昆明理工大学钱卓教授团队——生命自我信息论

科学家提出“生命自我信息论”——用三元态编码生命，超越物质与能量

       从达尔文提出进化论，到DNA双螺旋结构和遗传密码的破译，生命的起源与本质是最令人着迷的科学问题之一。既然物质、能量和信息是构成人类知识体系甚至宇宙的三大基石，那么生命的起源、维持与演化是否基于某一种大统一的数学与信息原理？ 

      《中国生物化学与分子生物学报》最新一期的封面文章发表了著名科学家钱卓教授团队的“生命自我信息论”。该理论认为每一个生命构件和活动环节都可被认为是一个独立的“自信息单元”。生命体由多个自信息单元组成，这些信息单元之间通过在时间和空间上的有效组织和有序结构进一步形成了“自信息联合体”。生命活动的本质就是产生丰富的“自信息链流”。

      该理论不仅用数学逻辑定义了生命的起源及其活动本质，还为构建人造智慧生命机器及探索宇宙外星生命提供了全新的思想框架。 “生命是什么？”这是科学史上最令人着迷，也是最令人困惑的问题之一。虽然达尔文提出了《进化论》，但他认为关于生命起源的思考在当时是 “荒谬的胡思乱想”，就像试图追问“宇宙是如何起源的？”一样徒劳。

       诺贝尔奖获得者，DNA双螺旋结构的发现者弗朗西斯·克里克（Francis Crick）也曾感慨，生命的出现看起来就是一个上帝创造的“奇迹”。

       然而，另一位诺贝尔奖得主德·杜夫（Christian de Duve）却持截然相反的观点，他认为“生命的出现是宇宙的必然”，只要物理条件允许，生命就注定会产生。

       计算机科学领域的奠基人冯·诺依曼（John von Neumann）则曾从逻辑的角度发问：“是否有可能打造出一台能够构建包括它自己在内的任何实体的智慧机器？”

       开创了量子物理学的薛定谔（Erwin Schrödinger）在他撰写的《生命是什么？》一书中指出：生命似乎在以一种奇特的方式抵抗热力学第二定律，通过摄取“负熵”来维持秩序，但这背后的深层物理机制始终难以捉摸。

       尽管许多科学伟人进行了一系列的深刻思考，但在如何用统一的数学物理语言来描述生命，科学界鲜有尝试。传统的探索和研究通常基于物质和能量的视角。

       而如今，来自云南昆明理工大学信息工程与自动化学院的钱卓教授团队提出了一种全新的思想：与其纠结于物质，不如从纯信息的数学逻辑角度来审视生命活动的本质，并提出了“生命自我信息论”（The Self-Information Theory of Life），该理论认为，无论是一个简单的细菌还是复杂的人类，生命活动的本质在于接收、处理、产生和传播自我信息和意识。

生命的三元代码：基态与惊讶

     “生命自我信息论”认为，基于所有的生命活动，无论是微观的细胞信号传导，ATP分子的合成、还是心脏的跳动、血糖变化和大脑思维，均可由正、负、基态的三元编码来表示。每一个生命构件和活动环节都可被认为是一个独立的“自信息单元”。一个生命体由多个自信息单元组成，这些信息单元之间通过在时间和空间上的有效组织和有序结构进一步形成了“自信息联合体”。

       这种自信息联合体概念可以用于描述DNA-RNA-蛋白质之间的生化过程以及胰岛素细胞信号的接收和传递，也可以用来描述大脑神经细胞脉冲所产生的思维链，包括记忆与意识的形成。

        有别于传统的研究思路，该理论开创了一个全新的思想框架， 却是“三十年磨一剑”的默默耕耘。钱卓教授说：“我自从九十年代在普林斯顿大学分子生物学系开始领导自己的实验室以来，长期致力于研究分子-细胞-大脑神经网络-学习记忆-心理行为等各层次的机理研究，也一直在思考：我们是否有可能跳出当前的生物化学、生物物理思维框架，从信息与数学概率出发，来揭示千变万化的生命活动背后可能隐藏着的某种统一的数学逻辑？”

