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来源：科学网 概要：地球，自从有了生命，就是一个信息世界，只是后来日渐热闹起来了而已。我们在社会中生存，每个人既是信息的感知者，也是信息的生产者。 地球，自从有了生命，就是一个信息世界，只是后来日渐热闹起来了而已。我们在社会中生存，每个人既是信息的感知者，也是信息的生产者。就像人类不知道怎样定义生命，却一代又一代地生活过来了一样，人们不知道该如何定义信息，却一代又一代地使用过来了……信息是什么？控制论的创始人维纳说，“信息就是信息，不是物质，也不是能量”（Wiener1948），而物理学家则不然，他们说，“信息是负熵” （Brillouin 1956）、“万物是比特”（Wheeler 1994）、“物质世界由信息自身所构成” （Bekenstein 2003），等等。问题是，如果没有生命，山川河海、风云雷电、日月星辰与量子纠缠——谁来欣赏与遐想？虽然当代信息技术给人类生活带来了翻天覆地的变化，但是，人们在信息的本质与定义问题上却依然存在巨大争议。在中国科学院编写的《21世纪100个交叉科学难题》一书中，“信息是什么”甚至被列为100个难题之一。 1. 引言 1.1 生物信息——多彩而古老 信息——丰富多彩，有生物的、社会的和自然的……即便是生物信息，也并非人类的专利，譬如，所有生物体内都有一套遗传信息。卢因（2007）说，“我们之所以用‘信息’这一术语，是因为基因组成本身在建造生命体中不起任何主动作用，而是核酸的一个个亚基（碱基）的序列决定了遗传特性。通过一系列复杂的相互作用，这种序列被用来在适当的时间和地点产生出生命体的所有蛋白质”。 生物体内的脱氧核糖核酸（DNA）是地球上最古老的信息载体。四种核苷酸（A、T、G、C）的排列组合——以三联体的形式——就记载了生命的遗传信息，DNA的编码信息被翻译为氨基酸以指导蛋白质的合成。数百万个物种使用着同一套的遗传编码体系。因为，DNA记载的生命信息可以自我复制并传给子代，才有遗传信息之称。它们在世代间传递的误差成为了生物变异的源泉，而这意外地变成了物种演化的动力，否者在地球上不可能出现数以千万计的物种！ 此外，生物体内还有很多化学信号物质，如激素，对机体的新陈代谢、生长发育、繁殖活动等具有重要的调节作用。 地球表面的生物圈亦是一个信息圈（Infosphere），数以百万计的动植物和微生物通过复杂的种内和种间关系构成了一个相互联系、相互依存的网络系统，物质、能量和信息在其中川流不息。譬如，很多动物都用各自的方式感知外在信息——色彩（视觉）、气味（嗅觉）、声音（听觉），有的甚至能使用超声波或磁场……这些感觉信息（输入）转化成神经信号传递到大脑，再返回决策信息指导行为（输出）。行为的结果亦可作为新的信息反馈到大脑，丰富或修正已有的知识，形成“学习”。 各种动植物都拥有自己对生存信息的感知（甚至认知）、加工与利用方式，对高等动物来说，生存信息的记忆就保存在大脑中，而我们人类的认知信息还可以保存在纸张上或电子设备中。但是，人类对自己的大脑是如何辨识、编码、存储与利用这些认知信息的内部过程依然是一无所知。譬如，我们并不知道自己的大脑对视觉信息是否进行了编码，就更谈不上如何编码了。 1.2 通向现代信息社会之旅 与其它动物最大的不同在于，除了声（语言）外，我们人类还能用光、电、纸张、手机、电脑等来传输或记载大量的文字、图形、声音、影像等感知/认知信息。 人类对外在信息利用的记载历史悠久，古籍中早有对利用草木荣枯、候鸟来去等信息来安排农事的记载，譬如，早在1500多年前，贾思勰就在《齐民要术》中写道：杏花开了，好像它传语农民赶快耕土；桃花开了，好象它暗示农民赶快种谷子。春末夏初布谷鸟来了，我们农民知道它讲的是什么话: “阿公阿婆，割麦播禾”（竺可祯和宛敏渭1973）。 人类通讯手段的发展经历了数千年的历程：从书信→电信→光信等。但在工业技术的突飞猛进中迅速迈入了现代信息社会：17世纪和18世纪初的钟表时代→18世纪末到19世纪的蒸汽机时代→20世纪的通讯和控制时代→21世纪的互联网与智能时代。 