生命赖负熵为生(ppt文档).ppt
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1、 5.55.5生命生命“赖负熵为生赖负熵为生”5.5.15.5.1遗传密码遗传密码生物高聚物中的信息生物高聚物中的信息 按照达尔文按照达尔文(Darwin)Darwin)的进化论,生命的起源的进化论,生命的起源是从无生命物质变为有生命物质,生物是从低等是从无生命物质变为有生命物质,生物是从低等向高等进化,也就是从无序向有序自发地转化的。向高等进化,也就是从无序向有序自发地转化的。若将玻耳兹曼关系同样应用于生命过程,可若将玻耳兹曼关系同样应用于生命过程,可发现这样的自发过程中的熵是减少的,发现这样的自发过程中的熵是减少的,说明生物说明生物熵与信息熵很类似,熵与信息熵很类似,而这正是理解和解决生物
2、遗传密码问题的一而这正是理解和解决生物遗传密码问题的一把重要的钥匙。把重要的钥匙。19431943年奥地利著名理论物理学家、量子力学年奥地利著名理论物理学家、量子力学创始人之一创始人之一薛定谔薛定谔(SchrodingerSchrodinger,),)在在生命生命是什么是什么?一书一书(见参考书见参考书7 7)中首次提出中首次提出以非周期晶体作为遗传密码的设想以非周期晶体作为遗传密码的设想.他指出:他指出:“生命的物质载体是非周期性晶体,生命的物质载体是非周期性晶体,生命的物质载体是非周期性晶体,生命的物质载体是非周期性晶体,遗传基因分子就是这种由大量原子秩序井然遗传基因分子就是这种由大量原子
3、秩序井然遗传基因分子就是这种由大量原子秩序井然遗传基因分子就是这种由大量原子秩序井然地结合起来的非周期性晶体;这种非周期性地结合起来的非周期性晶体;这种非周期性地结合起来的非周期性晶体;这种非周期性地结合起来的非周期性晶体;这种非周期性晶体的结构,可以有无限可能的排列,不同晶体的结构,可以有无限可能的排列,不同晶体的结构,可以有无限可能的排列,不同晶体的结构,可以有无限可能的排列,不同样式的排列相当于遗传的微型密码样式的排列相当于遗传的微型密码样式的排列相当于遗传的微型密码样式的排列相当于遗传的微型密码”。次年阿弗利次年阿弗利(Avery)Avery)发现了细菌转化现象,首发现了细菌转化现象,
4、首次证实了控制生物遗传的物质基因为脱氧核糖核次证实了控制生物遗传的物质基因为脱氧核糖核酸酸(DNA)DNA),细菌的遗传信息蕴藏在细菌的遗传信息蕴藏在 DNA DNA 的分的分子结构内。子结构内。1953 1953年美国生物学家沃森年美国生物学家沃森(WalsonWalson)和英国和英国物理学物理学 家克里克家克里克(Crick)Crick)共同发现了共同发现了 DNA DNA 的的右手双螺旋结构右手双螺旋结构.沃森和克里克共同揭示了遗传信息及其复制规沃森和克里克共同揭示了遗传信息及其复制规沃森和克里克共同揭示了遗传信息及其复制规沃森和克里克共同揭示了遗传信息及其复制规律,这是生物学特别是分
5、子生物学的重大突破。律,这是生物学特别是分子生物学的重大突破。律,这是生物学特别是分子生物学的重大突破。律,这是生物学特别是分子生物学的重大突破。被誉为被誉为被誉为被誉为20202020世纪生命科学最伟大成就。他们于世纪生命科学最伟大成就。他们于世纪生命科学最伟大成就。他们于世纪生命科学最伟大成就。他们于1962196219621962年分获诺贝尔生理学奖与诺贝尔化学奖。年分获诺贝尔生理学奖与诺贝尔化学奖。年分获诺贝尔生理学奖与诺贝尔化学奖。年分获诺贝尔生理学奖与诺贝尔化学奖。DNA DNA 的基本结构单位是脱氧核苷酸的基本结构单位是脱氧核苷酸(简称核酸简称核酸 ),后者含有碱基、磷酸和,后者
6、含有碱基、磷酸和 脱氧核糖。每个核酸脱氧核糖。每个核酸由四种碱基组成,由四种碱基组成,它们分别是:腺嘌呤它们分别是:腺嘌呤(A)A)、鸟鸟嘌呤嘌呤(G)G)胞嘧啶胞嘧啶(C)C)、胸腺嘧胸腺嘧啶啶(T)T)。图中双螺图中双螺 旋结构主要由两条互补旋结构主要由两条互补的核酸链由氢的核酸链由氢 键使之配对在一起,键使之配对在一起,且碱基的配对是固定的,由此构且碱基的配对是固定的,由此构成了遗传密码成了遗传密码。例如,一个分子质量为例如,一个分子质量为10106 6个碳单位的个碳单位的 DNA DNA 分子,若它由分子,若它由 4000 4000个核酸组成,因而可能有个核酸组成,因而可能有 4 44
