杨义先趣谈科学
通信简史
从遗传编码到
量子信息
杨义先 钮心忻◎著
人 民 邮 电 出 版 社
北 京
图书在版编目（CIP）数据
通信简史：从遗传编码到量子信息/杨义先，钮心忻著.一北京：人民邮电出版社，2020.10
（杨义先趣谈科学）
ISBN 978-7-115-54517-6
Ⅰ. ①通… Ⅱ. ①杨… ②钮… Ⅲ. ①通信技术一技术史一世界一普及读物 Ⅳ. ①TN-091
中国版本图书馆CIP数据核字（2020）第136482号
著 杨义先 钮心忻
责任编辑 杜海岳
责任印制 陈 犇
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
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印张：21.5 2020年10月第1版
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内容提要
一说起通信，几乎人人是专家。是呀，谁不天天打电话，谁不时时在上网，谁能离开计算机，谁又不需要大数据、物联网和人工智能等信息系统呢？这一切的核心其实都是通信，准确地说都是电子通信。但是，即使许多通信专家过去也不曾全面深入地思考过通信的前世今生，绝大多数通信史籍只认定了从烽火开始的区区3000年文明通信史，而忽略了整个生物界长达38亿年的通信史，忽略了真核生物长达23亿年的通信史，忽略了原生生物长达15亿年的通信史，忽略了植物长达12亿年的通信史，忽略了动物长达10亿年的通信史，忽略了人类长达数百万年的通信史，特别是忽略了长达7万年的语言通信史以及长达8000年的文字通信史。
那么，在没有文字记载的情况下，史前通信史是咋写出来的呢？嘿嘿，你看完本书就知道了，而且我们保证书中内容绝无杜撰之嫌。本书当然不是为讲历史而讲历史，其实是希望通过回顾历史来展望未来，特别是展望通信即将引发的第三次革命——智能革命的未来。因此，特意增加了最后一章“未来通信”，一方面揭示通信即将面临的香农信道容量危机，另一方面努力寻求可能的应对措施。
希望你在阅读过程中有所启发。
前言
从前，有一位大外行为门外汉们写了一部大跨度的大众化通俗书籍。这位大外行确实很大，甚至很伟大，因为他就是波动力学之父、量子力学奠基人之一的薛定谔。而这部大众化书籍，就是他在获得了1933年诺贝尔物理学奖后，冒天下之大不韪，完全“不务正业”撰写的生物科普著作《生命是什么》。所以，战战兢兢的薛定谔在序言中的第一句话就“甩锅”道：“人们普遍认为，科学家总是在某学科中掌握了广博深邃的前沿知识，因而他们不会在外行领域中著书立说。这就是所谓的尊贵者责任大。可是，为了《生命是什么》的写作，我恳请放弃任何尊贵，从而也免去随之而来的责任。”然而，随后的事实意外证明：《生命是什么》一书竟然成了石破天惊的“20世纪最有影响的科学经典”之一，它不但直接激励威尔金斯、克里克、沃森等青年物理学家跳槽到生物学领域，发现了DNA双螺旋结构，并因此而获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖；而且间接地深度影响了卢利亚、查尔加夫、本泽等诺贝尔奖得主，启发了贝塔朗菲创立系统论，启发了普里高津创立耗散结构理论等；还催生了今天的分子生物学。其实，在《生命是什么》一书中，薛定谔只是从物理角度出发，重新阐述了与自己的专业“八竿子都打不着”的若干生命现象，并提出了许多在当时看来“毫无根据”的大胆猜想，比如物理和化学在原则上可诠释生命现象，基因是一种非周期性的晶体或固体，突变是由基因分子中的量子跃迁引起的，基因突变论相当于物理学中的量子论，基因遗传模式的长期稳定性和持久性都能用量子论加以说明，染色体是遗传的密码，生命以负熵为生并通过从环境中抽取“序”来维持系统的组织而进行演化，等等。
本书以薛定谔及其《生命是什么》为榜样，从通信系统的角度出发，试图重新阐述仍然与我们的通信专业“八竿子都打不着”的若干生命现象，同时也提出若干看似“毫无根据”的猜想。比如，生物的生殖过程就是遗传信息从亲代传给子代的通信过程，DNA便是信息的载体；基因突变就是遗传通信传输中出现的差错，而DNA的双螺旋结构则是一种通信纠错编码方式；各种物种演化的结果就是过去38亿年以来遗传信息通信传输差错的累积结果。生物的生长过程，也是遗传信息通过细胞分裂方式，从亲代细胞传给子代细胞的通信过程。因此，人的一生的新陈代谢过程就可以看成遗传信息从信源（婴儿）到信宿（老人）的连续不断中继传输的过程。癌症等肿瘤疾病则起因于该通信传输过程中出现的“比特”差错，而免疫力则是该中继传输系统中的纠错系统。生物的视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉等感知系统，是实现信息自然通信传输的前提；以语言和文字为代表的符号系统的产生，是人类进行人工通信传输的前提，而其他任何生物都无法实现人工通信。语言通信使人类从兽类中分离出来，文字通信使人类进入文明社会，电子通信将引发智能革命，甚至彻底改变人类社会的发展方向。对人类来说，真正的信源和信宿不是眼、耳、鼻、舌、身等各种感官，而是大脑或意识，因此，至今的所有人工通信都还仅仅停留在非常初级的阶段，即以电流或电波为载体的、从感官到感官的信息通信。形象地说，人工通信的最高境界应该是回归自然通信，比如许多科幻小说和神话小说中描述的“意念通信”等。实际上，在人工智能（AI）领域中已经出现了各种“意念控制”的成果，它们也许算是“意念通信”的曙光吧。最近已有猴子学会了如何通过植入猴脑的电极来控制远程的仿生肢体，瘫痪的病人也能仅依靠意念就移动仿生肢体和操作计算机。人们还可以戴上电子“读心”头盔，在家里遥控电子设备。这种头盔甚至无须将电极植入大脑，只是读取头皮所发出的电信号。若想打开屋顶的电灯，只需戴上头盔，想象一些事先编程好的心理符号（例如想象右手做某个动作），就能接通电源。特别是随着以5G为代表的移动通信技术的迅猛发展，香农的端到端通信的信道容量极限即将被逼近，人类将如何应对即将到来的香农信道容量危机，如何搭建整体传输效率更高的维纳对话网，量子手段是否可以帮助人类摆脱香农信道容量危机，今后的通信将向何处发展，这些都是人类必须面对的战略问题。
我们当然不想生搬硬套薛定谔的《生命是什么》，也无意促进生物学的发展，毕竟我们人微言轻，根本不可能影响到生物学领域。本书的编写目的在于，借助众多生物现象来刺激现代通信在新台阶上的新发展。不知从何时开始，无论是学术界还是产业界，许多通信专家都产生了这样一种悲观思想，即认为香农信道容量危机已逼近，摩尔定律正在失效，也就是说数字存储容量的增长速度已达不到摩尔定律的预期了。因此，好像通信的发展很快就要到达顶峰了，通信理论和技术也没啥发展空间了。这种悲观状况与薛定谔时代很相似，当时许多物理学家也认为相对论和量子力学等现代物理学基础都已基本成型，物理学已处于比较平静的常规发展时期了。相反，那时的生物学却面临着理论和方法上的重大突破，具有无限广阔的前景。于是，一大批梦想大有作为的物理学家便纷纷改弦更张，携带着自己的物理学思维方式和实验手段，奔向了生物学和遗传学的处女地。我们希望与当时薛定谔的情况相反，即把众多生物学专家和生物学成果引入现代通信的理论和技术之中。
若本书能使读者相信“原来通信的万里长征才刚起步”，那么我们就非常高兴了。毕竟，在长达38亿年的自然通信历史面前，区区数千年的人工通信和100年的现代通信哪里算得上什么“登峰造极”呀！咱们还是老老实实地继续“人法地，地法天，天法道，道法自然”吧，除非某天“意念通信”等现代手段真的全面普及，人际间的通信只需动脑想一想便可瞬间完成，那么通信专家们才可勉强“刀枪入库，马放南山”。不过，这一天一定会非常遥远。
对了，与物理学不同的是，通信甚至整个信息技术（IT）领域其实都与生物学有着千丝万缕的联系，IT领域的许多最基本的东西都来源于生物学。比如，计算机就是以人脑为模型制造出来的；AI最核心的“反馈、微调、迭代”的赛博思想也是由维纳从生理学家那里搬来的；至于智能通信中的神经计算、生物计算、DNA计算、遗传算法、进化算法、蚁群算法、人工鱼群算法、免疫算法、智能算法、神经网络等，只需从名称上就可以看出它们的生物学血统。只可惜过去许多通信专家对这些事实熟视无睹。又如，当今所谓的“网络通信”，其实压根儿就不是真正的网络通信，而只是基于时分、码分或频分等技术的“点到点通信的拼接”，因此，这些“网络”的信道容量极限问题就无法用香农的经典信息论来解决。而真正的网络通信系统模型，其实应该是维纳的“会议室头脑风暴”，其容量极限所遵从的规律是博弈系统论，而相关的工程实现问题至今都还没谱儿呢。
人们常说“读史使人明智”，还说“了解过去，方知未来”，但愿我们的这本书不但能使大家从全新的角度去了解过去，而且能从全新的高度去展望未来。作为一部简史类图书，本书分为上下两篇。其中，上篇为“自然通信”，主要介绍过去38亿年来生物通信过程的演化，希望它们能为未来的人工通信提供更多更好的借鉴；下篇为“人工通信”，主要介绍过去数千年来人类有意识的通信过程的演化。在本书中，自然通信与人工通信的界线是：前者是不需要借助生物体外的任何设施就能完成的信息通信，而后者则是必须依靠体外设施来实现的人与人之间的信息通信。
最后，与薛定谔的《生命是什么》一样，本书也是一部人人能读懂的科普著作，它绝不是科幻，虽然某些内容确实有点像科幻。
杨义先 钮心忻
2020年7月于温泉
第1章 遗传通信
任何通信系统都具有3个基本要素，即信源、信宿和信息载体，也可分别称为发信方、收信方和信息载体。发信方将包含信息的载体从信源端发送给信宿端，然后收信方从该载体中提取出对方所传递的信息。这里的载体可以是多种多样的，其中所包含的信息也可以千变万化，包括但不限于DNA所包含的遗传信息、细胞所包含的分裂或停止分裂信息、纸张所包含的文字信息、声波所包含的语言信息、电流所包含的有线信号、电磁波所包含的无线电信号等。总之，能够携带信息的所有东西，无论它们是有形的还是无形的，都可以被看成相应通信系统中的信息载体。能够携带信息载体的所有东西仍然可以作为信息载体。比如，DNA是信息载体，细胞携带着DNA，所以细胞也可当作信息载体。能够传递任何信息载体的系统也都可以被看作一种通信系统。这里的信息是指任何可用来消除随机不定性的知识，它们是创建宇宙万物的最基本的单位。
在遗传通信系统中，亲代可看成信源或发信方，子代可看成信宿或收信方，DNA或整个基因组可看成信息载体，那么所传输的信息便是遗传信息。所以，遗传通信系统可看成基因组的“由亲代到子代”的纵向通信系统。本章将介绍遗传通信系统的信息内容、信息编码、信息解码、传输误差及累积后果等，还将专门介绍前沿的DNA计算机，因为它可能催生无缝的人机接口，为今后实现某种程度上的“意念通信”奠定基础。
由于本书始终站在通信角度看问题，所以我们将尽量淡化相关生物学概念，特别是那些比较抽象的结果，毕竟我们希望通信界能更多地了解生物学，而不是用生物学的高精尖把大家吓跑。我们相信，只要认可了“生物学既是通信之始，也是通信之终”，读者就不难回头研读相关生物学书籍，并促进通信技术的发展。
1.1 遗传信息的内容
自从38亿年前地球上开始出现生命至今，遗传通信系统就在各种生物之间进行着一代传一代的纵向通信了，而且这种通信过程还将永远持续下去，直到某种生物灭绝或地球上的全部生物灭绝为止。现在地球上的植物有50多万种，动物有150多万种，因此，今天大约有200万种遗传通信系统在不断地进行着纵向通信。只是由于人为破坏等原因，现存物种数量急剧减少，甚至只有原来的1/10，因此，遗传通信系统的种类和数量也在急剧减少。
遗传通信系统所传递的信息内容到底是什么呢？或者说，遗传信息到底意味着什么呢？
关于这个问题的答案，说简单也简单，因为谁都知道在植物界是“种瓜得瓜，种豆得豆”，在动物界则是“龙生龙，凤生凤，老鼠生儿会打洞”。从染色体角度来看，亲代与子代的染色体数目和形状都是完全一样的。比如，只要是人，他就一定有46条染色体，其中23条来自父亲，另外23条来自母亲，即子代同时遗传了父母双方的遗传信息。这些信息被存储在子代的基因中，同时今后又将继续通过遗传通信系统传递给孙代。如此代代相传，直到永远。针对子代的任何一个性状，若父母对应于该性状的基因都是显性基因，或者都是隐性基因，那么子代的性状则可能表现为父亲或母亲的性状；若父母中的一方为显性基因，另一方为隐性基因，则子代的性状就一定表现为带显性基因的一方的性状。
关于遗传信息的内容，说复杂也很复杂，因为至今人类也没搞清楚到底哪些生物形态是从亲代遗传下来的，哪些是后天的外部环境因素造就的。不同种类的生物，其遗传信息的内容当然也很不相同，甚至其染色体的数目和形状都不同。即使在同种生物中，不同个体向自己的后代遗传的信息也不相同，虽然彼此之间的差异非常小。比如，从基因角度看，人类不同个体之间的基因相似度高达99.99%，差异仅为0.01%。当然，子代与亲代间的基因差异又远远小于子代与其他无血缘关系的个体之间的基因差异，这也是“基于基因的亲子鉴定”的理论根据。从指纹角度看，任何两个人的指纹都不同，而这种差异与血缘关系无关，即亲代与子代之间的指纹差异并不一定小于他们与外人之间的指纹差异。
不过，关于遗传信息内容的局部结论还是有一些的。比如，关于人类外貌的遗传信息，就有如下形象的初论。
肤色遗传：具有某种“平均”特征。比如，若父母的肤色较黑，其子女的皮肤就绝不会白嫩；若一方白而另一方黑，那么在胚胎发育中经“平均”后，子女就很可能具有不黑不白的“中性”肤色，偶尔也会出现更偏向某一方的情况。
下颌遗传：下颌的形状具有明显的遗传特性，这是子代与亲代最相像之处。比如，尖下巴的父亲生的儿子十有八九也会是尖下巴，而且父子俩会像从同一个模子里铸出来的一样。
双眼皮遗传：父亲的双眼皮将有超过70%的可能性遗传给子女，即使某些子女出生时是单眼皮，他们长大后也会获得像父亲那样的双眼皮。据统计，双眼皮父亲的子女在幼儿期大约有20%是双眼皮，中学期间将增至40%，大学期间将增至50%，成人后还会继续增加。
大眼睛遗传：相对于小眼睛来说，大眼睛是显性遗传，即父母中只要有一方是大眼睛，他们的孩子就一定是大眼睛。长睫毛也是显性遗传，即父母中只要有一方是长睫毛，他们的孩子就一定是长睫毛。相对于浅色眼球来说，黑色等深颜色眼球是显性遗传，比如黑眼球的人和蓝眼球的人所生的孩子一定是黑眼球。
鼻型遗传：宽而高的鼻子、鼻头低而略翘的鼻子、鼻根瘪而鼻头翘的鼻子等都属于显性遗传；相反，鼻头呈丸子状的鼻子、鼻头纵向低凹的鼻子等则属于隐性遗传。此外，大耳垂等也都是从亲代那里获得的遗传特征。
嘴唇遗传：嘴唇的厚薄情况也很容易遗传。比如，上嘴唇变薄、下嘴唇鼓起、鼻子和嘴巴之间有一条浅沟等都是显性遗传。若父母中有一方具有这些基因，那么其子女也会长成这样的可能性将为50%。
身高遗传：在决定身高的因素中，35%来自父亲，35%来自母亲，30%来自后天的外部环境和自身的身体状况。比如，若父母都矮的话，则子女可能也不高，但可通过适当的体育运动来增加身高。
肥胖遗传：虽然肥胖父母的子女不一定都肥胖，但他们的子女也肥胖的可能性比其他人要大得多，将达到50%～60%。若父母中有一方肥胖，则其子女也肥胖的可能性为32%～33.6%。
秃头遗传：男性秃头主要归因于遗传性体质。若父亲秃头，则遗传给儿子的可能性大约为50%；而若母亲有女性雄性秃或掉发严重等问题，则儿子绝不会秃头。
青春痘遗传：某些特殊种类的青春痘也是遗传的结果。
少白头遗传：这是一种低概率的隐性遗传，即使父母都是少白头，其子女也是少白头的可能性并不会很大。
声音遗传：声音隔代遗传的可能性为50%，男孩声音的大小和高低更像父亲，而女孩则更像母亲。但是，这种由父母生理解剖结构的遗传所影响的音质多数可以通过后天的发音训练来改变。父母都是歌唱家时，其子女成为歌唱家的可能性就比常人大得多。
腿形遗传：腿的长短也会遗传，当然通过体育锻炼也可适当增加腿长。
近视遗传：大约20%的近视是遗传的结果，高度近视是常染色体隐性遗传所致。若父母都是基因性高度近视，则子女也会高度近视。若父母中只有一方是基因性高度近视，而另一方不携带高度近视基因，则子女不会因遗传而近视，虽然仍可能因用眼不科学而造成后天近视。若父母都不近视，但都带有近视的隐性基因，那么其子女也会是基因性近视。若父母都是高度近视，那么无论他们是否为基因性高度近视，则其子女也是高度近视的可能性将超过90%。若父亲高度近视，母亲虽不近视，但是近视基因的携带者，那么其子女也近视的可能性为50%。若父亲高度近视，母亲视力正常且不是近视基因携带者，那么其子女近视的可能性只有10%。在中国，大约20%的人是近视基因携带者。
除了外貌，许多其他方面也会遗传，比如血型。若父母的血型都是O型，则子女的血型是O型，不会出现A型、B型和AB型；若父母二人的血型分别是A型与O型，则子女的血型可能是A型或O型，而不会是B型或AB型；若父母二人的血型都是A型，则子女的血型可能是A型或O型，而不会是B型和AB型；若父母二人的血型分别是A型与B型，则子女的血型可能是A型、B型、AB型或O型；若父母二人的血型分别是A型与AB型，则子女的血型可能是A型、B型、AB型，而不可能是O型；若父母二人的血型分别是B型与O型，则子女的血型可能是B型或O型，而不可能是A型和AB型；若父母二人的血型都是B型，则子女的血型可能是B型或O型，而不可能是A型和AB型；若父母二人的血型分别是B型与AB型，则子女的血型可能是A型、B型或AB型，但不可能是O型；若父母二人的血型分别是AB型与O型，则子女的血型可能是A型或B型，而不可能是O型和AB型；若父母二人的血型都是AB型，则子女的血型可能是A型、B型或AB型，而不可能是O型。
双胞胎现象一般也以家族遗传为主。不管男方或女方，只要其直系亲属中有自然双胞胎，那么再生双胞胎的概率就比较大。若女性具有双胞胎基因，那么生双胞胎的概率就会更大。当然，也有女性排卵问题使得两颗卵子同时在体内受精的情况。此外，服用叶酸补充剂也可能增加排卵次数，使多个卵子进入子宫，因而也会产生双胞胎。当然，这些不属于自然双胞胎，就与遗传无关了。
可能被遗传的人类体征还有头发的直与卷、大拇指是否弯曲、舌头能否卷曲、耳屎是否为油性、脸上有无酒窝以及智商高低等。
此外，在遗传信息中还包含许多能导致多种疾病的基因信息。这样的疾病称为遗传病，它们既可能是先天性的，也可能在后天发病。比如，先天愚型症（又称唐氏综合征）、多指（趾）症、先天性聋哑、血友病等都是因为遗传因素而发病。而假肥大型肌营养不良症要到儿童期才发病，慢性进行性舞蹈病一般要到中年以后才出现症状。有些遗传病需要遗传因素与环境因素共同作用才会发作。比如，哮喘病的遗传因素占80%，环境因素占20%；胃及十二指肠溃疡的遗传因素占30%～40%，环境因素占60%～70%。遗传病常在一个家族的多人中发作，也可能只有一人发作，如苯丙酮尿症等。
遗传病可以分为以下四大类。
第一类是染色体病或染色体综合征，此时遗传物质的改变在染色体层面上是可见的，表现为染色体数目或结构上的改变等。染色体数目异常的疾病有：先天愚型症，它是由于21号染色体数目多了一条而形成的；性腺发育不良症，是由女性X染色体少了一条所导致的；克氏综合征，其成因可能是一个含XX染色体的雌配子结合了一个含Y染色体的雄配子，也可能是一个正常的雌配子结合了另一个含XY染色体的雄配子。染色体结构异常的疾病有“猫叫综合征”，它是由5号染色体的部分缺失所造成的。
第二类是单基因病，它是由某一对等位基因的突变而导致的。目前已经发现的单基因病有6500余种。此类遗传病又可再细分为以下几种。
常染色体显性遗传病：如并指（趾）、多指（趾）、成骨不全、地中海贫血、软骨发育不全、球形红细胞增多、家庭性结肠息肉症等。此类遗传病的遗传特点为连续遗传、无性别差异、家族性聚集等。另外，患者多为杂合子，若夫妻一方患病，则其子女的发病率为1/2；若夫妻双方都是杂合子，则其子女的发病率为3/4；若夫妻双方都是纯合子，则其子女全都发病；若双亲无此病，则其子女一般不发病。（纯合子是指同一位点上的两个等位基因是相同的，如AA、aa；而杂合子则是指同一位点上的两个等位基因是不相同的，如Aa。）
常染色体隐性遗传病：如白化病、苯丙酮尿症、先天性聋哑、镰刀形细胞贫血病、婴儿黑蒙性白痴、半乳糖血症、糖原代谢病Ι型、粘多糖病Ι型、肝豆状核变性等。此类遗传病的遗传特点为隔代表现、无性别差异、患者双亲虽无此病但都是致病基因携带者。另外，在近亲婚配者的子女中，此类病症的发病率更高。若患者是纯合子，则其父母往往表面正常；若夫妻中只有一方患此病，则其子女虽不会发病，但将是致病基因携带者；若夫妻一方患病而另一方是致病基因携带者，则其子女中有1/2发病，另外1/2将是致病基因携带者。
X染色体显性遗传病：如抗维生素D佝偻病、遗传性肾炎等。此类遗传病比较罕见，其遗传特点为连续遗传、交叉遗传、女性多于男性、患者双亲中必有一方也是患者、男性患者的女儿均为患者。另外，若父亲正常而母亲是患者，则其子女患病的概率为1/2。
X染色体隐性遗传病：如血友病、假肥大症、红绿色盲症、尿崩症等。此类遗传病的遗传特点为隔代遗传、交叉遗传、男性多于女性。另外，此病还有如下遗传规律：女性患者的父亲肯定也是患者；若父母无病，则其女儿也无病；若父亲患病而母亲正常，则其子女都不会发病，但女儿是致病基因携带者；若母亲患病而父亲正常，则其儿子均为患者，女儿不会发病；若母亲是杂合子而父亲正常，则其儿子患病的可能性为1/2，女儿有1/2的可能性是致病基因携带者；若母亲是杂合子而父亲患病，则其儿子患病的可能性为1/2，女儿则有1/2的可能性是患者，另有1/2的可能性是致病基因携带者。
Y染色体遗传病：如外耳道多毛症等。此类遗传病的遗传特点为限雄遗传、连续遗传、交叉遗传。
