信息论和生命科学――历史和前沿

信息论与生命科学-历史与前沿吴雪兵生物信息学教育部重点实验室清华信息国家实验室生物信息学研究部清华大学自动化系[e-mail]麦克斯韦妖PK热力学第二定律•1850热力学第二定律(熵增原理)宇宙热寂•生命的生长与进化拮抗机制?•麦克斯韦妖麦克斯韦妖违反了第二定律吗?Maxwell,J.C.TheoryofHeatCh.22(Longmans,GreenandCo.,London,1871).信息，负熵，生命•1929齐拉德:分子运动信息为负熵–齐拉德还提出了一个计算信息量的公式：I=-k（W1lnW1+W2lnW2）W是热力学几率•1944薛定谔:生命以负熵为生–生命从环境中摄取负熵，保持自身结构高度有序–生命遗传信息载体”非周期性晶体”•1953克里克/沃森–提出DNA双螺旋结构现代生命科学现代信息论的先导Schrödinger,Erwin(1944).WhatisLife-thePhysicalAspectoftheLivingCell.CambridgeUniversityPress妖踪初现•分子信息棘齿SerreliVetal(2007),Amolecularinformationratchet,NatureDavisAP(2007)NatureNanotechnologyGeneralCalculusofBiology?•薛定谔《生命是什么》:寻找生命科学的量化定律•生命的本质特征在于维持特定的组织结构，而信息论提供了量化这种组织性的方法–1954加莫夫理论预言遗传密码子是三联体–1955年Morowiz估计需要2×1011bit信息来描述大肠杆菌的三维结构，与热力学数据的结果相吻合(MorowitzHJ,1955,Bull.Math.Biophys.)信息论：统一物理世界与生命世界？十八年后…•Onlydisappointments…•“Itisnotsufficienttodefinebiologicalinformationinphysicaltermsonly—thatis,asnegativeentropy.”JohnsonHA(1970)Science缺陷•统计信息：内容无关•物理构成上的不确定性!=生物功能GGGATCCTTGAGTCCTACTCAGCCCCAGCGGAGGTGAAGGACGTCCTTCCCCAGGAGCCGGTGAGAAGCGCAGTCGGGGGCACGGGGATGAGCTCAGGGGCCTCTAGAAAGAGCTGGGACCCTGGGAACCCCTGGCCTCCAGGTAGTCTCAGGAGAGCTACTCGGGGTCGGGCTTGGGGAGAGGAGGAGCGGGGGTGAGGCAAGCAGCAGGGGACTGGACCTGGGAAGGGCTGGGCAGCAGAGACGACCCGACCCGCTAGAAGGTGGGGTGGGGAGAGCAGCTGGACTGGGATGTAAGCCATAGCAGGACTCCACGAGTTGTCACTATCATTTATCGAGCACCTACTGGGTGTCCCCAGTGTCCTCAGATCTCCATAACTGGGGAGCCAGGGGCAGCGACACGGTAGCTAGCCGTCGATTGGAGAACTTTAAAATGAGGACTGAATTAGCTCATAAATGGAACACGGCGCTTAACTGTGAGGTTGGAGCTTAGAATGTGAAGGGAGAATGAGGAATGCGAGACTGGGACTGAGATGGAACCGGCGGTGGGGAGGGGGTGGGGGGATGGAATTTGAACCCCGGGAGAGGAAGATGGAATTTTCTATGGAGGCCGACCTGGGGATGGGGAGATAAGAGAAGACCAGGAGGGAGTTAAATAGGGAATGGGTTGGGGGCGGCTTGGTAAATGTGCTGGGATTAGGCTGTTGCAGATAATGCAACAAGGCTTGGAAGGCTAACCTGGGGTGAGGCCGGGTTGGGGCCGGGCTGGGGGTGGGAGGAGTCCTCACTGGCGGTTGATTGACAGTTTCTCCTTCCCCAGACTGGCCAATCACAGGCAGGAAGATGAAGGTTCTGTGGGCTGCGTTGCTGGTCACATTCCTGGCAGGTATGGGGGCGGGGCTTGCTCGGTTCCCCCCGCTCCTCCCCCTCTCATCCTCACCTCAACCTCCTGGCCCCATTCAGGCAGACCCTGGGCCCCCTCTTCTGAGGCTTCTGTGCTGCTTCCTGGCTCTGAACAGCGATTTGACGCTCTCTGGGCCTCGGTTTCCCCCATCCTTGAGATAGGAGTTAGAAGTTGTTTTGTTGTTGTTGTTTGTTGTTGTTGTTTTGTTTTTTTGAGATGAAGTCTCGCTCTGTCGCCCAGGCTGGAGTGCAGTGGCGGGATCTCGGCTCACTGCAAGCTCCGCCTCCCAGGTCCACGCCATTCTCCTGCCTCAGCCTCCCAAGTAGCTGGGACTACAGGCACATGCCACCACACCCGACTAACTTTTTTGTATTTTCAGTAGAGACGGGGTTTCACCATGTTGGCCAGGCTGGTCTGGAACTCCTGACCTCAGGTGATCTGCCCGTTTCGATCTCCCAAAGTGCTGGGATTACAGGCGTGAGCCACCGCACCTGGCTGGGAGTTAGAGGTTTCTAATGCATTGCAGGCAGATAGTGAATACCAGACACGGGGCAGCTGTGATCTTTATTCTCCATCACCCCCACACAGCCCTGCCTGGGGCACACAAGGACACTCAATACATGCTTTTCCGCTGGGCGCGGTGGCTCACCCCTGTAATCCCAGCACTTTGGGAGGCCAAGGTGGGAGGATCACTTGAGCCCAGGAGTTCAACACCAGCCTGGGCAACATAGTGAGACCCTGTCTCTACTAAAAATACAAAAATTAGCCAGGCATGGTGCCACACACCTGTGCTCTCAGCTACTCAGGAGGCTGAGGCAGGAGGATCGCTTGAGCCCAGAAGGTCAAGGTTGCAGTGAACCATGTTCAGGCCGCTGCACTCCAGCCTGGGTGACAGAGCAAGACCCTGTTTATAAATACATAATGCTTTCCAAGTGATTAAACCGACTCCCCCCTCACCCTGCCCACCATGGCTCCAAAGAAGCATTTGTGGAGCACCTTCTGTGTGCCCCTAGGTACTAGATGCCTGGACGGGGTCAGAAGGACCCTGACCCACCTTGAACTTGTTCCACACAGGATGCCAGGCCAAGGTGGAGCAAGCGGTGGAGACAGAGCCGGAGCCCGAGCTGCGCCAGCAGACCGAGTGGCAGAGCGGCCAGCGCTGGGAACTGGCACTGGGTCGCTTTTGGGATTACCTGCGCTGGGTGCAGACACTGTCTGAGCAGGTGCAGGAGGAGCTGCTCAGCTCCCAGGTCACCCAGGAACTGAGGTGAGTGTCCCCATCCTGGCCCTTGACCCTCCTGGTGGGCGGCTATACCTCCCCAGGTCCAGGTTTCATTCTGCCCCTGTCGCTAAGTCTTGGGGGGCCTGGGTCTCTGCTGGTTCTAGCTTCCTCTTCCCATTTCTGACTCCTGGCTTTAGCTCTCTGGAATTCTCTCTCTCAGCTTTGTCTCTCTCTCTTCCCTTCTGACTCAGTCTCTCACACTCGTCCTGGCTCTGTCTCTGTCCTTCCCTAGCTCTTTTATATAGAGACAGAGAGATGGGGTCTCACTGTGTTGCCCAGGCTGGTCTTGAACTTCTGGGCTCAAGCGATCCTCCCGCCTCGGCCTCCCAAAGTGCTGGGATTAGAGGCATGAGCCACCTTGCCCGGCCTCCTAGCTCCTTCTTCGTCTCTGCCTCTGCCCTCTGCATCTGCTCTCTGCATCTGTCTCTGTCTCCTTCTCTCGGCCTCTGCCCCGTTCCTTCTCTCCCTCTTGGGTCTCTCTGGCTCATCCCCATCTCGCCCGCCCCATCCCAGCCCTTCTCCCCGCCTCCCACTGTGCGACACCCTCCCGCCCTCTCGGCCGCAGGGCGCTGATGGACGAGACCATGAAGGAGTTGAAGGCCTACAAATCGGAACTGGAGGAACAACTGACCCCGGTGGCGGAGGAGACGCGGGCACGGCTGTCCAAGGAGCTGCAGGCGGCGCAGGCCCGGCTGGGCGCGGACATGGAGGACGTGTGCGGCCGCCTGGTGCAGTACCGCGGCGAGGTGCAGGCCATGCTCGGCCAGAGCACCGAGGAGCTGCGGGTGCGCCTCGCCTCCCACCTGCGCAAGCTGCGTAAGCGGCTCCTCCGCGATGCCGATGACCTGCAGAAGCGCCTGGCAGTGTACCAGGCCGGGGCCCGCGAGGGCGCCGAGCGCGGCCTCAGCGCCATCCGCGAGCGCCTGGGGCCCCTGGTGGAACAGGGCCGCGTGCGGGCCGCCACTGTGGGCTCCCTGGCCGGCCAGCCGCTACAGGAGCGGGCCCAGGCCTGGGGCGAGCGGCTGCGCGCGCGGATGGAGGAGATGGGCAGCCGGACCCGCGACCGCCTGGACGAGGTGAAGGAGCAGGTGGCGGAGGTGCGCGCCAAGCTGGAGGAGCAGGCCCAGCAGATACGCCTGCAGGCCGAGGCCTTCCAGGCCCGCCTCAAGAGCTGGTTCGAGCCCCTGGTGGAAGACATGCAGCGCCAGTGGGCCGGGCTGGTGGAGAAGGTGCAGGCTGCCGTGGGCACCAGCGCCGCCCCTGTGCCCAGCGACAATCACTGAACGCCGAAGCCTGCAGCCATGCGACCCCACGCCACCCCGTGCCTCCTGCCTCCGCGCAGCCTGCAGCGGGAGACCCTGTCCCCGCCCCAGCCGTCCTCCTGGGGTGGACCCTAGTTTAATAAAGATTCACCAAGTTTCACGCAATInformationcontentofDNAHaeseleerPD(2006)NatureBiotechnologySchneiderTD(2006)IEEEEngineeringinMedicineandBiologyMagazine“Informationtheoryisatheoryaboutbiology,andShannonwasabiologist.”~toms/神经编码(neuralcoding)•神经信号是如何：编码，传递和存储的？•神经计算如何实现：情感，记忆和智慧？动作电位二值信号信息论与神经编码MeasurethechannelcapacityofaneuronMutualinformation神经元网络•神经元群体而非单个神经元进行编码•两两相互作用：互信息，相关分析•多元相互作用：组合爆炸，维数灾难•多元相互作用是否蕴含在两两相互作用中？–N个人一起讨论的效果可否通过两两