垃圾DNA：生物信息學(xué)的應(yīng)用
生物信息學(xué)是在生命科學(xué)的研究中,，以計算機(jī)為工具對生物信息進(jìn)行儲存,、檢索和分析的科學(xué),。它是當(dāng)今生命科學(xué)和自然科學(xué)的重大前沿領(lǐng)域之一，同時也將是21世紀(jì)自然科學(xué)的核心領(lǐng)域之一,。其研究重點主要體現(xiàn)在基因組學(xué)(Genomics)和蛋白學(xué)(Proteomics)兩方面，具體說就是從核酸和蛋白質(zhì)序列出發(fā),，分析序列中表達(dá)的結(jié)構(gòu)功能的生物信息,。
基因組極其復(fù)雜
原核生物(如大腸桿菌)基因組的DNA序列約88％編碼蛋白質(zhì)，約1％編碼穩(wěn)定RNA,，但高等生物的情況完全不同,。隨著人類基因組測序的完成，已經(jīng)知道編碼蛋白質(zhì)的外顯子僅占基因組的1%,，內(nèi)含子占24％,，基因間的DNA序列占22％，重復(fù)序列占53％,；重復(fù)序列中可移動重復(fù)序列（轉(zhuǎn)座子）占45％,，簡單重復(fù)序列占3％，大重復(fù)片段占5％,。在99％的非編碼序列中,，內(nèi)含子被認(rèn)為只是大自然為加速基因進(jìn)化而引進(jìn)的一種把戲，是插在基因中外顯子間的噪聲,；基因間序列中只有很少部分被確認(rèn)為與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān),，剩下絕大部分也是無功能的廢物或垃圾（junk）。大量重復(fù)序列被認(rèn)為來源于“自私的”基因的高復(fù)制能力,，完全是中性進(jìn)化中產(chǎn)生的“junk”,。為什么高等生物的遺傳物質(zhì)中有高達(dá)90％以上的“垃圾”？對比低等生物,，這個矛盾顯得更加尖銳,。
1950年代末1960年代初開始闡明低等生物的基因結(jié)構(gòu)時,，乍一看情況井井有條，但隨著研究工作的深入,，發(fā)現(xiàn)基因組結(jié)構(gòu)具有愈來愈高的復(fù)雜性,，這些復(fù)雜性很多來自于中性突變，以及基因為獲得生存所作的努力,。高等生物的基因組90%以上都是非編碼序列,，是中性或近中性進(jìn)化中產(chǎn)生的“垃圾”。近兩三年,，科學(xué)界對垃圾DNA的討論日益增多,，各種觀點層出不窮，人們開始重新審視這些“垃圾”,，發(fā)現(xiàn)它們并非垃圾,，而是寶物。
例證之一,，可移動重復(fù)序列具有整合到基因組新位點的能力,，特別是其中的逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子，它們在基因組中的數(shù)量隨進(jìn)化而增加,，在低等真核生物中只有3%以下,，而在哺乳動物中幾乎占一半。其中一個叫做L1序列的轉(zhuǎn)座子,，大約每50個人基因組中就有一個新的L1序列插入,，它具有修復(fù)雙鏈DNA的功能，可幫助它前后的基因移動并插入到基因組其他位置,，可通過它包含的反義啟動子改變基因的表達(dá),，還能變成編碼蛋白質(zhì)的基因序列的一部分（L1存在于200 ～ 2 400個編碼蛋白質(zhì)的基因中）。Alu序列是另一個逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子,，其300堿基對的重復(fù)單元以140萬份拷貝散亂地分布在人類基因組中,，它們大約是在4 000萬年前大批進(jìn)入基因組的，至少有20種人類遺傳病與Alu序列的插入有關(guān),。最近發(fā)現(xiàn)Alu序列的外顯子化可導(dǎo)致可變剪接,，編碼更多種類的蛋白質(zhì)。這些都說明重復(fù)序列盡管是在中性進(jìn)化中產(chǎn)生的,，但后來還可能獲得功能,。功能本來就是一個動態(tài)的概念，那些在進(jìn)化過程中被保留下來的重復(fù)序列很可能與后來獲得的功能有關(guān),。脊椎動物基因組的快速進(jìn)化動用了可移動重復(fù)序列,，這些移動元素變成了基因進(jìn)化的推動者。