第三类是多基因病，即由多个基因的变异导致的疾病。此类疾病既与遗传因素有关，也与环境因素有关。常见的多基因疾病有哮喘、唇裂、腭裂、癫痫、脊柱裂、无脑儿、精神分裂症、原发性高血压、先天性心血管疾病、青少年型糖尿病等。
第四类是细胞质遗传病，又称为线粒体基因病，如神经肌肉衰弱等。此类遗传病的特点是：若母亲发病，则其子女全部发病。
常见的遗传病主要有以下几种。
高血压：若父母均患高血压，则其子女患高血压的概率高达45%；若父母一方患高血压，则其子女患高血压的概率大约为28%；而双亲血压均正常时，其子女患高血压的概率仅为3%。
糖尿病：有糖尿病阳性家族史的人群患糖尿病的概率明显高于有糖尿病阴性家族史的人群，特别是父母都患糖尿病时，其子女患糖尿病的可能性高于普通人15～20倍。
血脂异常：其病因有多种，遗传因素只是其中之一。由遗传基因缺陷所致的血脂异常多具有家族聚集性，而且有明显的遗传倾向。
乳腺癌：有明显的家族遗传倾向，5%～10%的乳腺癌都是家族性的。若某人有一位近亲患乳腺癌，则其患病的危险性将增加1.5～3倍；如有两位近亲患乳腺癌，则其患病的概率将增加7倍。发病的患者越年轻，其亲属中再患乳腺癌的风险就越大。
胃癌：有明显的家族聚集性。胃癌患者的一级亲属（父母、兄弟姐妹和子女）再患胃癌的风险比一般人高出约3倍。比如，拿破仑的祖父、父亲及3个妹妹都因胃癌去世，在他的整个家族中，包括他本人在内，共有7人患胃癌。
大肠癌：由家族遗传导致的大肠癌占大肠癌发病总人数的10%～15%。若某人的亲属中有大肠癌患者，则他患此病的风险比普通人高出3～4倍；若其近亲中有两名或更多大肠癌患者，则他就属于大肠癌高危人群。
肺癌：若某人的直系亲属中有肺癌患者，则其患肺癌的概率比普通人高2倍。肺癌的遗传性在女性身上表现得尤为明显。
哮喘：此病的遗传因素大于环境因素。若父母都患有哮喘，则其子女患哮喘的概率高达60%；若父母一方患有哮喘，则其子女患哮喘的可能性为20%；如果父母都无哮喘，则其子女患哮喘的可能性只有6%左右。
抑郁症：抑郁症患者的亲属患抑郁症的概率高达普通人的10～30倍，而且血缘关系越近，患病概率就越高。在抑郁症患者的亲属中，一级亲属患抑郁症的概率为14%，二级亲属（伯、叔、姑、姨、舅、甥侄、祖父母以及孙子孙女）为4.8%，三级亲属（堂、表兄弟姐妹）为3.6%。
老年痴呆：这是一种多基因遗传病。父母或兄弟中有此症者患此症的可能性要比无家族史者高出4倍左右。
肥胖症的遗传因素占25%～40%，母亲的骨质疏松症很容易遗传给女儿。此外，常出现在男性身上的遗传病主要有血友病、蚕豆病、红绿色盲、遗传性耳聋、先天性无丙种球蛋白症、遗传性视神经萎缩等。
本节为啥要介绍遗传通信系统中所传输信息的生理学含义呢？这主要是想让读者体会一下遗传通信系统的传输内容相当丰富，而本节所述内容只是九牛一毛，甚至人们至今都还没有搞清楚所有遗传信息的全部生理学含义。不过，在下一节中我们将发现，若从符号编码角度来看，遗传通信系统其实只是以极高的精准度传递了一些“四字母串”而已，就如现代数据通信系统只是在传输比特串一样。当然，自然的遗传通信系统与人工的数据通信系统的最大差别在于，后者有一套人为的、含义非常明确的“码书”，即所传输的每个比特串的信息含义都非常清楚，它们被明明白白地写在“码书”上；而在遗传通信系统中，所传输的每个“四字母串”的生物学含义对人类的认知来说如天书一般，我们只知道本节所介绍的这些皮毛而已。但对相关生物的基因解释系统来说，这些遗传信息的含义一清二楚，毫无半点含糊，以致生物能按照遗传信息中的指令，在过去的38亿年中以极高的精准度忠实地执行相应的传输操作，哪怕已进行了数亿次“中继传输”（从亲代到子代的遗传都可看成一次“中继传输”），哪怕还经历了地球环境的若干次沧海桑田式的剧烈变化，但其误差的总积累仍然很小。当然，本节所讲的各种遗传现象其实是人类目前对生理学“码书”的极为粗糙的“破译”。
1.2 遗传信息的编码
为了更容易理解遗传通信系统中对遗传信息的编码，首先回忆一下直观的无线电报通信系统，它由软件和硬件两部分组成。其中，硬件部分就是无线电收发报机，它可看成电报通信系统的“魄”，但这不是本节的重点；软件部分就是信息编码，准确地说是莫尔斯电码，它是电报通信系统的“魂”，是最重要的部分。电报通信系统的信息编码就是表1.1中所示的“码书”，分别用一些长度各不相同的代码串来表示26个英文字母和常见的数字符号等，而且代码中的符号只有点、划、短停顿（用于标示点和划之间的停顿）、中停顿（用于标示每个词之间的停顿）以及长停顿（用于标示句子之间的停顿）等5种，它们的声音分别对应于“滴”、“嗒”、短时静默、中等静默以及长时静默。
比如，字母A用一个长度为3的代码串表示为“点、短停顿、划”，字母B用一个长度为7的代码串表示为“划、短停顿、点、短停顿、点、短停顿、点”，问号“？”用一个长度为11的代码串表示为“点、短停顿、点、短停顿、划、短停顿、划、短停顿、点、短停顿、点”。
表1.1 莫尔斯电码的“码书”
于是，当收发双方都基于同一本“码书”时，电报通信的原理就非常清晰了。如果发信方想发送某个字母，就只需通过无线电波的通断操作，让对方听到该字母在“码书”中所对应的代码串的声音就行了。而收信方在听到这串声音后，再根据“码书”查找所听到的那串声音对应的字母，就可以知道发信方发送的是哪个字母了。如果每个字母和字符都能发送给对方的话，那么任何文章也就能发送给对方了。
现在回头来看看遗传通信系统的情况，此时亲代和子代所使用的“码书”是相同的。实际上，同一个物种在遗传通信系统中所使用的“码书”都是相同的，否则子代的生长将漫无目的，并最终以死亡的方式被淘汰。虽然该“码书”对相应生物的基因密码解释系统（更准确地说是该生物的细胞）来说已经异常熟悉，但是人类至今还不完全清楚这些“码书”的具体生理学含义，只知道一些零星的解释。比如，若某人的21号染色体多了一条，那么他就会患先天愚型症；若某人的5号染色体部分缺失，那么他就会患猫叫综合征。不过，对许多物种来说，人类已经从形式上基本搞懂了它们的遗传信息编码——实际上就是由若干个“四字母串”组成的代码串，用生物学语言来说就是所谓的基因组。本节将从通信角度介绍基因组的一些情况，以便通信领域的读者结合莫尔斯电码来深入理解。
类似于“英文信息的最基本的单元是字母”，遗传信息的最基本的单元就是大家耳熟能详的基因。因此，若将基因的编码形式搞清了，那么也就清楚了遗传通信系统中遗传信息的编码形式。在生物世界中，小到细菌，大到人类，它们的基因都是由一堆数量和长度各不相同的、名叫DNA的细线组成的，而且这些细线上都 “刻满”了由4个字母A、T、G、C组成的字母串。实际上，这里的A、T、G、C分别代表4种化学物质。不过，由于它们的名字太生僻，所以这里就忽略其生物学内涵，或将它们简称为4种碱基就行了。因此，更进一步地说，若能将某种生物的所有DNA细线上所“刻”的字母串都搞清楚，那么该生物的所有基因的编码形式就清楚了，该生物的遗传信息编码也就清楚了。这便是生物学界所谓的基因组计划，或叫基因定序。
目前，人类已在基因定序方面取得了不少重大突破，甚至已基本搞清了若干种生物的遗传信息编码，即完成了它们的全部基因定序工作。比如，有一种名叫φx174的噬菌体细菌，它的全部基因只有5383个密码子。这里的密码子又称为基因密码，是指一些长度为3的“四字母串”，其具体含义将在下一节中介绍，此处暂且将它理解为一个长度为3的代码串就行了。比如，AGC就是一个密码子。另外，天花病毒的全部基因共含有18.6万个密码子，线粒体的全部基因共含有18.7万个密码子，叶绿体的全部基因共含有12万个密码子。早在1995年，人们就完成了某种含有180万个密码子的细菌的全部基因定序工作，从中读出了1734个特殊区域。换句话说，这些区域可通过不同时空、不同数量的交互作用，产生独立自主的生命个体，即人工呈现新的生命现象。在这1734个区域中，可以分辨出其生理功能的区域大约有1000个。
当然，还有更多物种的遗传信息编码仍然未知。即使完成了基因组定序工作，也只意味着搞清了遗传信息的编码形式，而没搞懂其“码书”的内容，更没搞清其“码书”随着时间和空间变化的情况。所以，万里长征才刚起步。为了突出重点，下面以人类基因组为主线，介绍遗传通信系统中遗传信息的编码情况。
首先，看看人类遗传信息编码的宏观结构。若承载人类基因组的DNA被展开成一条细线的话，该细线的长度就将达到惊人的1米左右，该细线的长度是DNA分子宽度的1亿倍。形象地说，用100亿条这样的细线拧成的“粗绳”甚至也能被装进一根长头发中。更不可思议的是，这么长的一条基因组细线竟在被折叠成一个微小的“毛线团”后，生生地被有条不紊地塞进了直径不足10微米的细胞核内；而且该细线上被“刻”了大约30亿个密码子，它们组成了大约4万个基因，每个基因大约包含30万个密码字符，每个字符都取自A、T、G、C四者之一。换句话说，从形式上看，在人类遗传通信系统中，被传输的信息的长度大约为100亿个“四字母串”。
其次，再看看人类遗传信息编码的中观结构。实际上，人类遗传信息的这100亿个“四字母串”并非简单地串接在一起，它们也具有丰富的内部结构。这100亿个代码串组成的那条1米长的细线可以被分割成46条长度各不相同的线段，其中各有23条线段分别遗传自父亲和母亲（至于到底是如何进行遗传的，我们将在下一章“生长通信”中统一介绍，此处就不分散读者的注意力了）。更进一步，来自父亲的每一条线段都对应于一条与之等长的、来自母亲的线段，生物学家称之为染色体。来自父母的全部46条（23对）染色体的形状和编号见图1.1。
图1.1 人类染色体的形状和编号
其中，前22对染色体称为常染色体，在男女体内都有。第23对染色体却比较特殊，被称为性染色体。男性体内的第23对染色体是XY，女性体内的第23对染色体是XX。这些成对的染色体都被沿相同的螺旋方向搓成了23根 “双股麻绳”，而且非常同步。在以螺旋方式相互缠绕的这23根“双股麻绳”中，若一股绳上“刻”着A，则另一股绳上的相同位置一定“刻”着T，反之亦然。一股绳上的G一定与另一股绳上的C相对应，反之亦然。更形象地说，这23根“双股麻绳”上依次“刻”着（A:T）或（G:C）符号对，它们被生物学家称为碱基对。可见，“双股麻绳”中的任何一股都可以唯一确定另一股。在人类基因组中，（A:T）碱基对的含量高于（G:C）碱基对的含量，后者只占约38%。不过，在2号染色体中，（G:C）碱基对的含量较高。每条染色体上有上千个基因。表1.2显示了23对染色体中每对所含的基因个数、碱基对个数以及碱基的占比等情况。
表1.2 人类各染色体中基因和碱基对的粗略分配情况
从该表中可知，1号染色体所含的基因数量最多，近2800个，是其他常染色体平均水平的两倍多；19号染色体所含基因的密度最大，在约6381万个碱基对中就包含了1700多个基因；Y染色体、18号染色体和21号染色体所含的基因最少；X染色体上大约有1000个基因。此外，基因组上大约有1/4的区域不存在基因片段，目前仍有约9%的碱基对序列还未被确定。当然，表1.2中所列出的只是到目前为止的估计值，今后随着研究的进一步深入，可能还会从这些染色体中解析出更多的基因。幸好本书不是生物学科普图书，所以不必追求精准的生物学数据，读者只需明白在遗传通信系统中，遗传信息编码的形式和“码书”的编撰确实都非常困难，远远难于电报通信的莫尔斯电码就行了。
最后，再看看人类遗传信息编码的微观结构。通过持续数十年的、庞大的人类基因组计划，人们终于知道了人类基因组的部分细节。比如，人类基因的数量（不足4万个）远远小于曾经的预期，甚至只是线虫和果蝇这样的低等动物的基因数量的2倍；“人有而老鼠没有”的基因只有区区300个。如此少的基因竟能产生人体所具有的复杂功能，这说明基因组的大小和基因的数量在生命演化过程中可能并不具有特别重大的意义，也说明人类基因更有效。已被定位和基本确定了功能的基因大约有2.6万个，其中有30多种致病基因被初步确定。人与人之间大约99.99%的基因是相同的，同种族之间的基因差异小于不同种族之间的基因差异，但在整个基因组序列中，人与人之间的基因差异仅为万分之一，因此人类的所谓“种属”其实并无本质区别。血缘关系越近，彼此的基因差异就越小，这也是利用基因来鉴别亲子关系的理论根据。男性的基因突变率是女性的2倍，而且大部分人类遗传疾病源自Y染色体，所以，男性在人类的遗传和演化中可能起着更重要的作用。在人类基因组中，有200多个基因来自“插入人类祖先基因组中的”细菌基因。这种插入基因在无脊椎动物身上都很罕见。这表明这些细菌基因在人类演化的晚期，在人类免疫系统建立之前，被寄生于人体的细菌强行插入人类基因中，从而实现了细菌基因组与人类基因组的基因交换。用当前时髦的话来说，早在远古时代，人类其实就曾被细菌实施过“转基因手术”了。
除了人类的染色体外，目前人们对许多其他物种的染色体也有了一些初步了解。比如，大部分动植物和真菌是二倍体，即它们的每条染色体都有两个同源拷贝，因此染色体的数目都是2的倍数。当然，也有超过两个拷贝的情况发生，例如小麦就是六倍体，它有7种不同的染色体，各有6个拷贝，总计42条染色体。表1.3给出了常见生物的染色体数目。
表1.3 常见生物的染色体数目
虽然人类的遗传信息编码形式还未完全搞清楚，基因组定序工作还远未完成，但是基因技术已开始有其用武之地了。
基因测序是指从血液或唾液中分析、测定某人的基因序列，以预测个体罹患多种疾病的可能性和行为特征等，甚至可以锁定个人病变基因，提前预防和治疗相关基因疾病。某些基因疾病的无创产前筛查技术已比较成熟了。具体来说，只需采集孕妇的外周血，通过对血液中游离的DNA（包括胎儿的游离DNA）进行测序和分析，便可知道胎儿是否患有染色体数目异常的某些疾病，比如21–三体综合征（即唐氏综合征，此时21号染色体变异为三拷贝）、18–三体综合征（又称爱德华氏综合征，此时18号染色体变异为三拷贝）、13–三体综合征（此时13号染色体变异为三拷贝）以及5p–猫叫综合征（此时5号染色体短臂部分缺失）等。据说，苹果公司创始人乔布斯就曾采用基因测序方法，希望以此抵御癌症的侵袭。著名影星安吉丽娜·朱莉也做过基因测序，并为此预防性地切除了自己的乳腺。此外，本·拉登也曾做过基因测序。原来美军在击毙了本·拉登后，首先提取了他的DNA，然后与他家人的DNA样本进行比对，从而最终确定了他的身份。
DNA亲子鉴定是指利用基因技术来鉴定两人之间的亲子关系。在人类的23对染色体中，同一对染色体的同一位置上的一对基因（称为等位基因）应该是一个来自父亲，另一个来自母亲，而且两个随机个体具有相同DNA图形的概率仅为3×10–11，几乎为零。若同时用两种探针进行比较，则两人具有完全相同的DNA图形的概率小于5×10–19。由于全球只有约70亿人口，所以，除非是同卵双胞胎，否则几乎不可能有两个人的DNA图形完全相同。若检测到某个DNA位点的等位基因中的一个与母亲相同，那么另一个就该与父亲相同，否则就存在疑问了。血液、毛发、唾液、精液、肌肉、口腔细胞等都可用于提取亲子鉴定所需要的DNA图形。利用DNA进行亲子鉴定，只需针对十几至几十个DNA位点进行检测就行了。若全都没有疑问，则可确定亲子关系；若有3个以上的位点不同，则可排除亲子关系；若只有一两个位点不同，则应考虑基因突变的可能，这时为保险计，可增加一些位点的检测。通过DNA亲子鉴定，“否定亲子关系”的准确率几近100%，“肯定亲子关系”的准确率也高达99.99%。DNA亲子鉴定技术也可用于许多法医鉴定场景。
基因工程又称基因拼接技术或DNA重组技术。基因工程是指利用不同来源的基因，按照预先设计的蓝图，在体外构建出新基因，然后将其导入活细胞，使这个基因在受体生物细胞内进行诸如复制、转录、翻译表达等操作，以改变生物原有的遗传特性或获得新品种等。具体来说，用人为方法将所需要的某一供体生物的DNA提取出来，在离体条件下用适当的工具酶进行切割后，将其与作为载体生物的DNA分子连接起来，然后与载体一起导入某一更易生长和繁殖的受体细胞中，让外源物质在其中安家落户。基因工程技术为研究基因的结构和功能提供了有力手段，克服了远缘杂交的障碍，扩大了定向改造生物的可能性，甚至可使动物与植物之间以及人类与其他生物之间的遗传信息进行重组和转移。比如，可将人类的基因转移入大肠杆菌中，将细菌的基因转入植物中。
基因工程在20世纪取得了许多重大进展，主要体现在以下两个方面：一是克隆，二是转基因物种。其中，启用克隆技术的著名例子当数1997年克隆羊“多莉”的诞生。此羊是通过无性繁殖产生的第一只哺乳动物，它完全秉承了“给予它遗传细胞核的那只母羊的”遗传基因。另外，在转基因物种中，由于已植入了新基因，物种具有了某些全新的性状。如今，转基因技术得到广泛应用，出现了许多转基因产品：生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼，乳汁中含有人类生长激素的转基因牛，不会引起过敏的转基因大豆，转基因抗虫棉，转基因“超级细菌”（能吞噬和分解多种污染环境的物质，甚至能吞噬并转化汞、镉等重金属，分解有害物质），转入黄瓜的抗青枯病基因的转基因甜椒和马铃薯，转入鱼的抗寒基因的转基因番茄，导入储藏蛋白基因的超级老鼠，导入人类基因的具有特殊用途的猪和老鼠，等等。此外，医学上还将出现多种基因疗法，即把正常基因导入患者体内，使该基因发挥功能，从而达到治病目的。该方法的关键技术包括基因置换、基因修复、基因增补和基因失活等。
1.3 遗传信息的解码
电报通信系统的解码很简单，收信方只需根据收听到的声音，对照莫尔斯电码这本只有区区几行字的固定“码书”，便可查找出相应的字母。但是，在遗传通信系统中，解码过程就相当复杂了。一方面，“码书”实在太大。这倒不是因为基因数量很多（比如人类基因约有4万个），而是因为每一组基因与生物的性态之间并不存在一一对应关系（既有一个基因对应于多种性态的情况，也有多个基因对应于一种性态的情况，还有外部环境与基因共同影响生物性态的情况，甚至不知道哪些性态与遗传有关）。另一方面，与电报“码书”的固定性不同，遗传通信系统的“码书”还会因时间而变，因空间而变，因不同的收信方（即解码细胞）而变。总之，若想通过性态的倒逼来恢复出“码书”，则几乎是不可能的。不过，倒逼法在破解基因的局部奥秘方面还是非常有用的。
本节将从通信角度介绍遗传通信中有关遗传信息解码方面的初步进展。
非常出人意料的是，与电报通信系统中对原编码进行解码不同的是，在遗传通信系统中被解码的东西并不是“原编码”，细胞并不对DNA或基因组进行直接解码，而只是先通过某种转录机制（随后将介绍）把“原编码”变换为另一种“新编码”（其生物学专业名词叫mRNA），然后对这个“新编码”进行解码，以此达到对“原编码”进行间接解码的目的。猛然一看，好像多此一举，但从通信的可靠性角度来看，这是非常绝妙的一招，38亿年后人类才重新独立发明了这一招。比如，谁都用过米尺，但是普通人所使用的米尺其实都不准确。设想一下制造米尺的以下两种思路。其一，先做出一把标准米尺，接着以它为模板生产新的米尺（称为二代米尺），然后以二代米尺为模板生产出新的米尺（称为三代米尺），如此反复。那么无论生产工艺多么精准，只要经过若干代的复制，第N代米尺就一定会因“失之毫厘”而“差之千里”。其二，先制造标准米尺，然后在重要场合需要制造米尺时都以标准米尺为模板，于是这些米尺就会相当精确，至少其误差是可控的。许多人也许并不清楚，如今人类社会所采用的正是第二种思路。国际上曾以米原器作为标准，它自从1799年被人们采用稳定性最好的铂打造出来后，就一直被牢牢地锁藏在法国国家档案局里，并且在恒温恒湿环境中受到无微不至的呵护。所以，米原器又称为档案米。1960年，第11届国际计量大会决定放弃以米原器为标准来定义米，改用氪–86的光谱作为计量依据。1983年，国际上又以“光在真空中在1/299792458秒内行进的距离”来定义1米。其实，这两种做法的目的都是为了找到一个更精确、稳定的标准。
在遗传通信系统中，DNA或基因组相当于那个米原器，它绝不走出细胞核半步，更不接受直接的解码，而是先制造出一个替身，再让替身来接受解码，从而完成相关的遗传任务。那么，这个替身到底是谁，它是如何被制造出来的，又是如何被解码的呢？下面就来简要介绍一下。当然，我们尽量采用IT语言而非生物学语言进行介绍，否则，单单那一大堆化学名词就会把读者吓跑，而本书只关注遗传过程的通信原理。
从上一节中我们已经知道，生物的遗传信息包含在一种名叫DNA的“字母序列”中，用IT专业的语言来说，就是包含在若干个称为染色体的“四字母串”（ A、T、G、C）当中。比如，人类的遗传信息包含在23对长度各不相同的 “双股麻绳”中。为了对DNA字符串进行解码，细胞首先要以DNA为模板，“描绘”出一个名叫mRNA的替身。mRNA也是一组“四字母串”，只不过此时的4个字母变为A、U、G、C，它们仍然代表4种化学物质。
mRNA的“描绘”过程可简化为：在DNA的相互缠绕的“双股麻绳”中，解耦出其中一股“刻”着由A、T、G、C所组成的“四字符串”的细线，而对另一股细线置之不理，然后凡是看见该细线上的一个C就“描绘”出一个G，凡是看见一个G就“描绘”出一个C，凡是看见一个T就“描绘”出一个A，然而凡是看见一个A就“描绘”出一个U（注意，此处不是T）。如此一来，最终“描绘”出了若干个由A、U、G、C所组成的“四字母串”，它们就被称为消息RNA，或记为mRNA。比如，假使DNA模板上的一段单股字母串为GCAT，那么由它“描绘”出来的替身mRNA上的那个字母串便是CGUA。
