生物信息bioinformation

调节和控制生命活动的信号。与物质、能量一起成为构成生物体的三大要素。生物信息的范围很广，如遗传物质、激素、神经传导的电冲动、生物体发出的声音、气味、颜色及生物的行为本身都含有信息，它们都对生物个体、群体及其他类群产生影响，和生物的生存和进化密不可分。生物信息的特点是消耗极小的能量和物质即可产生极大的生物效应。生物信息一般可分为遗传信息、神经和感觉信息和化学信息。虽然遗传信息和神经感觉信息的载体都属于化学物质，但通常所指的化学信息是除以上两类物质以外的化学物质所携带和传递的信息。高等生物所产生的激素及昆虫分泌到体外的激素都属于这一类。

生物信息

生物体在新陈代谢过程中，除了在其内部与外部环境进行着物质与能量的交流和变换外，还有信息的交流和变换。信息与质量及能量一起构成物质的三大基本要素。信息是物质的结构和运动的组织程度或有序程度的测度。由于组织程度的高低对应于事先知识不确定性的大小，所以常以不确定性作为被考察系统的信息量的定义。从生物物理学的观点看，可以把关于生物结构的信息称为静态信息，而把关于生物功能的信息称为动态信息。系统的某一部分在某一时刻是否处于某一状态的这种不确定性是和这个状态出现的概率Pi有关的。显然，如果某一状态必然出现(概率为1)，那么就不存在不确定性 （不确定性为零）。出现某一状态的概率愈小，事先预计出现这种状态的不确定性就愈大。因此可以用-logPi作为出现该状态的不确定性的度量。但是由于出现不确定性为-logPi的状态的概率为Pi，因此平均说来，关于该事件在该时刻所处状态的不确定性为
　H(X)=-P₁logP_i称H(X)为事件X的熵。当把对数的底取作2时，那么一个只有两种等可能结局的事件的熵就为1，我们以此作为熵的单位，称为毕特。由此可知，若某信息形式由2n个等概率简单事件中选择一种的记录作描述，则它的信息量是n毕特。在生物体中，核酸的一级结构就是由四种核苷酸顺序相连的多核苷酸链。因此，由n个核苷酸组成的核酸的一级结构信息量是

H(X)=log₂4ⁿ＝2n毕特

如果我们知道了和事件X有联系的另一事件Y之后，使此时X的不确定性减少到条件熵H(X/Y)，那么我们在得知Y之后所获得的有关X的信息量就可定义为

I(X,Y)=H(X)-H(X/Y)

在这种意义下，我们也可把某一事件的熵H(X)理解为包含在它自身中的关于它自身的信息量。
根据这些基本公式，不少作者曾估计了人的感官每秒所接收的外界刺激的信息量，以及人作为整体每秒能正确应答的信息量。结果发现前者很大，数量级在每秒10⁶毕特以上，而后者很小，只有每秒几十毕特而已。由此可见，由感官进入大脑的信息必然要经过复杂的处理过程。对生物信息处理的研究是生物控制论、仿生学、神经与感官生理和病理、心理物理和人工智能研究最感兴趣的中心课题之一，它们从不同的侧面研究这一课题。
我们可以把系统与系统之

图 信息传递的模式图

间，以及系统的部件与部件之间的信息传递用模式图表示（图）其中第一部分称为信源。信息的形式是多种多样的，它可以用表示信源状态的一定物理量体现出来，例如眼睛所接收的外界图象就是一种信源。作为消息的物质体现形式的物理过程就称为信号。而信号在其间传输的系统或介质就称为通道。神经纤维就是一种通道。信源的信号不一定适合于在通道中传递，有时需要把它们变换成适合于在通道中传输的信号，例如感受器要把外界刺激转换成神经脉冲等。这些把信源的信息换成适合于在通道中传输信号的部件就称为编码器。例如网膜神经节细胞的轴丘就可以看成是一种编码器。编码器把所要传输的消息转译成一系列不同信号的组合，这个手续本身就称为对该消息编码。一般说来，在高等动物的神经系统中是按脉冲发放频率来编码的。译码器的作用是把收到的信号还原成消息，例如突触就可以看作是一种译码器。最后一个“接收者”就是信息传送的对象，例如次级神经原就可以看作是“接收者”。通道在单位时间内可能传输的信息单位的最大数量就称为该通道的通道容量。
信息论建立了编码后的信号集合Y能完全反映信源X的必要条件：H(Y)≥H(X)。例如要用四种不同核苷酸的序列来表示20种氨基酸，那么两个核苷酸所组成的序列是不够的，因为这只能产生16种不同的组合。
由于信息在通道中传输时可能会受到干扰，因此在接收端会造成错误，纠正这种错误的方法之一是在发送端加上额外的信息——冗余信息。信息论表明如果使冗余信息量和由于噪声预期要损失的信息量匹配适当的话，就有可能使错误概率趋向于零。
虽然在理论上说，这些错误总可得到纠正，但这在实际上往往是不经济的。现在已经建立了机体死亡率与由于衰老、毒物等所造成的损伤量之间的关系。
有关生物信息的概念和理论不仅在神经生理学与心理物理学中得到了广泛的应用，而且在分子生物学和遗传学中也起着重要的作用。

生物信息

指生物之间的通讯联系和生物遗传密码的传递、复制和转录、转译过程。前者如鸟类的鸟语以不同声频为信息，蝙蝠以人耳听不到的超声波为信息，蚊子以气味为信息，而中医按脉的实质，获得人体内生理变化的信息。后者涉及信息科学中的一个重大的研究课题“信息与生命”。在生命的新陈代谢过程中，物质交换与能量交换是基础，而信息交换是灵魂。生物遗传的实质是遗传信息的传递问题。核酸是遗传功能的主要承担者，它携带着关于蛋白质中各种(共20种)氨基酸排列顺序的密码。核酸包括几种核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)，它们负责传送并复制遗传信息。RNA又有多种，比如消息核糖核酸(mRNA)、传递核糖核酸(tRNA)，前者携带关于如何由DNA合成蛋白质的信息，后者则具有特殊的调节功能，在合成蛋白质的过程中把氨基酸联系到mRNA的序列中去。DNA是存贮遗传信息的基本单元，这些信息在合成蛋白质的过程中发挥重要作用。由DNA合成蛋白质的过程可以用一种通信模型来描述，如下图：

所有生物，从细菌到人类，遗传信息传递的过程和功能都一样。所有生物都由两大类分子结构组成：蛋白质和核酸。前者由20种氨基酸组成，后者由4种碱基组成。应当指出，这里的翻译过程是严格不可逆的，通信是单向的，只能由DNA到蛋白质。正象一般信息传递系统难免出现差错一样，生物系统虽然可以保证遗传密码的正确翻译，但也难免发生传输差错，出现变异。各种化学因素、各种电离辐射(如x射线、宇宙射线)都可能成为变异原因，它们在DNA——蛋白质通信系统中扮演了噪声源角色。