基因组信息、密码进化、折叠动力学和熵产生——理论生物学的几个基本问题

以信息为主线论述了生命科学的理性化途径,着重总结了作者及其研究小组在理论生物学领域的工作,包括基因组序列识别码的形成和构建,基因组的进化方向和最大信息原理,遗传密码的适应性进化,基于量子跃迁的蛋白质折叠动力学,细胞开关相变和熵产生.     

分子进化的几个普适性质

第２至第６节为全国理论生物物理研讨会上的报告,论述了分子进化中的５个普适性质：分子手性,遗传密码,核苷关联的短程为主性及其进化相关性,以最大信息原理概括突变和选择的进化机制,由二结构序列决定的蛋白质框架结构,第一节为作在开幕式上致词的一部分,讨论了理论生物学在生命科学中的地位与作用,特应听众要求,发表于此。     

分子进化的几个普适性质全国理论生物物理研讨会(武汉,1999)上的报告

第２ 至第６ 节为全国理论生物物理研讨会（武汉,１９９９）上的报告,论述了分子进化中的５ 个普适性质：分子手性,遗传密码,核苷关联的短程为主性及其进化相关性,以最大信息原理概括突变和选择的进化机制,由二维结构序列决定的蛋白质框架结构．第一节为作者在开幕式上致词的一部分,讨论了理论生物学在生命科学中的地位与作用,特应听众要求,发表于此．     

从序列预测蛋白质折叠速率

基于序列预测二级结构的蛋白质折叠速率的成功预测暗示着折叠速率能够单独从序列中预测出来.为了追踪这一问题,提出了从序列预测折叠速率的一种方法,而不需要任何二级结构和拓扑的信息.残基对折叠速率的影响与氨基酸的性质有密切的关系.对双态和多态蛋白质实验测定的折叠速率的相关性达到了82.9%,这意味着蛋白质的氨基酸序列是决定折叠速率和机理的重要因素.     

信息生物学--关于编码信息量的两个假设

提出并论证了关于编码信息量的两个规律.第一,基因组的编码信息量在进化中随时间增加.第二,基因序列的碱基频数分布决定于多样性的稳定化.此二规律和其他规律一起构成了信息生物学的理论基础.不同于生物信息学,信息生物学将以生命信息的遗传,传输,调节和表达的基本规律为研究中心.     

不同类氨基酸的使用度对蛋白质折叠速率的影响

根据氨基酸约化分类,定义描述氨基酸序列信息的参量—相对氨基酸使用度(RAAU),在现有数据库和相关文献的基础上,建立了包含相对氨基酸使用度和蛋白质折叠信息的蛋白质折叠数据库.在此基础上,分析了相对氨基酸使用度对蛋白质折叠速率的影响.结果表明,强亲水类氨基酸和强疏水类氨基酸的使用对蛋白质的折叠速率的影响截然相反.对不同类蛋白质,其相对氨基酸使用度对蛋白质折叠速率的影响有明显差异.     

生物学和人类进步

生物学在现代自然科学和社会中的地位、作用和发展趋势现代自然科学主要划分为物理科学和生命科学两大门类。生物学是研究生命的科学,它既研究各种生命活动的现象及其本质,又研究生物与环境之间的相互关系。近30年多来,生物学的理论成就为自然科学的发展作出了巨大贡献。遗传物质DNA双螺旋结构的阐明是20世纪自然科学的重大突破之一。遗传信息传递的“中心法则”的发现,揭示了生物的遗传、发育和进化的内在联系。此外,还发现了遗传密码的编码机理。通过比较研究,证实了所有生物,从细菌到人,遗传密码都是通用的,从而证明了所有生物在分子进化上的共同起源。     

从生物信息学到信息生物学

讨论以生命信息流的运动规律为研究目标的信息生物学中所包含的基本规律.着重研究基因组编码信息量随进化增加的规律和申农信息量的约束极大规律;同时讨论了信息量和能量的关系及信息量和熵的关系.     

后基因知识发现中有选择的课题

大信息通过量序列与功能基因组技术绘制了人类基因序列图，并且使得大规模人类群体基因型与基因表达的特征勾画成为可能，进一步的研究是对基因组序列的准确注释、基因组与蛋白质之间相互作用和物种的遗传变异性上。基因组注释过程越来越以涉及进化研究和模型生物体的比较方法作为依据。DNA与蛋白质之间的相互作用是生物学相互作用中最基本的，而且在生物学、医学和药物学中具有普遍的意义。     

The Statistical Correlation of Nucleotides in DNA Sequence and Its Biological Meaning

评述了ＤＮＡ序列碱基关联的统计研究，着重分析了编码区关联的短程为主性及有关信息参数的进化相关性，讨论了碱基关联的生物学应用．     

论动态统计信息理论

将现有的静态统计信息理论拓展至动态过程,建立以动力学系统的信息和信息熵的演化规律为主题及其应用的动态统计信息理论.从态变量演化方程出发,推导出表述信息熵和信息的演化规律的动态信息熵密度和动态信息密度的非线性演化方程.这两个方程表明:信息熵密度随时间的变化率是由其在坐标空间和态变量空间的漂移、扩散和产生三者引起的;而信息密度随时间的变化率则是由其在坐标空间和态变量空间的漂移、扩散和减损三者引起的.给出了漂移信息流和扩散信息流的表达式、信息减损率和信息熵产生率的简明公式.证明了动力学系统内的信息减损(或增加)率等于它的信息熵产生(或减少)率,信息扩散与信息减损同时发生.得到了反映传递过程动态特性的动态互信息公式,它在信道长度与信号传递速度之比趋于零的极限情况下变为现有的静态互信息公式.这些结果都是从信息和信息熵演化方程统一得出的,未增加新的假设.作为这些理论公式的应用,研究和计算了布朗运动的漂移扩散传递、热缺陷产生动力学及分子马达3个动力学课题的信息熵和信息的变化式,给出了高斯信道的动态互信息公式.     