根据该“描绘”过程，从数学角度看，某种生物的DNA（或基因组）与其mRNA是等价的，即它们彼此能够相互唯一确定，只不过mRNA不再是双股，而只是单股了，其数量等于染色体的对数，即DNA中细绳总数的一半。但是，若从生物学角度来看，mRNA只是过渡性产物，它在被细胞解码后很快就会消失。实际上，菌类、藻类、病毒等原核生物的mRNA的半衰期很短，一般为几分钟，最长的也只有数小时，RNA噬菌体除外。动物、植物等真核生物的mRNA的半衰期较长，如胚胎中的mRNA的半衰期可达数日。在细菌的细胞中，单个mRNA可存活1小时以上，但平均寿命只有1～3分钟。哺乳动物细胞的mRNA的寿命从几分钟到几天不等。一般说来，mRNA的稳定性越高（寿命越长），那么从该mRNA中产生的蛋白质就越多。mRNA的有限寿命使得细胞能快速改变蛋白质合成，以响应其不断变化的需求。当前的mRNA在超过寿命期限后被降解，等到下次再需要解码时，细胞将会再以DNA为模板，“描绘”出新的mRNA，然后进行相应的解码。
接下来就该对mRNA进行解码了。不过，在介绍该解码过程之前，我们还得再回顾一下电报通信系统的解码过程。其实，电报的解码可分为多个层次：最底层的解码便是前面反复叙述过的，即基于莫尔斯电码的解码。此时，收信方只需根据自己听到的声音，再结合“码书”的对照表，便可知道对方发送的到底是哪个字母。从通信技术角度来说，解码任务至此就已完成了。但是，若从语言角度看，真正的解码过程还没完成，甚至才刚刚开始，因为其背后还隐藏着另一部更大的“码书”，那就是字典。比如，若收信方不懂英文，那么即使他准确无误地收到了对方发送的一页英文字母，他仍然会是“两眼一抹黑”，不知对方到底在说啥。因此，还需要第二层次的解码，即读懂英文。当然，就算读懂了英文，还可能出现更高层次的解码任务。比如，从信息角度来看，收信方即使读出了对方发来的文字是“天王盖地虎”，但是这句话到底是日常语句还是土匪黑话呢？这便是所谓的信息加密问题，此时也许需要另一本“码书”（即密码本）才能最终完成解密。
回过头来再看mRNA的解码过程。此时也有多个层次，也需要若干本不同的“码书”，而且解码的层次越高，所需的“码书”就越复杂。也许最高层次和最令人满意的“码书”应该是通过阅读人类mRNA的23条染色体上的由A、U、G、C组成的“四字母串”就知道此人长什么样子，会不会生什么疾病，甚至其后代将会怎样，等等。但是，如此令人满意的解码情况至少在今天看来只能是梦想，虽然人们确实知道几类特殊疾病的遗传基因。不过，到目前为止，对mRNA的最低层次的解码工作已基本完成，这便是所谓的密码子解码，其逻辑思路如下。
首先，借由mRNA字符串所代表的指令（它们实际上是由基因串组成的命令），细胞质内将产生不同形状的蛋白质。每一种形状都会赋予该种蛋白质实施相关的动作，而正是这些动作才使细胞有了生命，进而使得该细胞所在的机体有了生命，当然也就产生了相关生物的生理性态。至于这种相关的性态到底是什么，目前还不知道其全部细节。这属于更高层次的解码，此处无法叙述。
其次，细胞质内蛋白质的各种形状可由20种名字相当古怪的氨基酸决定。为了避免造成不必要的阅读困难，我们在正文中将略去这些氨基酸的名称，但不得不在表1.4中将其罗列出来，否则各位IT领域的读者就更不知所云了。当然，这些氨基酸的名字也可用20个英文字母来代替。这些氨基酸可按任何顺序串接在一起，因此也可看成以20个英文字母为元素、长度可变的字母串。
最后也是最重要的是，上述20种氨基酸可由mRNA的字母串中的全部64个“由3个连续串接字母组成的”、称为密码子的东西按表1.4来确定。
因此，在蛋白质形状的层次上，整个解码的逻辑路线就完整了。mRNA的字母串能像切馒头一样，按每3个字母为一组的顺序，连续切出密码子。这些密码子能按照表1.4确定一系列氨基酸，而这些顺序排列的氨基酸又能决定蛋白质的形状。最后，蛋白质的形状又能决定细胞的生命行为，细胞的生命行为又能决定生物的生理性态，当然也包括遗传性态等。
表1.4 20种氨基酸的密码子
对IT领域的普通读者来说，当然没必要搞懂表1.4中各个奇怪名称的含义，只需知道它们是20种氨基酸就行了。不过，关于表1.4，我们还想做一些有趣的说明。
（1）在表1.4中有两处起始符（分别对应于密码子AUG和GUG）和三处终止符（分别对应于UAA、UAG和UGA），它们的作用类似于电报通信系统中的短停顿、中停顿和长停顿。具体来说，在顺序“阅读”mRNA的“四字母串”时，若“读到”的密码子是起始符AUG或GUG，就表示开始合成指定的蛋白质了。若“读到”的密码子是终止符UAA、UAG或UGA，（它们相当于文章中的句号），便停止当前正在进行的蛋白质合成工作，直至找到下一个起始符时，才又开始合成蛋白质。换句话说，终止符所对应的密码子不能决定形成任何氨基酸，它是蛋白质合成的终点。此外，两个密码子之间无逗号，所以在“阅读”mRNA时，将从起始符开始，按顺序一个不漏地“读”完所有密码子，直到出现终止符为止。
（2）同一种氨基酸可由几种不同的密码子来确定。比如，UCU、UCC、UCG、UCA等密码子所确定的氨基酸都是丝氨酸。更进一步来说，密码子具有简并性，即除了甲硫氨酸（对应于密码子AUG）和色氨酸（对应于密码子UGG）之外，其他每种氨基酸都至少可由两个密码子确定。这样就可以在一定程度上使氨基酸序列不会因某个碱基被意外替换而出现错误。形象地说，这也是遗传通信系统的另一种差错控制机制。实际上，在遗传通信系统中有许多类似的、分散在各处的、以不同方式出现的差错控制机制。由此可见，生物遗传通信系统确实非常重视传输误差的控制，难怪它能在长达38亿年的时间里，在数亿次“中继”传输之后，历经无数次生物灾难，还能将误差问题控制在可接受的范围内。
（3）密码子不重叠，即在mRNA的对应于多个染色体的符号串上，“阅读”密码子的过程可同步进行。此外，密码子还具有通用性，即不同的生物密码子基本相同，甚至所有生物都共享同一套密码子。因此，根据进化论，密码子应在生命历史的早期就出现了，而且有证据表明密码子的设定并不是随机的，或者说mRNA的字母串中的各字母之间存在一定的关联，虽然目前并不知该关联的细节。
（4）除了最低层次的解码外，密码子还有许多其他应用。比如，密码子能提高基因的异源表达，具有翻译的起始效应，可影响蛋白质的结构与功能，特别是还具有基因定位功能，能预测演化规律等。因此，类似的密码子使用模式预示着物种相近的亲缘关系或生存环境。目前，人们已能通过比较密码子偏性的差异程度来分析物种间的亲缘关系和演化历程等。
至此，我们已用最接近通信系统的语言表述了遗传通信系统中遗传信息的最低层次的解码流程。其实，若用生物学语言来说，由DNA的A、G、C、T字母串到mRNA的A、U、G、C字母串的过程就称为转录，而由mRNA中的密码子到各种形状的蛋白质的过程就称为转译，它告诉我们蛋白质是如何借由某种遗传信息而组合起来的。转录和转译都只是另一种名叫基因表达的更高层次的解码的中间环节而已，并且每一层次上的解码的原理都大同小异，其最主要的区别在于它们使用了不同的“码书”，当然也包括对这些“码书”的各种调控（比如转录调控、转录后调控、转译调控、转译后调控等）以及对这些“码书”中各“码字”的预处理（比如RNA加工、非编码RNA的成熟、RNA输出、折叠、蛋白质运输等）。由于对基因表达等的描述实在需要太多的生物学内容，所以在此忽略。但是，必须强调的是，无论从编码和解码的哪个层次来看，生物的遗传过程都是典型的信息通信过程。深入分析这些遗传细节，也许能启发通信专家们设计出差错率更低、能效更高、更接近人类的新型通信系统，比如像“意念通信”那样的人机接口。
作为本节的结尾，我们再用文字系统来类比一下基因系统，以此更深刻地揭示基因通信的本质。实际上，若将某种生物的全部基因看成一种语言，那么该语言就由A、G、C、T四个字母拼写而成，下面将其简称为“基语”。因此，从字母个数来说，“基语”比英文的26个字母还简单。当然，实际上它远比人类语言复杂，至少到目前为止是这样的。在今后的某一天，人类在彻底破译了“基语”后也许会惊奇地发现原来“基语”如此美妙，甚至远比英文等人类语言更美妙。
第一，每个基因可看成“基语”中的一个字。语言中每个字的含义可通过查阅字典而获得，而“基语”的字典就是目前还未知的遗传信息解码的高层次的“码书”。在“基语”中，有些字具有非常明确的含义。比如，性别基因XY和XX就分别意味着男和女。“基语”中的绝大部分“字”都是多义的，其中多数含义目前还未知，人们只是搞清了部分含义。比如，p53基因就是人体抑癌基因，其野生型能使癌细胞凋亡，从而防止癌变。该基因还能帮助细胞修复其缺陷。此外，p53的突变型会提高癌变率。又如，有一种RB基因，它足以让1岁以内的新生儿罹患眼部肿瘤等。更进一步，其实所有生物的基因中都有许多共同部分，而这些形式完全相同的基因在不同生物的体内可能具有不同的含义，也可能具有相同或相近的含义。比如，SV40病毒基因同时存在于人和猿猴的体内，不但“字形”相同，而且“字义”相同，即它能致使人和猿猴罹患癌症。
第二，“基语”中有些字的字义会随着语境的变化而变化，甚至从褒义变为贬义。在汉语中，这样的字随处可见。比如，“狂”字在白领办公室中更偏向贬义，但在竞技场上就更偏向褒义。在“基语”中，这样褒贬皆可的字也有。比如，镰刀形贫血症基因既能使其携带者罹患基因性贫血症，又能帮助其携带者对疟疾产生很强的免疫力。当然，还有多字一义的情况。比如，在汉语里，“娘”“妈”“母亲”等的含义都一样。同样，在“基语”里，名为IA、IB和i的3个复等位基因都控制着人类的血型等。
第三，“基语”中的“字”也有其相应的形成过程。实际上，在简单原始生物中，基因的数量很少，即其“基语”中的“字”很少。后来，随着生物演化过程的不断进行，“基语”中的“字”也就越来越多。平均来说，每几个世纪就会增加一个“字”。当然，这是从生物世界的角度来看的，并非特指某种生物。实际上，每个具体生物的基因字是相当稳定的。除非发生了基因突变，否则子代的基因字将不会增加。总之，“基语”会不断地从简到繁进行着各种演化，以至如今所有生物体内都拥有一部用“基语”写成的“指令手册”，它指挥着该生物的生长和繁殖等生理行为。同时，若能对这些“指令手册”进行考古研究，就可以推演出相关生物的演化过程，比如它们所属的血系分支情况等。
第四，多个基因的顺序排列将形成“基语”中的“词”。绝大部分“词”全无含义，正如绝大部分汉字随机排列后并无意义一样。因此，在染色体中，基因的排列顺序（甚至是字母A、G、T、C的排列顺序）其实都不是随机的。从效率上看，无意义的排列显然对相关生物来说不是最佳情况。根据“不适者死亡”的竞争法则，它们一定会在漫长的演化过程中被逐渐淘汰。对于相同的基因，若排列顺序不同，其含义就可能也不同。比如，“山猫”两字的顺序颠倒，变成 “猫山”后含义就大变了。不同生物“基语”中的某些“词”串接起来后，也可能成为有意义的“新词”。比如，将鸭子和橘子的某些DNA片段连接后，也可能创造出另一种生物“基语”中的某个“新词”。这便是所谓的基因剪接和重组，又称基因工程。
第五，各“词”按不同的“语法规则”组成相应的“句子”。当然，在不同生物的体内，“语法规则”完全不同。两种生物的“语法规则”越接近，其血缘关系就会越接近。对于同种生物，“字源”相同的“字”的含义也可能相同或相近。这是因为在每条染色体上，功能相近的基因排在一块时，它们很可能是由同一基因传衍而来的。更进一步，将许多句子排在一起就可能组成一篇文章，将许多文章排在一起就可能形成一本图书，将许多图书放在一起又可能形成丛书，将许多丛书放在一起就可能形成图书馆。人类基因便可看成由23本图书组成的丛书，每个人所对应的这套丛书都不是完全相同的，它们相当于同一套丛书的不同版本，即都是大同小异的。这套丛书中约含有30亿个字母（当然，如果考虑碱基对的话，就应该是60亿个字母，而它们都只是A、G、C、T这4个字母的不断复用而已），包含约4万个不同的字，对应于人类的约4万个基因。每本图书对应于23条染色体中的某一条。它们的主题显然各不相同，但都与人体的生理性态有关。每本图书中的文章对应于相应染色体中的某些连续排列的基因串（或叫作基因片段）。
总之，虽然人类无法完成遗传通信系统中的解码工作，但相关生物（其实是相关生物的细胞）能非常精准而迅速地完成解码工作，而且是最高层次的解码工作。换句话说，遗传通信系统其实是非常先进的系统。那么，这种系统在传输差错控制方面怎样呢？下一节将回答这个问题。
1.4 遗传信息的差错
对任何通信系统来说，最重要的前提之一就是其传输的可靠性要高或差错率要低。若差错率太高，那么它压根儿就不能用；若系统太粗糙，当然就更容易出错；若外部环境太恶劣，差错率也就会居高不下；若传输的信息太多，而使用的时间太长，就更难免会偶尔出错。本节将从差错控制机制、主要差错原因和差错积累等方面，介绍遗传通信系统的相关情况。
首先，看看遗传通信系统的差错控制机制。在前面各章节中，我们已在适当的地方顺便介绍了遗传通信系统的若干差错控制机制，比如，用mRNA担任DNA的替身，由多个密码子确定同一种氨基酸，DNA具有双螺旋结构（这使得在每对染色体中，如果出现差错的话，可由一股“字符串”精确地恢复出另一股）。这些差错控制机制都是分子级的，都相当精细，而且肯定还有更多类似的差错控制机制未被人们发现。其实，除了这些分子级的手段外，遗传通信系统还有更宏观的差错控制手段，其中最有效的纠错手段也许当数“不适者死亡”这一残酷的生物演化法则了。如果遗传信息在亲代到子代的传输过程中出现了误差，那么子代个体将要么罹患某些疾病，要么很难适应生存环境。总之，其生存和繁殖的难度将大大增加，最终被淘汰的可能性也会增大。一旦相关生物个体死亡，发生在它身上的传输差错就将一次性地被永远消除。另外，比个体死亡更残酷（当然，纠错能力也更强）的差错控制机制便是某种生物的集体灭绝。实际上，无论是自然因素（比如气候突变、小行星撞击地球等）、人为因素或其他任何因素造成物种灭绝，从遗传通信角度看，都相当于一次性地彻底纠正了发生在此种生物群体中的、过去若干年来积累的传输误差。同时，这也使得我们今天在回溯生物演化进程时可看到更清晰的脉络。
当然，与人工通信系统不同的是，遗传通信系统的差错控制还面临着许多两难问题，既要允许出现微量的差错又要把握好度。假若遗传通信系统绝对没有一点儿误差，那么地球上的生物可能就只有一种，因为新物种的出现几乎都是在漫长的演化过程中由遗传信息的传输误差所造成的。另外，即使这唯一的物种再强大（比如它像恐龙那样成功），但是一旦发生了意外的、刚好能使该物种毁灭的灾难，地球上的生物就将同时全部消失。这显然不是生物遗传的目的。人工通信系统有一种非常有效且简单的纠错方法，那就是所谓的“差错重传”。若发现传输过程中出现了差错，那么收发双方就可以忽略本次通信，并将相关的信息内容重新再发一次。显然，遗传通信系统没有这种“差错重传”的纠错机制。总之，无论是人工通信系统还是以遗传通信系统为代表的自然通信系统，在通信过程中出现差错才是绝对的，而不出现差错是相对的，只是需要将相关的差错控制在可接受的范围内。
其次，再看看遗传通信系统为啥会出现传输误差。这主要是因为遗传通信系统面临着太多的挑战。在任何通信系统的信息传输过程中，最容易出错的地方是中继站，中继次数越多，出现差错的可能性就越大。而在遗传通信系统中，必须经历的“中继”次数太多了。实际上，每次遗传过程就相当于一次“中继”。更准确地说，生物细胞的每一次分裂都可以看成一次“中继”。所以，在生物的38亿年演化历程中，遗传通信系统所经历的“中继”次数简直难以计数，不知道有多少亿次。另外，遗传通信系统所处的外部环境太恶劣，变化幅度太大，一会儿是冰川，一会儿是酷暑，一会儿是洪水，一会儿是干旱，一会儿又是从天而降的灭顶之灾。总之，引发传输误差的因素实在太多，下面重点介绍后果最严重的一种，即生物的基因突变。
所谓基因突变就是指某种生物个体的基因组发生了突然的、可遗传的变异。从遗传通信角度来看，这就是说产生了传输误差；从分子角度看，就是碱基对（A:T）、（G:C）的排列顺序或结构发生了改变。基因虽然十分稳定，但在一定条件下也可以从原来的存在形式突变为另一种新形式，即在某些位点上突然出现一个新基因代替了原有基因。这个新基因就叫作突变基因，它将在下一次的“中继”过程中遗传给子代的基因组。
若只有一个基因发生可遗传的突变，那么它就称为点突变。广义的突变还包括染色体畸变。当然，点突变和畸变的界限并不是很明确，所以，本书的读者不必加以区分。基因突变可能发生在生物个体发育的任何时期，更容易发生在DNA复制时期，即细胞分裂这个“中继”期。它与DNA损伤修复、癌变和衰老等都有关系。基因突变也是生物演化的重要因素之一。基因突变既可以是自发的，也可以是人工诱发的。基因突变的种类很多，若按表型效应来分，则有形态突变、生化突变和致死突变等；若按碱基变化情况来分，则有碱基置换突变和移码突变两大类。其中，碱基置换突变是指DNA中的一个碱基对被另一个不同的碱基对所取代，又可细分为转换（即A与G互换，C与T互换）和颠换（A与C互换，G与T互换）两种形式。由于DNA有4种碱基，故可出现4种转换和8种颠换。但在自然发生的突变中，转换多于颠换。碱基对的转换既可由碱基类似物的掺入造成，也可由一些化学诱变剂所致。而移码突变是指DNA片段中的某一位点被插入或丢失了一个或几个（非3的倍数）碱基对，从而引发了一系列编码顺序错位的突变。它可以引起该位点以后的遗传信息都出现异常。若在DNA复制前插入，则会造成一个碱基对的插入；若在复制过程中插入，则会造成一个碱基对的缺失。两种结果都会引起移码突变。在缺失突变中，若缺失的范围包括两个基因，那就好像两个基因同时发生了突变，因此又称为多位点突变。这是一种染色体畸变。而在插入突变中，一个基因的DNA被插入了一段外来的DNA，于是它的结构被破坏，从而导致突变。
从突变造成的影响角度来看，基因突变还可分为以下4种。第一种是同义突变，即碱基置换后，虽然每个密码子都变成了另一个密码子，但由于密码子的简并性（多个密码子确定同一种蛋白质），突变前后密码子所编码的氨基酸都不变，故实际上不会发生突变效应。同义突变约占碱基置换突变总数的25%。换句话说，这25%的传输差错就被遗传通信系统自行纠正了。第二种是错义突变，即碱基置换使mRNA的某个密码子变成了另一个密码子。错义突变可导致机体的结构和功能发生异常，引发疾病。第三种是无义突变，即某个正常的密码子突变为终止密码子，造成蛋白质合成过程被提前终止，产生无活性的多肽片段。这时蛋白质或酶的功能会受到影响。第四种是终止密码突变，它与无义突变相反，基因中的某个终止密码子突变为某个正常的密码子。
所有基因突变都具有如下特性。
（1）普遍性。基因突变在自然界的各个物种中都普遍存在。
（2）随机性。突变发生的时间、发生突变的基因以及发生突变的生物个体等都是随机的。
（3）稀有性。野生型基因以极低的概率发生突变。比如，在高等生物中，在105～108个生殖细胞中可能才有一个发生突变。
（4）可逆性。野生型基因经过突变成为突变型基因后，可能再通过突变而成为野生型基因，这一过程称为回复突变。当然，回复突变十分罕见，这说明突变基因也很稳定。
（5）少利多害性。一般的基因突变都会产生不利影响，导致相关生物被淘汰或死亡，只有极少数发生突变的生物的生存能力反而增强。
（6）不定向性。例如，黑毛动物可能突变为白毛动物，反之亦然。
（7）有益性。虽然一般基因突变都是有害的，但也有极少数突变是有益的。
（8）独立性。某一基因位点的一个等位基因发生突变并不影响另一个等位基因是否发生突变。
（9）重演性。同一物种的不同个体之间可以多次发生同样的突变。
此外，基因突变还可分为隐性突变和显性突变。前者不会在本代个体中表现出来；后者的突变效果则会立即显现在本代个体中，并与生物的原性状并存，形成镶嵌现象或嵌合体。
造成基因突变的因素很多，其中主要的外因包括物理因素（比如X射线、激光、紫外线、伽马射线等的过量照射）、化学因素（比如亚硝酸、黄曲霉素、碱基类似物等化学物质会使基因在复制时发生错误）、生物因素（比如某些病毒和细菌的侵袭）、温度因素（高寒地带温度的骤变会引起多倍体变异）以及时间因素（在基因不断复制的过程中，可能会发生一些错误，引起突变）等。在DNA复制过程中，基因内部的脱氧核苷酸的数量、顺序、种类发生了局部改变，从而改变了遗传信息。这属于基因突变的内因。
从人类的应用角度看，基因突变有时有用，有时有害。比如，在益处方面，基因突变可以帮助人类诱变育种。通过人工诱发，生物产生大量而多样的基因突变。这时，人们可以根据需要，从突变个体中选育出优良品种，比如杂交水稻、三倍体无籽西瓜、八倍体小黑麦、短腿安康羊等。基因突变可用于防治病虫害，即用诱变剂处理雄性害虫，使之发生致死的或条件致死的突变，然后释放它们，让它们和野生雄性昆虫进行竞争而产生致死的或不育的子代。基因突变还可用于诱变物质检测，从而改善环境，避免人类的正常基因被诱变而引发癌症等疾病。
在遗传通信系统长达38亿年的不间断“中继”传输过程中，传输的差错率何时最高呢？这个问题可以在考古学中找到答案。其实，在历史上，遗传通信系统的传输差错率至少出现了两次高峰，它们分别对应于寒武纪和奥陶纪的两次生命大爆发，因为每个新物种的产生其实都是遗传通信系统出现传输差错的结果。在第一次高峰之前，地球上的生物（包括植物和动物等）几乎没留下任何实质性的痕迹。在第二次高峰之后，生命又经历了5次大灭绝。第一次大灭绝发生在距今4.4亿年前的奥陶纪末期，大约80%的物种绝灭。第二次大灭绝发生在距今3.65亿年前的泥盆纪后期，海洋生物遭受灭顶之灾。第三次大灭绝发生在距今2.5亿年前的二叠纪末期，超过95%的生物灭绝。第四次大灭绝发生在距今2亿年前的三叠纪晚期，爬行动物遭受重创。第五次大灭绝发生在距今6500万年前的白垩纪晚期，自侏罗纪以来长期统治地球的恐龙惨遭灭绝。此后，哺乳动物开始突变演化出大约4000个物种，而每个物种间的差别之大足以将它们放入生物分类学的15个不同的目中，包括人类所在的灵长目。目前，虽不知这些生命大灭绝的原因是什么，但肯定不是遗传通信系统出现了传输差错。所以，下面只分别简要介绍那两次生命大爆发的情况。
