信息在现代生物学中的重要性及化学根源

信息的概念渗透到了现代生物学中的各个方面。事实上，有的书整本都在讨论这个话题，这种现象背后自有其原因。信息的概念是我们理解分子生物学关键过程的核心，构成DNA分子的核苷酸序列中就包含了重要的遗传信息。从这个角度来说，DNA复制可以被视为一个储存信息的过程，在这个过程中遗传信息从一代传到了下一代。那么这些信息是如何表达的呢？翻译和转录是分子生物学中心法则中的关键步骤，这两个步骤解决的正是这一问题。在这些步骤中，DNA序列中的信息被翻译成了许多独特的蛋白质结构。生命的大部分功能就以这些蛋白质为基础。不过，现在问题来了。打开任意一本化学的教科书，你很有可能完全找不到“信息”这个词。化学家们谈的都是“反应性”“选择性”“稳定性”“反应速率”“催化”和其他许多化学术语，但是并不涉及“信息”。为什么会这样呢？如果生物不过是一种复杂的化学，而“信息”又处于生物的核心地位，那么“信息”在化学中一定也占据了一席之地。若非如此，生物系统中的信息又从何而来呢？

要回答以上的问题，先让我们从化学而不是生物的角度来想想DNA的反应。那些奇妙的DNA分子，在复制的过程中承担着自催化剂的角色。DNA是自催化剂，因为它能够催化其自身的合成。如果没有一个DNA分子作为复制模板来辅助这个自催化的过程，这些核苷酸不会自发地形成另一个DNA分子。当然，DNA的功能不仅仅是催化其自身的形成。在DNA转录形成信使RNA的过程和接下来信使RNA翻译成为氨基酸序列（蛋白质）的过程中，DNA同样起到了催化剂的作用，它催化了其他物质的合成。如果没有这些特定序列的DNA分子，上述转变过程根本不会发生。DNA片段通过核糖体的机制表达了出来，这个DNA的具体序列决定了最终获得的蛋白质的准确结构。一旦改变这个DNA序列，你所得到的蛋白质结构将完全不同。因此，这意味着DNA不仅仅是一个自催化剂，而且还是高度精确的催化剂。一个特定的DNA片段与一个特定的蛋白质相对应，另一个DNA对应的又是不同的蛋白质。我们只要稍做思考就能想到，在生物语境中的“信息”一词，如果放到化学的语境中就是“精确催化”。这两种科学所使用的不同术语可能造成了一些原本并不存在的分歧。所以如果从化学的角度来看，在进化的过程中发生的现象是：一些自催化剂通过进化提升了它们的催化性能。最初，原始的核酸自催化剂可能只能催化简单肽的形成，它们可能是原始翻译过程中的前体。但是，随着时间的推移和遗传密码的确定，在动态动力学稳定性的推动下，核酸催化功能的效率和精确性会不断提升。“形成信息”这一生物现象，不过就是“形成并优化精确催化的功能”这一化学现象。(www.xing528.com)

我们现在需要解释一下“信息”和热力学第二定律之间的联系。从热力学的角度来说，高度有序的DNA分子序列当然是不稳定的。在第二定律的支配下，有序的系统将朝着无序的状态发展，那么造成的结果是信息的解体，而不是信息的生成。这也意味着信息无缘无故地生成可能与热力学第二定律相矛盾。当然，现实是二者之间并不矛盾。就像我通过撰写这本书创造了信息一样（希望如此），进化的过程同样可以创造信息，当然这一切的前提是消耗必要的能量。这就是生命新陈代谢过程产生的原因——为了给生命的机械运转提供必要的能量并且维持生命远离平衡态的状态。因此，“为何信息会无故产生”这个问题，不过是对薛定谔提出的“为何不稳定且远离平衡态的系统会产生”这个问题的改写而已。我们下面就要讨论这个问题。