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物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？( 三 )


克劳德·香农
麦克斯韦只是构想了关于小妖的思想实验 ， 但如今纳米技术的进展使得通过实验实现这个基本想法成为可能 。 数十亿年来 ， 生命甚至一直在制造和利用各种各样的“小妖” 。 它们充满了我们的身体[5] 。 复制DNA的分子机器、沿着纤维的物质运输 ， 或者穿越细胞膜的质子泵的运转非常接近理想的热力学极限 。 它们游走在热力学第二定律的边缘以获得能量优势[6-7] 。 人类大脑的连接中也使用了一种“小妖”——电压门控离子通道——来传播电信号 。 这些离子通道保证大脑能够以相当于一个微弱灯泡的能量运转 ， 尽管它具有相当于一台兆瓦量级超级计算机的强大功能[8] 。
2 生物信息的环境性质
“小妖”仅仅是生命的信息冰山之一角 。 生物信息远远超出了优化能量预算的功能；它经常扮演管理者的角色 。 我们可以考虑受精卵发育为胚胎（图4）的过程 。 它在每一个阶段都受到由多种物理和化学过程精细调节的信息网络的监督 ， 所有这些安排使得最终复杂的形式以正确的结构和形态出现 。
物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？
图4：人类胚胎 ， 8-9周 ， 38毫米长 | 图片改编自Anatomist90 ， 维基共享
利用基因调控网络中的信息流来模拟胚胎发生的尝试已经取得了显著成功 。 加州理工学院的 Eric Davidson 和同事们从化学上描绘出了控制海胆早期发育的基因网络的完整连接图像 。 通过跟踪信息流 ， 研究小组编写了一套计算机程序来逐步模拟网络动力学 。 在每一个阶段 ， 他们将回路状态的计算机模型与观察到的海胆发育阶段进行比较 ， 结果获得了令人印象深刻的匹配结果 。 研究人员还在计算机模型中探讨了用化学方法让特定基因沉默的影响 ， 以预测发生突变的胚胎会遭遇什么；结果他们的模型与实验观察再次相符[9] 。
普林斯顿大学的 Thomas Gregor 和 William Bialek 领导的小组一直在研究果蝇发育的早期阶段 ， 特别是其独特的形态特征最初是如何出现的 。 在发育过程中 ， 细胞需要知道它们在三维空间中相对于其他细胞的位置 。 那么它们如何获得位置信息呢？人们很早就知道 ， 细胞具有一种基于化学梯度的 GPS ， 而化学梯度又进一步由特定基因的表达水平调节 。 普林斯顿大学的研究小组最近将注意力集中在四种所谓的间隔基因上 ， 这些基因通过在身体构造上形成间隔或条带为胚胎的形态奠定基础 。 研究人员发现 ， 细胞利用贝叶斯概率从基因表达水平中提取最佳位置信息 ， 精度达到了惊人的1% 。 他们还将贝叶斯优化模型应用到突变菌株上 ， 并正确预测胚胎变化后的形态[10] 。
物理|从麦克斯韦妖到量子生物学，生命物质中是否潜藏着新物理学？
图5：果蝇早期胚胎中的间隔基因 ， 它们的突变会导致特定身体片段的缺失 | Haecker A, Qi D, Lilja T, Moussian B, Andrioli LP, Luschnig S, Mannervik M
这些分析提出了一个关键的哲学问题 ， 直指物理学和生物学概念不匹配这一问题的核心 。 基因调控网络的研究和贝叶斯算法的应用目前被视为现象学模型 ， 在这里 ， “信息”是产生真实生物体的逼真模拟的一种方便的替代品或标签 。 但麦克斯韦妖给我们的启示是 ， 信息实际上是一个物理量 ， 它可以深刻地影响物质的行为方式 。 香农定义的信息不只是一个非正式参数 ， 它是一个基本的物理变量 ， 在热力学定律中占有一席之地 。
香农强调 ， 他的信息论纯粹是处理信息流动的效率和能力 ， 并不包含所传达信息的含义 。 但在生物学中 ， 意义或环境至关重要 。 如何才能从数学层面上探得指导、监督或环境信息的性质呢？有一种方法是分子生物学中所谓的中心法则——这是克里克（Francis Crick）和沃森（James Watson）在推导出DNA双螺旋结构大约十年后创造的一个术语 ， 中心法则认为 ， 信息是单向流动的 ， 从DNA到制造蛋白质的机器 ， 再到生物体 。 我们或许称之为“自下而上”的流动 。
如今我们早已得知：生物学中的信息传递是一个双向过程 ， 包括反馈循环和自上而下的信息流 。 例如 ， 如果培养皿中的细胞过于拥挤 ， 它们就会停止分裂 ， 这种现象被称为接触抑制 。 此外 ， 国际空间站上的微生物实验表明 ， 细菌在失重环境下会表达的基因可能与在地球上不同 。 显然 ， 系统层面的物理作用会在分子水平上影响基因表达 。
美国塔夫茨大学艾伦发现中心的 Michael Levin 和同事们的工作为自上而下的信息流提供了一个引人注目的例子 。 Levin 的小组正在探索 ， 对于控制一些生物体的生长和形态而言 ， 系统层面的电模式如何能像机械力或化学模式一样重要 。 健康细胞是电极化的：它们通过泵出离子 ， 在细胞壁两侧维持几十或几百毫伏的电势差 。 与之相反 ， 癌细胞则倾向于去极化 。Levin 的小组发现 ， 在多细胞生物中 ， 跨组织的细胞极化模式在生长发育、伤口愈合和器官再生中发挥着关键作用 。 通过从化学上破坏这些电极化模式 ， 可以产生新的形态秩序[11] 。 扁形动物门涡虫纲的片蛭科生物（planaria ， 一类简单的两侧对称动物）可以作为方便的实验对象 。 如果一只普通的虫子被切成两半 ， 头部的一半会长出一条新的尾巴 ， 尾巴的一半会长出一个新的头部 ， 这样就形成了两只完整的虫子 。 但通过改变伤口附近的电极化状态 ， 可以形成有两个头或两个尾巴的虫子（图6） 。


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