考古学家发现，在5.42亿年前到5.3亿年前的寒武纪地层中，在1000多万年的时间内，突然出现了门类众多的无脊椎动物化石，包括三叶虫、金臂虫、软舌螺类、开腔骨类、蠕形动物、海绵动物、内肛动物、环节动物、水母状生物、无绞纲腕足动物、具附肢的非三叶虫类节肢动物等，甚至还有云南虫等低等脊索动物和半索动物等。它们几乎同时出现，而且与现代动物的形态基本相同。在更早期的地层中，却未找到其明显的祖先化石，这便是古生物学家所说的寒武纪生命大爆发，即遗传通信系统传输差错率的第一个高峰期。其中，最具代表性的生物群是云南澄江生物群、加拿大布尔吉斯生物群和凯里生物群，它们构成了世界三大页岩型生物群。
第二次生命大爆炸发生在大约5.1亿年前的奥陶纪之初。先是一些海藻类生物开始大量繁殖，为滤食性生物提供了大量食物。海绵则成为珊瑚礁的主要建造者，珊瑚也开始大量繁殖。关于遗传通信系统传输差错率的第二个高峰，生物学家的解释是：大约在6.5亿年前，地球上局部区域的温度上升，使得一些构成生命的营养成分流入大海，成为生命形成的基础。待到奥陶纪时，海平面上升，地球温度更适宜生命的诞生和生长，再加上发生在4.85亿年至4.44亿年前的奥陶纪生物大辐射，于是出现了史上规模最大的一次生命大爆发。在这次持续4000多万年的生命大爆发事件中，目、科、属和种等较低级别的生物分类单元大量增加。待到奥陶纪大辐射后，海洋中科一级生物的多样性达到寒武纪大爆发后的3倍多。
当然，生命大爆炸的另一种可能性是遗传通信的差错率并未突然上升，只是由于地球生存环境的改善，那些本该死亡或被淘汰的基因突变物种幸运地存活了下来。不过，这并不是本书的关注点。此外，除了寒武纪和奥陶纪这两次遗传通信传输误差率大幅上升之外，38亿年来遗传通信系统传输误差的整体分布情况到底怎样呢？当然，这里关注的只是物种级的传输误差，即基因突变引发了新物种的诞生。在每次亲子遗传时，被传输的基因都会或多或少地发生一些变化，出现一些传输差错，但这些差错在可接受的“龙生龙，凤生凤”范围内，而不会出现“龙生凤”的怪事。
为了回答上述看似不靠谱的问题，先来查查你的家谱。在不考虑同卵双胞胎的情况下，每个人都与其基因组相互唯一确定，所以，你的各代祖先和子孙们都可看成不同的“基因点”，你的家谱则是一棵以你的第一代祖先为根、其他各代为枝的家谱树。如果从今天全球70多亿人各自的家谱树出发，按顺序倒推到足够长的时间后，情况将会怎样呢？最近，科学家通过对地球上100万种不同物种的500多万个动物及人类的基因条形码进行线粒体DNA分析后，惊讶地发现只需倒推到20万年前，所有现代人的家谱树就最终归结为一个点！是的，就是一个点。换句话说，当今所有现代人都起源于20万年前的那对夫妻，暂且称他俩为亚当和夏娃吧。我们都是他俩当时进行遗传通信时出现传输误差的后果而已，当时的一次基因突变才促使了现代人类祖先的诞生。更进一步说，不仅人类如此，而且如今90%以上的动物也是如此，只需把时间倒推到约25万年前，它们也都是同一对“夫妇”的后代。
当然，无论上述亚当和夏娃的故事是否为真，我们都可用类似于家谱树的 “传输差错发生树”（以下简称“差错树” ）来刻画整个遗传通信过程中传输差错的演进情况。从38亿年前开始，让时间按顺序向现在推进，若在历史上的某个时间点，某种生物的某次亲子遗传中出现了物种级的传输差错，那么就在当时的差错树中，在该物种的顶端画一个新的分叉点。随着时间的不断推移，差错树将越长越大，分叉也会越来越多。当然，如果最早的时候同时出现了两个或多个物种的话，那么差错树将不再是一棵树，而是一片树林。不过，有证据显示，差错树可能真的不是一片树林，而确实只是一棵树。有科学家将蛋白质按功能分为了3个版本，并且发现负责制造第一版本蛋白质的基因在所有生物的细胞中都能找到，比如把糖类转化为能量的蛋白质。第二版本蛋白质则只出现在真核细胞中，比如负责把DNA包裹存储在细胞核里的组织蛋白以及负责传导运动的肌动蛋白等。至于第三版本蛋白质，它只出现且不同时出现在动物和植物体内，比如胶原蛋白和叶绿素。负责制造第一版本蛋白质的基因约有1000种，而且个个都非常古老。比如，细菌都拥有制造第一版本蛋白质的每一种基因，而真核生物体内的染色体上则累积了许多血缘相近的基因家族。因此，差错树的那一个仅有的根很可能就是某种细菌。总之，为了叙述方便，我们假设差错树只是一棵树。所以，该树的生长情况就是遗传通信系统中差错传输的演进情况。
关于这棵差错树，我们不打算向未来展望。随着基因工程的发展，今后将人为造出许多新物种，从而使得差错树更加枝繁叶茂，以至完全无法预测将会出现什么新物种。所以，此处只做一些历史回顾。这时，我们将看到若干有趣的现象。比如，当某种生物灭绝后，该生物在差错树中的位置将被永远定格，其顶端不会再生长出任何新的分枝。又如，任何两种目标生物（不论它们是桃子和青蛙、大象和蟑螂还是黑猩猩和人）都曾在过去的某个时点拥有一位最近的共同祖先物种，这两种目标生物都是其祖先物种在某次遗传通信中出现传输差错的后果。
更具体地说，在该差错树上约7万年前的分叉中，可以找到标明现代人祖先——智人的那个分叉。再向树根方向迈进一个分叉的话，将会找到标明人属的那个分叉。该分叉上的其他几个小分叉都已在4万年至10万年前消失了。再迈一步，将找到标明人科的那个分叉，该分叉上的其他几个小分叉也都已消失。再迈一步，将找到标明类人形超科的那个分叉，该分叉上的其他几个小分叉便是长臂猿、人猿（包括巨猿、大猩猩及黑猩猩）等灵长类动物。科学家经检测发现，现代人与黑猩猩的基因组排序非常相近，彼此间的差异不超过2%；现代人与大猩猩的基因也非常相似。再迈一步，将找到标明灵长目的分叉。再迈一步，将找到标明哺乳纲的分叉，此时距今2亿年左右，当时的动物都是胎生的，都有乳房和毛发等。再迈一步，将找到标明脊索动物科的分叉，此时大约距今6亿年，当时的动物都拥有带脊椎的背骨和相似的解剖构造。再迈一步，将找到标明多细胞动物界的分叉，此时的动物都拥有一位多细胞祖先。再迈一步，将找到标明真核生物超界的分叉，此时的生物将包括多细胞动物和植物、真菌以及拥有细胞核的单细胞生物等，它们全都源自第一个具有细胞核的细胞。最后，再迈一步，所有生物也许全都来自这棵差错树的根部，即共同的始祖细胞。虽然这个始祖细胞早在数十亿年前就已经死亡，但它体内的基因也许至今还在你的体内活动着呢。实际上，这个始祖细胞具有今天所有细胞都还保留着的若干特质。比如，它拥有一个编码了约1000个负责复制及代谢工作的、属于第一版酵素的DNA基因组，还拥有一套遗传密码和一组以RNA为基础的转译装置等。
关于这棵差错树，科学家还提出了许多玄妙的猜测。有一种假说认为在20多亿年前，有一个原始的紫细菌钻进了一个原始的真核细胞中，然后它就在此安居乐业，过上了乐不思蜀的无忧生活。随着时光的流逝，该细菌和它的子孙们最终丧失了“入蜀能力”，只能寄居在真核细胞内，于是就变成了今天几乎所有真核生物细胞内都有的线粒体的共生始祖。再后来，又有一些能将阳光转换为糖分的蓝绿菌也钻进了真核细胞内，使得今天绿色植物的祖先开始拥有了叶绿体的前身。
至此，遗传通信系统在过去38亿年的通信过程中出现的物种级差错的分布情况就介绍完了。虽然生物学家至今还在努力填补差错树的众多空白，但是从通信角度来看，遗传通信系统的纠错情况已经弄清楚了。总之，遗传通信系统的传输差错率确实远远低于任何人工通信系统。
1.5 DNA计算机展望
若只是从时间进程的角度来看，本节的内容就肯定要排到最后面的章节中，毕竟所谓的DNA计算机到目前为止还没有实现。而我们之所以要将本节的内容提前介绍，一来是想趁热打铁，让读者在刚刚熟悉了DNA和基因等生物学的一点基础知识后赶紧了解DNA在IT领域的最新应用（还可能是革命性的应用）。这再一次说明，包括通信专家在内的IT人士确实应该适时了解一些生物学知识，生物学一定会变成通信界的一块“他山之石”。二来是想再提“意念通信”之梦。如果真像科学家所设想的那样，今后DNA计算机能与人类的神经系统进行无缝连接，那么“意念通信”就不会是天方夜谭了。本节内容主要取自我们的另一部拙作《密码简史》中的“未来密码”部分。
在介绍DNA计算机到底是什么之前，先说说它将如何影响现代保密通信，或者说它将如何对许多现代密码通信算法造成毁灭性的打击。当然，也顺便介绍一下DNA计算机的创意者。这方面的知识太前沿，不可能详述。
伦纳德·阿德曼教授，即著名的RSA通信密码中的那个“A”，早在20世纪60年代读本科时就爱上了生物学，并且别具一格地用数学的眼光将生物学看成由4个字符组成的有限串以及通过酶作用在这些字符串上的函数。因此，在本章前面的几节中，我们当然也有理由用通信的眼光将生物的亲子遗传过程看成由4个字符组成的有限串的通信过程。20世纪90年代，阿德曼更是全力以赴，试图将计算机科学与生物学结合起来。他发现，DNA可以取代传统的计算方法，在很大程度上完成并行运算。比如，他通过一个NP–完全问题的特例——七顶点有向图的哈密顿路径问题（在一个有向图中，从指定的起点出发，前往指定的终点，途中经过且只经过所有其他节点一次），很清晰地解释了DNA计算的神奇之处：DNA片段可以迅速连接成哈密顿路径问题的潜在解！对于较大的图，若用电子计算机来进行计算，则其运算量将呈指数级增长，根本不可能完成。但是，DNA计算机所耗费的时间将非常短，虽然目前的准备时间还很长。比如，那个七顶点图的准备时间竟需要整整一周。但是，随着技术的不断成熟，相应的准备时间将大幅缩短。
用阿德曼的方法去求解大规模的哈密顿路径问题，将有一个优势：虽然试管中的每种“寡核苷酸”（某种化学物质）都需要很多份，但用来表示图形的“寡核苷酸”的数量只与图的大小成线性增长关系。比如，在上面的七顶点图中，阿德曼使用了大约3×1013份“寡核苷酸”来表示每条边。这远远超过了必需的数量，而且很可能得到多条表示解决方案的DNA链。阿德曼在总结他的DNA算法的优势时指出，在连接阶段，每秒执行的操作量将可能是当前超级计算机的上千倍。他还给出了一些改进思路，既提高了效率，又减少了对存储空间的需求。
从通信密码破译的角度来看，阿德曼的上述成果意味着什么呢？这样说吧，DNA计算将有可能威胁到NP–完全问题的求解，而通信系统中的许多公钥密码的数学基础刚好就是NP–完全问题，比如基于背包的公钥密码等。更令现代通信密码学家惊讶的是，1996年波内、立顿和邓沃斯三人联名发表了一篇论文，介绍了如何利用DNA计算机来攻破著名的DES通信密码。在他们的攻击中，DNA被用来编码每个可能的密钥，然后同时使用所有的密钥来尝试破译工作。这便是DNA计算的超强并行处理威力。
好了，关于DNA计算机对通信密码的可能威胁已经点到为止了。随着DNA计算机的不断成熟，现代通信密码将面临更多的来自DNA计算机的威胁。下面开始介绍DNA计算机的一些基本知识。
DNA计算机是一种生物形式的计算机，它基于大量DNA分子的自然并行操作及生化处理技术，产生类似于某种数学过程的组合结果，并通过对这些结果的抽取和检测来完成问题求解的过程。由于最初的DNA计算需要将DNA溶于试管中，所以，这种计算机由一堆盛满有机液体的试管组成，因而它也被称为“试管计算机”。
DNA计算机利用DNA建立一种完整的信息技术形式，以经过编码的DNA序列（相当于计算机内存）为运算对象，通过分子生物学的运算操作，解决复杂的数学难题。它的“输入”是细胞质中的RNA、蛋白质及其他化学物质，它的“输出”则是很容易辨别的分子信号。DNA计算的新颖性不仅在于算法和速度，而且在于它采用了生物技术而非硬件技术来实现数学计算。目前DNA计算研究已涉及许多方面，如DNA计算的能力、模型和算法等。人们已开始将DNA计算与遗传算法、神经网络、模糊系统和混沌系统等智能计算方法相结合。
与电子计算机相比，DNA计算机具有很多优点。
（1）体积小，小到在一支试管中便可同时容纳1万亿台DNA计算机。
（2）存储量大，1立方米DNA溶液可存储1万亿亿比特的数据，相当于10亿张CD的容量。
（3）运算速度快，每秒可超过10亿次。十几小时的DNA计算量便可相当于自计算机问世以来全球所有运算的总量。
（4）耗能低，能耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。若DNA计算机被放置在活体细胞内，其能耗还会更低。
（5）并行能力强。数以亿计的DNA计算机可同时从不同角度处理一个问题，工作一次可以进行10亿次运算，以并行的方式工作，大大提高了效率。
此外，DNA计算机还具有其他一些优势，比如能使科学观察与化学反应同步，能在逻辑分析、密码破译、基因编程、疑难病症防治以及航空航天等领域发挥独特的作用。DNA计算机甚至能进入人体或细胞内，充当监控装置，发现潜在的致病变化，还可在人体内合成所需的药物，治疗癌症、心脏病、动脉硬化等各种疑难病症，甚至将在恢复盲人视觉方面大显身手。
今后，一旦DNA计算技术全面成熟，那么真正的人机结合就会实现，“意念通信”更会水到渠成。大脑本身就是一台自然的DNA计算机，只要有一个接口，DNA计算机就能通过这个接口直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分，而且它以从人体细胞中吸收营养的方式来补充能量，不需要外界的能量供应。这听起来简直就像精彩的科幻故事！今后，向大脑植入以DNA为基础的人造智能芯片将像接种疫苗一样简单。无疑，DNA计算机的出现将给人类文明的发展带来质的飞跃，给整个世界带来巨大的变化。
DNA计算机概念由阿德曼于1994年提出后，立即引起了世界各国科学家的极大关注。1995年，来自全球的200多位专家共同探讨了DNA计算机的可行性，他们认为在酶的作用下，某基因代码通过生物化学反应，确实可以转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入的数据，反应后的基因代码作为运算结果。利用该过程，完全可以制造新型生物计算机，它将是代替电子计算机的主要候选技术。于是，全球科学家便展开了接力式的研究，早期的主要进展可简要归纳如下。
2001年11月，以色列研制出了首台DNA计算机，它的输出、输入和软硬件完全由“在活体中存储和处理编码信息的DNA分子”组成。该计算机的体积仅相当于一滴水，它虽较原始，也无任何相关应用，却是DNA计算机的雏形。次年，研究人员又进行了改进，吉尼斯世界纪录称之为“最小的生物计算设备”。
2002年2月，日本开发出了首台能真正投入商业应用的DNA计算机。它包含分子计算组件和电子计算机部件两部分。前者用来计算分子的DNA组合，以实现生物化学反应，搜索并筛选正确的DNA结果；后者则可以对这些结果进行分析。
2003年，世界首台可玩游戏的互动式DNA计算机在美国问世，它主要以生化酶为计算基础。
2004年，中国首台DNA计算机问世。它其实是以色列2001年DNA计算机的改进版，用双色荧光标记同时检测输入与输出的分子，用测序仪实时监测自动运行过程，用“磁珠表面反应法固化反应”来改进可控性操作技术等，可在一定程度上模拟电子计算机处理0、1信号的功能。
2005年，以色列利用DNA计算机运行了10亿种由DNA软件分子设计的程序。这种DNA计算机采用了新的溶液处理工艺，有可能发现细胞中与多种癌症有关的异常信使RNA，从而为癌症诊断提供信息。
2006年，美国利用DNA计算机快速、准确地诊断了禽流感病毒。这种DNA计算机能更快更准地检测西尼罗河病毒、禽流感病毒等。
2007年，美国利用DNA计算机实现了RNA干扰机制。这种DNA计算机可进行基本逻辑运算，能应用于人工培养的肾细胞，还能关闭编译某种荧光蛋白的目标基因。
2009年，美国利用大肠杆菌研制成细菌计算机，它可解决某些复杂数学问题，而且计算速度远高于任何硅基计算机。
2011年7月，以色列利用DNA计算机探测了多种不同类型的分子，它们可用于诊断疾病和控制药物释放，实现诊断治疗一体化。同年9月，美国利用DNA计算机摧毁癌细胞。它们能进入人类细胞，通过对5种肿瘤特异性分子进行逻辑组合分析，识别出特异癌细胞，再触发癌细胞的毁灭过程。这一成果为开发出特异的抗癌治疗方案奠定了基础。10月，英国利用细菌研制出了生物逻辑门，这是一种完全模块化的结构，可以组装在一起，从而为未来建立更复杂的生物处理器铺平了道路。
DNA计算机的数学机理表现在以下两个方面。
其一，生物体所具有的复杂结构实际上就是编码在DNA序列中的原始信息经过一些简单处理后得到的结果。或者说，经过一系列DNA简单操作，便可得出一个复杂结果。
其二，求一个含变量w的可计算函数的值时，也可通过求一系列含变量w的简单函数的复合来实现，即通过对w运用简单的函数关系，就可获得关于w的复杂函数f （w）。
实际上，DNA计算的原理与数学操作非常类似，单股DNA可看作由4种不同的符号A、T、C和G组成的序列串，就像电子计算机中的“0”和“1”一样。DNA序列串可作为译码信息，在DNA序列上可执行一些简单操作。这些操作由大量的能处理基本任务的酶来完成。不同的酶用于不同的算子。比如，限制内核酸酶可作为分离算子，它能识别特定的DNA短序列（即限制位）。任何一个在其序列中包含限制位的双链DNA在限制位处被酶切断。DNA连接酶可作为连结算子，将一条DNA链的末端连接到另外一条DNA链上。
目前，DNA计算的研究内容主要集中在以下几个方面：DNA计算的生物工具和算法实现技术、DNA计算的模型及其计算能力和数学实现、DNA计算机的基本计算（比如DNA的布尔电路运算、数字DNA、算术运算、分子乘、分子编程和应用）等。
当然，DNA计算机还仅处于探索阶段，主要障碍至少来自两个方面：一是在物理上如何处理大规模系统和复制时的误差，二是在逻辑上如何解决计算问题的多用性和有效性。
与成熟的电子计算机相比，虽然目前DNA计算机确实还暂时相形见绌，但是分子计算的观念拓宽了人们对自然计算现象的理解，尤其是对生物学中的基本算法的理解。同时，分子计算概念向人类提出了众多挑战，比如：在生物学和化学中，如何理解细胞和分子机制，使它们有益于作为分子算法的基础；在计算机科学和数学中，如何寻找适当的问题和有效的分子算法；在物理学和工程学中，如何构建大规模的可信的分子计算机等。
第2章 生长通信
生物最基本的特征只有两个：一是繁殖，二是生长。
第1章首次从通信角度出发，重新诠释了繁殖的核心（遗传过程），从而填补了起始于38亿年前的、曾被遗忘的一段通信史，即遗传过程其实是一个通信过程，通信的内容就是亲代的DNA，或者说是承载于DNA上的遗传基因信息。本章将继续从通信角度出发，重新诠释生物的生长过程，希望再填补另一段同样起始于38亿年前的、被遗忘的通信史，即生长过程其实也是一个通信过程，而且是更复杂的通信过程。其中，细胞及其内含物质扮演了多重角色。比如，生长的关键是细胞分裂，而某个细胞的分裂过程也可看成一个亲代细胞与两个子代细胞之间的通信，其通信的内容则是DNA、细胞核、细胞质和细胞膜等物质及其中所含的生长信息。在这些信息的控制下，子代细胞将决定在何时何地进行何种分裂。即使在未分裂期间，细胞内也不断地进行着各种通信。比如，相关的蛋白质会从细胞膜的一侧，携带复杂的信息内容流向另一侧。这样说吧，在活的生物机体中，几乎每个分子都随时在进行着复杂的通信，而且每个分子既是物质又是信息，既是信息又是信息的载体，既是发信方又是收信方，关键取决于从哪个层次上去看问题。一旦某个生物个体死亡，其机体内的这些通信过程就会纷纷停止；反之，一旦这些通信系统中的某些部分停摆，那么就有可能引发其他通信系统也停摆，甚至最终导致机体死亡。由于生长通信过程太复杂，所以，本章只能依据已知的生物学成果，从相对宏观（比如，无法考虑细胞内的所有信息物质）的角度来介绍生长通信系统。
2.1 先天信息的载体
从通信角度看，信息其实是不能被直接传输的，只能通过传输信息的载体来间接传输信息。当然，信息载体的载体也是载体。比如，生物的所有先天遗传信息都隐藏在基因组中，DNA便是基因的载体，而细胞又是DNA的载体，所以，通过细胞的传输，照样也能达到传输先天遗传信息的目的。实际上，第1章所介绍的遗传通信就是一种特殊的传输生殖细胞的通信，它与传输普通细胞的通信既有区别又有密切的联系。本节先介绍生长通信系统中传输先天信息的另一种重要载体——细胞。
2.1.1 细胞简史
在信件通信中，纸张是文字的载体，而文字又是信息的载体。由于人们对纸张已相当熟悉，所以，在信件通信系统中就完全没必要再介绍纸张了。但是，对于作为生长信息的重要载体的细胞，普通读者并不太熟悉，更不用说细胞内还有许多至今未知的通信过程，因此，有必要对细胞进行一些基本介绍。
细胞是生物体中基本的结构和功能单位，就目前已知情况来看，除病毒之外的所有生物均由细胞组成，但病毒的生命活动也必须在细胞中才能体现。一般来说，细菌等绝大部分微生物及原生动物都是由一个细胞组成的，它们称为单细胞生物；而高等植物与动物则是多细胞生物（比如，正常人体就由大约60万亿个细胞组成），各细胞之间会不断进行通信，每个细胞内的不同物质之间也会彼此进行通信。细胞的体形极其微小，只有在显微镜下才能看见，其形状也多种多样。细胞具有运动、营养和繁殖等机能。
细胞的最早发现者是英国科学家罗伯特·胡克（1635—1703）。大约在1665年，他在用自制的光学显微镜观察软木塞的切片时，发现了许多蜂窝状的小格子。于是，他就将这些小格子称为细胞。其实，如今看来，胡克所看到的格子并不是活细胞，而是早已死亡的、仅残存细胞壁的死细胞。不过，后世科学家认为他功不可没，仍将他视为发现细胞的第一人。
当然，真正首先发现活细胞的人是荷兰生物学家安东尼·范·列文虎克（1632—1723）。大约在1674年，他凭借自己制作的放大倍数为200倍的显微镜，观察到了血液中的红细胞。更传奇的是，他还于1677年史无前例地在显微镜下看到了活动着的精子，并惊讶地发现原来精子是一种能活动的小虫子。
