自然界最长的线：生物学中信息的数学和物理学的新领域

Nature's Longest Threads: New Frontiers in the Mathematics and Physics of Information in Biology

作者：Janaki Balakrishnan, B V Sreekantan

出版：World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd.

索书号：Q-332/N285/2014/Y

ISBN: 978-9814612463

藏书地点：武大外教中心

生物学中越来越多地应用了数学和物理学的原理和方法，以解释和理解生物系统的复杂性和动态性。生物学中对数学和物理学进行综合应用可以总结为以下几个方面：

1. 建模和仿真：数学和物理学提供了建立生物系统的数学模型和计算仿真的工具。通过建立数学方程和模型，可以描述生物过程的动力学、分子交互和网络调控等，从而预测和解释实验观察结果。

2. 生物物理学：生物物理学研究生物系统的物理特性和原理。例如，通过物理学中的力学、热力学和光学原理，研究细胞力学、蛋白质结构和功能、生物膜的形成和性质等。

3. 系统生物学：系统生物学是将数学、物理学和生物学相结合，以研究整个生物系统的组成、动态和功能。它包括对生物网络、信号传导和调控机制进行建模和分析，以揭示生物系统的整体特性和行为。

4. 遗传学和进化生物学：数学和统计学在遗传学和进化生物学中有广泛的应用。例如，遗传学中的基因型和表型频率分析、遗传连锁和基因地图构建都依赖于统计学方法。进化生物学中的遗传漂变、选择压力和种群遗传变异等也可以通过数学模型来研究。

5. 网络分析和系统动力学：利用图论和网络分析，可以研究生物分子之间的相互作用和调控关系，揭示复杂的生物网络结构和功能模块。系统动力学则关注于描述和解释生物过程中的动态行为和稳定性。

这些领域的交叉应用使得生物学能够更深入地理解生命的本质和机制。数学和物理学在生物学中的应用提供了定量和理论分析的手段，帮助研究人员更好地理解和预测生物系统的行为。每个层次的交互都涉及不同层次的各种信息的传递。每条信息线索都相互联系，交织在一起，构成了我们所感知的宇宙——既包括内部自我，也包括外部世界。比喻地说，它们是大自然最长的丝线。

《自然界最长的线：生物学中信息的数学和物理学的新领域》一书于2014年由World Scientific Publishing出版，作者是Janaki Balakrishnan和B V Sreekantan。本书是一本生物物理及生物数学领域的前言书籍，对物理和数学描述的生命系统中不同层次信息的不同观点进行了汇编。人类在拓展科学技术领域方面取得了巨大的进步。我们向宇宙的未知区域发射了太空探测器，对人类基因组进行了高度精确的测序，设计了能够生成3D图像的打印机，提出存在一种统一自然界四种基本力的力，甚至通过W和Z玻色子的发现，以及最近的希格斯粒子的特征，通过实验证实了标准电弱假设的真实性。然而，到目前为止，我们在理解我们的思想和认知能力是如何工作的方面还没有取得足够的进展。

接受来自环境的输入，思想和感觉是如何形成的?一个人如何量化意识，它又是如何与物理定律和构成我们的物质联系在一起的?量子力学的描述似乎是一个自然的选择，因为量子定律统治着物质的核心，在原子尺度和内部。因此，人们可以通过希尔伯特空间或布洛赫球上的概率描述来描述信息及其传递，信息是通过量子测量收集的。然而，受状态叠加原理的支配，量子世界在解释某一状态下的特性测量时遇到了困难。在生命系统中，信息通过感觉神经元和运动神经元/中枢神经系统网络传递到大脑。电流序列和脉冲的模式对这些信息进行编码，因此，试图通过耦合神经元的活动来理解这些电流脉冲和模式的产生，代表了在细胞尺度上研究信息传递的决定性步骤。

突触前神经元的化学突触，其兴奋性或抑制性神经递质分布在囊泡中，所有这些都等待在突触间隙释放，是一种高度调节，组织精美的动力学系统。为什么大自然保留了电突触?仅仅是为了实现更快的神经元放电同步吗?这些方程试图模拟神经元的动态行为及其活动，在经典水平上描述物理系统——一个非常非线性的制度。那么，人们如何实现将电信号描述的经典信息与可能由量子信息描述的个人意识信息状态连接起来的接口呢?当一个人对某件事做出“有意识的决定”时，认知能力是否会将概率描述完全转换为确定性描述?一方面，像这样具有挑战性的问题仍有待回答，另一方面，众所周知，量子效应确实在生命系统中表现出来。嗅觉器官对气味的探测就是一个例子。

物理模型依靠数学技术来检验它们的预测。人们可能会问，数学本身是否完全是人类思维的虚构，或者它是否独立于人类而存在。本卷的一些章节对这个问题提出了非常有趣和不同的观点。从超越普朗克尺度的维度到环绕天体的宇宙长度，大自然在每个尺度上的多样性和复杂之美只告诉我们，信息及其传递方式可能在不同的制度下有不同的种类。同样，在生物体内，将认知能力与“意识”自我联系起来的思维过程代表了尚未被物理定律所理解的信息传递模式。正如理查德·费曼在《物理定律的特性》中所言:“大自然只使用最长的线来编织她的图案，所以她的每一小块织物都揭示了整幅挂毯的组织结构。”因此，本卷是对物理和数学描述的生命系统中不同层次信息的不同观点的汇编。其中一些文章是2013年3月11日至12日在班加罗尔印度科学学院国家高等研究所举行的“数学和物理在认知和意识中的应用”研讨会上的演讲者的贡献。希望读者会发现章节中的材料和编辑一样有趣和愉快。

总之，《自然界最长的线：生物学中信息的数学和物理学的新领域》一书由工作在科学的前沿领域的著名科学家编著，介绍了一个跨学科的研究和观点的信息和它的转移在不同层次的组织。这是一个前沿领域，将数学和生物学无缝地融合在一起，将量子力学、动力系统理论和数学等专业学科结合在一起。这些主题将吸引生命科学、物理学、认知学、神经科学、数学和计算机科学领域的研究人员，以及感兴趣的业余爱好者，让他们熟悉了解生命系统中信息传递的前沿研究。

本书目录：

前言

致谢

1.数学形式物理和物理形式数学:评论

N.Kumar

2.量子测量的不完全总结

N.D.Hari Dass

3.量子生物系统的预测信息

Arun Kumar Pati

4.生物系统中的量子效应

Sisir Roy

5.感觉过程的不稳定性

J.Balakrishnan

6.活细胞的主动细胞力学和信息处理

M.Rao

7.论长度尺度在确定生物系统物理特性中的重要性

B.Ashok

8.落叶松芽蛾种群周期的变形与动态

Sudharsana V.Iyengar, J.Balakrishnan

9.牛顿黑猩猩?用分子动力学方法来理解野生黑猩猩的决策

Matthew Westley,Surajit Sen, Anindya Sinha

10. 量子概率——认知科学建模的新方向

Sisir Roy

11. 知识的等级和方向

Apoorva Patel

12. 论数及其认知

P.P.Divakaran

13. 20世纪的概念革命导致了一个大统一的概念——量子真空

B.V.Sreekantan

14. 经典连贯、生命与意识

Partha Ghose

15. 意识——一个可验证的预测

N Panchapakesan

16. Gödel、塔斯基、图灵和自由意志的难题

Chetan S. Mandayam Nayakar, R. Srikanth

17. 数学与认知

Rajesh Kasturirangan

索引

邹娟 武大生科院 博士研究生