例證之二,，人類基因組中有很多保守的非基因序列,，它們在從鴨嘴獸到人的十余種哺乳動物中高度保守,，比編碼蛋白質(zhì)的基因序列和非編碼的RNA序列更保守，并具有不同于后兩者的獨立的信息學(xué)特征,，且數(shù)量之多驚人,，估計人類基因組中有6萬個，幾乎是編碼蛋白質(zhì)基因數(shù)的2倍,。在5′端和3′端非翻譯區(qū),，特別是5′端非翻譯區(qū)中，普遍存在著這類保守的非基因序列,。盡管它們的功能還不清楚,，但從此類序列的物種保守性可以估計它們編碼了某些功能元素。
例證之三,，非編碼RNA中RNA干涉和微RNA在2001和2002年連續(xù)被評為十大科技新聞之首,。微RNA（miRNA）和小干涉RNA（siRNA）性質(zhì)相像，都是長約22核苷酸的小RNA,，miRNA通過調(diào)節(jié)內(nèi)源基因表達(dá),，對生物體的正常生長進(jìn)行調(diào)節(jié)；siRNA是外源基因誘導(dǎo)下RNA干涉過程中形成的中間體,，介導(dǎo)基因沉默,，是基因組免疫系統(tǒng)的重要組成部分。兩者都是通過與靶基因配對來抑制翻譯過程,，但前者部分互補(bǔ)于3′端非翻譯區(qū)，后者完全互補(bǔ)于靶基因,，并切斷之,。siRNA可能在進(jìn)化早期已有，由于抑制過于徹底,，導(dǎo)致調(diào)節(jié)不可逆,，在進(jìn)化過程中產(chǎn)生miRNA來代替它，它們對基因組的功能都極為重要,。
呼喚信息生物學(xué)
昔日自然科學(xué)聚焦于物質(zhì)和能量兩個基本范疇,，“信息”是第三個基本范疇。生命是物質(zhì),，但不僅僅是物質(zhì),；生命是能量，但不僅僅是能量,；生命還是信息,，信息是生命的精髓。人生殖細(xì)胞的DNA只有二千億分之一克重,，從物質(zhì)組成來講微不足道,，從能量來看也沒有什么珍貴,，但它包含了生命發(fā)育、成長一直到死亡的種種信息,。更奇妙的是,，這些信息是經(jīng)過億萬年自然選擇，在大自然的隨機(jī)背景下形成,，由大量的偶然性凝練而成的,。根據(jù)香農(nóng)的定義，信息是通過對事物隨機(jī)選取的可能性來度量的,，大量信息意味著大量偶然性,。物理學(xué)對偶然性的習(xí)慣處理是進(jìn)行統(tǒng)計研究， 但自然界教給我們的另一種處理方法是對每一次的偶然性進(jìn)行隨機(jī)確定,，通過自然選擇找出一條最佳或較佳的路線（或序列）,，這類保留下來的序列反映了大量偶然性背景中形成的生命之序。 如果說物理學(xué)是研究能量的學(xué)科,，那么生物學(xué)就是研究信息的學(xué)科,。
分子生物學(xué)需要有一條主線來統(tǒng)領(lǐng)理論研究，這條主線筆者以為是以揭示生命信息流的基本規(guī)律為核心,，依據(jù)這些規(guī)律,，解釋和預(yù)測基本的分子生物學(xué)實驗，并建議將這種研究稱作信息生物學(xué),。近年興起的生物信息學(xué)是在基因組海量數(shù)據(jù)出現(xiàn)的條件下,，生物學(xué)理性化的一種努力，但主要還局限于數(shù)據(jù)處理的范圍,；而信息生物學(xué)將對生命信息本身,，對生命信息的遺傳、傳輸,、控制與表達(dá)的基本規(guī)律進(jìn)行研究,。可以預(yù)期,，在這種理論觀點下,，垃圾DNA的本來面貌將被揭示，進(jìn)化將從信息產(chǎn)生和控制的角度給出全新的理解,，各種結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系將獲得系統(tǒng)的詮釋和預(yù)測,。
信息和能量不同，不具守恒性,。信息的擴(kuò)增是生物學(xué)的基本規(guī)律之一,，它在生物學(xué)中的意義如同物理學(xué)的能量轉(zhuǎn)換和守恒。薛定諤的微型密碼觀念對10年后分子生物學(xué)的誕生極其重要,，但忽略了一個重要方面,，沒有考慮遺傳信息是如何積累擴(kuò)增和進(jìn)化的,。信息生物學(xué)將建立在幾個基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，其中第一規(guī)律就是信息擴(kuò)增律：