1809年，法国生物学和博物学家让·巴蒂斯特·拉马克（1744—1829）指出，所有生物体都是由细胞组成的，细胞里都含有一些会流动的“液体”。不过，拉马克并没给出具体的观察证据。直到1824年，法国植物学家亨利·杜特罗切特（1776—1847）才在其学术论文中提出了“细胞确实是生物体的基本构造”。由于植物细胞比动物细胞多出了一个细胞壁，因此，在显微技术还不成熟时，植物细胞就比动物细胞更容易被观察到。所以，杜特罗切特的这种说法最先被植物学家所接受。
1830年以后，显微镜的制作克服了镜头模糊与色差等缺点，分辨率也提高到1微米，并且显微镜开始逐渐普及。改进后的显微镜已能清楚地显示细胞及其内含物。于是，1839年德国植物学家马蒂亚斯·施莱登（1804—1881）从对植物的大量观察中得出结论：所有植物都是由细胞构成的。由于当时受胡克思想的影响，大家对细胞的观察都只侧重于细胞壁而不是细胞的内含物，因而对无细胞壁的动物细胞的认识就比植物细胞晚得多，也肤浅得多。德国动物学家西奥多·施旺（1810—1882）对动物细胞进行了大量研究，并首次描述了动物细胞与植物细胞的相似情况。又过了约10年，科学家才陆续发现新的证据，证明细胞都是从原来就存在的细胞分裂而来的。总之，截至20世纪初期，细胞学说才大致形成，并被简述为三点：细胞是一切生物的构造单位，细胞是一切生物的生理单位，细胞是由原已存在的细胞分裂而来的。
2.1.2 细胞壁
从宏观角度看，细胞可当作DNA的信息载体；从微观角度看，细胞本身又是一个通信系统，只不过目前还不清楚其全部通信细节而已。如果打开细胞这个通信系统，目前已知的便是：细胞主要由细胞核与细胞质构成，其表面有细胞膜。高等植物的细胞膜外有细胞壁，细胞质中常有质体，质体内有叶绿体、液泡以及线粒体。动物细胞无细胞壁，细胞质中常有中心体，而高等植物的细胞中则无中心体。
细胞壁相当于细胞个体通信系统的边界。凡是被分类在细菌、真菌和植物中的生物，其细胞中都有细胞壁；而在原生生物中，有些有细胞壁，有些则没有；动物细胞都没有细胞壁。植物细胞壁的主要成分是纤维素，而且是经过系统编织的网状外壁。它可分为中胶层、初生细胞壁和次生细胞壁。其中，中胶层是植物细胞刚分裂后的子细胞之间最先形成的间隔，其主要成分是果胶质。初生细胞壁是随后在中胶层两侧形成的，它的主要成分是果胶质、木质素和少量蛋白质等。次生细胞壁的主要成分是由纤维素组成的纤维，这些纤维相互垂直排列成筛眼，再由木质素等多糖类黏结在一起。真菌的细胞壁由几丁质、纤维素等多糖类组成。其中，几丁质含有碳水化合物和氨，性柔软，有弹性，与钙盐混杂时会硬化，形成节肢动物的外骨骼。几丁质不溶于水、酒精、弱酸和弱碱等液体，具有保护功能。细菌的细胞壁以肽聚糖为主要成分。
2.1.3 细胞膜
细胞膜相当于细胞个体通信中的滤波器，它是紧贴在细胞壁内侧的一层极薄的膜，由蛋白质分子和磷脂双分子层组成。水和氧气等小分子物质能自由通过细胞膜，而某些离子和大分子物质则不能自由通过。因此，细胞膜除了对细胞内部具有保护作用外，还具有控制物质进出细胞的作用。细胞膜既不让有用物质任意渗出，也不让有害物质轻易进入，还能进行细胞间的信息交流。至于所交流的信息到底都有什么，目前还不太清楚，但至少有DNA。若用电子显微镜进行观察，则可发现细胞膜主要由蛋白质分子和脂类分子构成，而且细胞膜的中间层是磷脂双分子层，它是细胞膜的基本骨架。在该骨架的外侧和内侧则有许多球状蛋白质分子，它们以不同深度镶嵌在磷脂分子层中，或覆盖在磷脂分子层的表面。这些磷脂分子和蛋白质分子大都可以流动，因此，细胞膜也具有一定的流动性，其流动过程当然就是一种信息传输过程。
实际上，在细胞个体通信系统中，信息物质跨越细胞膜的通信方式可分为被动运输和主动运输两种。
被动运输通信是指顺着细胞膜两侧，由高浓度区域向低浓度区域扩散，分为自由扩散和协助扩散。在自由扩散中，信息物质通过简单的扩散作用进出细胞，细胞膜两侧的浓度差及所扩散物质的性质对自由扩散的速率都有影响。比如，脂溶性物质更容易进出细胞。常见的能进行自由扩散的信息物质包括苯、水、氨、氧气、甘油、乙醇、尿素、胆固醇、二氧化碳等。在协助扩散中，进出细胞的信息物质借助载体蛋白进行扩散。细胞膜两侧的浓度差以及载体的种类和数目等对协助扩散的速率都有影响。比如，红细胞吸收葡萄糖便是依靠协助扩散而完成的。
主动运输通信是指物质从低浓度一侧扩散到高浓度一侧，需要载体蛋白的协助，同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量。这是一种由化学能驱动的通信过程。主动运输保证了活细胞能按照生命活动的需要，主动选择吸收所需要的营养物质，或排出代谢废物和对细胞有害的物质等。各种离子经细胞膜由低浓度到高浓度的扩散都得依靠主动运输通信。凡能进行跨膜运输的物质都是离子和小分子。当大分子进出细胞时，包裹大分子物质的囊泡就从细胞膜上分离或与细胞膜融合（胞吐和胞吞），而大分子本身则不需跨膜便可进出细胞，即大分子被通信滤波器过滤了。
2.1.4 细胞质
细胞质相当于个体细胞通信系统中的信令通信部分，它所传输的是各种通信命令，比如细胞液如何流动等。细胞质是细胞膜所包裹着的黏稠而透明的物质。在细胞质中，还可看到一些具有折光性的颗粒，它们多数具有一定的结构和功能，类似于生物体的各种器官，因此也叫作细胞器。它们各自执行个体细胞通信中的控制和指挥功能。例如，在绿色植物的叶肉细胞中就能看到许多绿色颗粒，它们就是一种细胞器，叫作叶绿体，相当于通信系统的电源部分，因为绿色植物的光合作用就是在叶绿体中进行的。在细胞质中，有时还能看到一个或几个液泡，其中充满着液体。它们叫作细胞液。在成熟的植物细胞中，液泡合并为一个中央大液泡，其体积占整个细胞的一大半。细胞质被挤压成薄薄的一层。细胞膜以及“液泡膜和细胞膜这两层膜之间的细胞质”合称为原生质层。植物细胞的原生质层是一层半透明膜。细胞液传输信息的规则是：当细胞液的浓度低于外界溶液的浓度时，细胞液中的水分就透过原生质层进入外界溶液中，从而使得细胞壁和原生质层都出现一定程度的收缩。由于原生质层的伸缩性比细胞壁的伸缩性大，所以，当细胞不断失水时，原生质层就与细胞壁分离，即发生了质壁分离。当细胞液的浓度高于外界溶液的浓度时，外界溶液中的水分就透过原生质层进入细胞液，从而使得原生质层逐渐复原，即质壁分离的复原。
细胞质并非处于凝固静止状态，而是在缓缓地运动，并完成相应的通信任务。在只有一个中央液泡的细胞内，细胞质往往围绕液泡循环流动。这样便促进了细胞内物质的转运，也加强了细胞器之间的相互联系。细胞质的运动是一种消耗能量的生命现象，细胞的生命活动越旺盛，细胞质就流动得越快；反之，则越慢。当细胞死亡后，其细胞质的流动也就停止了。
在真核细胞中，还有一种很特别的、称为细胞骨架的东西，相当于该个体细胞通信系统中的通信驱动部分。它是真核细胞中蛋白纤维的一种网络结构，由位于细胞质中的微丝、微管和中间纤维构成。其中，微丝确定细胞的表面特征，使细胞能运动和收缩；微管确定膜性细胞器的位置和运输膜泡的轨道；中间纤维使细胞具有张力和抗剪切能力等。细胞骨架不仅在维持细胞形态、帮助细胞承受外力、保持细胞内部结构的有序性等方面发挥重要作用，而且参与许多重要的生命活动。比如，在细胞分裂过程中，细胞骨架将牵引染色体分离。此外，在细胞物质的转运中，各类小泡和细胞器等都可沿着细胞骨架定向转运。
2.1.5 主要的细胞器
细胞中还有一些细胞器，它们相当于个体细胞通信系统的功能器件，具有不同的结构，执行着不同的功能，共同完成细胞的生命活动。常见的细胞器主要有线粒体、叶绿体、内质网、高尔基复合体、核糖体、中心体、液泡、溶酶体、微丝及微管等。
线粒体相当于个体细胞通信系统中的主要能源器件，它是一种线状、小杆状或颗粒状的结构。在活细胞中，可用“詹纳斯绿”将线粒体染成蓝绿色。在电子显微镜下，可以看到线粒体内有丰富的酶系统，线粒体的表面由双层膜构成，其中内膜向内形成一些隔断，称之为线粒体嵴。线粒体是细胞呼吸的中心，是生物有机体借助氧化作用产生能量的主要结构，能将营养物质（如葡萄糖、脂肪酸和氨基酸等）通过氧化过程转化为能量，并将这些能量储存在三磷酸腺苷的高能磷酸键上，以满足细胞其他生理活动的能量需求。因此，形象地说，线粒体是细胞的动力工厂。
叶绿体是绿色植物细胞中的重要细胞器，其主要功能是进行光合作用。叶绿体也是一种通信能源器件。叶绿体由双层膜、基粒（类囊体）和基质三部分构成。其中，类囊体是一种扁平的小囊状结构，在类囊体薄膜上存在着进行光合作用所必需的色素和酶。基粒是由许多类囊体叠合而成的，基粒之间充满着基质，而基质中含有与光合作用有关的酶，特别是基质中还含有DNA（生物的天生遗传信息基因的深层次载体）。
内质网是个体细胞通信系统中传输蛋白质信息的功能器件，它是细胞质中由膜构成的网状管道系统，广泛分布于细胞质的基质内。内质网与细胞膜和核膜相连通，对细胞内蛋白质和脂质等物质的合成和运输起着关键作用。内质网根据其表面是否附着核糖体，可分为粗面内质网和滑面内质网。其中，粗面内质网的表面附着有核糖体，具有运输蛋白质的功能，当然也就传输了蛋白质中所携带的相关信息内容。而滑面内质网内则含有许多酶，它们与糖脂类和固醇类激素的合成与分泌有关。
高尔基复合体也是个体细胞通信系统中的传输器件，是位于细胞核附近的网状囊泡。它是细胞内的运输和加工系统，能对粗面内质网运输的蛋白质进行加工、浓缩，并将其包装成溶酶体和分泌泡。
核糖体是一种椭球状微粒，有些附着在内质网膜的外表面，以供给膜上及膜外蛋白质；有些游离在细胞质的基质中，以供给膜内蛋白质。后者不经过高尔基复合体，而直接在细胞质中基质内的酶的作用下形成空间构形。核糖体是合成蛋白质的重要基地，也相当于为个体细胞通信系统生产功能器件的场地。
中心体是实现细胞间DNA信息通信的主要器件，它存在于动物细胞和某些低等植物细胞中。因为它的位置靠近细胞核，故名中心体。每个中心体由两列互相垂直排列的中心粒及其周围的物质组成。动物细胞的中心体与有丝分裂密切相关。中心粒也是一种细胞器，它的位置是固定的，且具有极性结构。在间期细胞（即处于两次分裂之间的细胞）中，经固定、染色后所显示的中心粒仅仅显示为一两个小颗粒，而在电子显微镜下，中心粒则是一个柱状体，长度为0.3～0.5微米，直径约为0.15微米。它由9组小管状的亚单位组成，每个亚单位一般由3个微管构成。这些微管的排列方向与柱状体的纵轴平行。
液泡是个体细胞通信系统中的通信主干线，它是植物细胞中的泡状结构。在成熟的植物细胞中，液泡很大，甚至可占据整个细胞体积的90%。液泡的表面有液泡膜。液泡内有细胞液，其中含有糖类、无机盐、色素和蛋白质等物质，可达到很高的浓度。因此，液泡对细胞内的环境起着重要的调节作用，可使细胞保持一定的渗透压，并保持膨胀状态。动物细胞中同样有小液泡。
溶酶体相当于个体细胞通信系统的器件回收处理站，它是囊状的小体或小泡，内含多种水解酶，具有自溶和异溶作用。这里，自溶是指溶酶体消化和分解细胞内损坏和衰老的细胞器的过程，异溶则是指消化和分解被细胞吞噬的病原微生物及其细胞碎片的过程。溶酶体是细胞内具有单层膜囊状结构的细胞器，其内包含多种水解酶类，能分解很多物质。
微丝和微管相当于个体细胞通信系统中的电缆和电杆等，它们的主要功能是对细胞起着骨架支撑作用，以维持细胞的形状。比如，在红细胞中，微管呈束状平行排列于盘形细胞的周缘。微丝和微管也参与细胞的运动，比如有丝分裂的纺锤丝以及纤毛、鞭毛的微管等。
当然，除了上述细胞器之外，细胞质内还包含多种内含物，比如糖原、脂类、结晶、色素等。
2.1.6 细胞核
细胞核是细胞质里的一种近似球状的核体，它由更加黏稠的物质构成。在细胞间的通信系统中，它是DNA信息载体的核心；而在个体细胞通信系统中，其他所有部分其实都是在为它服务的。动物细胞的细胞核通常位于细胞的中央，成熟植物细胞的细胞核则往往被中央液泡推挤到细胞的边缘。细胞核中有一种物质，它很容易被洋红、苏木精、甲基绿、龙胆紫溶液等碱性染料染成深色，所以被称为染色质。生物体的遗传物质就位于染色质上。当细胞进行有丝分裂时，染色质在分裂间期按螺旋方式缠绕成染色体。多数细胞只有一个细胞核，有些细胞（如肌细胞、肝细胞等）则含有两个或多个细胞核。细胞核可分为核膜、染色质、核液和核仁等4部分。其中，核膜与内质网相连通，染色质位于核膜与核仁之间。染色质主要由蛋白质和DNA组成。DNA是一种有机大分子，又叫脱氧核糖核酸，是生物的遗传物质。在有丝分裂过程中，染色体被复制时，DNA也随之被复制一份并平均分配到两个子细胞中，使得后代细胞中染色体的数目恒定，从而保证了后代遗传性状的稳定。DNA在复制时形成的单链便是RNA，它负责传递遗传信息，控制合成蛋白质。RNA包括转移核糖核酸（tRNA）、信使核糖核酸（mRNA）和核糖体核糖核酸（rRNA）等。细胞核的机能包括：保存遗传物质，控制生化合成和细胞代谢，决定细胞或机体的性状表现，把遗传物质从细胞（或个体）一代一代地传下去。但是，细胞核不能孤立发挥作用，只能与细胞质相互作用、相互依存，从而表现出细胞统一的生命过程。细胞核控制细胞质，使细胞质对细胞的分化、发育和遗传等都发挥重要作用。
一般来说，细胞非常小，但不同细胞的体积相差很大。比如，原核细胞的直径为1～10微米，真核细胞的直径为3～30微米，人类卵细胞的直径为0.1毫米，鸵鸟卵细胞的直径则为5厘米。不过，同类型细胞的体积一般还是相近的，不会随着生物个体的大小而增大或缩小。器官的大小与其中细胞的数量成正比，而与细胞本身的大小无关。这种现象称为“细胞体积守恒定律”。
所有细胞都有如下的一些共性：细胞表面均有由磷脂双分子层、镶嵌蛋白质及糖被构成的生物膜（即细胞膜），但是癌细胞无糖被，且容易游走扩散；所有细胞都含有两种核酸，即DNA与RNA；所有细胞都是遗传信息复制与转录的载体；所有细胞都含有核糖体这种“蛋白质合成机器”，该“机器”在遗传信息流的传递中起着不可替代的作用；几乎所有细胞的增殖都以一分为二的方式进行分裂，只有少数例外（比如，某些蓝藻则是从老细胞内产生新细胞）；部分细胞能进行自我增殖和遗传，但高度分化的细胞无法自我增殖；所有细胞都能进行新陈代谢；所有细胞都具有运动性，包括细胞自身的运动和细胞内部的物质运动。
2.1.7 细胞的分类
细胞可分为真核细胞、原核细胞和古核细胞三类。
真核细胞是含有真核的细胞，它拥有一个或多个由双膜包裹的细胞核，遗传物质便包含于该核中并以染色体的形式存在。染色体由少量的组蛋白及某些富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白构成。真核细胞拥有多条染色体，既能进行有丝分裂，又能进行原生质流动和变形运动；其光合作用和氧化磷酸化作用则分别在叶绿体和线粒体中进行。除细菌和蓝藻的细胞外，所有动物细胞和植物细胞都属于真核细胞。在真核细胞的细胞核中可以看到核仁，其DNA与组蛋白等蛋白质共同组成染色体。真核细胞的细胞质内膜系统很发达，其中存在着内质网、高尔基复合体、线粒体和溶酶体等细胞器，它们分别行使各自的功能。由真核细胞构成的生物称为真核生物，包括所有动物、植物以及微小的原生动物、单细胞海藻、真菌、苔藓等能进行有性繁殖的生物。
原核细胞中没有明显可见的细胞核，也没有核膜和核仁，其遗传物质集中在一个没有明确界限的、被称为拟核的低电子密度区。原核细胞的DNA为裸露的环状双股单一顺序的脱氧核糖核酸分子，通常没有结合蛋白，环的直径约为2.5纳米，周长为几十纳米。原核细胞不进行有丝分裂、减数分裂和无丝分裂，不发生原生质流动，缺乏高尔基复合体，观察不到变形虫样的运动。原核细胞的鞭毛呈单一结构，其光合作用、氧化磷酸化作用都在细胞膜中进行，它们没有叶绿体、线粒体、中间体、内质网和中心体等细胞器的分化，只有核糖体。原核细胞的转录和转译同时进行，四周质膜内含有呼吸酶，其DNA一经复制，细胞随即分裂为两个。由原核细胞构成的生物称为原核生物，它们均为单细胞生物，包括所有的细菌和蓝藻，且大都没有恒定的内膜系统。
古核细胞也称为古细菌，这是一类特殊的细菌，多生活在极端的生态环境中。它们具有原核生物的某些特征（比如，无核膜和内膜系统等），同时也具有真核生物的某些特征（比如，以甲硫氨酸开启蛋白质的合成，核糖体对氯霉素不敏感，RNA聚合酶和真核细胞有一定的相似性，DNA具有内含子并结合组蛋白等）。此外，古核细胞还具有既不同于原核细胞也不同于真核细胞的一些特征。比如，古核细胞的细胞膜中的脂类是不可皂化的，细胞壁不含肽聚糖，有的以蛋白质为主，有的含杂多糖，有的类似于肽聚糖，但都不包含胞壁酸、D型氨基酸和二氨基庚二酸等。有的古核细胞极端嗜热，比如能生长在90摄氏度以上高温环境中的嗜热菌，其最适生长温度为100摄氏度，在80摄氏度以下即失活。又如，生活在意大利附近海底的一种古细菌能生活在110摄氏度以上的高温下，其最适生长温度为98摄氏度，当温度降至84摄氏度时即停止生长。还有一种生活在火山口中的细菌，它们可以生活在250摄氏度的环境中。嗜热菌的营养范围很广，多为异养菌。许多嗜热菌能把硫氧化，并以此获取能量。有的古核细胞极端嗜盐，比如生活在死海和盐湖的高盐度环境中的极端嗜盐菌，那里的盐度可达25%。极端嗜盐菌的细胞壁由富含酸性氨基酸的糖蛋白组成，当它们被从高盐环境中转移到低盐环境中后，其菌体反而会完全自溶，并由此造成细胞死亡。还有的古核细胞极端嗜酸，它们能生活在pH在1以下的环境中。它们往往也是嗜高温菌，常生活在火山地区的酸性热水中，能使硫氧化并将硫酸作为代谢物排出体外。有些古核细胞极端嗜碱，它们大都生活在盐碱湖和碱湖中，其生活环境的pH可达11.5以上，最适pH为8～10。
总之，从微观上看，细胞本身就是一种非常复杂的通信系统；但从宏观上看，在仅考虑亲子细胞间的通信时，细胞又可作为遗传信息的载体。在亲子细胞间传输DNA时，采用的是非同寻常的细胞分裂法，即通过自身的不断分裂，把基因信息传递给子代细胞，从而达到通信的目的。本节尽量简洁地把细胞的基础知识讲清楚，以便在下一节中讲清细胞如何实现各种分裂，以进行生长通信系统的信息传输。
实际上，第1章所介绍的遗传通信只是细胞分裂通信的特例。比如，对人类来说，此时被分裂的原始细胞只是受精卵而已。当然，若把遗传通信看成从亲代到子代的纵向通信的话，那么下一节所介绍的通信则可看成生物体内确保生物正常生长和新陈代谢的横向通信，它可以通过分裂任何细胞来达到通信目的。当然，无论是纵向通信还是横向通信，它们所传输的信息都是一样的，都是DNA遗传信息。
2.2 先天信息的传输
薛定谔在《生命是什么》一书中将生命看成负熵，将DNA看成晶体。其实，生命，甚至生命所在的物种还可看成通信系统。当生命个体的各部分之间都保持着正常的横向通信交流时，生命就是活的，否则就已死亡；当物种的亲代与子代间还保持着正常的纵向通信交流时，该物种就没有灭绝。从生命或物种是否存活的角度来看，最重要的生命通信就是细胞之间的通信，或者说是细胞之间传输先天信息DNA的通信。
上一章介绍了生物繁殖，其核心就是代际之间遗传信息的纵向通信。由于当时不便介绍细胞的分裂过程，所以，只好略去了通信的具体实施过程，甚至连“细胞”两字都很少提及，而只强调了相关的通信结果。生物个体的生长将引发本节即将介绍的一种生长通信，它其实是在生物个体中细胞横向传递DNA信息的通信。因此，本节介绍的生长通信系统的历史也可追溯到出现生命的38亿年前，而且这种通信也将持续到生物个体的生命终结。当然，从生物学角度来看，上一章介绍的遗传通信其实只是本节介绍的生长通信的一个特例，因为受精卵的发育过程与普通细胞的分裂过程大同小异，只不过在生长过程中细胞的分裂都限于本体内，而在繁殖过程中，在子代脱离母体前，细胞的分裂在母体中进行，一旦孕育成熟，细胞分裂将在子体中独立进行。
基于细胞分裂的DNA信息传输是如何实现的呢？下面将给出目前已知的答案，它们其实是生物学中的基础知识，即细胞分裂。当然，有关细胞分裂目前仍遗留了许多未解决的问题，幸好它们几乎不影响我们介绍细胞分裂式通信系统。
细胞分裂，是指活细胞增殖及数量由一个分裂为两个的过程。分裂前的细胞称母细胞，分裂后形成的新细胞称子细胞。细胞分裂可以看成遗传信息从母细胞传输到子细胞的通信过程。细胞分裂通常包括细胞核分裂和细胞质分裂两步。在细胞核分裂过程中，母细胞把遗传物质DNA（当然也包括遗传信息）传给子细胞。
在单细胞生物中，细胞分裂就是个体的繁殖；在多细胞生物中，细胞分裂便是个体生长、发育和繁殖的基础，这也是本章取名为“生长通信”的主要原因。1855年，德国学者鲁道夫·魏尔肖（1821—1902）提出了“一切细胞都来自细胞”的著名论断，他认为个体的所有细胞都是由原有细胞分裂而来的。除细胞分裂外，还未找到细胞繁殖的其他途径。
关于原核细胞的分裂，目前还了解得不多，只对少数原核细菌的分裂有些具体认识。原核细胞的DNA分子或连在质膜上，或连在质膜内陷形成的名叫间体的质膜体上。随着DNA的复制，间体也被复制成两个，然后两个间体由于其间的质膜的生长而逐渐分开，与它们相连接的两个DNA分子环也被拉开，每个DNA分子环都与一个间体相连。在被拉开的两个DNA分子环之间，细胞膜向中央靠近，形成隔膜，于是就使得一个细胞分裂为两个，也就将DNA从一个细胞传给了另一个细胞，从而实现了遗传信息的通信。
真核细胞的分裂方式主要有3种：无丝分裂、有丝分裂和减数分裂。
2.2.1 无丝分裂和有丝分裂
无丝分裂又称直接分裂，是最简单的细胞分裂方式，其典型过程如下。核仁首先伸长，接着在中间缢裂分开，随后细胞核也伸长，并在中部从一面或两面向内凹进横缢，细胞核变成哑铃形。当细胞核的体积增大1倍时，细胞核就发生了分裂，即“哑铃”被一分为二，从而实现了DNA信息从亲代细胞到两个子代细胞之间的通信传输。与此同时，细胞也在中部缢裂成两个子细胞。由于在分裂过程中，不形成由纺锤丝构成的纺锤体或中心体发出的星形射线，不发生染色质浓缩成染色体的变化，故名无丝分裂。在无丝分裂中，核仁和核膜都不消失。进行无丝分裂时，遗传物质DNA虽也被复制，但有时可能不会被平均切割，所以，便出现了非正常分裂，或者说出现了通信传输误差，因为母细胞和子细胞内的遗传信息不再相同了。无丝分裂是最早被发现的一种细胞分裂方式。早在1841年，罗伯特·雷马克（1815—1865）就在鸡胚血球细胞中发现了无丝分裂。无丝分裂常见于低等生物和高等生物体内的衰老或病态的细胞中。而在高等生物中，无丝分裂出现的地点主要有高度分化的细胞、动物的上皮组织、疏松结缔组织、肌肉组织和肝组织，以及植物各器官的薄壁组织、表皮、生长点和胚乳等。