        作者提出的“生命自我信息论”认为，无论是细胞的生物化学活动，还是器官的生理变化（如心脏的跳动），从数学上都是一连串的概率事件分布。当身体处于健康、稳定的状态时（例如正常的心率），这是高概率事件，代表着该活动的自信息量很低，被称为“基本常态”（Ground State）。当发生偏离常态的事件时，例如心率突然飙升至每分钟200跳或骤降至每分钟35跳，这是低概率事件，代表着该活动的自信息量变得很高，这两种偏离基本常态的变化可分别视为“正惊讶信息”和“负惊讶信息”。也就是说，这种由基态、正惊讶、负惊讶代表的三种信息状态，构成了描述生命基本活动单元的三元编码原理。

        长期从事蛋白质与生物化学研究的专家，中国生物化学与分子生物学会副理事长，北京大学生命科学学院的昌增益教授说：“钱卓教授团队从数学和信息工程学的角度提出的生命自我信息论极具启发性，是从0到1的理论突破。”

        钱卓团队的研究生陈吉峰（论文共同第一作者）说：“这种三元编码模式不仅有别于计算机的二元编码制，而且还很容易理解，例如，当我们早晨醒来，饥肠辘辘的时候，血糖通常低于常态；当我们饱餐一顿后，血糖又会立马飙升。所以我们身体日常运行的本质，就是在这种三元编码状态下的动态切换。

维持生命的平衡：从混沌到有序

       生命之所以能存在，是因为它能通过反馈机制来管理这些“惊讶”。

       该理论进一步提出，一个生命体实际上是由数量众多的“三元编码自信息单元”通过在时间和空间上有序排列，组成了“自信息联合体”，它们的动态变化如同交响乐团的演奏，奏出了美妙的生命乐章。

       为了感知外部环境和身体内部系统的变化，从而维持生命体的正常运行，各个自信息单元之间的连接还具备一系列的协同反馈控制机制。

       研究团队的博士研究生黄晨辉（论文共同第一作者）说：“这种协同控制就好比交响乐团的总指挥，及时调节着音乐的旋律与节奏。”简单生命体，例如细菌和病毒，它们的生命自信息单元的总数较少，自信息联合体的结构也相对简单。随着生命体变得越来越高级，它的自信息单元的总数也会急剧增加，自信息联合体的结构复杂度也会越来越高，所产生的联合自信息流也越来越丰富。

    “这就好比从街头的三人小乐队逐渐变成了维也纳交响乐团，在规模、精度、协调性和艺术追求上都有了巨大的提升。”黄晨辉补充道。

       该理论提出基于自信息单元的生命自信息熵的概念，生命自信息熵的增加是机体走向无序和病变的信号，而熵值的持续累积最终导致的系统异常和崩溃，则标志着生命的病变、衰退甚至终结。生物进化就是自信息单元数量和自信息链丰富度渐增的过程。

        生命系统对生命自信息熵的调控正是这样一场维护身体的和谐，整合万千功能的精密对话，它的中断或错乱可能是疾病的序曲，而它的和谐与精准平衡正是健康的基石。因此，“生命自我信息论”能在将来为评估健康水平，研发疾病检测方法提供新的思路和策略。

突破研究生命的传统思维框架

       该理论不仅为人类管窥生命的设计蓝图，也为探索生命在地球上如何起源和演化提供了全新的信息论视角。此外，该理论对探索生命与宇宙的关系也提供了新的思路。

       研究生命的起源，科学家们主要采用三种思路。第一种是往细胞内看、向微小结构看的“生物学策略”。该方法着重研究包裹细胞的膜脂、生命催化蛋白质酶、ATP能量的产生、或核苷酸 (DNA 、RNA)分子这四大生命要素在地球形成的远古时代是如何产生的。

       研究生命起源的第二种思路是朝天际看、往深海看的“合成化学策略”，其核心通过是寻找或模拟闪电、辐射以及深海火山口等远古环境条件，尝试人工合成维持生命所需的各种化学成分与分子。

        研究生命起源的第三种思路是“天体小行星采样”策略，通过对宇宙流星样品进行分析，研究构成生命的化学物质。例如，科学家从太阳形成早期或更早时期的贝努小行星进行采样和分析，发现样品中含有15种氨基酸和5种合成DNA、RNA所需的含氮碱基。       昌增益教授说：“迄今为止，科学家们仍停留在‘先有鸡还是先有蛋？’的争议中，但哪怕是DNA、RNA、蛋白质和膜脂这四种要素都能够同时出现和到位，所形成的包裹体仍不一定有生命。因为即便是最简单的细胞体内（比如有益肠道菌），也必须有几百甚至上千条生物化学反应路途来支撑生命体的生存、修复维护、复制、繁殖、生长和种群的扩张。”

