从信息编码学的角度看DNA碱基对对应特定胺基酸，有哪些独特的感受？

从信息编码学的角度看，DNA碱基对对应特定氨基酸这一现象充满了令人惊叹的独特性。这种独特性体现在编码效率、冗余性、鲁棒性以及演化上的灵活性等多个方面。以下我将从信息编码学的角度详细阐述其中的独特感受：

1. 编码效率与信息压缩的精妙平衡

感受：信息量的“恰到好处”与“高效压缩”。

基础信息量： DNA 的基本信息单元是碱基对 (A, T, C, G)，本质上是四种符号。而蛋白质的基本构成单元是氨基酸，共有 20 种。若要一一对应，至少需要 log₂(20) ≈ 4.32 比特的信息。
密码子的设计：自然界并没有采用直接的“一对一”或“一对多但效率低下”的编码方式。而是采用了三联体密码子（Codon）。每个密码子由三个碱基组成，总共有 4³ = 64 种可能的组合。
编码效率的独特之处：
远超氨基酸数量： 64 种密码子远远超过了编码 20 种氨基酸所需的最小组合数。这意味着编码是高度冗余（Redundant）的。
信息压缩的体现：这种冗余并非浪费，而是信息编码学中一种非常有效的策略，旨在提高编码的可靠性和鲁棒性。它像是一种“信息压缩”，将原始的四进制信息（碱基序列）以一种更“压缩”但“安全”的方式（三联体密码子）来传递目标信息（氨基酸序列）。从信息传输的角度看，这就像是在有限的带宽上，通过增加一些“校验位”或“冗余信息”，来确保接收端能够准确无误地解码。
高效利用有限空间： DNA 是细胞内极为宝贵的分子，其存储密度极高。通过三联体密码子，生命系统巧妙地用一小段 DNA 序列（例如 3 个碱基）来指定一个氨基酸，极大地提高了信息存储和传输的效率。

2. 冗余性（Degeneracy）与鲁棒性（Robustness）的强关联

感受：看似“低效”的冗余，实则“高效”的保护。

密码子简并性（Codon Degeneracy）：这是最显著的独特之处。许多氨基酸由不止一个密码子编码。例如，亮氨酸（Leu）由 6 个密码子编码，而色氨酸（Trp）和甲硫氨酸（Met）仅由 1 个密码子编码。
信息编码学上的“错误纠正码”：
突变容忍度：在 DNA 复制和修复过程中，难免会发生点突变（碱基替换）。由于密码子的简并性，很多时候一个碱基的改变并不会改变其编码的氨基酸，或者会将其替换为结构或化学性质相似的氨基酸。这大大降低了突变对蛋白质功能造成灾难性影响的概率。从信息论的角度看，这是一种内置的“信道编码”，有效抵抗了“噪声”（突变）。
“纠错能力”的体现：这种简并性在编码学上可以看作是一种前向纠错（Forward Error Correction, FEC）的变体。虽然它不能完全“纠正”错误，但可以有效地“纠正”或“减轻”错误的影响，使得蛋白质的序列不至于因为一些随机的碱基变化而完全“失真”。
位置特异性冗余：密码子中的第三个碱基往往是冗余度最高的。例如，在 UCU, UCC, UCA, UCG 都编码丝氨酸（Ser）时，前两个碱基 UC 已经确定了氨基酸，第三个碱基的变动则不影响解码。这尤其重要，因为第三个位置的碱基更容易发生改变。这是一种非常“智能”的冗余分配策略。

3. 起始和终止信号的明确性

感受：精确的“帧同步”和“结束标记”。

起始密码子（Start Codon）： AUG 是主要的起始密码子，它不仅编码甲硫氨酸，还标志着蛋白质合成的开始。这就像一个“起始帧”的标记，告诉核糖体从哪里开始读取信息。
终止密码子（Stop Codons）： UAA, UAG, UGA 这三个密码子不编码任何氨基酸，它们标志着蛋白质合成的结束。这就像一个“结束标记”，确保蛋白质链的长度是正确的。
信息编码学上的意义：在序列数据流中，精确的起始和终止标记至关重要，它们定义了信息单元（这里是 mRNA 序列）的读取“帧”（Reading Frame）。没有明确的起始和终止信号，整个信息流就会变得混乱。这种精确性保证了蛋白质合成的起始位置和结束位置的唯一性和准确性，是信息编码高效解码的关键。

4. 氨基酸化学性质的“类比编码”

感受：编码与功能之间的“智能映射”。

密码子与氨基酸的物理化学性质：尽管看起来是随机的，但有研究表明，密码子的简并性在一定程度上反映了氨基酸的物理化学性质。例如，具有相似性质的氨基酸（如疏水性或亲水性）往往具有相似的密码子模式，或者其密码子在第三位存在相似的碱基。
信息编码学上的“语义相似性”：这就像在信息编码中，我们不仅仅是分配一个唯一的符号，而是尝试让符号的“表示”或“组合”与它们所代表的“意义”或“属性”之间存在某种联系。虽然不是严格的逻辑映射，但这种“类比编码”可能有助于在发生突变时，更容易替换为性质相似的氨基酸，从而进一步增强蛋白质的功能鲁棒性。