7、0004000种不同的排列方式,则这一种不同的排列方式,则这一 DNA DNA 的的遗传密码遗传密码的信息熵为的信息熵为 我们知道,我们知道,DNA DNA 的遗传功能是它能在后代的个体的遗传功能是它能在后代的个体发育中,使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质发育中,使遗传信息以一定的方式反映到蛋白质分子结构上,从而使后代表现出与亲代相似的性分子结构上,从而使后代表现出与亲代相似的性状。状。那么蛋白质分子的信息熵又是多少呢那么蛋白质分子的信息熵又是多少呢?典型的蛋典型的蛋白质分子质量为白质分子质量为 120,000 120,000 个个 碳单位,一个蛋白碳单位,一个蛋白质分子约含有质分子约含有 1
8、000 1000 种氨基酸基,每个氨基酸基种氨基酸基,每个氨基酸基均是由均是由2020种氨基酸所组成,种氨基酸所组成,若按若按1616种氨基酸作估种氨基酸作估算,则该蛋白质分子的信息熵为算,则该蛋白质分子的信息熵为正因为正因为 DNA DNA 的双螺旋排列中的遗传密码信息量的双螺旋排列中的遗传密码信息量.8000 8000 bitbit要明显大于蛋白质分子的信息量要明显大于蛋白质分子的信息量4000 4000 bit,bit,才能保证在合成新蛋白质分子过程中,才能保证在合成新蛋白质分子过程中,DNA DNA 分子能合成相应的分子能合成相应的 RNA(RNA(核糖核酸核糖核酸)分子分子(这一这一
9、步称为转录步称为转录).).然后机体按照然后机体按照 RNA RNA 分子这个次级分子这个次级“模板模板”合成了新合成了新蛋白质分子蛋白质分子(这一步称为翻译这一步称为翻译),且该蛋白质分子,且该蛋白质分子保留了与亲代相似的性状。保留了与亲代相似的性状。上述按照遗传密码复制新蛋白质分子的过程可以上述按照遗传密码复制新蛋白质分子的过程可以下面的简单分子予以表达下面的简单分子予以表达上述复制过程是与计算机的拷贝相类同的。但是上述复制过程是与计算机的拷贝相类同的。但是 DNA DNA 中复制每中复制每 1 1 bitbit的能耗仅的能耗仅 100 100 kTkT,它是当代它是当代最先进的微电子元件
10、能耗最先进的微电子元件能耗 10 108 8 kTkT的百万分之一。的百万分之一。现在可以通过人工对现在可以通过人工对 DNA DNA 进行切割和进行切割和重组,在里面引入外来基因,人为地改变重组,在里面引入外来基因,人为地改变遗传密码,形成遗传密码,形成 新转基因生物,从而使之新转基因生物,从而使之具备人们需要的性质。具备人们需要的性质。例如,就人体科学来讲,若能弄明白器例如,就人体科学来讲,若能弄明白器官是怎样按时间顺序和空间位置发育的,官是怎样按时间顺序和空间位置发育的,则某器官坏了就能克隆新的器官;则某器官坏了就能克隆新的器官;一些遗传性疾病如高血压、肥胖症可进一些遗传性疾病如高血压、
11、肥胖症可进行基因治疗;对一些由于基因突变所导致行基因治疗;对一些由于基因突变所导致的癌症等,可进行转基因治疗。的癌症等,可进行转基因治疗。现在弄清人的全部现在弄清人的全部(约十万条约十万条)全长基因全长基因(即能找出所有碱基及其排列顺序的基因即能找出所有碱基及其排列顺序的基因 )的计划已经基本完成的计划已经基本完成.基因的研究将提供关于人类及其它生物基因的研究将提供关于人类及其它生物的的 DNA DNA 结构组成和特性的详细信息结构组成和特性的详细信息,对人对人类认识自身类认识自身,揭开生命奥秘揭开生命奥秘,奠定奠定 21 21 世纪世纪生命科学发展的基础具有重要意义。生命科学发展的基础具有重
12、要意义。5.5.25.5.2生物中的负熵生物中的负熵(流流)既然信息等于负熵,则我们也可把负熵的既然信息等于负熵,则我们也可把负熵的概念应用到生物中。概念应用到生物中。DNADNADNADNA分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译分子在按照亲代的遗传密码转录、翻译并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠并复制后代的蛋白质分子时造成信息量的欠缺,缺,缺,缺,它造成生物体熵的减少,这就是生物中的负它造成生物体熵的减少,这就是生物中的负它造成生物体熵的减少,这就是
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