现在，我们生活在一个现代化的信息时代，通过自己的感官从身边或从各种信息媒介/载体——报纸、书籍、电视、电话、互联网、微信等——中获取、传递和交换信息，每个人都在复杂纷繁的信息中穿行，失去信息的生活已无法想象！ 现代信息技术可谓五彩缤纷，包含无线通信技术、光通讯技术、激光技术、计算机网络技术、遥感技术、数字多媒体技术、大数据技术、智能信息处理技术、互联网技术等诸多领域，人类在各种信息（文字、图像、声音等）的探测、识别、获取、传输、存储、检索与处理等方面取得的技术进步有目共睹，譬如，精准的人脸识别技术得到了广泛的商业应用。信息论早就不局限于其经典的通讯领域，已经或正在渗透进生物学、人工智能、经济学、农学、气象学、资源环境、心理学、医学、神经科学、化学等，孕育出了生物信息学、智能信息学、经济信息学、农业信息学、气象信息学、资源环境信息学、医学信息学、神经信息学、化学信息学等新学科。 1.3 信息论的诞生 虽然信息一词的使用已有2000多年的历史，但信息论的出现却是上世纪中叶的事情。1948年，美国数学家香农发表了长篇论文“通讯的数学理论”（Shannon 1948），宣告了信息论（information theory）的正式诞生，在这之前称为信息论的“史前时代”（有本卓1985）。那时，电子计算机、PCM通讯技术以及控制论也登上了历史舞台。可以说，信息论是为了解决通信技术问题而问世的，那时它就是二进制的码/串/阵列。当然，通讯信息有自身规范的概念体系：①信息源——以信号的形式发送信息的主体，或观测、考察的对象，②信道——传送信号的通道或媒介，③信宿——信息传送的对象。信号在传输中可能需要编码、译码、调制等各种形式的转换或处理，当信宿识别后，信号转化为信息（朱月明等2003）。 1.4 本文的目的 维纳（1948）曾说，“在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间的被忽视的无人区……一个人可以是一个拓扑学家，或者一个声学家，或者一个甲虫学家。他满嘴是那个领域的行话，知道那个领域的全部文献，那个领域的全部分枝，但是，他往往会把邻近的科学问题看作与己无关的事情，而且认为如果自己对这种问题发生任何兴趣，那是不能容许的侵犯人家地盘的行为”。 我是研究生物学的，从未学习过正宗的信息科学，对信息理论更是知之甚少，但近几年由于对生命起源的兴趣，涉足了一点生物信息学，主要是关于遗传信息的起源问题，并提出了密码子起源的“ATP中心假说” （虽然它还在沉睡之中，因尚无法验证）。最近，我关注到信息科学对其最核心的概念——信息的定义十分混乱——据粗略统计，国内外学术界对信息的定义已经超过200种（王哲2007），可谓众说纷纭，但鲜有生物学家的声音。因此，怀着忐忑之心，笔者斗胆写下此文，旨在重探信息的本质与定义。 2. 词源 根据Wikipedia，古希腊语中的信息为“πληροφορία”，字面上的意思是“bears fully”（充分承载）或“conveys fully”（充分传递）之意，在现代希腊语中，“Πληροφορία”仍然是一个与英语“information”同样意思的日常用语。 “信息”（information）一词由in，form, -ation组成，前缀in具有强调行动之义，名词后缀-ation表示“做某事的行动或过程”，因此，information字面上有“赋予某物以形式的行动”之意（Capurro 2009）。 根据Wikipedia，信息的英文单词源于主格（informatio）的拉丁词根（information-）：这个名词是由动词“informare”（告知）衍生出来的，有“to give form to the mind”、“to discipline”、 “instruct”、“teach”等意思（Capurro & Hjørland 2003）。