5. 演化上的灵活性和优化

感受：一个“适应性”的编码方案。

非静态的“标准”：虽然我们称之为“遗传密码”，但它并非一成不变。在某些生物（如线粒体）中，遗传密码会发生细微的变异。这表明这个编码系统具有一定的演化灵活性。
信息编码学上的“优化”与“适应”：从信息论的角度看，遗传密码可以被视为一个经过漫长演化过程优化的编码方案。它在编码效率、数据完整性、抗干扰能力（突变）以及存储密度之间找到了一个动态的平衡点。不同生物体在其生存环境和演化压力下，可能会对这个编码方案进行微调，以达到最优的“信息传输”和“功能表达”效果。

总结：

从信息编码学的角度看，DNA碱基对对应特定氨基酸的机制，是一种极其精巧且高效的信息编码与解码系统。它的独特之处在于：

信息量的精准压缩：仅用四种碱基构建了能够编码多种氨基酸的系统，通过三联体密码子实现了高效的信息传输。
鲁棒性的高度设计：通过密码子简并性，构建了内置的错误容忍机制，大大降低了基因突变对蛋白质功能的影响。
明确的结构与控制信号：起始和终止密码子确保了信息读取的准确性和完整性。
潜在的语义映射：密码子与氨基酸性质之间的微妙联系，可能进一步增强了编码的可靠性。
演化上的适应性：这一编码系统并非僵化不变，而是能在演化中进行微调以适应环境。

总而言之，遗传密码的设计，不像是一件件零件的简单拼凑，而更像是一项经过无数次迭代优化、将信息论原理发挥到极致的工程杰作。它在极小的物理空间内，实现了高效、可靠且具有生命力的信息编码和传递，这本身就是一种令人震撼的独特感受。

网友意见

Thank you for inviting me @刘洋洲.

DNA says : For sense ? better than the general secretary of United Nations and the president of United States and the Queen of Great Britain. For business ? please go to ask my premier mRNA and its assistants.

双螺旋DNA说：问感受吗？比美国总统、英国女皇、联合国秘书长都爽吧；问业务吗？请去找信息RNA办理。—— 分子生物学和目前的生物学常识性解释：信息生物学说“DNA碱基序列是所有生物信息的总发源地，但是，要经过RNA分子来完成”；分子生物学的中心法则说“DNA决定、控制、指挥氨基酸，但是，必须经过mRNA分子传递秘密情报”；分子水平上“RNA世界假说”解释的达尔文进化论说“DNA是自然界所有生命体的总首领，但是，生命体的进化的源头是RNA”。

Amino Acids say : We will never be amino acids in next life.

氨基酸说：下辈子绝对不做氨基酸。—— 分子生物学和目前生物学的解释：由腺、鸟、胞、尿、胸腺、次黄嘌呤这6大碱基主导的生物世界里，所有由该6大碱基组成的序列都被称为遗传物质（统治阶层，类似奴隶主，权贵且数量少）；相反，由各种氨基酸组成的肽链、蛋白质，都被称为非遗传物质（被统治阶层，类似奴隶，贫贱且数量巨多）。生命系统内，所有非遗传物质的化学属性、物理位置、数学关系等一切自然科学特征，统统地由遗传物质所控制。所以，氨基酸之类的除了干活儿，没有任何权利。

Chemists say : Are you joking ? We are extremly serious .

化学家说：你认为是玩笑？我们全都是认真的。——解释：分子生物学和目前生物学的99%以上的结论、学说、理论都是以化学和化学反应发生（实验）的名义出现的，然而，在目前生物学学科的各个分支领域，几乎完全看不到“化学”的身影。化学和化学家被悄无声息地排挤、排除、抛弃在生物学学科各个子领域之外。化学，似乎成为了“与生物学无关”的学科（而事实是处处、时时、无论什么何种解释，都在使用十分不专业的化学知识）。

Expert communicators say : Well done ! Well done !

通讯专家说：一切就绪！可以实现所有你所需要的通信任务。——解释：以DNA双螺旋结构建立起的“DNA生物学帝国”的全部技术性操作可以归结于如下这张表，该表以DNA双螺旋结构的提出者F .H. C .Crick为主要设计人和倡导人，以 DNA双螺旋结构的另一主要提出者 James Watson的大学教科书为主要传播平台，以1968年诺贝尔奖为主要光环，在世界各个国家的主要大学里以“不是通信密码，而是自然科学学术发现”培育了一批又一批生物学硕士和博士。应该说这套“密码表”是人类有了战争、有了国家间冲突以来，最最new bee的一套通信密码！

Crick 4*4 *4 遗传密码表（英文原名：the Genetic Code）

ps1 : 该答案不求点赞，只希望任何一位懂点化学的人或懂点人际通讯的人，反过来思考一下“你、我的加密通信符号，需要使用化学反应实验来验证吗？”