《信息理论和进化》评介

—— Information Theory and Evolution

作　者： John Avery

出版社： World Scientific

索书号： Q11/A954/2003/Y

藏书点：武大外教中心

这本书旨在讨论生命现象， 包括以热力学为背景的生命起源和进化 (涵盖人类文化的进化)，统计机械论和信息理论。 热力学第二定律阐明宇宙的熵(混乱)总是不停地增加。而在热力学第二定律和活的生物体高度有序及复杂性之间似乎存在一个矛盾，这将是本书的一个重要题材。 这个明显的矛盾可以通过从外部输入生物圈的Gibbs自由能的信息含量来解释，详细内容将在第四章进行讨论。

本书从关于进化思想和研究的历史片断开始，不仅涵盖了 Charles Darwin的毕生工作， 在其前后的一些相关内容也有所提及。这些研究进化理论的先驱者有Aristotle， Condorcet， Linnaeus， Erasmus Darwin， Lamarck，和Lyell，是他们奠定了Charles Darwin进化理论的基础。

1882 年，Charles Darwin去世后，进化理论继续发展，并因为新近发现的事实而有所更新。和Darwin时代相比，现代分子生物学和DNA 技术能够允许我们根据形态学来精确建立进化谱系。大分子序列的比较结果总体上可以证实了19 世纪的进化图景，但同时他们也提供了对早期先驱的进化理论不利的研究。

Darwin这样来形容进化，进化是通过对物种个体的某些可遗传的微小变异进行自然选择而发生。但我们现在知道， 变异可能有时是突然的和巨大的——这可以通过De Vries和Muller对突变类型的研究而获知，也可以通过某些更加猛烈的共生和基因融合的机制而证实。

Darwin推测了生命的起源， 但他从他的出版物中故意地省去了关于这个主题的讨论。 然而， 在人所周知的经其口授并签署的临终信中，他写道：“……生活的原则此后将证明是一些法律的普遍规则的部分或结果。”在如今我们的时代，一些研究员，譬如A.I.Oparin， Herald Urey， Stanley Miller， Melvin Calvin. Sydney Fox， Leslie Orgel， Carl Sagan， Manfred Eigen， Christian de Duve， Erwin Schrodinger， Claude Shannon，和Stuart Kauffman开始揭示这一普遍规则。

从这些研究人员的工作描绘的图景中，我们可以看到最初地球大气中几乎没有氧气分子的存在。 能源，比如海底的地热孔、 紫外光、 火山作用、 放射性衰变、 闪电闪光以及大气冲击，将地球的原始海洋和大气中的分子转变成氨基酸，核苷酸以及生物体的组成部分。富含能源的分子，比如硫化氢， 硫化铁， 氢气， 磷酯类， 焦磷酸， 硫酯和 HCN同时被生产了。因为没有生物的存在，并且在原始大气中不存在分子氧， 因此富含能源分子并没有立刻被降解， 他们是在原始海洋以中等浓度的形式而存在。

我们可以形容其为“化学达尔文进化”时代， 在这个时代，自动催化系统互相争夺前体和富含能源分子。这些自动催化系统 (催化合成它们自身的分子系统)可能被视作为生命的前体。它们不仅“吃了”原始海洋中富含能源的分子; 他们也重新生产，也在用一个完全的“达尔文方式”互相竞争着， 向着效率更高方向的随机变异被选择和繁殖。

这幅图景中一个极其有趣的方面是讨论富含能源分子在其中扮演的特殊角色，之所以这么说，是因为分子进化的过程乍一看似乎是违反了热力学第二定律——从无序中创造有序，而根据第二定律——无序度应该是持续增加的。如果我们沿着这样的路线进一步进行思考，我们会发现似乎所有生命形式都是在违反着热力学第二定律从无序中创造着有序。

生物组织能够如此是因为他们不是闭合的系统。 如果我们看“好的版本”的热力学第二定律， 它是这样描述的， 宇宙的熵 (或混乱)总是增加的，这当然是对的。而生物组织在他们自己和与他们相邻的环境中生产有序，但是却对宇宙这个整体创造了无序。事实上，食物降解为废品的过程，就是生命牺牲全局无序创造局部有序的过程。生命体神奇地展示了局部有序，但是同时，大型系统无序增加了。这些大型系统包括太阳， 地球，以及星际空间的冰冷尘云。