Informatio 有具有本体论和认识论两层含义：“赋予质料以形式的行动”和“传授知识给其他人的行为”（周理乾2016）。Inform自身（通过法语）informer来自拉丁动词informare，有“to give form”或“to form an idea of”之意。在法文、德文和西班牙文中也是用“information”表示“信息”。 早在2000多年前，我国就有使用“信”的记载：西汉扬雄《太玄经》中有“阳气极于上，阴信萌乎下”的句子，这里的“信”意指“消息”。另外，在唐代，李中在《碧云集·暮春怀故人》一诗中就写下过“梦断美人沈信息，目穿长路倚楼台”的句子（钟义信2002）。日文用“情报”、以及台湾用“资讯”表示“信息”。 3. 信息的定义 信息的早期定义主要体现了与通讯技术、控制论与热力学的血脉关系。对信息概念最有影响力的学者当属三位美国数学家——哈特莱（Ralph Hartley，1888-1970）、香农（Claude Elwood Shannon，1916-2001）和维纳（Norbert Wiener，1894-1964）（表1），香农被誉为信息论的创始人，而维纳是控制论的创始人。Hartley（1928）认为消息是代码和符号而非信息内容本身，提出用消息可能数目的对数来度量消息中所含有的信息量，从而为信息论的创立提供了思路。Shannon（1948）认为，信息是用来消除随机不确定性的东西。Wiener（1948）的定义强调了作为观察者——我们在信息中的地位，以及通过信息介导的反馈作用，这也是其控制论的核心。但维纳对信息的定义亦充满了哲学激情，他说，“信息就是信息，不是物质，也不是能量。不承认这一点的唯物主义，便不能在今天存在”（Wiener 1965）。英国神经生物学和控制论学家艾什比（W. Ross Ashby，1903-1972）用“变异度”来定义信息。 早期的信息论曾试图与经典热力学（熵、负熵）联姻。Wiener（1948）认为信息量实际上就是负熵，他说，“信息量的概念非常自然地从属于统计力学的一个古典概念——熵。正如一个系统中的信息量是它的组织化程度的度量，一个系统的熵就是它的无组织的度量；这一个正好是那一个的负数”。法国物理学家布里渊（Léon Brillouin，1889-1969）在1956年发表的《科学与信息论》专著中说，“信息是负熵”。美国物理学家惠勒（John Archibald Wheeler，1911-2008）曾语出惊人道：“万物源于比特（it from bit）”（Wheeler 1994）。 Brier（2015）指出，建立一个普适性的信息概念的最大问题是，由香农、维纳和惠勒等试图建立一个客观信息概念的本体论尝试都无法包容蕴含在生命和社会系统中的意义和经验，特别是这些纯数学的或与负熵相关数学的信息定义并不足以包容生命系统中的日常信号游戏（sign games）和意识性人类的语言游戏（language games）所涉及的问题，因为没有证据显示贯穿自然、文化、生命和意识实在的核心是纯数学的、逻辑的或计算性质的。 表1 国外学者对信息的定义
而现代百科和各类词典的信息定义（表2）主要体现了人对客观事物的认识（通过观察、学习或交流等）以及从中获得知识等认知信息的过程。 根据Wikipedia的定义，信息是对某种问题的回答，因此与数据和知识有关，因为数据表示由参数决定的数字，而知识表示对真实事物或抽象概念的理解。关于数据，信息的存在并不一定伴随一个观察者，但在知识的情形下，信息需要一个有认知能力的观察者（it is the answer to a question of somekind. It is thus related to data and knowledge, as data represents values attributed to parameters, and knowledge signifies understanding of real things or abstract concepts. As it regards data, the information's existence is not necessarily coupled to an observer, while in the case of knowledge, the information requires a cognitive observer.）