有丝分裂是真核细胞分裂的基本方式，它也是从亲代细胞到两个子代细胞间的DNA信息通信。有丝分裂又称间接分裂或连续分裂，它是一种最普遍、最常见的分裂方式。有丝分裂的特点主要是母细胞分裂成两个基本相同的子细胞，子细胞中染色体的数目、形状和大小都一样，每一条染色单体所含的遗传信息与母细胞基本相同，从而使得子细胞从母细胞处获得大致相同的遗传信息。
有丝分裂过程可分为两大步骤，即细胞核分裂和细胞质分裂。这相当于在有丝分裂通信中需要两次“中继”才能最终完成通信。
细胞核分裂的时间较长，它本是一个连续过程，但为了叙述方便，我们将该过程人为划分为间期、前期、中期、后期及末期等5个阶段。若以植物细胞为例，有丝分裂各阶段的特点可归纳为：间期，主要进行DNA复制和相关蛋白质的合成，此时核膜和核仁逐渐消失；前期，核内的染色质凝缩成染色体，核仁解体并彻底消失，核膜破裂，纺锤体开始形成；中期，染色体排列到赤道板上，纺锤体完全形成；后期，各染色体的两条染色单体分开，在纺锤丝的牵引下，分别由赤道移向细胞的两极；末期，形成两个子核。总之，整个分裂过程包括染色体分解、核仁和核膜出现、在赤道板位置形成细胞板、形成新的细胞壁等。动物细胞与植物细胞的细胞核分裂过程相似，只是在动物细胞中，中心体会发出星射线形成纺锤体，而植物细胞从两极直接发出纺锤丝。此外，在细胞核分裂的末期，动物细胞的细胞膜向内凹陷，形成两个子细胞，而植物细胞则在赤道板位置形成细胞板，将一个细胞分成两个子细胞。
细胞质分裂的时间较短。在细胞核分裂的后期，当染色体接近两极时，细胞质开始分裂。在两个子核之间的连丝中增加了许多短纺锤丝，形成一个纺锤丝密集的桶状区域，称之为成膜体。植物细胞的细胞质分裂时，微管的数量增加，在膜体中有来自高尔基复合体和内质网的泡囊，它们沿着微管指引的方向进行聚集、融合，释放出多核物质，构成细胞板，并从中间开始向周围扩展，直至与母细胞的细胞壁相连，成为胞间层。新的质膜由泡囊的被膜融合而成。新细胞壁形成后就把两个新形成的细胞核和周围的细胞质分隔成两个子细胞。在动物细胞中，在细胞分裂的末期，赤道板上的表层细胞质部位向中间凹陷缢缩。
2.2.2 减数分裂
减数分裂是在有性生殖的生物中生殖母细胞染色体数目减半的分裂过程，它是有丝分裂的一种变形，由相继的两次有丝分裂组成。换句话说，减数分裂其实就是遗传通信的信息传输过程。减数分裂是形成生殖细胞的重要过程。有性生殖需要通过两性生殖细胞的结合形成合子，再由合子发育成新个体，而生殖细胞中的染色体数目是体细胞中染色体数目的一半，所以，在形成生殖细胞时，染色体的数目将要减少一半，故将此种分裂称为减数分裂。下面简要介绍减数分裂如何形成精子和卵细胞。
先看看精子的形成过程。在睾丸中，通过有丝分裂产生了大量原始生殖细胞，即精原细胞，它们的染色体数目与体细胞的染色体数目相同。在精原细胞时期，染色体开始进行复制。当雄性动物性成熟后，其睾丸里的部分精原细胞就开始减数分裂，形成精细胞。精细胞经变性后就形成了男性生殖细胞——精子。精原细胞在减数分裂过程中将连续进行两次分裂：第一次分裂为四分体分离，此时染色体数目减半；第二次分裂时，两条姐妹染色单体分离，染色体数目不变。
在第一次分裂的前期，细胞中的同源染色体两两配对，也称之为联会（这里的同源染色体是指减数分裂时配对的两条染色体，其形状和大小一般都相同，其中一个来自父方，另一个来自母方）。联会后，染色体进一步螺旋化变粗，逐渐在光学显微镜下变得可见。每条染色体都含有两条姐妹染色单体，它们由一个着丝点相连。每对同源染色体则含有4条姐妹染色单体，称之为四分体。如果比较一下四分体时期和联会时期，将会发现，由于早在精原细胞时就发生了染色体复制，因此，它们所含的染色单体和DNA数目都相同。但不同的是染色体的螺旋化程度不一样，联会时染色体的螺旋化程度低，染色体细，甚至染色单体在光学显微镜下还难以分辨。在四分体时期，染色体的螺旋化程度高，染色体变粗。此时，在光学显微镜下，人们已能看清每条染色体的两条单体了。在细胞分裂的同时，细胞内的同源染色体彼此分离，于是一个初级精母细胞便分裂成两个次级精母细胞，而此时细胞内的染色体数目也减少了一半，细胞内不再存在同源染色体。至此，第一次分裂结束。
第二次分裂开始时，各四分体都排列在细胞中央，同源染色体“手拉手”地排成两排，纺锤丝收缩，牵引染色体向两极移动，导致四分体平分为二。配对的同源染色体分开，但着丝点并未分开，每一条染色体上仍有两条染色单体。接着发生细胞分裂，一个初级精母细胞分裂成两个次级精母细胞，而每个次级精母细胞中的染色体数目只有初级精母细胞的一半。初级精母细胞中有4条染色体，而次级精母细胞中只有两条染色体。染色体数目减半的原因是同源染色体分开，在次级精母细胞中已没有同源染色体了。第二次分裂的基本过程与有丝分裂相似，只是在中期染色体的着丝点排成一排，而在后期着丝点一分为二，两条姐妹染色单体成为两条染色体，并在纺锤丝的牵引下移向两极。接着，细胞分裂，两个次级精母细胞分裂成4个精细胞，减数分裂完成。精细胞再经过变形，形成精子。在这个过程中，丢掉了精细胞的大部分细胞质，带上了另一种重要物质——细胞核内的染色体，并形成了一条长长的尾，以便于游动。
再来看看卵细胞的形成过程，它与精子的形成大同小异。二者的相同点是：染色体复制一次，都有联会和四分体时期；经过第一次分裂，同源染色体分开，染色体数目减少一半；在第二次分裂过程中，有着丝点的分裂，最后形成的卵细胞的染色体数目也比卵原细胞减少了一半。二者的不同点是：每次分裂都形成一大两小三个细胞，小的叫极体，极体随后将退化，只剩一个大的卵细胞，这不同于一个精原细胞将形成4个精子；卵细胞形成后，不需要经过变形，而精子要经过变形才能形成。另外，卵细胞的体形较大，呈球状，不能游动。卵细胞所含的卵黄多，营养物质丰富，以保证受精后能发育成新个体。而精子的体形较小，有鞭毛，能游动，以确保实现受精过程。卵细胞第二次减数分裂的中期是在受精作用完成时才开始发生的。
现在终于可以介绍精子与卵细胞结合成为合子的过程了。这其实是上一章中遗传通信的出发点，但因当时缺少必要的铺垫，所以只好在此进行介绍。该过程也叫受精过程，精子的头部进入卵细胞，精子与卵细胞的细胞核结合在一起，因此，合子中的染色体数目又恢复到原来体细胞中的染色体数目，其中一半来自精子，另一半来自卵细胞。精子和卵细胞中的同源染色体都是成单存在，但精子带有其中的一条，卵细胞带有其中的另一条。受精后，这两条同源染色体进入了同一个细胞中，它们就成双存在了。减数分裂使染色体数目减半，受精作用使染色体数目又恢复到原来的数目，从而使子代的染色体数目保持恒定。
2.2.3 无性分裂
无性分裂是无性生殖中的一种常见方式。此时，母体分裂成两个（二分裂）或多个（复分裂）大小和形状相同的新个体，从而实现从亲代细胞到两个或多个子代细胞的DNA信息通信。这种生殖方式在单细胞生物中较普遍，但对不同的单细胞生物来说，在其生殖过程中，细胞核的分裂方式有所不同，可分为以下3种。
（1）基于无丝分裂的无性分裂生殖。这种方式经常出现在细菌、蓝藻等原核生物的分裂生殖中。原核细胞的分裂包括两个方面：其一是细胞中DNA的分配，使得分裂后的子细胞能得到亲代细胞的一整套遗传物质；其二是细胞质的分裂，把细胞基本上分成两等份。复制好的两个DNA分子与质膜相连，随着细胞的生长，两个DNA分子被拉开。细胞分裂时，细胞壁与质膜发生内褶，最终把母细胞分裂成两个基本相同的子细胞。
（2）基于有丝分裂的无性分裂生殖。这种方式经常出现在甲藻、眼虫、变形虫等的分裂生殖中。其中，甲藻细胞染色体的结构及其独特的有丝分裂方式兼有真核细胞和原核细胞的特点，细胞开始分裂时核膜不消失，核内染色体搭在核膜上。分裂时，核膜在中部向内收缩形成凹陷的槽，槽内细胞质中出现由微管按同一方向排列而形成的类似于纺锤丝的构造。该构造调节核膜和染色体，分离出子细胞核，最终分裂成两个子细胞。眼虫在进行分裂生殖时，其核进行有丝分裂，在分裂过程中核膜并不消失。随着细胞核中部的收缩，两个子核分离出来，然后细胞由前向后纵裂为二，其中一个带有原来的一根鞭毛，另一个又长出一根新鞭毛，从而形成两个眼虫。变形虫的分裂生殖也属于典型的有丝分裂，此时核膜消失，随着细胞核中部的收缩，染色体被分配到子核中，接着胞质一分为二，将细胞分裂成两个子代个体。
（3）基于无丝分裂和有丝分裂的无性分裂生殖。这种方式常出现在草履虫的分裂生殖过程中。草履虫属原生动物纤毛虫纲，其细胞内有大小两种类型的核，即大核和小核。小核是生殖核，大核是营养核。草履虫在进行无性生殖时，小核进行核内有丝分裂，大核则进行无丝分裂，接着虫体从中部横缢，形成两个新个体。
2.2.4 细胞分裂通信系统的传输差错
从通信角度看，如果细胞分裂正常，那么相关的遗传信息就会被无误差地纵向（生殖）或横向（生长）传输；但是如果细胞分裂异常，就可能出现传输差错。
造成细胞分裂通信传输差错的因素很多。在自然情况下，出现传输差错的内因至少有：细胞周期性地受到一系列基因、酶或蛋白质等物质的精确调控，不同组织的基因选择性表达有可能会造成差异。外因至少有：细胞受到一些外界信号的刺激，比如细胞因子（如肽类生长因子）、激素和细胞外基质等的刺激。其中，肽类生长因子主要通过影响旁分泌和自分泌的方式作用于靶细胞，当这两种分泌均不足时，细胞的增殖与分化就会受到抵制。激素只作用于特定的目标细胞，能促进其生长与分化。细胞外基质将影响特定细胞的增殖与分化，它主要通过与细胞表面整联蛋白的作用来激活相关的酶，启动相关信号。细胞外基质对干细胞的增殖分化具有诱导作用。在正在发育和受到创伤的组织中，当透明质酸合成旺盛时，细胞外基质将促进细胞增殖与迁移，抑制细胞分化。当增殖到一定程度时，透明质酸会被水解。在胚胎期，若下调刺激信号的水平，抑制细胞周期的引擎就会抑制细胞分裂。在肌肉生成过程中，肌肉抑制素则是肌肉生长的负调控因子。
在非自然情况下，射线、低温﹑化学药剂和病毒等环境因素都会对细胞分裂产生影响。这些影响将通过内因起作用，通过导致基因突变或影响酶的活性而影响细胞分裂。
当然，影响细胞分裂的因素还有很多，而且极为复杂。比如，细胞的表面积与体积之比以及细胞核与细胞质的体积之比都存在某种平衡关系。细胞通过它的表面不断与周围环境或邻近的细胞进行物质交换，因此它就必须拥有足够的表面积，否则代谢作用就很难进行。但是，由于生物个体生长的原因，细胞的体积逐渐增大，表面积与体积之比就会变得越来越小，物质交换便不能满足细胞的需要，这就可能引起细胞的分裂，以恢复适当的比例。同时，由于细胞核中遗传信息的指引和控制范围有限，细胞核对太大范围的细胞质的调控作用就会相对减小，从而可能引起某些细胞分裂出现差错。比如，有人做过这样的实验：当人工培养的变形虫快要分裂时，就把它的细胞质切去一大块，于是这只变形虫就不再分裂了；待它长大后又要分裂时，再切去一块，它又不再分裂了；但是，若任其继续生长，当体积达到一定程度时，它又会开始分裂。
最近，科学家还发现了一种新的细胞分裂形式，即所谓的核分裂。这是一种对错误细胞分裂的天然补救机制，能预防某些细胞转化为癌细胞。在这种分裂中，从一个核变成两个核时，并未经过有丝分裂，而是直接由一个细胞变成了两个细胞。每个新细胞都遗传了一个完整无缺的细胞核，包含一套完整的染色体。该分裂方式发生的时间也与众不同，即发生在延迟生长阶段，而不是有丝分裂结束时。在核分裂中，90%的子细胞将拥有正常的配对染色体。在生物个体经过的所有细胞分裂周期中，细胞质分裂偶尔会失败，但这种新分裂方式是一种补救机制，让细胞分裂能从故障中恢复正常。因此，从通信角度看，核分裂其实是对传输误差的又一种纠错机制。
细胞每分裂一次就会复制一次DNA，随后将DNA的每一个拷贝分配到两个子代细胞中，从而完成遗传信息的一次通信，即细胞分裂通信。与上章介绍的遗传通信系统类似，在细胞分裂通信系统中，传输误差也是一个至今仍未彻底搞清楚的非常复杂的问题。比如，以人类为例，如果从受精卵分裂开始从未出错，子细胞永远都与母细胞一模一样，那么永远只会有一种细胞，根本就不可能出现人。人体内共有200多种细胞，它们都是在不同生长阶段的细胞分裂中，在适当的时间和空间中出现适当的“传输差错”的结果。另外，细胞分裂通信的传输误差又必须被控制在一定范围内。比如，若某个传输误差太大，以致分裂出了癌细胞，那么该细胞的主人就可能有性命之忧。在更多的情况下，细胞分裂通信系统又必须具有相当高的传输可靠性。比如，肝细胞分裂后形成两个新的肝细胞，肺细胞分裂后形成两个新的肺细胞等。在人的一生中，体内细胞始终都在不断分裂，若将每次分裂都看成分裂通信的一次传输“中继”，那么人一辈子所经历的“中继”次数将是个天文数字。
2.2.5 细胞分裂通信系统的寿命
任何通信系统都有自己的寿命，细胞分裂通信系统也不例外。实际上，与生物个体一样，细胞也会衰老和死亡，即它不再继续分裂了，不再继续传输信息了。有人从胎儿的肺部取得成纤维细胞，并在体外给予它们充足的营养进行培养。刚开始时，这些细胞能正常分裂繁殖，但等到分裂了大约50次以后，它们就不再分裂，而进入“老年期”了。若从成人的肺部取得成纤维细胞，则它们在体外只分裂大约20次后就停止了。若成纤维细胞取自一种能活175岁的乌龟胚胎，那么它们将能分裂90～120次。若成纤维细胞取自只能活两三岁的小鼠胚胎，那么它们只能分裂8～11次。若成纤维细胞取自维尔纳综合征（即快速衰老症）患者，则它们只能分裂2～4次。这说明细胞能分裂的次数与提供细胞的动物的平均寿命密切相关。
细胞的死亡包括急性死亡（细胞坏死，如原生质的凝固）和程序化死亡（细胞凋亡）。细胞坏死是一个渐进过程。细胞凋亡则是一个主动的、由基因决定的自动结束其生命的过程。凋亡的细胞将被吞噬细胞所吞噬。对多细胞生物个体来说，细胞凋亡对正常进行发育、保持自稳平衡以及抵御外界各种因素的干扰等都起着非常关键的作用。例如，蝌蚪尾部的消失、脊椎动物神经系统的发育、手和足的成形等其实都是相关细胞凋亡的结果。由此可见，在人的生长过程中，既不能接受所有细胞都不死亡（否则手和足等就不能形成），又不能接受所有细胞都死亡（否则人就该死亡了）。那么，是否存在永远都不会死亡的细胞呢？嘿嘿，还真存在！有一种名叫“海拉”的细胞，它自1951年被从一位黑人妇女的宫颈癌细胞组织中取出后，在体外人工环境下一直保持着不断分裂，现在生命力仍然旺盛，压根儿就没有任何衰老和死亡的迹象。因此，假如某位器官均已成型的成年人身上的所有细胞都能永生，那么他也许就会永生了。
最后，在本节结束前，我们还想对基因的作用作些澄清。一方面，基因的重要性毋庸置疑，毕竟某些家族总是人才辈出，这当然与基因不无关系。另一方面，先天的基因也不能决定一切，甚至拥有同样基因的生命个体的生长结果也可能完全不同。比如，蜜蜂是具有社会特征的昆虫，按照不同的职能，可分为蜂王、工蜂和雄蜂。在一个蜂群中，通常有一只蜂王、300～400只雄蜂和上万只工蜂。其中，雄蜂仅能存活3个月左右，其使命是与蜂王交配。蜂王具有强大的生育能力，一次可产卵3000枚左右。它们都是同卵多胞胎，所以拥有完全相同的基因。但在每次产下的3000枚受精卵中，仅有一枚能发育成新蜂王，其余的都将成为工蜂。蜂王的个头很大，而工蜂的个头很小，但它们的DNA完全相同，这是为啥呢？原来，秘密就隐藏在它们出生后的食物中。蜂王一出生就以营养丰富的蜂王浆为食，而工蜂出生后只能以花粉、花蜜为食。这就从另一个侧面说明环境因素的重要性。环境竟能轻而易举地改变一个物种的生长过程。又如，人类的同卵双胞胎尽管具有相同的DNA序列，甚至拥有几乎相同的生长环境，但他们总会存在这样或那样的差异。
2.3 后天信息神经系统
继38亿年前DNA先天信息通信系统开通后，物种又经过大约30多亿年的演化，终于在5.4亿年前的寒武纪生命大爆发时期出现了另一种传输后天信息的通信系统，即脊椎动物拥有的神经系统。该通信系统所传输的信息已不再限于生物机体内的先天信息了，而是既包括机体内的各种后天神经信息又包括机体外的诸如声、光、电等随机信息。虽然神经系统的研究在生物学界如火如荼，但在通信领域中几乎没啥反应，甚至有人误以为生物学中的信息与通信界的信息风马牛不相及。因此，本节将以人体为例，尽量用通信领域的语言来重新阐述神经科学的相关成果，希望以此引起通信界的重视，并顺便填补通信史的这段空白。但非常遗憾的是，本章后面的某些内容确实很难避免生物学和医学的专用名词，好在对于这些名词的大概含义，读者都可以从其名称上猜出几分。至于某些生僻的疾病名称，大家只需知道它们是一些病就行了。关于若干古怪的解剖学名词，大家也只需知道它们是人体内的某些器官或部位就行了，甚至只需知道它们的通信功能就行了。总之，希望神经通信系统的许多神奇之处能对设计新的人工通信系统有所帮助，甚至能启发相关人员从机理上颠覆过去的人工通信架构。这是数亿年的演化改良和“不适者死亡”的残酷淘汰之后最有说服力的优化结果，因为人类在设计出当前的人工通信之前对神经通信系统并不了解或压根儿就没想去了解。
除了通过自身分裂来传递先天信息之外，细胞还能通过别的方式传递别的信息吗？有些细胞确实能通过电流或机械波来传递各种后天信息，而具有此种功能的细胞称为神经细胞或神经元。神经细胞与其他细胞一样，也由细胞核、细胞膜和细胞质等组成，但是它的外形有所不同，如较大的细胞体以及细胞体上的众多很细的突起部分（简称为突起）。突起又可细分为树突和轴突。其中，树突短而分枝多，直接从细胞体上生长出来，形如树枝。轴突长而分枝少，为粗细均匀的细长突起，常生长于细胞体上名为轴丘的、形似小丘的部分。轴突不但分出侧枝，而且在其末端形成树枝状的神经末梢。这些末梢分布于某些组织和器官内，形成各种神经末梢装置。比如，感觉神经末梢形成各种感受器；运动神经末梢分布于骨骼和肌肉中，形成运动终极。从功能上看，树突的作用是接收其他神经细胞轴突传来的冲动（电信号或机械波等），并将该冲动传递给自己的细胞体。轴突的作用是接受外来刺激（不限于其他轴突的刺激），再将这些刺激由自己的细胞体传出。每个神经元可以有一个或多个树突，但只有一个轴突。神经细胞间传递信息的接触点称为突触。通过突触之间的连接，不同的信息在神经系统中实现传输。
2.3.1 神经细胞的分类
神经细胞是整个神经系统中最基本的结构和功能单位，它们既能联络和整合输入信息，又能传出输出信息。形象地说，每个神经细胞就是一个微型通信系统，它以突起为输入端，以细胞体为输出端，而电信号或机械波则是信息的载体。神经细胞有很多种，若根据细胞体上生长出的突起的多少来分类，那么可以把神经细胞分为以下三类。
（1）假单极神经细胞：其细胞体近似于圆形，只长出一个突起，突起在离细胞体不远处分成两支。其中，一支为树突，分布于皮肤、肌肉和内脏中；另一支为轴突，进入脊髓和脑部。
（2）双极神经细胞：其细胞体近似于梭形，有一个树突和一个轴突，分布在视网膜和前庭神经节中。
（3）多极神经细胞：其细胞体呈多边形，有一个轴突和许多树突，分布最广。比如，脑和脊髓灰质中的神经细胞几乎都属于这一类。
若根据神经细胞的机能来分类，那么就可以将其分为传入（感觉）神经细胞、传出（运动）神经细胞和中间（联络）神经细胞。
（1）传入神经细胞：它们接受来自体内外的刺激，并将神经冲动传递给中枢神经，故也称之为感觉细胞。此类神经细胞的末梢有的呈游离状，有的分化出专门接受特定刺激的细胞或组织。此类神经细胞分布于全身，在反射弧中一般与中间神经细胞发生作用，也称之为发生突触（这里的反射弧是指执行刺激/反射活动的特定神经结构）。在最简单的反射弧（如维持骨骼肌紧张性的肌牵张反射等）中，传入神经细胞也可直接在中枢神经系统内与传出神经细胞发生作用。一般来说，此类细胞的神经纤维进入中枢神经系统后，主要以辐散方式与其他神经细胞发生突触联系，即通过轴突末梢的分支与许多神经细胞建立突触联系，使许多神经细胞同时兴奋或受到抑制，以扩大其影响范围。
（2）传出神经细胞：神经冲动由细胞体经轴突传至末梢，使肌肉收缩或腺体进行分泌，故也称之为运动细胞。传出神经纤维末梢既分布到骨骼肌处组成运动终板，也分布到内脏平滑肌和腺上皮处（此时它们将包绕肌纤维或穿行于腺细胞之间）。在反射弧中，传出神经细胞与中间神经细胞联系的方式一般为聚合式，即许多传入神经细胞和同一个传出神经细胞发生作用，使许多不同来源的冲动同时或先后作用于同一个传出神经细胞。这也称为中枢的整合作用，使反应更精确，协调更一致。
（3）中间神经细胞：它们接受其他神经细胞传来的神经冲动，然后再将该冲动传递给另一个神经细胞，故也称之为联络细胞。中间神经细胞分布在脑和脊髓等中枢神经内，它是三类神经细胞中数量最多的一种。中间神经细胞的排列方式很复杂，包括辐散式、聚合式、链锁状和环状等。复杂的反射活动是由传入神经细胞、中间神经细胞和传出神经细胞互相借助突触连接而形成的神经细胞链完成的。在反射中涉及的中间神经细胞越多，引起的反射活动就越复杂。人类大脑皮质的思维活动就是通过大量中间神经细胞进行的极其复杂的反射活动。中间神经细胞的复杂联系是神经系统高度复杂化的结构基础。
当然，若按轴突的长短来分类，神经细胞又可分为两类，即高尔基Ⅰ型细胞和高尔基Ⅱ型细胞。总之，神经细胞通过突触既接受刺激，又产生并传导兴奋，从而实现各种神经细胞之间的后天信息通信传输。
2.3.2 神经通信方式
