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2023-11-03
信息编码的物质基础：生命与医学的探讨
【摘要】：无论是构成计算机程序的数码串，还是构成生物细胞基因的分子密码，它们的运行、控制与存储都是物质运动形式。不同的生物种类，拥有不同数量的基因。令人惊讶的是，在地球上，所有生物物种的基因都是由上述4种单核苷酸分子组合而成的。单核苷酸分子紧密排列成链条状的“字母”串，被称为DNA。好在我们的DNA链条并不是展开的，它们有序地折叠、缠绕，成为小小的染色体，隐藏在细胞核中。
无论是构成计算机程序的数码串，还是构成生物细胞基因的分子密码，它们的运行、控制与存储都是物质运动形式。计算机程序中的0和1，通过电流在半导体中的开通与关闭来表达；基因中的三联密码，则是通过核苷酸分子的化学反应来表达。
人类创造了计算机。最初，计算机很大、很笨，因为那时候用“电子管”来控制电路的开、闭功能，从而形成由0和1组成的数码串。电子管像小灯泡那么大，现在的年轻人可能没见过。世界上第一台计算机名叫ENIAC，于1946年诞生，使用了18 800个电子管，体重30多吨，占地170平方米，而且只能进行简单的算术运算。后来有了晶体管，能够在较小的空间里做成密集的电路，使计算机的体积缩小、功能增强。再后来，发明了大规模、超大规模集成电路，应用特殊的工艺在小小的半导体硅片上做出复杂的电路。于是，计算机做得越来越小，功能越来越强大，可以进入每个家庭，以至于人手一个智能手机，揣在衣兜里随时使用。而计算机的控制和指挥系统，或者被称为软件，就隐藏在它们体内小小的“芯片”里。
相比之下，生物细胞的控制和指挥系统，被称为基因，其体积从一开始就很小、很精致。它们以“染色体”的形式隐藏在细胞核中。我们人类的细胞核中隐藏着23对染色体，如果拿计算机来打比喻，这就是我们的“芯片”。这个芯片有多大？我们可以想象一下：细胞核的直径大约3微米（对比：头发丝的直径为100～200微米），23对染色体可以宽松地住在细胞核内，可见生物细胞的“芯片”比计算机的“芯片”还要小得多。
不同的生物种类，拥有不同数量的基因。比如，人类的细胞中拥有大约2.5万个基因，蚯蚓的细胞中大约有2万个基因，果蝇的细胞中大约有1万个基因。每一个基因都相当于计算机的一个操作程序或应用程序。令人惊讶的是，在地球上，所有生物物种的基因都是由上述4种单核苷酸分子组合而成的。单核苷酸分子紧密排列成链条状的“字母”串，被称为DNA。每一个基因都是一段长长的DNA链条，由数千个单核苷酸分子组成，隐含着海量的生命密码。这些DNA链条都是双股（只有精细胞和卵细胞的DNA是单股），其中每一对单核苷酸分子都是严格的“互补配对”。每一对DNA分子被称为一个碱基对（bp），DNA的长度就是以多少个bp来计算的，如1 000bp=1kbp，1 000kbp=1Mbp。这是不是有点像使用kb、Mb、Gb来表示计算机程序的大小？(www.chuimin.cn)
DNA链条呈双螺旋结构，它的长度是多少？以我们人类细胞中的DNA为例，如果全部展开，有1.5米长！细胞核的直径只有数微米，哪能装得下长达1.5米的链条？好在我们的DNA链条并不是展开的，它们有序地折叠、缠绕，成为小小的染色体，隐藏在细胞核中。在生命活动的过程中，生物细胞会根据需要，精确而有序地展开某一段DNA链条，让其中隐含的基因密码得以复制、转录、翻译，从而发挥作用，这叫作“基因表达”。就像计算机芯片中保存着众多的程序，当需要完成某项任务时，相应的程序被激活，而其他无关的程序处于待命状态。图2为DNA双螺旋结构模式图。
图2 DNA双螺旋结构模式图
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2023-11-03
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