化学信息学的探索与思考 - 1.doc

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1、化学信息学的探索与思考徐光宪（北京大学化学学院）一、引言自从申农在1948年发表著名论文《通讯的数学理论》[1]以来，信息概念已在人类知识的各个领域广泛应用，并提出几十个不同的定义。这些定义是如此之不同，以至提出“是否存在统一的信息理论？”的疑问，并因此在1999年召开了关于（TheQuestforaUnifiedTheoryofInformation）的国际会议[2]，但没有得出一致的结论。本文从化学角度探索化学信息学和信息化学这两个交叉学科。化学信息学用物理和化学的观点、理论、方法探讨信息科学问题

2、，如能成立，将是信息科学的一个分支。信息科学可分为四大分支[3]：信息科学通论、自然信息科学、工程和技术信息科学、人文和社会信息科学。在自然信息科学下面，又可分为物理信息学、化学信息学、生物信息学、地理信息科学等[4]。信息化学用信息科学的理论和方法研究化学，使化学发展获得新视角、新概念、新理论、新方法，将是化学的一个分支。1971年S.Wold最早提出Chemometrics（化学计量学，也可翻译为信息分析化学），至今已有34年历史，应该是信息化学的一个分支。最近出版了Gasteiger等著，梁逸曾

3、等译的《化学信息学教程》[5]，其内容相当于本文的《信息化学》。为了尊重大家的习惯用法，我放弃《信息化学》的名称，把化学与信息科学的交叉学科合称为化学信息学，而把我建议的化学信息学的内容称为“基础化学信息学”，作为化学信息学的一个分支，以免与习惯用法发生矛盾。基础化学信息学是一个还很少研究的新领域。作者考虑基础化学信息学应探讨的问题有：（1）信息是什么？从物理和化学的视角，如何理解信息？如何定义信息？信息如何分类？这些观点如何与正统的信息科学兼容？信息的多种概念和定义，只有互相兼容，才能导致统一的信息

4、理论。（2）信息的“量”和“质”的问题。（3）信息和能量可以互相交换吗？（4）原子、分子有没有信息？如有，可否把现在已知的8000万种分子（先选择其中有代表性的一部分），在宇宙标准状态（即恒星标准状态＝107K的等离子态），和地球标准状态（即298K和1大气压）的信息量计算出来，并研究分子信息量和分子反应性能的关系，从中总结规律。“可见宇宙”由75％H，23％He和2％其它化学元素组成，如果把这些化学元素在恒星标准态的信息量计算出来，是否可以估算可见宇宙的总信息量？这个问题将在另一篇文章中讨论。二、信

5、息是什么？2.1宇宙究竟有多少要素？信息不是物质，因为信息没有质量。信息不是能量，因为信息不守恒。信息不是精神，因为信息先于精神。所以信息是宇宙四要素之一。宇宙究竟有多少要素？这是一个哲学命题。至少有四种回答：（1）一要素论：唯物论、唯心论、唯能论、唯信息论。美国著名资深物理学家惠勒[6－7]说：“在我研究物理学的一生中，它可以分为三个阶段：第一阶段我笃信万物由粒子构成；而我把第二阶段的信仰叫做万物由场构成。现在我深信万物由信息构成（Everythingisinformation）。（2）二要素论：物

6、质与精神。其中认为物质是第一性的，精神是第二性的，是辩证唯物论。罗先汉[8]提出物信论，认为宇宙的要素是（广义）物质和信息。（3）三要素论：物质能量信息（4）四要素论：场/能量物质信息精神/意识2.2狭义信息论信息是通讯系统中由信源发出，通过编码、信道、解码，由信宿接受的东西。信息是不守恒的，信息可以增益，也可以消灭。这个正统的信息概念被称为狭义信息论[9]、[10]。2.3生物信息学自从基因遗传密码被发现以后，生物细胞之间有信息传递的概念，是被正统信息科学家接受的，并且认为信息的起点就是生命的起点。

7、2.4信息超分子化学J.-M.Lehn[11]把信息的起点推前了一步，定位在由给体和受体分子形成超分子。她建立了信息超分子化学，把给体和受体称为互补子（Pleromers），把信息的起点定在超分子形成，认为信息是超分子领域的主线。Pleromer来自希腊文，原义为“互补”。2.5TomStonier[12－14]创建了物理信息学他认为原子分子是有信息的，并根据薛定谔对波尔兹曼关于熵的方程的表达[15]，推导出信息和熵的定量关系式[12，p.38]：S＝kloge（I0/I）（1）上式中k为波尔兹曼常数

8、，S为1mol某一纯物质的熵，I为相应的信息，I0为1mol该纯物质在完美晶体状态时的信息，是信息的最大值。I的数值非常大，我们用I的对数H来表示，称H为信息量，即H＝log2I（单位：比特）＝3.32logI把波尔兹曼常数和阿佛加得罗常数代入，可以推导出熵的减少值－DS与信息量的增加值DH之间的关系：－DS＝－1J/K/mol＝DH=1.045×1023比特/mol=0.1735比特/粒子（2）但Stonier没有论证原子或分子之间有无通讯，有无“信源