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.     

几种模式生物密码对的使用和基因组进化

以闪烁古生球菌、枯草杆菌、大肠杆菌、酿酒酵母、拟南芥和线虫基因组为样本,分别分析了编码序列中密码对、基因间序列中三联体对的相对模式数目随频数的分布,验证这种分布是r(α,β)分布.发现分布参数与基因组进化相关;另外,比较了密码对的观测值与期望值之差的分布,发现密码对的使用普遍具有偏好性,且不同的物种所偏好的密码对是不同的.     

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．     

理论生物物理学研究的回顾和展望

回顾了从基本粒子理论研究转向理论生物物理学的历程,以及在理论生物学和生物信息学方向上部分研究课题所获得的主要成果,特别强调了量子折叠理论信息生物学原理和细胞熵产生的研究,提出了进一步工作的展望和建议.     

动态信息理论和动力学系统信息描述

发展了作者建立的动态统计信息理论. 基于随机动力学系统、经典和量子非平衡态统计物理系统和特殊电磁场系统的态变量演化方程都可看成是其信息符号演化方程, 结合动态信息和动态熵的定义, 推导出了描述动态信息演化规律的动态信息演化方程和动态熵演化方程. 这四种演化方程的数学类型相同. 它们一致表明: 当信息在系统之外的坐标空间传递时, 动态信息密度随时间的变化率是由其在系统内部的态变量空间和传递过程的坐标空间的漂移、扩散和耗损三者引起的, 而动态熵密度随时间的变化率则是由其在系统内部的态变量空间和传递过程的坐标空间的漂移、扩散和产生三者引起的. 当空间噪声可略去时, 将会出现信息波. 若仅研究系统内部的信息变化, 动态信息演化方程就约化为与描述上述动力学系统演化规律的动力学方程相对应的信息方程, 表明各动力学系统的演化规律都可统一由信息方程描述, 因而这些系统的演化过程就可抽象成信息的演化过程. 进而给出了信息流公式、信息耗损率公式和熵产生率公式. 论证了内部组元间存在相互吸引作用的动态系统可能自发产生信息, 推导出了这种信息产生率公式. 从而得到了系统的总的信息变化率表达式, 它是由信息耗损率、信息产生率和信息流入率三者的代数和组成的, 显示了动力学系统的演化、包括退化和自组织进化统一的信息描述.     

关于熵函数发展的几个问题

本文指出一百多年来有关熵函数的内容在不断发展,由宏观向微观、由封闭物系向开放物系、由平衡态向非平衡态、由可逆过程向不可逆过程发展。文章具体论及了熵函数属于热二律的传统观念被突破;熵函数导出方法的单一性被突破;熵函数的信息化问题和dS公式的宏观与微观相结合问题等内容,并说明随着人类认识的不断深化,作为热力学主要内容的第二定律和熵函数必定还将发展。     

论非平衡态统计物理基本方程——兼论非平衡熵演化方程和熵产生率公式

该文综述了作者的研究成果．十多年前,作者提出了一个新的非平衡态统计物理基本方程以取代现有的Liouville方程．这就是6N维相空间的随机速度型Langevin方程或其等价的Liouville扩散方程．这个方程是时间反演不对称的．它表明,统计热力学系统内的粒子运动形式同时具有漂移扩散二重性,统计热力学运动规律是由动力学规律和随机性速度二者叠加而成的,既有确定性又有随机性,因而有别于动力学系统内的粒子运动规律．粒子的随机扩散运动正是宏观不可逆性的微观起源．由这个基本方程出发,求得了BBGKY扩散方程链、Boltzmann碰撞扩散方程和流体力学方程,如质量漂移扩散方程、Naiver．Stokes方程和热导方程等．更重要的,首次建立了6N维、6维和3维相空间的非平衡熵密度随时空变化的非线性演化方程,预言了熵扩散的存在．这个熵演化方程在非平衡熵理论中起着核心作用．它指明,非平衡熵密度随时间的变化率是由其在空间的漂移、扩散和产生三者引起的．进而由这个演化方程,求得了6N维和6维相空间的熵产生率公式、即熵增加定律公式,论证了非平衡系统内部吸引力能导致嫡减少而排斥力则引起另一种熵增加,导出了熵减少率或另一种熵增加率的共同表达式,给出了统一热力学退化和自组织进化的理论表达式,阐明了趋向平衡的熵扩散机理．作为应用,还将这些熵公式用于计算和讨论了一些实际非平衡态和定态物理课题．所有这些结果都是严格统一从新的基本方程推导出的,未增补任何其他新假设．     

超声吸收和生物组织的熵产生——一个癌症理疗的新方案

通过热力学计算证明,超声在生物组织中的粘滞耗散和热耗散引起的吸收低于化学弛豫引起的非经典吸收,低频低强度的超声吸收在生物组织中的熵产生对于癌细胞和正常细胞是不同的,这种不同联系于二者的酸度差异.理论计算证明,低频低强度的超声照射可以导致癌细胞和正常细胞熵产生率的倒转,从而可以改变熵流方向,抑止癌的毒性信息流的扩散.这提供了癌症理疗的一个新方案.     

无序的产生动力学——从晶体缺陷、机器异常到生物疾病和社会罪犯

用统一的概念探索各种有序系统中无序产生的共同规律,研究了无序的起因,将无序的产生过程看成是个非平衡的动力学过程并用随机数学模型描述之,求得了稳态系统的无序率由外来的无序力和系统的序势决定的关系式。     

WTO协调环境和贸易问题的规则对发展中国家的不利影响——从信息不对称理论分析

环境和贸易矛盾的实质在于发达国家和发展中国家经济发展水平的差异,该差异决定了发达国家和发展中国家之间存在信息不对称,主要是知识拥有量的不对称,从而使得WTO协调环境和贸易的规则在制定和执行中给发展中国家带来不利影响(绿色贸易壁垒),而环境问题的解决不仅仅需要发展中国家的努力。     

基于信息熵和Lempel-Ziv的生产线复杂性测度与线平衡

生产过程中的不确定因素常常造成生产线各工作站工作负荷不均,整线生产节拍紊乱甚至出现瓶颈工位等问题,最终导致平衡失效.针对此问题提出作业元素复杂度、工作站复杂度和整线复杂度测度方法,建立以平衡率最高、复杂度均衡指数最小和整线复杂度最小为目标的多目标优化模型,设计生产线平衡算法求解作业元素最优划分,并应用实例对方法进行验证.研究结果表明,该方法能够在保证生产线平衡率最高的同时,均衡工作站间复杂度差异和降低整线复杂度,避免不确定因素累积而导致生产线平衡失效,提高生产系统鲁棒性.     

生物语言:理查德·鲍威尔斯《金虫变奏曲》中的生物学与信息(Ⅱ)

《金虫变奏曲》一书中光怪陆离的世界被用来类比鲍维尔斯的思维过程.本文研究书中这一世界所代表的科学事物,以及一些重要领域之间的交互网络的出现给生物学范式所带来的变化.本文还研究了科学家们在研究基因组的无限性时使用控制论改造分子生物学的种种方法.     

生物语言:理查德·鲍威尔斯《金虫变奏曲》中的生物学与信息(Ⅰ)

《金虫变奏曲》一书中光怪陆离的世界被用来类比鲍维尔斯的思维过程.本文研究书中这一世界所代表的科学事物,以及一些重要领域之间的交互网络的出现给生物学范式所带来的变化.本文还研究了科学家们在研究基因组的无限性时使用控制论改造分子生物学的种种方法.