在DNA,、RNA,、蛋白質(zhì)的相互作用下，通過序列復(fù)制和編碼方式增加,，以及基因在基因組間轉(zhuǎn)移等機(jī)制,，基因組DNA的編碼信息量Ic在進(jìn)化中隨時間增長（dIc /dt≥0）。
熵增加是自然界的普遍規(guī)律,，但此處所說的不是孤立系統(tǒng),，也不是一般的熵增加，而是編碼信息量,。編碼信息量是編碼狀態(tài)數(shù)的對數(shù),。用4個字母構(gòu)成的長N的序列來編碼，編碼狀態(tài)數(shù)為4N,，編碼信息量為2N,。如此序列中有d個位點不參與編碼，則編碼狀態(tài)數(shù)為4N-d,，編碼信息量2(N－d),。
序列復(fù)制是導(dǎo)致信息量增加的重要原因。重復(fù)序列通過變異形成新基因新功能,，使編碼信息量增加,；也可能失活而變成假基因，不貢獻(xiàn)編碼信息量,。產(chǎn)生新編碼方式是導(dǎo)致信息量增加的另一重要原因,。對于一個復(fù)雜系統(tǒng)，由于子系統(tǒng)間的隨機(jī)作用,，而不斷增加新的編碼關(guān)系，這種編碼關(guān)系往往來源于某種結(jié)構(gòu)匹配和物理化學(xué)作用,，一般地,，總是不斷增加的。普適遺傳密碼的反常和新氨基酸（硒代半胱氨酸,、吡咯賴氨酸）的出現(xiàn)就是兩個例子,，后者來源于無意義密碼子的重新詮釋。它們表明了進(jìn)化中信息量的擴(kuò)增以及擴(kuò)增是基于新編碼方式的建立,。
必須強(qiáng)調(diào),，這里所說的編碼不一定是遺傳密碼。如miRNA和siRNA就提供了進(jìn)化中產(chǎn)生不同于遺傳密碼的新編碼關(guān)系的實例,。miRNA和siRNA作用機(jī)理的關(guān)鍵在于形成了一種編碼機(jī)制,，即從mRNA出發(fā),，經(jīng)過包括Dicer酶在內(nèi)的多種酶的參與，加工成小RNA雙鏈復(fù)合物,，然后降解成22核苷酸的單鏈RNA分子,，再和多種分子形成稱為RISC(RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合體)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體，再通過RISC對靶RNA切割降解而實現(xiàn)功能,。又如從DNA的初級轉(zhuǎn)錄物到成熟RNA的剪接和可變剪接（切除基因內(nèi)部不編碼蛋白質(zhì)的內(nèi)含子）以及RNA編輯（以另一RNA為模板修飾mRNA前體）,，是另一不同于遺傳密碼的新編碼關(guān)系。這些例子都說明任何編碼關(guān)系的形成都是需要多種因子參與的復(fù)雜過程,。
生命是DNA,、RNA、蛋白質(zhì)三元素相互作用的信息系統(tǒng),，遺傳信息的形成,、存儲、表達(dá)和傳輸經(jīng)常是在這三元素相互作用中實現(xiàn)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復(fù)雜性,。如RNA和蛋白質(zhì)可對DNA序列有運算功能，對DNA中某些位點的某些符號進(jìn)行修飾（如刪除或插入）等,。這都將使基因組的編碼信息量擴(kuò)增,。又如，基因調(diào)節(jié)路線可通過蛋白質(zhì)反作用于DNA,，也可由調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄物作用于操縱子的RNA,。老子說：“道生一，一生二,，二生三,，三生萬物。” 總結(jié)這三元素在生命過程中的作用,，我們不妨引用這樣的命題和假設(shè)：三＝無窮大,。