作为一种通信系统，神经细胞传递信息时所用的载体是什么呢？该载体叫作神经信号，它其实是一种形似脉冲的电信号，频率一般为1千赫左右，高的可达10千赫。例如，当有冲动电位信号到来时，肌肉纤维便发生收缩反应，收缩的力度根据神经冲动频率的不同而不同。从宏观角度看，神经信号无非使身体产生兴奋和抑制两类反应，而且兴奋信号和抑制信号往往互相平衡，从而有利于产生较为稳定的神经信号传输。兴奋性神经细胞保证有效信号的传输，而抑制性神经细胞（相当于通信系统中的电阻）则保证信号的传输不至于失控。
神经细胞作为最小的通信单元，广泛分布于生物机体内的各个部分。这些通信单元不是杂乱无章地堆在一起的，而是按相当精致的方式组成了多种不同的通信系统（或称为神经系统），并实现各自的生理和心理功能。比如，由神经细胞组成的更复杂一点的通信系统叫神经，它是由聚集成束的神经纤维构成的。神经纤维很像人工通信中的光纤，它由一种名叫髓鞘的物质包裹着。神经纤维负责把脑和脊髓的冲动传递给各个器官，或把各个器官的冲动传递给脑和脊髓。神经纤维纵横交错，由若干神经组成的通信网络便是各种神经网络，它们具有信息采集与发送功能，表现为心理层面的刺激与反应。具体来说，经初步处理的信息通过神经纤维按层次传递，直达脑神经，在此进行最后的总处理，然后将处理结果返回给神经细胞，再通过效应器或腺体产生相关生理反应。生物电信号传到相邻的神经纤维后会转变为化学信号，通过物质载体进行过渡，再转化为电信号。神经主要分为感觉神经、运动神经和混合神经。
感觉神经由传入神经纤维集合而成，它的一端是感觉纤维末梢，分布于感受器，另一端与脑或脊髓相连。感受器感受机体内外的刺激后产生兴奋，并将其转化为神经冲动，经传入神经（如嗅神经、视神经、位听神经等）输送到中枢，产生感觉或反射。感觉神经能感知气味、光线、声波和位置，也能感知温度、疼痛、触摸和震动。若感觉神经发生病变，就会引发感觉功能衰退或丧失。
运动神经由传出神经纤维集合而成，它能将脑或脊髓所产生的冲动传递给有关内脏器官、肌肉和腺体，使效应器做出相应的反应。根据传出神经纤维所支配部位的不同，运动神经又可分为躯体运动神经和内脏运动神经。前者支配头、颈、躯干和四肢上的骨骼肌的运动，后者又叫作植物性神经，支配平滑肌、心肌和腺体的活动。运动神经的信令由脑或脊髓发出，但要接受大脑皮质和皮质下各中枢的控制和调节。
混合神经由传入神经纤维和传出神经纤维聚集而成，比如三叉神经、面神经、舌咽神经、迷走神经等都是混合神经，31对脊髓神经也是混合神经。在每种混合神经内，传入神经纤维和传出神经纤维的组成也不尽相同，包括躯体传出纤维、躯体传入纤维、内脏传出纤维和内脏传入纤维等4种纤维。
2.3.3 周围神经通信系统
从宏观上说，由各种神经系统组成的通信系统可分为两大类，其中一类叫中枢神经系统，另一类叫周围神经系统。本节主要介绍周围神经系统，它是将在下一节中介绍的中枢神经系统的外围系统，或者说是中枢神经系统在结构和功能上的延续。其实，人类对周围神经系统的解剖学观察早在1906年就开始了。当时，科学家在胎儿和成人尸体标本上已观察到了神经纤维，并绘制了股神经、闭孔神经和坐骨神经断面图，标出了主要的运动神经和感觉神经所占据的区域。20世纪40年代以后，人们又用显微解剖分离法，对人体主要神经干中神经束的形成和排列进行了全面研究，总结出了一整套系统的四肢神经干内神经束的分布图，并对束型变化做了详尽说明。1988年，人们又发现周围神经在近端束的排列非常复杂且反复交叉，但在远端，在合并之前可以分离出较长的一段距离。因此，用通信界的行话来说，神经通信系统的“布线”非常复杂，但乱中有序。
作为一类典型的信息通信系统，周围神经系统的输入来自感觉器官（例如眼）和不同身体部位（例如皮肤）的感受器。周围神经系统将中枢神经系统的神经冲动传到效应器官（肌肉和腺体），它所传输的信息也是以电流和机械波为代表的各种生物信号（后天信息）。周围神经系统由神经干、神经丛、神经节及神经终末装置等组成，其功能是将外周感受器和中枢神经系统连接起来。
周围神经系统的组成部分包括轴突、髓鞘以及结缔组织构成的神经膜。其中，髓鞘有两种形式，可据此区分出两种神经纤维，它们分别是有髓神经纤维的髓鞘（它由连续的施万细胞按顺序排列并包裹单根轴突而形成）和无髓神经纤维的髓鞘（它不产生鞘磷脂，比如皮肤上的许多神经纤维）。结缔组织构成的神经膜负责支持和保护神经纤维，使得周围神经相对结实且有弹性。这样的膜有三层：其一是神经内膜，它是包绕在髓鞘细胞和轴突外的薄而疏松的结缔组织膜；其二是神经束膜，它是包裹每束神经纤维的结缔组织膜，对进出周围神经纤维的物质具有屏障作用；其三是神经外膜，它是包绕在多条神经束外面的一层厚而疏松的结缔组织膜，构成了神经的最外层，含有脂肪组织、血管和淋巴管。因此，周围神经就像通信电缆，每一条轴突都是一根单独的电话线，髓鞘和神经内膜包裹在轴突周围起到绝缘作用。神经束膜将这些绝缘的线包裹成束。这些束再被神经外膜有序地包裹起来，就像电缆的最外层封皮一样。
从组织学角度看，周围神经系统也具有鲜明的特点。它由神经纤维和中枢神经系统外的神经细胞的胞体组成，所以，它与中枢神经系统之间有往返的纤维联系，它的神经细胞构成了连接中枢神经系统与外周结构的桥梁。周围神经系统中成束的神经纤维又由结缔组织膜包裹着，构成单条的周围神经。它在活体观察中呈坚固而发白的索状结构。
从解剖学角度看，周围神经系统可分为三部分：脑神经、脊神经和自主神经。
脑神经与脑相连，共12对，按出入颅腔的前后顺序分别是嗅神经、视神经、动眼神经、滑车神经、三叉神经、外展神经、面神经、位听神经、舌咽神经、迷走神经、副神经和舌下神经。概括起来，前11对脑神经起源于脑，第12对脑神经则起源于脊髓上部，所有的脑神经都通过颅骨上的孔裂连出颅部。嗅神经连于大脑的嗅球，视神经连于间脑视交叉，其余10对脑神经均与脑干相连。在12对脑神经中，嗅神经、视神经和位听神经是纯粹的感觉神经，它们将嗅觉、视觉和听觉冲动传向中枢。动眼神经、滑车神经、外展神经、副神经和舌下神经是纯粹的运动神经，它们把中枢的信息传给感受器。三叉神经、面神经、舌咽神经和迷走神经则既有感觉成分又有运动成分，是混合神经，其中的运动性神经支配眼肌、舌肌、咀嚼肌、表情肌和咽喉肌，也支配平滑肌、心肌和腺体。
下面介绍全部12对脑神经的生理位置及主要功能。嗅神经位于脸庞中部，形似鼻中隔。它包含位于鼻腔顶部嗅区的嗅细胞，能接受嗅觉刺激；还包含由中枢突触聚集而成的20多条嗅丝，通过穿筛孔连于嗅球，以传导嗅觉。视神经位于眼部正中，形似瞳孔，它与视物和视觉传导有关。动眼神经位于眼部上方，形似眼睑，支配上睑提肌和上直肌等主要眼外肌的运动。滑车神经位于眼部内侧，支配上斜肌，可使瞳孔向下转动。三叉神经位于面部前端，感受面部刺激。外展神经位于眼部外侧，支配外直肌，可使瞳孔转向外侧。面神经在脸庞中呈左右镜像对称，形成面部轮廓。前庭蜗神经位于脸庞中部的外侧缘，形似耳郭，它与耳朵有关，能感受听觉和位置。舌咽神经位于口部中央，形似腭垂，它支配大部分咽肌，能感受舌后1/3的一般感觉和味觉等。迷走神经位于颈部正中，形似喉结，它支配喉肌，传导喉黏膜的感觉。副神经位于颈部外侧，形似胸锁乳突肌，富有动感，它支配胸锁乳突肌和斜方肌，与颈部运动相关。舌下神经位于口腔前部，形似向前伸出口腔的舌头，它支配舌外肌和舌内肌，既可伸舌又能改变舌的形状。
脊神经共有31对，都起源于脊髓，从脊柱的椎间孔发出。从生理位置上看，脊神经可分为颈神经、胸神经、腰神经、骶神经和尾神经等5组，每对脊神经均由与脊髓相连的前根和后根在椎间孔处汇合而成。前根主要是运动性纤维，由脊髓灰质前角细胞发出的运动纤维、侧角和内交感性内脏运动纤维等组成。在第2、3、4骶神经的前根内，存在副交感性内脏运动纤维，它们来自脊髓灰质中间带的细胞。前角细胞的轴突分布在骨骼肌中，侧角和骶部交感与副交感细胞的轴突则分布在内脏、腺体和血管平滑肌等处。脊神经的前根内也有感觉纤维，它们来自脊神经节内的细胞，其中枢突经前根进入脊髓，以传导痛觉。后根则是感觉性纤维，由发自脊神经节假单极神经元的中枢突组成。脊神经节的后根位于椎间孔内面的膨大部，由假单极神经细胞的胞体聚集而成，它的中枢突组成后根并进入脊髓，而其周围突触则以各种形式的感觉神经末梢分布于皮肤、肌肉、关节和内脏中，将躯体和内脏的感觉冲动传给中枢。所以，每一对由前、后根会合而成的脊神经都是混合性纤维。
脊神经共有31对，其中包括颈神经8对、胸神经12对、腰神经5对、骶神经5对以及尾神经1对。脊神经通过椎间孔穿出椎管，其中前7对颈神经从相应的颈椎上方穿出，第8对颈神经从第7颈椎和第1胸椎之间穿出，其他的脊神经皆按此顺序分别在本节和下一节椎骨之间的椎间孔穿出。脊神经在椎孔内的位置是：前方同椎间盘与椎体相邻，后方靠近突关节与韧带。当这些结构受到运动损伤时，将累及脊神经，并出现感觉与运动障碍。
自主神经包括交感神经和副交感神经。其中，交感神经是自主神经的一部分，从脊髓胸1至腰2节段的灰质中间外侧柱的位置发出节前神经细胞，经过脊髓神经前根，从相应节段的白交通支进入椎旁交感神经链，并在链内上行或下行，与链内或链外神经节内的节后神经细胞发生突触联系。节后神经细胞随相应的脊神经行至末梢，支配心脏血管、腹腔内脏、平滑肌及腺体等，以调节这些组织和器官的功能活动。若刺激交感神经，就可能引起心肌收缩加强，心跳加速，腹腔内脏和皮肤末梢血管收缩，新陈代谢亢进，瞳孔散大，疲乏的骨骼肌工作能力增强等。人体内的多数组织和器官均受交感神经及副交感神经的双重支配，并在功能上具有拮抗作用。从整体上看，这其实是在大脑皮层的管理下，使内脏活动相互协调和相互促进的结果。
副交感神经由脑干的某些核团及脊髓骶段的灰质中间外侧柱发出的节前神经细胞组成，其传输路径与某些脑神经（比如面神经、舌咽神经及迷走神经）或脊神经相同，并最终到达器官内部或旁边，与节后神经细胞发生突触联系，然后随节后神经细胞分布于内脏器官、平滑肌和腺体等处，并调节这些组织和器官的功能。刺激副交感神经，可能引起心跳减慢、胃肠蠕动增强、括约肌松弛、瞳孔缩小、腺体分泌增加等。
2.4 后天信息中枢系统
比上节的周围神经系统更复杂的通信系统是本节将要介绍的中枢神经系统，也是人体神经系统的主体部分。它是由许多大型通信系统组成的巨型通信系统。该通信系统的输入可以是全身的传入信息；在对输入进行整合加工后，相应的输出则是各种反射活动，包括形成协调的运动性输出，或产生感觉和记忆存储（比如将输出结果存储起来作为今后学习的神经基础。注意，存储也是一种通信，只不过是现在与未来的通信）。例如，在遇到伤害时就会逃避，这便是一种反射动作。此时，伤害性刺激所引起的信息传入中枢后，经中枢系统的加工处理，再经运动神经传出，便引起了肌肉的活动，产生逃跑这种输出结果。中枢神经系统接收传入的信息后，也可将其传输到脑的特定部位，其输出结果也可能是产生某种感觉。这一点从任何人的主观经验中都可以得到明确表现。有些感觉信息传入中枢后，经过学习还可在中枢神经系统内留下痕迹，成为新的记忆。形象地说，中枢神经系统的主要功能是传递、存储和加工信息，产生各种心理活动，支配与控制人的全部活动，当然其中也包括思维活动。
特别需要强调的是，中枢神经系统不但是通信系统，而且是所有人工通信系统的根本，因为任何人工通信系统的真正收信方和发信方其实都是中枢神经系统。从表面上看，电话通信是一方的嘴巴和另一方的耳朵之间的通信，但实际上是由发信方的中枢神经系统将信息输出给自己的嘴巴后，再由自己的嘴巴输入给电话。同理，收信方的耳朵在收到信息后，也会立即将其发送给自己的中枢神经系统，至此才算完成一轮对话。换句话说，当前的任何人工通信系统都得经过中枢神经系统这个通信系统中继才能最终完成通信任务。因此，盲人和聋哑人现在暂时无法进行视频和音频通信。若今后“意念通信”得以实现，那么只要中枢神经系统正常的人就能进行正常通信交流，哪怕他有感觉方面的障碍。
中枢神经系统还有一个非常重要的特征，即协调与整合。这里的协调是指在整体作用中，各种作用结合成为和谐运动的过程。整合则是把单独的、部分的活动变成为一个完整的活动。当然，在中枢神经系统中，通信的输出不再与其输入成一对一的关系，可以是多个输入转化成单个输出，或者相反。例如，当左腿抬起时，右腿便会努力伸直以支撑体重。此时，左腿的屈肌在收缩，而伸肌在放松。
作为一个庞大的神经细胞群，中枢神经系统的主要作用是调节某一特定的生理功能，所以，便有了呼吸中枢、体温调节中枢、语言中枢等分系统。通常，一些简单的反射中枢的分布范围较窄。比如，膝跳反射中枢位于腰部脊髓，角膜反射中枢位于脑桥。但是，调节某些复杂生命活动的中枢的分布范围很广。比如，调节呼吸的中枢就分布于延髓、脑桥、下丘脑及大脑皮层等多个部位，其中延髓呼吸中枢最重要，其余各级中枢则通过影响延髓呼吸中枢来调节呼吸。可见，反射中枢并非只是中枢神经系统内某一有限的孤立区域。即使同一水平的某一神经中枢，其内部各神经细胞之间也有错综复杂的联系，它们相互影响，决定着该中枢的机能活动状态。神经中枢的活动可通过神经纤维直接作用于效应器，也可通过体液途径间接作用于效应器。该体液途径就是所谓的内分泌调节。由于各种反射神经中枢都有确定的位置，故通过检查某一反射的表现或直接观察某些效应器官的活动，就可以推测中枢的机能变化，并以此来诊断疾病或判断病情。例如，角膜反射的中枢位于脑桥，用棉絮轻触角膜边缘，正常反应是闭眼。若角膜反射迟钝或消失，则表示脑桥受损或人已昏迷。又如，跟腱反射的中枢位于骶髓1～2节，叩击跟腱时，正常的反应是足向跖面屈曲。若跟腱反射减弱或消失，则表示相应的中枢可能受损。
2.4.1 人类的中枢通信系统
人类的中枢神经系统早在胚胎的第3周初就开始发育了。首先，从胚胎的身体背侧发育出纵贯胚胎的中轴——神经管。神经管的大头端演变成脑，小尾端演变成脊髓。神经管的翼板成为脊髓的背侧部分，它主要接收感受器的传入信息。神经管的基板成为脊髓的腹侧部分，其功能是运动性的。神经管的管腔在脑内的部分演变成脑室，在脊髓中的部分演变成中央管。胚胎在刚开始发育时，其实只有3个脑，即前脑泡、中脑泡和菱脑泡，后来衍化为端脑、间脑、中脑、小脑、脑桥和延髓等。在神经管的形成过程中，神经褶边缘的一些神经外胚层细胞随神经管的形成而下陷，然后在神经管外侧形成左右两条细胞索，称之为神经嵴。神经嵴再分化为周围神经系统的神经节、神经胶质细胞和肾上腺髓质嗜铬细胞等。
中枢神经系统内的许多神经纤维都有髓鞘，它们聚集在一起，用肉眼观看时呈白色，故称为白质；相反，在神经细胞的细胞体集中的部位包含着大量神经细胞的树突和突触，用肉眼观看时呈灰色，故称为灰质。在脊髓中，灰质位于中央管的周围，而白质围于灰质的表面。大脑及小脑的灰质主要分布在表层，分别称为大脑皮层和小脑皮层；而白质则位于深层。在中枢神经系统内，由功能相同的神经细胞体集聚组成的、具有明确范围的灰质团块称为神经核。脑干中的一些既非感觉性又非运动性的神经核（如红核、橄榄核等）位于脑干的不同部分。在脊髓中进行的神经活动主要是按节段进行的整体性反射活动，它们通过脑与脊髓之间的联系来完成这些反射。在中枢神经系统内，还有许多纵向走行的神经纤维束。在脑和脊髓的左、右两侧之间也有许多连合纤维，其中最粗大的便是大脑两半球之间的胼胝体。
脊髓和脑是中枢神经系统的两大关键部分。具体来说，中枢神经系统其实是由脑和脊髓中聚集的大量神经细胞组成的网络或回路。因此，下面分别对脊髓和脑进行适当的介绍。
脊髓是中枢神经系统的低级部位，位于椎管内，其前端在枕骨大孔处与脑相接，外连所有周围神经。31对脊神经分布于它的两侧，后端达盆骨中部。由此可见，从通信角度来看，中枢神经系统其实是一个总线通信系统，脊髓相当于总线，脑则是中央处理器，而众多的周围神经等则是与总线相连的各部分。
在脊髓的外面包裹着3层结缔组织膜（称为脊膜），它们由内向外分别是脊软膜、脊蛛网膜和脊硬膜。其中，脊蛛网膜与脊软膜之间形成了相当大的腔隙，称之为蛛网膜下腔，其中充满了脑脊液。脊硬膜与脊蛛网膜之间形成了狭窄的硬膜下腔，其中充满了淋巴。从外形上看，脊髓好似上、下两端略扁的圆柱体，末端称为脊髓圆锥，具有两个膨大部，分别称为颈膨大和腰膨大。由盆神经、尾神经、脊髓圆锥及终丝等共同形成了称为“马尾”的东西。从横切面看，脊髓的中央是蝴蝶形灰质，其周围由白质组成。灰质中央有中央管。灰质向后外突出的部分称为后角，它与脊神经的后根相连，内含中间联络神经细胞；向前方突出的部分称为前角，内含运动神经细胞，其纤维构成脊神经前根；侧角内含植物性神经细胞。白质由神经纤维组成，按位置可分前索、侧索和后索，分别把脑和脊髓及脊髓的各段联系起来。
脊髓的功能体现在以下两个方面。其一为传导功能，即全身（除头外）深、浅部的感觉以及大部分内脏器官的感觉都要通过脊髓白质才能传导到脑，才能产生相应的感觉。而脑对躯干、四肢横纹肌的运动调节以及对部分内脏器官的调节也都得通过脊髓白质的传导才能实现。若脊髓受损，则其上传下达的功能将受到影响，从而导致感觉障碍，甚至瘫痪。其二为反射功能，即脊髓灰质中有许多低级反射中枢，可以完成某些基本的反射活动，如肌肉的牵张反射、排尿排粪反射、性功能活动的低级反射，以及跖反射、膝跳反射和内脏反射等躯体反射。在正常情况下，脊髓的反射活动都是在高级中枢的控制下进行的。当脊髓突然横断，与高级中枢失去联系时，便会产生暂时性的脊休克。若脊髓受损，就会中断某一水平的生理功能。
脑是中枢神经系统的高级部分，位于颅腔内，向后在枕骨大孔处向脊髓延续。人脑是由约140亿个脑细胞构成的、重约1400克的海绵状神经组织，它是中枢神经系统的主体。从构造上看，按部位的不同，脑可分为后脑、中脑和前脑。
后脑位居脑的后下部，包括延脑、脑桥和小脑三部分。延脑位于脊髓的上端，与脊髓相连，呈细管状，大小如手指。延脑的主要功能是控制呼吸、心跳、吞咽及消化，此部分非常关键，以至稍微受损就可能危及生命。脑桥位于延脑之上，是由神经纤维构成的、比延脑肥大的管状体。它的两端分别连接延脑与中脑，若受损，则可能使睡眠失常。小脑位于脑桥之后，形似两个相连的、带皱纹的半球，其功能主要是控制身体的运动与平衡。若小脑受损，身体就不能自由活动。
中脑位于脑桥之上，恰好处在整个脑部的中间。中脑是视觉和听觉的反射中枢。在中脑的中心有一个网状神经组织，称之为网状结构，它的主要功能是控制觉醒、注意力、睡眠等意识状态。网状结构的作用可扩及脑桥、中脑和前脑。中脑与后脑的脑桥和延脑合称为脑干，脑干是生命中枢。
前脑是脑中最复杂的部分，也是最重要的部分。前脑主要包括大脑皮质、边缘系统、丘脑、下丘脑和脑垂体等5部分。
（1）大脑皮质：它是前脑中最重要的部分，平均厚度为2.5～3.0毫米，面积约为2200平方厘米，其上布满了下凹的沟和凸出的回。分隔左右两个半球的深沟成为纵裂，纵裂底部由胼胝体相连。在大脑半球的外侧面，自顶端起与纵裂垂直的沟称为中央沟，由前下方向后上方斜行的沟称为外侧裂。在半球内侧面的后部有顶枕裂。中央沟之前的区域为额叶。中央沟后方、顶枕裂前方、外侧裂上方的区域称为顶叶。外侧裂下方为颞叶，外侧裂后方为枕叶。胼胝体周围的区域称为边缘叶，每叶都包含很多回。在中央沟的前方有中央前回，后方有中央后回。大脑半球深部是基底神经节，主要包括尾状核和豆状核，合称为纹状体。它的机能主要是调节肌肉的张力，以协调运动。
（2）边缘系统：它是位于胼胝体之下的、包括多种神经组织的复杂神经系统，其构造与功能目前尚不清楚。除包括部分丘脑和下丘脑外，边缘系统还包括海马体和杏仁核等。不过，目前已知海马体的功能与学习、记忆有关，杏仁核的功能与动机、情绪有关。
（3）丘脑：它是一个卵形的神经组织，其左右两内侧部相连，断面呈圆形。这一区域称为丘脑黏合块，周围的环状裂隙为第三脑室。丘脑的位置在胼胝体下方，担任转运站的角色。从脊髓传来的神经冲动首先中止于丘脑，然后由此分别传送至大脑皮质的相关区域。若丘脑受损，则将扭曲感觉，以至患者无法正确了解周围的世界。
（4）下丘脑：它位于丘脑之下，其体积虽比丘脑小，但功能比丘脑复杂。下丘脑是自主神经系统的主要控制中心，从脑底面看，由前向后依次为两侧视神经构成的视交叉、灰结节（漏斗）和乳头体。它直接与大脑皮质的各区相连，又与主控内分泌系统的脑垂体连接。下丘脑的主要功能是控制内分泌系统，维持新陈代谢、调节体温，并与饥、渴、性等生理性动机和情绪有关。若下丘脑受损，则将影响饮食习惯与排泄功能等。
（5）脑垂体：它位于下丘脑之下，大小如豌豆。它在位置上虽属前脑，但在功能上则是内分泌系统中最主要的分泌腺之一。此外，胼胝体连接大脑的两个半球，使两个半球的神经网络得以彼此沟通。
若按功能分区，则脑可细分为脑干、间脑、大脑、小脑、脑膜、脑室和脑脊液等。
（1）脑干：包括由后向前排列的延髓、脑桥、中脑和红核等。延髓为脑干的末端，呈前宽后窄的楔形。它的腹侧有锥体和斜方体，背侧分为闭合部和开放部。脑桥位于延髓的前方，分为基底部和被盖，基底部横向隆起，两端有三叉神经穿出。中脑位于脑桥和间脑之间，内有一管，称之为中脑导水管。它的后端与第四脑室相通，前端与第三脑室相通。中脑导水管将中脑分为背侧的四叠体和腹侧的大脑脚。红核是一对卵圆形的灰质大核团，位于大脑脚前部。它是下行运动传导路径上的重要转换站。
（2）间脑：它的前外侧连接大脑的基底核，内有第三脑室，呈环状环绕，主要分为丘脑和下丘脑。
（3）大脑：又分为大脑新皮质、基底神经节、嗅脑、边缘叶、白质以及侧脑室等部分。大脑新皮质分布于大脑的背面、前侧面、外侧面和后侧面，可分为前部的额叶、后部的枕叶（视觉区）、外侧部的颞叶（听觉区）和背侧部的顶叶（一般感觉区）。基底神经节是大脑内部位于白质中的一些较大的灰质团状物，是大脑皮质运动中枢，主要由尾状核和豆状核构成。嗅脑构成了端脑的底面，包括嗅球、嗅回、嗅三角、梨状叶、海马体等部分。边缘叶是大脑的两个半球间相对的皮层，包括扣带回和胼胝回等。它执行调节内脏和生殖活动的功能。大脑白质中含有3种纤维，分别是连合纤维（连接左右大脑半球的皮质纤维，形成胼胝体）、联络纤维（连接同侧半球的各脑回和各叶的纤维）和投射纤维（连接大脑皮质与中枢的其他各部分的上、下行纤维）。侧脑室位于大脑半球内部，每侧各有一个，分别称为第一脑室和第二脑室，通过室间孔与第三脑室相通。
