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1、分子生物学的信息观反哺量子力学分子生物学的信息观反哺量子力学精品文档！欢迎下载大家下载阅读！分子生物学的信息观反哺量子力学-再论观控相对界的信息诠释河池学院 刘月生玻尔对互补性的解释（客体运动服从严格的因果律与凭依时空描绘客体的一切现象这两项经典要求不可能同时满足）必须从物质能量的宏观定义转化为信息的宏微相统一才得以较好的理解。因为时空的量子化地应非严格的统计律，宏观表述必然是两重的：或者是，凭依时空描述客体现象，但须附带不确定性原理；或者是，用数学方程表述因果关系，但在时空中描绘客体现象就不可能。=“把时空标示与因果性要求看成量子理论描述的互相补充又互相排斥的特色。“卢鹤绂院士针对爱因斯坦、
2、狄拉克均认为物理学将回归到经典物理的纯粹决定论，与此相对立，玻恩则认为不可能，故而卢院士明确指出：“量子论还没有能给出对观测体系和受测体系之间联系的恰当描写。因为我们还没有一个关于测量工具的现实理论，在微观受测体系的量子描述和宏观观体系之间也还没有一个理论的联系。那个不可逆放大过程显然有待进一步研究。“8我对此的理解是：只有用“交换信息“概念，才能对观测体系和受测体系之间联系给以恰当描写；完备了的“信息范型“（包括结构信息、信息增殖）能逐步形成一个关于测量工具的现实理论，使微观受测体系的量子描述与宏观观测体系之间达到统一的联系。不可逆放大过程，就是信息增殖过程。以下从五个方面来阐明其要求。一、
3、人类表型基因组学计划：改变表观结构有类基因组是人类细胞核内 23 对染色体上整套的 DNA。HGP-“人类基因组计划“不仅是要读出人类基因组全部核苷酸的顺序，还要读懂全部基因在染色体上的位置及各 DNA 片段的功能。这里实际隐含着量子力学式的互补性解释：客体运动服从严格的因果律（结构-功能）与凭依时空（位置）描绘客体的一切现象这两项经典要求不可能同时满足。这也就是国际基因研究从原先大规模基因组测序转向与基因诊断和基因治疗息息相关的功能基因学领域未能取得重大进展的根本原因。当人们发现许多种类的癌细胞都有着异常的 DNA 甲基化行为时，才明白并不是基因的 DNA 的结构序列发生变化，而是高于基因层
4、次的表达调控机制所导致，我们称之为表观型的“表观遗传修饰“，强调基因作用就改称为肿瘤抑制基因由于甲基化过量而失去活性才导致的，这都是物质能量语言，其实质是交换信息的新结构所导致的新功能。除了甲基化的表观修饰，还可修饰染色质结构，以及对组蛋白进行修饰，总之使基因组根据机体自身的结构信息以及内外环境条件的适当表达形成交换信息的遗传性状。二、基因表型的密码（交换信息）完全有别于 DNA 密码（结构信息）1、染色体不是单一物质而是 DNA，蛋白质和其他化学成份的动态集合物-功能，是控制其它物质进入 DNA 通道。染色体中 DNA 与蛋白质各占 50%（蛋白大部分为组蛋白）细胞核通过巧妙包装术（DNA
5、绕组蛋白形成串珠状链，再扭曲成一束）可装下 1.8 米 DNA。2、基因表型部分在生长、衰老和癌变中起极重要作用：“基因表型突变“能导致糖尿病、精神分裂症、躁郁症和其他复杂疾病。3、细胞通过增加或去掉基因表型的标记物，以保护 DNA 免遭突变。理论上，药物能粗放地修补基因表型密码而使整套劣质基因打开或关闭。新药也许能把一些基因在衰老和癌变前受到的破坏逆转过来。三、遗传学让路于基因表型学结构信息让位于交换信息。1、传统遗传学的比喻误导了我们过去人们总以为：人类 DNA 中由 30 亿个 A、T、G 和 C 四种碱基构成的长链代表着人类遗传的天书，细胞的源代码、生命蓝图。这是误导。2、不是基因而是