跨越生命的物理界限

    “生命自我信息论”认为生物进化就是自信息单元和自信息联合体的数量和复杂度增加的过程，即生命熵值降低的过程。人类的生命自信息单元最多、联合自信息链的信息内涵最丰富、意识层次的自信息总值也最高。这种基于纯数学信息原理所定义的生命本质与活动，超越了物质与能量的传统定义范畴，可被视为是生命起源的一种意识规则。而地球碳基生物只是实现生命规则的具象化途径和案例之一。

        著名化学家、曾先后连续担任华东理工大学和华东师范大学校长、《量子思维》与《老子思维》的作者，钱旭红院士，在评价钱卓教授团队提出的“生命自我信息论”时认为：“这种基于‘自信息’的生命形式跳出了传统的思想框架。从纯理论角度看，不仅能应用在研究生命的活动和脑思维的模式上，或许还能够超越地球物质（如碳基）的化学构建限制，比如通过量子纠缠的机制，使得代表生命的信息和思想可能在宇宙深处实现复制与无限传播。”

古老智慧的回响：三生万物

       有趣的是，“生命自我信息论”中由“基态”和“正、负惊讶”构成的三元信息密码，与古老的东方哲学产生了共鸣：古代思想家老子《道德经》中描述天地万物的始基与母源在于“道”，由道开始，“道生一，一生二，二生三，三生万物。”钱旭红院士说：“生命自我信息论的三元编码原理几乎是老子‘三生万物’思想的当代版、生物化学信息版。”

      “生命自我信息论”首次将数学逻辑与信息学原理系统性地引入对生命本质的阐释，从信息维度重新定义了生命活动的内在规律，超越了传统以物质与能量为核心的认知框架。该理论为理解生命在宇宙中的起源及其多样化的存在形态，提供了一个崭新的视角。其核心思想在于：生命之所以诞生、存在并具有意义，其根本使命便是感知和处理信息，并在此过程中逐步生成意识，最终赋予广袤宇宙以深邃的内涵与灵魂。

致谢：该研究受到昆明理工大学高层次人才科研平台建设经费项目和昆明理工大学研究生学业奖学金的支持。

                             通讯作者——钱卓教授简介

    钱卓(Joe Z. TSIEN)教授长期从事基因工程技术、学习与记忆、神经网络计算与大脑智能原理的研究。曾在美国哥伦比亚大学、麻省理工学院(MIT)师从两位诺贝尔奖得主。在1990年代发明了Cre-lox神经遗传编辑技术，开创了研究“基因-各种脑细胞与神经环路-认知与行为”之间相互关系的新篇章。该技术成为脑科学领域的重要研究工具，目前被世界上许多实验室广泛使用．1997年成为普林斯顿大学分子生物系历史上的首位华人教授，1999年发现了增强学习与记忆的基因开关(NR2B)，并创建了世界上首只转基因聪明鼠-"杜奇"，成果发表于《自然》杂志。《科学》杂志评为当年世界十大科技突破之一，誉为聪明鼠之父(The creator of smart mouse)。钱卓教授于2007年启动了“大脑破译计划”(Brain Decoding Project)，在2015、2016年就大脑神经网络的设计与计算原理，提出了《大脑连接论》( Theory of Connectivity )，并在多种动物和脑环路上得到了实验认证。《大脑连接论》的实验论文发表至今，阅读人次已超过十八万次。2017年钱卓教授又首次关于神经元脉冲如何编码感知、学习与记忆、情感与行为、规化与决策的实时信息，提出了破译神经元密码的新方法，并于2018年发表实验论证文章。钱卓获得了“国际行为与神经遗传学会”杰出科学家奖、凯克(Keck)基金会杰出学者奖、长江特聘讲座教授、国家特聘千人讲座教授等。现任昆明理工大学信息工程与自动化学院特聘教授、昆明理工大学“明德领军学者”、西南联合研究生院博士生研究生指导教师、卓越智能与精准健康研究院院长、昆明理工大学“计算机科学与技术”博士生研究生指导教师、南开大学客座教授。

                                           第一作者：黄晨辉简介

昆明理工大学计算机科学与技术专业2025级博士生，师从钱卓教授。研究方向：计算机视觉、类脑计算、智慧医疗。

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