朊病毒（prion）與蛋白質(zhì)病是三元素相互作用的例子。瘋牛病的病原體是蛋白質(zhì),，有正常Pr P c 和病態(tài)PrP sc兩種形態(tài),，PrP c 有4個α螺旋，而PrP sc中其中2個變成β折疊,，此過程沒有核酸參與,。但這些信息是如何傳下來的？一般來說,，遺傳病的機(jī)制存在于DNA,、RNA、蛋白質(zhì)三元素相互作用的網(wǎng)絡(luò)中；實驗表明,，PrP c到 PrP sc的轉(zhuǎn)變過程需要寄主RNA分子參與,。因此搞清瘋牛病遺傳機(jī)制的關(guān)鍵在于弄清楚這三元素相互作用的網(wǎng)絡(luò)，此中必有新的編碼關(guān)系,，且這個編碼和結(jié)構(gòu)有關(guān),。
表觀遺傳是不同于通常DNA碼的信息,，主要有三種類型的信息傳遞方式：通過DNA修飾（如胞嘧啶甲基化）的信息傳遞,；由染色質(zhì)中組蛋白修飾（如甲基化,、磷酸化,、乙?；⒎旱鞍谆┮鸬慕M蛋白復(fù)合體再組織,；三是通過雙鏈RNA傳遞遺傳信息,。表觀遺傳也說明了信息編碼的多樣性和擴(kuò)增。
編碼信息量的增長速度可作為物種進(jìn)化速率的標(biāo)度,，但是如果這個增長速度仍不能適應(yīng)環(huán)境的劇變（如資源匱乏），那么物種就可能會瀕臨滅絕,。有的細(xì)菌在寄生中丟失功能而使基因組的編碼信息量減少,，這是一種退化現(xiàn)象，不屬于信息擴(kuò)增律描述的范圍。
基因組的信息擴(kuò)增律是否和實驗資料一致？與解決垃圾DNA問題有什么關(guān)系,？已知基因組的進(jìn)化復(fù)雜性和它的大小沒有關(guān)系,，同一門或綱的不同物種基因組大小可能有幾十倍甚至上百倍的差別,，但各門或綱的基因組最小值從原核生物到真核哺乳動物則是依次增加的[1],。這粗略反映了編碼蛋白質(zhì)的信息量隨物種遺傳復(fù)雜性而增加,。此外，還有一個需要重視的規(guī)律：基因密度隨物種遺傳復(fù)雜性的增加而明顯減小，從原核生物的1 000基因/百萬堿基對,，到酵母的500基因/百萬堿基對,，再到哺乳動物的20基因/百萬堿基對。這說明基因調(diào)節(jié)機(jī)制的復(fù)雜性隨著基因組的復(fù)雜性而增加,。如果除了編碼蛋白質(zhì)的信息量外,，把調(diào)節(jié)機(jī)制中的編碼關(guān)系也算進(jìn)來,，則編碼信息量隨物種進(jìn)化而遞增的圖像就會很清晰,。實際上,，基因組的復(fù)雜性主要來源于基因的功能,，決定于基因間的相互作用，不是決定于基因的數(shù)量,。人類蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域和其他動物相比并未增加多少,，但它們有不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)體系,，人類細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞外蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)體系增大很多,，基因的相互作用和基因調(diào)控密切相關(guān),。
原核生物基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)理已被莫諾（J. Monod）闡明，但真核生物基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)理復(fù)雜得多,，可在多個水平發(fā)生,，最主要是在轉(zhuǎn)錄水平,。典型地,，啟動子包含轉(zhuǎn)錄起始位點上游10 000堿基對至下游6 000堿基對的范圍，含RNA聚合酶和調(diào)節(jié)蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）的多個結(jié)合位點,，由4～8個調(diào)節(jié)模體（motif）組成一個模塊,，如增強(qiáng)子、阻遏子等,，每個調(diào)節(jié)模體由5～10堿基對組成,。