6、基因组基因组是一个复杂的让人望而生畏的生物化学机器。它在三维空间内运转，而且它也有独特的、动态的、相互作用的部件。而基因-编码蛋白质的基因只是其中一个部件，在人类细胞的全部 DNA中不到 2%-1953 年以来的五十多年中，是分子生物学的中心法则，才把这些基因看成遗传性状的贮藏库。因而，基因的构想才被认为是控制遗传性状的蓝图。其实，只有基因组才是存在于染色体中并控制一个生物体如何发育的全部遗传信息，它不是从一代传到下一代的静态文本，而是动态的相互作用三联体。如果把基因的 DNA 看作第一层，那么第二、第三层的交换信息，是不同于编码蛋白质的基因。3、与第一层信息不同的第二、三层信息。由各式各样“
7、仅编码 RNA“的基因组成的第二信息层，隐藏着巨大的非编码 DNA 过去被作为进化中无用碎片而抛弃了。但结果正是这些非传统基因产生了活性 RNA，通过它们深刻地改变了正常基因的行为。仅编码 RNA 的基因中发生的障碍能引起更严重的破坏作用。“基因组机器“的第三部分，可能比活跃的 RNA 基因更为重要，因为它才是遗传信息的交换信息-“基因表型层“是其载体。这些信息贮藏于围绕且结合到 DNA 上的蛋白质和化学物质中，所以被称为“基因表型标记物“，当然它并未改变基本的 DNA 序列。基因表型的交换信息层能解答：RNA 不仅是信使：为什么人类要携带这样一些看似毫无用处又杂乱不堪的 DNA 所构成的基因
8、组来生成呢？为什么克隆成年动物如此困难而克隆其胚胎却容易？为什么某些性状能以看似不可预计的方式隔代跳跃？生物学家长期忽视的内显子和基因间连接区的活性 DNA 基因-一旦这个信息隐藏层的面纱被揭开，被当作垃圾的东西，却正是人类复杂性的真正基础，那么假基因、核糖开关等就大有理由认为它们是成立的。人们将逐渐清楚活性 RNA 会帮助控制染色体大规模的结构，并对其进行某些关键的化学修饰-这正是基因表型的信息层。人们发现最有吸引力的 RNA 形式是核糖开关，如果说蛋白质是细胞中的驮马，那么活性 RNA 就是会挥动的马鞭，但也有其中几种 RNA做着驮马的工作：完全像任何蛋白质一样进行催化化学反应、发送信息和
9、开关，这种小分子 RNA 仅在人类中就有 150 多种。同样数十年来，假基因作为分子化石受到忽视；其实分子化石是由突变而破碎以及进化而被遗弃的基因残余物，不从细胞层次上看，这只是离开活细胞的“生物分子“，自然不具有生物学功能；如果假基因什么功能都没有，为什么老鼠失去了它之后都死了呢？所以必须关注分子生物学和细胞物理学之间的“中间层次“。四、生物学史上最大错误之一，就是看不到中心法则的危险-只注意了结构信息，看不到交换信息。它认为所谓信息仅仅是储存于形同楼梯的 DNA 螺旋链内，尤其是配对形成“阶梯横档“的化学碱基（A、T、G 和 C） 。把基因组从表达信息（基因表型的信息层）简缩成基因的结构信
10、息，用表达的四个步骤来证明。首先一种酶锚定于染色体，将 DNA 中一条链转录成 RNA。其次，内显子即 RNA 前体中非编码部分被剪切，后形成信使 RNA。再次，信使由细胞核转移至细胞质，翻译成氨基酸链。最后，盘旋折叠成复杂的三维空间。暗示：一个 DNA 序列只能产生一种蛋白质。现在生物学家应把他们的注意力转回到 RNA 了。比利时大学 Georges指出：很大部分“基因“不编码蛋白质，只产生 RNA，但有明显功能，可称之为“转录单位“（转成 RNA）-它只有 244 个片断位于编码区，2/3 保存的序列位于基因的内显子，其余分散在基因间的“垃圾“DNA之中。正是注意力的偏离，人们不能认识非编
11、码序列的介入可能以RNA 分子的形成传递平行信息。澳大利亚 S.Mattick 指出：RNA 的优点是它有一个特殊的序列，因此它是数字化的，就像邮政编码一样。它能与其他 RNA 片断、DNA 蛋白质甚至小分子化合物相互作用，形成交换信息的共同载体，因此我们必须看到：正是通过 RNA 而非蛋白质起作用的隐藏基因否定了上述信息表达的四个步骤的定论。而必须真正区分出隐藏基因组的范围：一层是由大量的非编码 DNA 构成；另一层在 DNA 序列之外，所谓遗传信息基因表型层，位于染色体内（嵌入环绕、支持并结合于 DNA 上的蛋白质和化学物质中） ，出生、癌症等都暗示与基因表型有关。细胞生命体除了基因层次上