。 百度百科认为，“信息，指音讯、消息、通讯系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容。人通过获得、识别自然界和社会的不同信息来区别不同事物，得以认识和改造世界。在一切通讯和控制系统中，信息是一种普遍联系的形式”。 表2 各种词典中关于信息的定义
我国学者也提出了很多信息定义（表3），主要是从哲学的视角，有些强调信息的本体性或客观性，甚至将信息与物质和能量并列，有些则秉持主体论观点，认为信息是人类对事物的认识。 表3 我国学者对信息的定义
不同的领域有自己独特的信息内涵，信息在通讯技术中主要是符号的排列顺序，在动物的行为中是各种不同的感觉信号，在分子生物学中是核苷酸的排列顺序（三联体密码子），在物理学中是熵，等等（表4）。 表4 信息在不同的领域中的含义
（来源：Wikipedia） 人们也在试图总结信息的一般特征（表5），但并不那么容易，像“普遍性”、“客观性”和“动态性”是物质世界的基本属性，并非信息所特有。时效性也要看信息的使用目的，譬如，当我们要探讨地球历史演化时，古老的地层信息依然十分重要。当然，可识别性和可传递性是重要的，这是获取与使用信息的基本前提。至于可不可以共享这也难以一概而论，存在范围与方式的问题。 表5 信息的特征
（来源：维基百科） 4. 数据、信息与知识的区别 根据Diffen，数据是原始的、未组织的事实，因此需要加工，数据可能是简单、看起来随机无用的东西直到它被组织起来（Data is raw, unorganized facts that need tobe processed. Data can be something simple and seemingly random and useless until it is organized.）；当数据被加工、组织、结构化或以一定的范式呈现以便使其有用，就称为信息（When data is processed, organized,structured or presented in a given context so as to make it useful, it iscalled information）。譬如，过去100年的全球温度记录就是数据，如果通过对这些数据的组织与分析发现全球温度正在升高，就是信息。 Silver（2012）说，“数字自己不会说话，我们为它说，我们为其灌输意义”（The numbers have no way of speaking for themselves. We speak for them. We imbue them with meaning）。 在信息科学中，信息用数据来定义，而知识用信息来定义（information is defined in terms of data, knowledge in terms of information），即知识常常被定义为组织起来或可操作的信息（knowledge is often defined as “informationthat have been organized”or “as actionable information”）（Rowley 2007）。知识由一系列相互链接的信息组成（knowledge consists of an interlinked chain of information）（Hilbert 2016）。 5. 信息量的计算 最早试图对信息进化量化的是哈特莱，当可传输符号的集合包含n个符号时，由此集合选出N个符号而做成的序列共有nN种，接受这类序列之一而得到的信息量H = log nN=N log n（Hartley 1928）。 