上面提出的关于生命起源的假想图景中， “食物”分子由自动催化剂降解的过程是一个创造有序的分子进化过程。本书的第四章将集中讨论这个过程中熵的关系，并且将会对 Maxwell， Boltzmann and Gibbs的统计机械论与Claude Shannon等人提出信息比较理论进行比较。从中可以知道Gibbs自由能携带着信息内容并且由自动催化剂在原始海洋中富含能量分子获得的“热力学信息”是化学进化过程中产生的无序的源泉。

今天， 地球的最巨大热力学信息的源泉是以光子的形式从太阳到达我们自由能量潮。第四章里， 将对被吸收的光子能量和它的信息含量进行一个定量关系的推断。想跳过此章的读者也不会因此而丧失争议的焦点，是愿意接受推断出来的主要结果——还是仅仅是 Gibbs自由能包含着信息的热力学形式这一事实。

有一个可能的假设，这个假说认为来自自由能量的热力学信息是生命起源背后的驱动力量。这是今天所有生命形式背后的驱动力量——在生命能导致的局部有序的背后。 这就是达尔文猜测的“一般法则”，也许某天被最终揭示从而成为生命原则的基础。所有的信息都包含在复合体里面，那些可以视作生命的特征并且在统计学上认为是不可能的结构或许就在以阳光的形式到达地球的巨大的热动力学信息流中蒸发了。

人在哪里与这个图景相契合呢 ? 就像地球上其他所有生命形式，人类通过他们的DNA碱基序列进行从一代到下一代信息传递。同时，人类开发了快速高效的信息传输方式—— 语言和文化。

虽然语言和文化并不是我们人类独有的， 但是他们被开发的程度却是地球上独特上。 因而人可以以此与其他物种相区分——他们有两种模式的进化变化：以携带大量信息的 DNA分子为象征的遗传进化和以书本和电脑磁盘为象征的文化进化。

如果我们比较这两个进化的模式， 我们发现，遗传进化是非常慢的， 而文化进化却是非常迅速的，并且不停地加速。在最近 40，000 年期间，人的基因组改变了很少; 但在这个期间， 文化进化不可想象地改变了我们的生活方式。 所以形成并适合于游猎社会的人类祖先的人类天性显然完全不能适应我们当前的生活方式。例如， 人类本性似乎包含一些可以叫做“部族制”的东西， 这显然不适合现代世界的瞬间通信和以及不断增加的相互依赖。

人的基因进化不仅滞后他们的文化进化， 而且文化进化本身有一个迅速移动的组分和滞后的一个慢速移动的组分，与其间创造着张力创造。 如同我们进入 21 世纪， 技术以显著的速度发展，与此同时当社会和政治体系却相对显得慢慢地改变。如果人类社会不想被科技进步的速度打成碎片的的话，解决这一不和谐需要人们不断地学习与思考。

有趣的是， 信息技术和生物技术， 这二个发展最为迅速的领域，越来越紧密联系在一体，并互相有所启发。生物学家研究了超分子结构自我聚集的机制，譬如细胞膜，病毒， 叶绿体和线粒体。 而纳米科学领域的研究者现在试图使用这些在生物体中观察到的超分子组织的原理， 来发展一种更新级别的小型化的信息技术开关和存储设备。以生物进化为模型的模拟进化已经被使用来开发新的和非常好的计算机硬件和软件。同时， 计算机和自动化对生物技术变得越来越重要和必需，而且实际上许多大学现开设系（专业）来致力于生物信息学的研究。第七章将追踪信息技术的历史， 而第八章将讨论它与生物技术合并的方式。

本书的最后一章展望生物信息学技术这一新领域的未来，并试图预言在新世纪期间它将到达怎样的成就并且这些成就将如何影响着我们这个社会。

本书目录：

第一章：进化理论的先驱

第二章：达尔文的生活及工作

第三章：分子生物学和进化

第四章：统计机械论和信息

第五章：生物的信息流

第六章：文化进化和信息

第七章：信息技术

第八章：生物信息理论

第九章：前景展望

附录 A：熵和信息

附录 B：生物症候学