這里的復(fù)雜性在于：不同轉(zhuǎn)錄因子可識別相近的模體,，而對應(yīng)一定轉(zhuǎn)錄因子的模體在各位點上都未必完全保守，且模體的位置可變,。所以,，基因組中調(diào)節(jié)模體的數(shù)量和性質(zhì)都是進(jìn)化中較易改變的。調(diào)節(jié)模體構(gòu)成真核基因組非編碼序列的相當(dāng)大部分：考慮到模體的可變性,， 如果10堿基對長的模體有410個,，每個模體出現(xiàn)一次，它們就約占1.68×108堿基對,，是人基因組的二十分之一,。由此可見，轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制可能占到了基因組中相當(dāng)大部分的基因表達(dá)調(diào)控,。以上估算說明了真核生物DNA編碼信息量擴(kuò)增的情況,，編碼信息量遠(yuǎn)大于其蛋白質(zhì)編碼區(qū)的信息量。
如果基因組信息擴(kuò)增律是正確的,，我們就可以研究每一基因組的編碼信息量的演化,，并和其他物種的基因組比較，從總體上把握各基因組的垃圾DNA情況,，估算其中可能包含的編碼關(guān)系,，搞清這部分“暗信息”的意義。這也將有助于全面認(rèn)識真核基因調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò),，從分子水平上解決生命活動如何在時間軸上展開這一基本問題,。
生物信息學(xué)的基本規(guī)律
除基因組信息擴(kuò)增律外，作為信息生物學(xué)的基礎(chǔ),，至少還有兩個方面的問題需要研究,，一是關(guān)于遺傳信息傳輸各階段上的信息提取，二是生命信息系統(tǒng)的精確性和對于擾動的魯棒穩(wěn)定性,。前者是指：從DNA序列中提取基因識別信息,、啟動子信息、內(nèi)含子剪切信息,，或者從mRNA序列和氨基酸序列中提取蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)信息等,。例如，從DNA序列中提取信息時下面的規(guī)律可能是重要的：
基因組DNA的編碼序列的多樣性在進(jìn)化中趨向于由各種功能約束規(guī)定的穩(wěn)定值,。
這里的多樣性與給定編碼規(guī)則下各種編碼狀態(tài)出現(xiàn)概率的分布有關(guān),，包括序列中堿基和堿基片段含量的多樣性，一定位點上堿基分布和堿基關(guān)聯(lián)的多樣性等,。它和信息熵有關(guān),，但不是熵，在應(yīng)用上更便于進(jìn)行序列（或序列片段）的比較[2],。各編碼狀態(tài)的概率分布受到兩個互相矛盾互相補(bǔ)充的因素制約：一是堿基的隨機(jī)突變,，二是功能約束（包括功能進(jìn)化和功能擴(kuò)展）造成的堿基保守性,，因此狀態(tài)概率的變化表現(xiàn)出復(fù)雜的進(jìn)化關(guān)系。但由于功能約束的進(jìn)化相對緩慢,，而堿基突變是較快發(fā)生的事件,，因此DNA序列還是顯示出一定功能約束下堿基突變導(dǎo)致的隨機(jī)性，從而使多樣性取穩(wěn)定值,。這個特性可用來對序列進(jìn)行預(yù)測,；當(dāng)然，在預(yù)測時必須權(quán)衡各種多樣性的貢獻(xiàn)才能獲得滿意的結(jié)果,。哈肯(H. Haken)曾經(jīng)把最大信息原理作為非平衡系統(tǒng)的基本原理，這個規(guī)律在提法上和哈肯的最大信息原理有相似處,，但實質(zhì)是不同的,。
蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測實質(zhì)上是一個結(jié)構(gòu)信息如何提取的問題[3]，是用純動力學(xué)的方法去處理,，還是從尋找編碼關(guān)系的角度去解決,？盡管安芬森（Anfinsen）原理指出蛋白質(zhì)折疊是系統(tǒng)的自由能極小態(tài)，似乎僅從動力學(xué)途徑就可以找到折疊態(tài),。但實際上多肽鏈的折疊是一個需要細(xì)胞內(nèi)多個分子協(xié)助的過程,；基因編碼多肽鏈，而多肽鏈并非成熟蛋白質(zhì),。