香农提出了计算信息量的公式（Shannon 1948），一个信息由n 个符号所构成，符号k出现的机率为Pk，则有： 这个公式和热力学的熵的计算方式一样，故也称为信息熵。从公式可知，当各个符号出现的机率相等，即“不确定性”最高时，信息熵最大。故信息可以视为“不确定性”或“选择的自由度”的度量。 信息的基本单位是比特（bit），是Binary digit（二进制数）位的缩写，一个二进制数就包含了1比特的信息，如二进制数0101的信息量就是4比特。动物神经元兴奋的“全或无”（激发或休止）就类似二进制中的数字选择（1或0）。当前的计算机系统基本上都是使用二进制运算模式。 6. 信息——仅隶属于生命 信息一定是生命的信息，离开了生命，就只有客观世界中万事万物的存在与变化，无论多么地复杂。信息也不仅仅是人类的信息，所有动植物都能感知自身与环境中的信息，并运用于指导各自的生存。同一个事物对不同物种的信息意义可能十分地不同。譬如，同样的光，对不同动物的意义是完全不同的，这取决于它们的光感受器的结构与功能。 眼点使带鞭毛的原生动物能感受光的方向和密度，进行定向的趋光运动或避光运动，对这些小生命来说，这样的功能足以满足其生存需求了。据说，涡鞭毛虫可通过眼点对光的感受来进行捕食。 图1 扁眼虫，红色为眼点（来源：百度图片） 昆虫有称之为复眼（图2）的视觉器官，它由众多的小眼（ommatidia）组成（如蝶、蛾类的复眼可含有约28000个小眼），每个小眼是一个独立的感光单位，分别由角膜、晶椎、色素细胞、视网膜细胞、视杆细胞等所构成。从视网膜细胞向后伸出的轴突穿过基膜汇合形成视神经。通常每个小眼只能形成一个像点，由众多小眼的像点可拼成一幅图像。与简单的原生动物相比，昆虫所能感知和利用的视觉信息就要丰富得多了。 图2 昆虫的复眼（来源：维基百科） 与无脊椎动物相比，脊椎动物的视觉系统更为复杂：通常包括视网膜，相关的神经通路和神经中枢，以及为实现其功能所必须的各种附属系统（图3）。这些附属系统主要包括：眼外肌，可使眼球在各方向上运动；眼的屈光系统（角膜、晶体等），保证外界物体在视网膜上形成清晰的图像。 图3 人眼的结构（来源：Scanlon and Sanders 2007） 物种对同一个事物的信息感知方式可能完全不同。譬如，青蛙眼睛中的感受细胞仅仅可以对又小又黑而且活动的物体做出反应，因此，青蛙能够在没膝深的不动的苍蝇堆中饿死，但一旦一只苍蝇快速地从青蛙的眼前飞过时，青蛙的“昆虫觉察器”就会突然觉醒（Myers 2004）。 不同物种对各种环境要素的感知能力可能完全不同。譬如，很多动物都有利用特定环境信息或信息技术进行生存的绝技，如鸟类可用磁性作指南针，蜜蜂则可用太阳偏振光来导航，蝙蝠和海豚（还有我们熟悉的在长江中生活的白鳍豚）可用声呐来搜索猎物或逃避捕食者……对此，我们人类却完全无能为力。因此，不能撇开观察者来谈信息。对蝙蝠和海豚来说，声呐是它们进行捕猎的信息技术，但对人类来说，揭开了这个秘密才使其成为了我们的认知信息。 7. 生命的开端——从能量到信息 在遗传指令控制下的生命内部运行法则常常被误贴上“活力论”的标签：“由于科学家至今仍不能找到产生这种生物信息的‘编码者’，也就不能从自己所建构的符号系统之内来解释以生物分子为载体的生物信息的生成机制，所以生命的物质实体就不能构成提供生物信息的确定源泉。因而，生物信息仍然具有无法解释的神秘性。生物信息和活力物质所起到的作用就有了‘异曲同工之妙’”（曹昱和萧玲2009）。 在地球上，分子与分子之间的化学作用是如何转化成可被保存、识别与利用并能进行自我复制的信息的，这堪称物质世界的最大神奇，这亦是生命创造的奇迹！这种原始的生命信息是所有信息的开端，它实现了从孤寂的物理世界到多彩的信息世界/生命世界的华丽变身。那么，这种信息是如何起源的呢？ 首先必须从细胞内信息系统的构建开始，这是历经数亿年的漫长过程，直到原始生命获得了将物质信息化的能力，成功地将自身的生物化学过程储存于一种特殊的信息分子DNA之中(谢平2017a)，从而使生命可以遗传，并保持世代之间的同质性。