这个生命系统的记忆(注意我这里引入了两个新的概念:系统和记忆)。 那么现在问题就好办多了,生命的定义就是,能对特定刺激作出特定反应的东西,更特定地说,是这个从“刺激”到“反应”的映射。
    3. 虽然这个定义看起来真的一点都不起眼,但我想提它所隐含的内容:这个映射是由某种时空不均性所刻画的。比如说一个细菌想要分裂增殖,怎么分裂呢?它得去查自己的DNA,然后按照DNA合成出mRNA,再转录成蛋白质,然后这些蛋白质在合适的信号调节下可以组织出一场分裂增殖事件。着眼于这个过程,信息都在哪里呢?
    4. DNA的序列铁定是信息没错了,但是细胞又怎么知道如何翻译DNA呢?这有点像鸡和蛋的问题,但我想简单地回答:翻译方法蕴含在RNA合成酶里(RNAP,负责把DNA翻译成RNA)。也就是说,RNAP本身蕴含了把DNA翻译成RNA的方法。而这个方法是有一定限制的:RNAP只知道在原料充足,信号正常的情况下翻译传统的DNA,如果我们把DNA换成XNA,RNAP是不知道怎么翻译它的。类似的,核糖体也只知道如何把mRNA翻译成蛋白质,而不知道怎么把mRNA做成核糖酶(Ribozyme)以建构RNA生命。
    5. 回到毒药问题,显然核糖体和RNAP的工作都需要大量调控,因为在不同的情况下细胞会需要用不同的方式读取不同的信息。 这些信息大部分是要通过化学信号的方式传递的。那么毒素起的作用大概是:给这些玩意儿传递错误的信息。(如何定义“错误”又是一个大题目)
    6. 那么究竟如何定义毒药所蕴含的信息呢?显然我们最好不要用毒药对生命的结果作为定义毒药的方法,因为这将导致循环论证。当今的结构/分子生物学认为,毒药可以结合到某些受体上,使它们失去原本的生物学活性。这相当于在说,毒药会阻断信息流,比如毒药结合到了核糖体上,使它稳定在了关闭状态,我们就可以说,毒药阻断了核糖体对启动信息作出反应的能力。
    7. 鉴于目前分子生物学是完全基于分子结构的,接下来的问题就是,如何通过毒药的共性推导出信息的形式?这就要提到涨落问题了,因为涨落其实是信息的一种基本表现形式,我猜想,毒药阻断信息流的过程在某种程度上改变了某个涨落的性质,而这应该是可以被观测到的。
    8. 我不喜欢用化学平衡来解释生物现象,尤其是用平衡来解释毒药和核糖体的结合,因为取平衡态的过程显然是丢失了信息的,然而自然选择告诉我们,生命必然会尽一切机会构造各种信息流。但是把涨落加进来也不是件容易的事,我们可以考虑核糖体浓度的涨落,也可以考虑单个核糖体电子密度的涨落。现在问题的关键,就在于建立一个通用的联系涨落和信息的办法,而我相信这正是元胞自动机存在的意义。更具体的,什么样的涨落系统可以储存和沟通更多的信息?涨落在哪些方面上是脆弱的?毒药有没有改变涨落的这些性质?
    9. 在这个过程中,我们或许还可以顺带解决生命的不确定性。或者说我们可以预测任何操作成功的概率,因为这应该是涨落最擅长处理的。
    10. 待续
  5. 发现这个问题前人稍微有探讨过 QuantaMag/环球科学译文