几种图像结构模型的分析

采用一维信号的进化模型,建立图像广义空间的进化模型,得出了各种参数与图象物理参量的关系,据此建立了图像结构信息模型,指出H(Tran)是图像结构熵,图像应向结构熵最大的方向进化．同时,建立了层次结构模型,指出各个终节点构成语义字符串,并定义了图像语义码,这个码所含的信息量及熵称为语义信息及语义熵．     

Microscopic origins of entropy, heat capacity and the glass transition in proteins

Internal motion is central to protein folding, to protein stability through the resulting residual entropy, and to protein function. Despite its importance, the precise nature of the internal motions of protein macromolecules remains a mystery. Here we report a survey of the temperature dependence of the fast dynamics of methyl-bearing side chains in a calmodulin-peptide complex using site-specific deuterium NMR relaxation methods. The amplitudes of motion had a markedly heterogeneous spectrum and segregated into three largely distinct classes. Other proteins studied at single temperatures tend to segregate similarly. Furthermore, a large variability in the degree of thermal activation of the dynamics in the calmodulin complex indicates a heterogeneous distribution of residual entropy and hence reveals the microscopic origins of heat capacity in proteins. These observations also point to an unexpected explanation for the low-temperature 'glass transition' of proteins. It is this transition that has been ascribed to the creation of protein motional modes that are responsible for biological activity.     

扩展Golay码的盲识别方法

针对信道编码的盲识别问题,首次提出了扩展Golay码的盲识别方法。与前有的盲识别算法比较,该算法的识别概率有明显的提高,这是一个全新的研究课题,在智能通信、信息截获、密码分析等领域有重要的应用。仿真实验表明文中提出的方法在误码率为8×10-2的情况下,对于扩展Golay码的识别概率高于99%,比原有算法提高了44%。     

信息生物学刍议

提出分子生物学以生命信息流的运动(生命信息的遗传,传输,控制与表达)的基本规律为核心,按实证性和理性相结合的原则重新建立或组织的研究路线,把这样建立或组织起来的分子生物学称为信息生物学.提出信息生物学应包含至少两方面的规律,一是编码信息量的扩增规律,二是信息系统的精确性,容错性和热力学有序性.尝试采用比较清晰的逻辑形式表达上述两方面5条基本规律为中心的信息生物学内容.     

自适应分数阶微分的图像增强及应用

为了改善图像质量,本文提出了自适应分数阶微分的图像增强算法。该算法首先在Grünwald-Letnikov分数阶微分定义的基础上,充分利用相邻像素点的信息,设计了具有旋转不变性的分数阶微分掩模;其次,利用图像梯度,局部的信息熵和对比度构造分数阶微分阶次的函数,利用和声搜索算法选取最优参数,建立了图像增强和分数阶微分阶次的非线性量化关系;最后采用信息熵、平均梯度对增强后的图像定量分析,为验证该算法的有效性,把用该算法增强后的岩屑图像应用在岩屑识别中。实验结果表明,能够实现图像的自适应纹理细节信息增强,增强效果明显;同时岩屑识别率有一定的提升作用。     

配电网智能开关循环式远动规约CDT的设计

配电网智能开关通信系统采用RS485总线,适合与采用循环式远动规约CDT的上位机或主站系统实现通信,以固定的传送速率循环不断地向调度端发送遥测、遥信、数字量、事件顺序记录等数据。根据循环式远动规约CDT的定义以及配电网智能开关采集信息的种类和特点,对循环式远动规约CDT进行简化,根据配电网的特点,对开关操作取消遥调功能,完整地设计了配电网智能开关与上位机通信的循环式远动规约CDT协议,数据传输过程中采用了8位CRC循环检验码进行校验,避免由于线路噪声或其他的干扰使信息码产生错误,最后采用C++程序设计语言实现了该通讯协议。     

癌细胞和正常细胞熵产生的对比分析及在癌症治疗中的应用

依据非平衡热力学,对细胞内的熵产生率进行了计算,并对癌细胞和正常细胞的熵产生进行了对比分析,证明了在通常条件和无外场作用情况下,癌细胞的熵产生率高于正常细胞.但在电场和超声场作用下有可能使正常细胞获得较高的熵产生,因而发生熵流方向的倒转.考虑到信息量是熵在高维相空间中向低维子空间的投影,熵流方向倒转将避免癌细胞的有害信息向周围正常组织的扩散.提出利用方波脉冲电场和低频低强度超声场于癌症理疗的可能性.     

非线性分布参数系统的最优控制的充分条件

本文研究了用非线性发展方程描述的分布参数系统的最优控制问题，并证明了在一定条件下，满足极大值原理的控制是非线性分布参数系统的最优控制，且这一最优控制是唯一的。