储存了种族信息的DNA序列就称为遗传信息，这亦是生物信息学研究的核心（钟扬等2001，2005）。 一方面，无论是以单细胞还是多细胞的形式，所有生命个体在本质上都是能量转换的自动机，另一方面，能产生同质性个体的生命延续（繁殖）方式得到了自然的青睐，而这是以服务于遗传的信息系统的构建为基础的。因此，原始生命的生化系统是在能量转化与信息化的协同演化中发展起来的，或者更确切地说，是在能量转化的过程中实现的信息化。因此，生物信息实现了遗传与生化的偶联。 生物信息系统的核心就是三联体密码子。ATP在三联体密码子起源中扮演了重要角色，因为：❶它是所有光合生物将光能转化成化学能的第一个产品；❷驱动了一系列的生化循环（如卡尔文循环、糖酵解和三羧酸循环等）与元素重组；❸它通过自身的转化与缩合将复杂的生命过程信息化，筛选出用4种碱基编码20多个氨基酸的三联体密码子系统，形成了遗传信息的保存、复制、转录和翻译以及多肽链的生产体系；❹演绎出蛋白质与核酸互为因果的反馈体系，并在个体生存的方向性筛选中，构建了对细胞内成百上千种同步发生的生化反应进行秩序化管控的复杂体系与规则，并最终建立起个性生命的同质化传递机制——遗传。这就是解释遗传密码子起源的“ATP中心假说”（图4）。 图4 原始生命中信息系统的起源，蓝色虚线表示前生命期的演化过程，红色实线表示演化或作用从前生命期一直延续到生命期，箭头表示作用或影响方向（来源：谢平2017a） 为什么世界没有停留在有机汤中？为什么物质要从混沌走向秩序？为什么大自然青睐生产同质性个体而导致了遗传信息的产生？地球生命演化初期，包裹在脂质囊泡中的有机物在太阳光能的照射下链接出较长的有机分子从而在泡内累积，之后囊泡破裂，再累积，再破裂……循环往复，终于迎来了细胞分裂机制的出现。不断重复就变成了规律，记录、保存与使用规律就是一种信息化过程。没有个体就没有生命，以信息为纽带的生化与遗传系统的演化都必须在个体中进行。遗传信息记载的不仅仅是生命个体的构建程序，还包括了对外部世界（各种环境信息）的响应模式。 在被破译以前，遗传密码不能称之为我们的认知信息，但它却是所有生物的遗传信息，并有效地运行着。现在我们知道，生命 = 物质 + 能量 + 信息。 不同的物种对环境信息的感知与需求可谓千差万别，对水中的眼虫来说，它们只需要感知身旁微弱的光来指导其捕食行为即可，而陆地上人类的高楼大厦与灯红酒绿对其毫无意义。因此，同样的事物，对不同物种的信息意义可以完全不同。人类（当然不是每个人）几乎对世间的万事万物都感上了兴趣——小到基本粒子，大到整个宇宙。因此，人类社会集聚的信息无可估量。 8. 信息的本质——没有感知就没有信息 没有感知者，信息将无任何意义，而这个感知者就是生命。因此，在生命诞生之前，不可能有感知者及其主观世界，只有客观世界中万事万物的存在、运动与变化等。地球上千千万万的物种，生活在形形色色的环境之中，以各自特有的方式感知着身边的大千世界，它们不仅对同一信息的感知灵敏度不同，有时还可能形成完全不同的感觉信号。有些物种的个体其活动范围一辈子也不会超过1m，而有些物种（如鸟类、洄游性鱼类）每年都要迁徙成千上万公里，它们对信息的感知范围和模式会有天壤之别。 此外，即便是同一个物种，对信息的感知方式也是多种多样的。譬如，人所能感知的信息可区分为视觉信息、听觉信息、味觉信息、嗅觉信息、触觉信息等（图5），这些信息具有完全不同的性质，人体对它们的感知是通过不同的感觉器官来实现的。当然，我们现在对这些信息（如视觉信息）以什么形式进行传递、在哪里以及以什么形式储存、如何搜索与提取等问题几乎是一无所知。而人类通过技术手段对景物的识别、图像信息的存储和传输都已十分成熟，但为何这在脑科学中就如此的步履艰难呢？ 图5 五种基本的感觉器官（来源：谢平2017b） |
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