蛋白質(zhì)的功能決定于其折疊,，在酶和分子伴侶（其他多肽鏈）的幫助下，對一個多肽鏈進(jìn)行折疊,、修飾,、修復(fù)、保護(hù),、輸運,，也許還有剪切（除蛋白內(nèi)含子、信號肽外）和組裝,，才能使它變成活性蛋白質(zhì),，其中包含的很多編碼關(guān)系有待探索。除氨基酸序列外,，mRNA信息是否對蛋白質(zhì)折疊有影響也是一個沒有解決的問題[4],。所以，遺傳信息流從序列到蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)傳輸中包含哪些編碼關(guān)系,？有沒有某些結(jié)構(gòu)碼在起作用,？仍然是解決蛋白質(zhì)折疊問題時需要著重研究的。
關(guān)于生命信息系統(tǒng)的精確性和對于擾動的魯棒穩(wěn)定性,，至少有下面幾個規(guī)律需要研究：一是通過改變和適當(dāng)安排冗余提高信息傳輸?shù)木_性,； 二是通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加系統(tǒng)的容錯性和耐攻擊性,；三是通過和環(huán)境熵交換達(dá)到系統(tǒng)的熱力學(xué)穩(wěn)定性和保持系統(tǒng)的有序性。為便于讀者討論,，試作具體陳述如下[5]：
第一,，信息傳輸?shù)慕獯a誤差隨信息冗余增加而減小，而提高精確度（減小解碼誤差）一般可能降低傳輸效率（減小信息傳輸量）,。香農(nóng)在信息論中證明：通過重復(fù)發(fā)射可在一個噪聲通道中傳輸準(zhǔn)確信息,。推廣開來，信息冗余相當(dāng)于香農(nóng)模型中的重復(fù)發(fā)射,，盡管分子生物學(xué)問題和香農(nóng)模型并不完全符合,，但通過增加信息冗余減小解碼誤差，并在過程中保持較大的接近通道容量的信息傳輸量,，這在分子生物學(xué)中也是可能的,。
第二，復(fù)雜生物網(wǎng)絡(luò)具有無標(biāo)度性,、模塊性和容錯性,。近年來一些學(xué)者首先從代謝網(wǎng)絡(luò)證明了度（和一結(jié)點聯(lián)系的邊數(shù)）的分布遵守?zé)o標(biāo)度冪律，此分布的意義在于：結(jié)點數(shù)隨機(jī)減少的情況下,，信息不通暢程度（網(wǎng)絡(luò)直徑）沒有增加,。同時證明了網(wǎng)絡(luò)中具有高度的蛋白質(zhì)在傳遞相互作用時起到了不可或缺的作用；也證明了模塊性,，保證局部的破壞不會傳播到網(wǎng)絡(luò)的整體,。
第三，為抵消不可避免的熵產(chǎn)生,，使系統(tǒng)處于低熵有序的熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài),，系統(tǒng)必須和環(huán)境接觸，有足夠強(qiáng)的向外移動的熵流（生命以“負(fù)熵”為生）,；同時,，健康細(xì)胞可能具有熵產(chǎn)生率極小的特性。
此命題前半部分是一條熱力學(xué)規(guī)律,，其證明是顯然的,。信息量和熵有基本相同的表達(dá)式，但兩者涉及的自由度不同,，有本質(zhì)的差異,，用統(tǒng)計物理學(xué)術(shù)語來說，信息量是熵在某個子空間上的投影,。因此,，熵流不等于信息流，但熵流可以負(fù)載信息流,。伴隨著熵的流動,，它也負(fù)載著漂移信息流和擴(kuò)散信息流,；生命系統(tǒng)的熱力學(xué)有序性要求它和環(huán)境有信息交換。此命題后半部分尚需進(jìn)一步證明,，但已有證據(jù)表明癌細(xì)胞有比正常細(xì)胞更高的熵產(chǎn)生率,。
同一個科學(xué)，同一個夢想
丘成桐在《京都弦學(xué)之會記》一文中寫道：“唯至小能窺大,，因至美而知真”,；又寫道：“茍真美之可知，孰天人之難合,？”[6]這幾句話談了自然規(guī)律探索中的三個關(guān)系：小和大,、美和真、天和人,。