12、的结构信息，还应该在基因组层次上看到交换信息，因为基因组，是 DNA、RNA、蛋白质三元素相互作用的信息系统，作为信息增殖的过程看，遗传信息的形成、存储、表达和传输经常是在这三元素相互作用中实现的，三元素相互作用比二元素相互作用增加了更多的可能性和复杂性。7如 RNA 和蛋白质可对 DNA 序列有运算功能，对 DNA 中某些位点的某些符号进行修饰（如删除或插入）等。这都将使基因组的编码信息量增殖。又如，基因调节路线可通过蛋白质反作用于 DNA，也可由调节基因的转录物作用于操纵子的 RNA。用老子的“三生万物“来概括这一信息增殖过程：三=无穷大。进一步来分析，表观遗传是不同于通常 DNA 码的信
13、息，主要有三种类型的信息传递方式：通过 DNA 修饰（如胞嘧啶甲基化）的信息传递；由染色质中组蛋白修饰（如甲基化、磷酸化、乙酰化、泛蛋白化）引起的组蛋白复合体再组织；通过双链 RNA 传递遗传信息。表观遗传的信息增殖过程，直接说明了信息编码的多样性，怎样在相互作用中实现增殖。虽然编码信息量的增殖速度可作为物种进化速率的标度，但若增殖速度不能适应环境的剧变（如资源匮乏） ，那么物种就可能会濒临灭绝。有的细菌在产生中丢失功能，而使基因组的编码信息量减少，这是一种退化现象，当然也就不属于信息增殖律描述的范围。一般来说编码蛋白质的信息量将随物种遗传复杂性而增加。但基因密度却随物种遗传复杂性的增加而明显
14、减少。 （从原核生物的1000 基因/百万碱基对，到酵母的 500 基因/百万碱基对，再到哺乳动物的 20 基因/百万碱基对） 。从信息量来看，编码信息量随物种进化而递增。但从信息质来看，基因组的复杂性不是决定于基因的数量，而是决定于基因的相互作用。 （人类蛋白质结构域和其他动物相比并未增加多少，但它们有不同的蛋白质结构体系，人类细胞质膜和细胞外蛋白质结构体系增大很多，基因的相互作用和基因调控密切相关。 ）从原核生物基因表达调控发展到到真核生物基因表达调控，机理复杂主要在转录水平上，而调节模体（数量和性质在进化中易变）又是构成真核基因组非编码序列的相当大部分（约占1.68108 碱基对） ，故
15、而转录调节机制可能占到了基因组中相当大部分的基因表达调控。五、从分子水平阐释生命活动的信息增殖律-研究每一基因组的编码信息量演化，把握垃圾 DNA 情况，搞清楚暗信息意义。信息增殖律实现过程表现在两方面：一是量，提取各阶段结构信息；二是质，寻求基因组 DNA 的编码序列的多样性，在进化中趋向于功能约束规定的稳定值，即交换信息=这和给定编码规则下各种编码状态出现概率的分布有关。首先，从 DNA 序列中提取基因误识别信息、启动子信息、内含子剪切信息，或者从 RNA 序列和氨基酸序列中提取蛋白质结构信息等。-蛋白质结构预测实质上是一个结构信息如何提取的问题。其次，各编码状态的概率分布受到两个互相矛盾
16、互相补充的因素制约：一是碱基的随机突变，二是功能约束（包括功能进化和功能扩展）造成的碱基保守性，因此状态概率的变化表现出复杂的进化关系。第三、环境的选择由于功能约束（包括功能进化和扩展）造成的碱基保守性，因此状态概率的变化表现出复杂的进化关系。但由于功能约束（环境选择）的进化相对缓慢，而碱基突变是较快发生的事件，因此 DNA 序列还是显示出一定功能约束下碱基突变导致的随机性，从而使多样性取稳定值。 （系统与环境相互作用的结果。 ）这个特性可用来对序列进行预测，以确定生命信息系统的精确性和对于扰动的鲁棒稳定性，当然在预测时必须权衡各种多样性的贡献才能获得满意的结果。注意以下三点：1、生命系统的内环境（基因细胞人体）与外环境相互作用为使系统处于低熵有序的热力学稳定态，必须保持向环境外移的熵流（生命的“负熵流“）-人体内部健康细胞具有熵产生率极小的特性，癌细胞则有比正常细胞更高的熵产生率。与此同时，生命系统的热力学有序性要求它和环境有信息交换，即把生命系统的结构信息转录为交换信息。因此信息和熵虽有基本相同的表达