至小窺大：20世紀(jì)的微觀物理學(xué)對自然科學(xué)和人類文明的貢獻(xiàn)是人所共知的;微電子學(xué)是當(dāng)代技術(shù)革命的核心——信息技術(shù)的基礎(chǔ):沒有粒子物理學(xué)就沒有今天的精確宇宙學(xué);沒有顯微鏡和解剖學(xué),，沒有原子分子的知識，就沒有近代的生物科學(xué)和醫(yī)學(xué),。
至美知真：物理學(xué)的基本方程唯有從至美的追求才能得到。這些方程是“造物者的詩篇”,，“像歌德式建筑所歌頌的崇高美,、靈魂美、宗教美,、最終極的美”（楊振寧）,，光做實驗而沒有理論思維是得不到的。伽利略,、牛頓開啟的,，愛因斯坦發(fā)揚(yáng)光大的實證性與理性相結(jié)合的科學(xué)規(guī)范在物理學(xué)領(lǐng)域取得了光輝成就，這種結(jié)合正在向物理學(xué)以外的學(xué)科（包括生命科學(xué)）滲透,。
天人合一：哥白尼天體運行理論和牛頓的經(jīng)典力學(xué)把地球看作眾多天體中的一員,，把天體運動和地面物體運動統(tǒng)一起來，實現(xiàn)天地合一,。然而生命現(xiàn)象一直在對物理學(xué)進(jìn)行挑戰(zhàn),，似乎必須引入某種活性物質(zhì)和活力才能解釋生命。現(xiàn)代分子生物學(xué)的進(jìn)展已有可能把生命歸屬于“自然”之內(nèi),，從天地合一到天人合一,，從人類作為自然的外化力量到人和自然的同一化。這樣的目標(biāo)已經(jīng)顯露眼前：人了解宇宙,，也了解自己,，了解人在宇宙中的發(fā)生，最后達(dá)到人與自然和諧合一的境界,。
自然科學(xué)正面臨著極大,、極小和極復(fù)雜三個方向的統(tǒng)一,。極大和極小在宇宙演化和基本粒子世界中已經(jīng)顯示其統(tǒng)一，盡管新近精確宇宙學(xué)中暗能量之謎表明兩大方向的統(tǒng)一還有更多的余地,。至于談到與極復(fù)雜方向的統(tǒng)一,，那么問題的難度就更大了，科學(xué)家的努力剛剛開始,。困難的部分原因在于物理科學(xué)與生物科學(xué)方法的不同,，還有就是兩大學(xué)科發(fā)展水平的差異， 物理科學(xué)較多地實現(xiàn)和得益于真和美的統(tǒng)一,，而生物科學(xué)的理性化才剛開始,。物質(zhì)和能量的統(tǒng)一在物理科學(xué)中已經(jīng)完成，生物科學(xué)本質(zhì)上以研究信息為最終目標(biāo),，而信息和物質(zhì)能量的統(tǒng)一遠(yuǎn)未完成,。宇宙暗能量和垃圾DNA兩朵烏云同時懸掛于眼前，似乎向我們昭示著這個自然科學(xué)大統(tǒng)一的目標(biāo)：物質(zhì)能量和信息的統(tǒng)一,。
丘成桐的四句話中前兩句總結(jié)了物理科學(xué)中統(tǒng)一極大和極小兩個方向的經(jīng)驗,，后兩句指出了把這個經(jīng)驗推廣到物理科學(xué)和生物科學(xué)的統(tǒng)一，推廣到天人合一,，推廣到物質(zhì)能量和信息的大統(tǒng)一途徑,。
“同一個世界，同一個夢想”,，這個口號體現(xiàn)了奧運的目標(biāo)和理想,。科學(xué)是人類崇高的事業(yè),，面對自然科學(xué)大統(tǒng)一的目標(biāo),，筆者想說這樣一句話：“同一個科學(xué)，同一個夢想,。”
[1] 余龍,，江松敏，趙壽元等譯. Lewin B著. 基因VIII. 北京：科學(xué)出版社,，2005.
[2] Zhang L R,，Luo L F. Nucleic Acids Research，2003,， 31：6214.
[3] Luo L F,，Li X Q. Proteins，2000,，39：9.
[4] Luo L F,，Jia M W，Li X Q. Biopolymers，2004,，74：432.
[5] 羅遼復(fù). 內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報,，2005，36(6)：653.
[6] 丘成桐. 科學(xué),，2005,，57：1.