（4）小脑：略呈球形，位于延髓和脑桥的背侧。小脑的背侧面有两条浅沟，它们将小脑分为两部分，即小脑半球和蚯蚓部。
（5）脑膜：与脊髓膜相似。实际上，在脑的外面也有3层脑膜，由内而外分别是脑软膜、脑蛛网膜和脑硬膜，其间分别形成蛛网膜下腔和硬膜下腔，但无硬膜外腔。
（6）脑室：包括侧脑室、间脑内的第三脑室、中脑内的中脑导水管、小脑、脑桥和延髓内的第四脑室以及脊髓内的中央管。它们相互连通，其中充满脑脊液，共同组成脑室系统。
（7）脑脊液：是一种特殊的液体，由侧脑室、第三脑室和第四脑室的脉络丛产生，充满于脑室系统以及脑和脊髓的蛛网膜下腔，在大脑纵裂处流入静脉内，完成脑脊液的循环。
2.4.2 中枢通信系统的故障原因
作为一个复杂的超级通信系统，神经系统当然也会发生各种故障，并使其主人罹患多种精神疾病，表现为若干精神活动障碍。导致神经通信系统出现故障的因素主要有中毒、病毒感染、遗传缺陷、营养障碍等。
中毒：包括以下几种情况。一是金属中毒，如铅中毒可导致外周运动神经麻痹等，汞、砷、铊中毒亦会影响神经系统。二是有机物中毒，如酒精中毒、巴比妥类中毒可抑制中枢神经系统，有机磷中毒会使胆碱能神经过度兴奋。三是细菌毒素中毒，如肉毒中毒可导致颅神经麻痹和四肢无力，白喉毒素可导致神经麻痹，破伤风毒素可导致全身骨骼肌强直性痉挛。四是动物毒素中毒，腔肠动物、贝类、毒蚊、蜘蛛、河豚等所含的毒素亦可导致神经症状，比如肌肉软弱、瘫痪、抽搐、共济失调等。
病毒感染：它引发的精神疾病一般可分为急性、亚急性、慢性和胚胎脑病等四类。许多病毒都可感染神经系统，但它们对神经组织的感染部位和致病性不同。病毒感染人体的途径主要有皮肤、黏膜、胃肠道和呼吸道，也包括输血、器官移植等医源性途径。病毒感染引发的常见精神疾病包括：狂犬病病毒引起的狂犬病、流行性乙型脑炎病毒引起的流行性乙型脑炎、B型库克萨基病毒引起的流行性胸痛、脊髓灰质炎病毒引起的脊髓灰质炎、慢性病毒感染引起的库鲁病以及麻疹病毒的突变株引起的亚急性硬化性全脑炎等。此外，病毒感染所致的中枢神经系统疾病还有单纯疱疹病毒脑炎、肠道病毒感染、先天性巨细胞病毒感染、免疫缺陷病毒脑病等。
遗传缺陷：引发神经系统疾病的遗传因素多为常染色体隐性遗传，而高、低血钾性周期性瘫痪则为常染色体显性遗传。遗传缺陷引发的精神疾病主要有代谢病（如苯丙酸尿症、糖原贮积病、黏多糖病、脂质贮积病）、变性病（如脑白质营养不良、帕金森氏病、肌萎缩侧索硬化、遗传性视神经萎缩等）和肌病（如进行性肌营养不良）等。
营养障碍：维生素A缺乏可致颅内高压症，维生素B族缺乏可影响神经系统，维生素B1缺乏可引发脚气病并表现为多数周围神经受损，维生素B12缺乏可导致亚急性联合性退行性变，蛋白质热能营养不良将引发夸希奥科病（此时患者可有震颤、运动缓慢、肌阵挛等神经症状）。
无论是中枢神经系统还是周围神经系统，它们作为不同层次的通信系统是否也具有通信传输的差错控制功能呢？当然有，比如生物的免疫系统就是一种最全面的差错控制系统。相关研究已表明，神经系统与免疫系统之间存在某种交互作用，神经系统可以影响免疫系统和免疫细胞，而免疫系统也会影响感觉和认知机制。比如，中枢神经系统拥有自己的淋巴网络，它允许抗原和免疫细胞从大脑和脑膜室中排放到颈部淋巴结深处，从而达到免疫效果。又如，在脑膜中充斥着多种免疫细胞，它们可以帮助大脑检测和抵御抗原，并维持大脑的正常功能。再如，脑膜的巨噬细胞和单核细胞等都会参与因大脑受损而造成的脑膜损伤的修复和炎症反应过程。脑受损后，小胶质细胞将沿着胶质界膜发生形态学变化，在幸存的星形胶质细胞周围形成一个蜂窝状网络，以此分隔坏死的组织，恢复受损的脑组织的正常边界。
除了前面章节介绍的神经通信系统、细胞分裂通信系统和遗传通信系统这些超级通信系统之外，人体内还有其他通信系统吗？当然有，而且为数不少。这些通信网络还连接成了像互联网一样的网中网，全面覆盖了信息采集、加工、传输、应用和存储等方面。总之，整个人体其实就是一个庞大的通信系统，下一节还将给出更多的证据。
2.5 其他体内通信系统
人体内部的通信系统实在太多，无法穷尽。其实，正如本章第一节所介绍的那样，哪怕在一个小小的细胞中都存在着许多至今还不清楚的通信系统。本节再介绍两个工作原理相对比较清楚的重要通信系统，即内分泌通信系统和体液通信系统。
2.5.1 内分泌通信系统
前面已知，神经细胞可以主导多种神经通信系统。那么，是否还有别的什么细胞也能主导其他一些体内通信系统呢？答案是：当然有。比如，内分泌细胞就是其中之一，而且由这类细胞主导的通信系统是除神经系统之外的另一种重要的人体机能调节系统。该通信系统称为内分泌通信系统。
从通信角度看，内分泌细胞是一种典型的发信方细胞，它所发出的信息叫作激素。若以其分泌的激素来分类的话，内分泌细胞可分为两大类：分泌含氮激素的内分泌细胞和分泌固醇激素的内分泌细胞。内分泌细胞广泛分布于人体的许多部位，有的组成了在形态结构上独立存在的肉眼可见的器官，称之为内分泌腺。内分泌腺的结构特点是，其中的细胞排列成索状、团状或泡状，虽无排送分泌物的导管，但毛细血管丰富。人体内还有以细胞团的方式组成的内分泌组织，它们分散于其他器官和组织中，也能分泌不同的激素。比如，脑能分泌胃泌素、释放因子和内腓肽等，肝脏能分泌血管紧张素等，肾脏能分泌肾素、前列腺素等。
内分泌通信系统的通信过程可描述为：内分泌腺和组织细胞等分泌一些激素（即发出一些信息），这些激素（信息）被直接释放进血液和淋巴液，经血液循环和淋巴循环到达全身各处，传送给某些潜在的收信方，即可能受到影响的器官（靶器官）或细胞（靶细胞），从而调节这些器官和细胞的生理活动。发信方（内分泌腺）之间在形态上大多没有直接联系，但在功能方面密切相关，每个内分泌腺（发信方）几乎都与其他的内分泌腺（发信方）有着直接或间接的功能联系。比如，脑垂体分泌的多种激素会影响多种内分泌腺的功能，而后者又能通过反馈调节机制制约脑垂体的活动。具体来说，脑垂体前叶分泌的促甲状腺激素能促进甲状腺分泌甲状腺素，但当血液中的甲状腺素增多时，则又会反过来抑制脑垂体前叶分泌促甲状腺激素，从而使甲状腺分泌的甲状腺素减少。这种反馈调节机制是维持激素水平相对稳定的重要因素。
内分泌通信系统与神经通信系统在生理学方面也是密切相关的，它们构成了像互联网一样的网中网。比如，神经系统中的下丘脑中部即为内分泌组织，它可合成催产素等。鸦片多肽激素既能作用于神经系统，又能作用于内分泌系统中的脑垂体。神经通信系统和内分泌通信系统在维持机体内环境稳定方面既互相影响又互相协调。比如，在维持血糖水平稳定的机制中，既离不开内分泌通信系统分泌的胰岛素等激素，也离不开神经通信系统中的交感神经等。总之，只有在神经系统和内分泌系统均正常时，机体的内部环境才能维持最佳状态。
内分泌通信系统所发出的信息多种多样，即分泌的激素多种多样。它们具有如下几个特点：同一种激素信息可在不同的组织或器官中合成，比如生长抑素就能分泌于下丘脑、胰岛和胃肠等处；多肽性生长因子能分泌于神经系统、内皮细胞、血小板等处；在中枢神经系统的控制下，激素信息一般以相对恒定的速度或节律释放；生理或病理因素也可影响激素的基础性分泌，还可用传感器来监测和调节激素水平，以维持机体内主要激素间的平衡。
内分泌通信系统的收信方既可以是某些器官，也可以是器官内的某类细胞。收信方的收信位置也不相同，如含氮激素的收信位置是靶细胞的质膜，类固醇激素的收信位置一般位于靶细胞的细胞质内。当然，收信方在收到传输信息后的反应各不相同，收信的过程也不相同。儿茶酚胺和多肽激素将与收信方（受体）的细胞表面结合，通过对受体细胞基因的影响，发挥其生物效应。而胰岛素则在与受体细胞表面结合后，共同进入受体细胞内形成复合物，然后与其他受体细胞结合，以产生生物效应。激素与受体的结合是可逆的，还符合一条名叫“质量与作用定律”的规律。
下面介绍内分泌通信系统中的主要发信方（即分泌激素的器官和组织）、收信方（即激素的靶器官）、所发送的信息以及这些信息引发的结果等。
第一个发信方是甲状腺。它位于气管上端的两侧，呈蝴蝶形，分左右两叶，中间以峡部相连。正常人在吞咽时，甲状腺将随喉部上下移动。甲状腺的前面仅有少数肌肉和筋膜覆盖，故稍肿大时可在体表摸到。甲状腺由许多大小不等的滤泡组成，泡腔内有胶状物，为腺体细胞分泌的储存物。滤泡之间有丰富的毛细血管和少量结缔组织。
甲状腺所发信息（甲状腺素）的收信方很多，它所引起的生理功能主要有以下3种。
其一，影响新陈代谢。比如，产生热效应，提高大多数靶器官的耗氧率，增强产热效应。所以，甲状腺功能亢进患者的基础代谢率可升高35%左右，而甲状腺功能低下患者的基础代谢率可降低15%左右。甲状腺素可对三大营养物质的代谢产生作用。在正常情况下，甲状腺素的主要作用是促进蛋白质合成，特别是使骨骼和肝脏等部位的蛋白质合成明显增加，然而甲状腺素分泌过多反而会使蛋白质大量分解，因而出现消瘦无力等现象。在糖代谢方面，甲状腺素可促进糖的吸收，同时还能促进外周组织对糖的利用。总之，它加速了糖和脂肪的代谢，特别是促进许多组织中糖、脂肪及蛋白质的分解氧化过程，从而增加机体的耗氧量和产热量。
其二，促进生长发育，主要是促进代谢过程，特别是对骨骼和神经系统的发育有明显的促进作用。所以，若儿童的甲状腺功能在生长时期减退，他就会发育不全，反应迟钝，身体矮小。
其三，提高神经系统特别是交感神经系统的兴奋性，还可直接作用于心肌，使心肌收缩增强，心率加快。所以，甲状腺功能亢进患者常表现为容易激动、失眠、心动过速和多汗等。
第二个发信方是甲状旁腺，共有4个，分别位于甲状腺两侧的后缘内，左右各两个。甲状旁腺所发出的信息（甲状旁腺素）的收信方仍然很多。甲状旁腺素能调节机体内钙、磷的代谢。若收信方是肾小管，那么该激素既抑制肾小管对磷的重吸收，又促进肾小管对钙的重吸收。若收信方是骨细胞，那么该激素将促进骨细胞释放磷和钙进入血液，以提高血液中的磷、钙含量。所以，甲状旁腺的正常分泌会使血液中的钙含量不致过低，磷含量不致过高，从而使血液中钙与磷的含量保持适当的比例。
第三个发信方是脑垂体，它是一个椭圆形的小体，重量不足1克，位于颅底垂体窝内。该发信方能向多个收信方发出多种信息（即分泌多种激素），产生多种生理效果。当脑垂体分泌生长激素时，将促进骨的生长。若幼儿缺乏该激素，则会使长骨的生长中断，导致侏儒症；若该激素过剩，则会使全身长骨发育过盛，导致巨人症。当脑垂体分泌催乳素时，可促进乳腺增殖以及乳汁生成和分泌。当脑垂体分泌卵泡刺激素和黄体生成素等促性腺激素时，可促进雄、雌性激素的分泌，以及卵泡和精子的成熟。当脑垂体分泌促肾上腺皮质激素时，将促使肾上腺皮质激素的分泌。当脑垂体分泌促甲状腺激素时，将使甲状腺增大，使甲状腺素的生成与分泌增多；若该激素缺乏，将引起甲状腺功能低下症状。当脑垂体分泌抗利尿激素时，将影响肾脏，促进水的重吸收，调节水的代谢。若缺乏这种激素，就会出现多尿现象，称之为尿崩症；若该激素分泌过多，就会使血管收缩，血压升高，所以又称之为血管加压素。当脑垂体分泌催产素时，将刺激子宫收缩，并促进乳汁排出。此外，脑垂体还能分泌促甲状旁腺激素、促黑激素等。
第四个发信方是胰岛。它是分散在胰腺的腺泡之间的细胞团，可再细分为5种：A细胞，分泌胰高血糖素；B细胞，分泌胰岛素；D细胞，分泌生长抑素；PP细胞，分泌胰多肽；D1细胞，数量很少。其中，B细胞所发信息（胰岛素）的主要作用是调节糖类、脂肪及蛋白质的代谢，促进全身各组织和器官尤其是肝脏和肌肉组织加速摄取、储存和利用葡萄糖。该激素的另一个作用是促进肝细胞合成脂肪酸，形成甘油三酯，并将其储存于脂肪细胞内。此外，该激素还能抑制脂肪分解。该激素缺乏时，糖就不能被储存和利用，因此，不仅会引起糖尿病，而且会引起脂肪代谢紊乱，出现血脂升高、动脉硬化，导致心血管系统发生严重病变。该激素对于蛋白质代谢也起着重要作用，能促进氨基酸进入细胞，然后直接作用于核糖体，促进蛋白质的合成。A细胞所发信息（胰高血糖素）的作用与B细胞所发信息（胰岛素）相反，它可促进肝脏中的糖原分解和葡萄糖异生，使血糖水平明显升高。它还能促进脂肪分解，使酮体含量升高。B细胞分泌的激素既可以促进A细胞分泌激素，也可以直接作用于邻近的A细胞，并抑制A细胞分泌激素。限于篇幅，这里不介绍其他3种胰岛所分泌的激素及其受体与功能了。
第五个发信方是肾上腺。它位于肾脏上方，左右各一个。肾上腺分为两部分：外周部分为皮质，中心部分为髓质。皮质是腺垂体的一个靶腺（收信方），而髓质则受交感神经节前纤维的直接支配。肾上腺皮质的组织结构可分为球状带（主要分泌盐皮质激素）、束状带（分泌糖皮质激素）和网状带（既分泌糖皮质激素，也分泌少量性激素）。
肾上腺糖皮质激素在糖代谢方面的作用是：一方面促进蛋白质分解，使氨基酸在肝脏中转变为糖原；另一方面使血糖水平升高。该激素还能促进四肢上脂肪的分解，使腹、脸、两肩及背部的脂肪合成增加。因此，若过量服用该激素，就会出现向心性肥胖，还会造成肌肉无力等。该激素对水盐代谢的作用是主要影响水的排出。因此，该激素缺乏时，会出现排水困难。该激素也能增强骨髓的造血功能，抑制淋巴组织增生，另外还有降低毛细血管通透性的作用。
肾上腺盐皮质激素的作用是调节水盐代谢。它一方面作用于肾脏，促进肾小管对钠和水的重吸收，并促进钾的排出；另一方面影响组织细胞的通透性，促使细胞内的钠和水向细胞外转移，并促进细胞外液中的钾向细胞内移动。
肾上腺皮质分泌的性激素以雄性激素为主，可促进性成熟。少量的雄性激素对妇女的性行为甚为重要，但雄性激素分泌过量可使女性男性化。
肾上腺髓质位于肾上腺中心，它分泌肾上腺素和去甲肾上腺素两种激素。它们与交感神经系统紧密联系，作用很广。当机体遭遇紧急情况（如恐惧、惊吓、焦虑、创伤以及失血等）时，这两种激素的分泌将急剧增加，使得心跳加强加快，血压升高，血流加快，支气管舒张（以改善氧的供应），肝糖原分解，血糖水平升高等。
第六个发信方是胸腺。它是一个淋巴器官，兼有内分泌功能。新生儿和幼儿的胸腺发达，体积较大。性成熟后，胸腺逐渐萎缩、退化。胸腺分为左右两叶，不对称，色灰红，质柔软。胸腺可分泌胸腺素，能促进具有免疫功能的T细胞的产生和成熟，并抑制运动神经末梢合成与释放乙酰胆碱。因此，当患胸腺瘤时，胸腺素会增多，从而导致神经肌肉传导障碍，出现重症肌无力现象。
第七个发信方是性腺，主要指男性的睾丸和女性的卵巢。睾丸可分泌雄性激素——睾酮，其主要功能是促进性腺及其附属结构的发育，促进副性征的出现，促进蛋白质的合成。卵巢可分泌卵泡素、孕酮、松弛素等。卵泡素可刺激子宫内膜增生，促使子宫增厚，乳腺变大，出现女副性征。孕酮可促进子宫上皮和子宫腺的增生，保持体内水、钠、钙的含量，并能降血糖水平，升高体温。松弛素可促进宫颈和耻骨联合韧带松弛，有利于分娩。
2.5.2 体液通信系统
下面介绍以血液为主导的体液通信系统。与本章前面介绍的其他体内通信系统不同的是，它不再由某种细胞主导。该通信系统传输的信息种类很多。比如，医院验血、验尿等所有化验结果都是体液通信系统所传输的信息。因此，下面就不再谈及它所传输的信息了。
从通信角度看，体液通信系统是一个以血管为总线的通信系统。人类的体液包括血浆、淋巴液、脑脊液等，它们虽然彼此分开，成分也不完全相同，但它们之间互相联系，其中血浆在各种体液间起着联系人的作用。血液在血管内循环流动，而毛细血管又遍布全身各处。虽然平常仅有小部分毛细血管开放，但这也足够它们进行机体内的物质交换了。当血液流经消化道和肺时，便从胃肠中得到营养物质，从肺中得到氧气；当血液流经全身组织时，又将营养物质和氧气输送给细胞。同时，细胞新陈代谢后的产物进入血液，经血液循环运送至肾、肺和皮肤等处，排出体外，使血液不断更新。
体液具有重要的生理调节功能。机体的某些细胞产生的特殊化学物质需借助血液循环到达全身的各个器官和组织，从而引起某些器官和组织的某些特殊反应。体液通信系统、内分泌通信系统和神经通信系统之间存在着非常密切的联系。内分泌细胞所分泌的各种激素需借助体液循环通路，对机体的功能进行调节。有些内分泌细胞可以直接感受体液中的某种变化，并直接做出相应的反应。有些内分泌腺直接或间接受神经系统调节，此时体液调节便成了神经调节的一个输出环节。虽然某些组织细胞产生的化学物质不能随血液流到其他部位起调节作用，但可以在局部组织液内扩散，改变邻近组织细胞的活动。当然，神经调节迅速而精确，而体液调节比较缓慢、持久而弥散。若两者互相配合，便能使生理功能的调节更趋完善。
体液是人体内全部液体的总称，约占成年人体重的60%。体液可分为细胞内液和细胞外液。细胞外液又分为两类：一类是存在于组织细胞之间的组织液，形成细胞生活的内环境；另一类是血液中的血浆，是存在于血管中的液体。组织液和细胞内液之间由细胞膜隔开，组织液与血液之间由血管壁隔开。细胞内液、组织液和血液三者之中的水分和一切能透过细胞膜与毛细血管壁的物质均可互相进行交换。体液中除了水分以外，还有许多离子和其他化合物。细胞外液的主要成分有三类：细胞代谢所需的物质、代谢废物以及其他成分。
与内分泌通信系统类似，体液通信系统又由许多更小的体液通信系统组成，仍然类似于互联网。
组织液是血液与组织细胞间进行物质交换的媒介。绝大部分组织液呈凝胶状，不能自由流动。即使将注射针头插入组织间隙，也不能抽出组织液。但凝胶中的水及溶解于水的各种溶质分子的弥散运动并不受凝胶的阻碍，仍可与血液和细胞内液进行物质交换。组织液是血浆在毛细血管动脉端滤过管壁而生成的，而且在毛细血管静脉端，大部分又透过管壁回到血液中。除大分子蛋白质外，血浆中的水及其他小分子物质均可滤过毛细血管壁，以完成血液与组织液之间的物质交换。滤过的动力是有效滤过压。影响组织液生成的因素主要有有效滤过压、毛细血管的通透性、静脉和淋巴回流等。
血液是在心脏和血管内流动的不透明的红色液体，主要成分为血浆、红细胞、白细胞和血小板。血液的作用包括为组织提供营养物质、调节器官活动和抵抗有害物质等。人体内各器官的生理和病理变化往往会引起血液成分的改变，故患病后常常要通过验血来诊断疾病。血液分为静脉血和动脉血。动脉血包括在体循环的动脉中流动的血液，以及在肺循环中从肺回到左心房的肺静脉中的血液。动脉血的含氧量较高，所含二氧化碳较少，呈鲜红色。静脉血中含较多的二氧化碳，所以呈暗红色。
当组织液进入淋巴管后，即成为淋巴液。因此，来自某一组织的淋巴液的成分与该组织的组织液非常接近。除蛋白质外，淋巴液的成分与血浆相似。淋巴液中的蛋白质以小分子居多，也含纤维蛋白原，故淋巴液在体外能凝固。因为淋巴液是由血液经微血管渗透出来的，所以淋巴液中不含红细胞。
脑脊液是一种无色透明的液体，充满了各脑室、蛛网膜下腔和脊髓中央管。脑脊液由脑室中的脉络丛产生，与血浆和淋巴液的性质相似，略带黏性。脑脊液具有保护脑和脊髓并为其提供营养物质的作用。正常的脑脊液具有一定的压力，对维持颅内压的相对稳定具有重要作用。如果脑脊液过多或循环通路受阻，则均可导致颅内压升高。
房水为无色透明液体，属于组织液的一种。它充满于眼角膜和虹膜之间，可维持眼球内部的压力。这种液体由睫状体产生，然后通过瞳孔进入前房，再由前房角的小梁网排出眼球。若眼睛的房水系统工作正常，则房水的生成量正好等于排出量。若房水过多或排出不畅，就会造成眼内液体增多，从而导致眼压升高（即所谓的青光眼）。这将损害视神经，使视野变小，甚至导致失明。房水还具有一定的折光功能，它与角膜、晶状体和玻璃体等共同组成眼球折光系统。同时，房水也为虹膜、角膜和晶状体提供营养物质。
体液通信系统也有自己的传输差错控制机制，这便是所谓的体液免疫系统，它属于特异性免疫。其中起作用的免疫细胞为B淋巴细胞，它在受到刺激后，分裂成浆细胞和记忆B细胞。其中，浆细胞产生抗体，与抗原相结合，使之失去致病能力；而记忆B细胞则介入二次免疫反应。当然，体液也可能传播某些疾病。比如，艾滋病病毒就能通过体液特别是精液和血液进行传播。
若因饮水过少或失水过多，就可能造成体液明显减少，即脱水。实际上，人体通过肺和皮肤的蒸发以及尿和粪便的排泄等，每天都会丧失许多体液，因此，必须通过饮食来补充水分。体液正常容量的维持需要通过机体的生理调节：一方面是渴感，下视丘脑中有一个口渴中枢，当血容量明显减少或体液渗透压升高时，口渴中枢兴奋，引起渴感，促使饮水，以恢复体液容量；另一方面是尿量的调节，体液容量减少可促使脑垂体后叶释放抗利尿激素，促进肾集合管对水的回吸收，使尿量减少，以维持体液容量。当血容量减少时，会出现心跳加快、血压偏低、面色苍白、四肢冰凉、脉搏微弱等现象；当体液容量严重不足时，会出现精神萎靡、嗜睡、烦躁、无尿、昏迷、惊厥等现象。
除了神经通信系统、内分泌通信系统和体液通信系统等看得见、摸得着的体内通信系统之外，人体中还有一些从解剖学角度来说既看不见又摸不着而确实存在的通信系统，其中最具代表性的便是经络系统。无论相关的学术争论多么激烈，但有些事实是肯定的，比如数千年来针灸的治疗效果，特别是许多人都能亲身感受到的 “感应传导”（当人体的某些部位受到刺激时，这个刺激就可沿着经络传入有关脏腑，使其发生相应的生理或病理变化）。有些敏感人群在接受针灸治疗时会产生一种沿经络移动的感觉，这种移动还具有一些奇异特性（速度较慢，每秒移动几厘米；可被机械压迫、注射生理盐水及冷冻降温等所阻断；可出现回流；可绕过疤痕组织；可通过局部麻醉区；移动路线上有时还会出现血管扩张和轻度水肿，并可测出相应的肌电；部分截肢病人在截肢部位会出现幻觉经络感传等）。不过，由于有关经络方面的资料不够精准，加上本章篇幅所限，所以，在此处仅点到为止，不再多述。
最后，再换个角度来看看生物的生长。若将生物体中的每个细胞看成一台打印机（实际上是一台微型3D打印机），那么生物的生长过程便可看成这些打印机在生物的生命周期内持续进行的并行打印过程。人体内含有大约60万亿个细胞，等同于60万亿台细胞级3D打印机，它们都在按照预定的程序，在合适的时间和合适的条件下执行既定的操作。于是，各个人体便被轻松打印出来了。
总之，通过本章和第1章的论述，我们确实有理由相信：与薛定谔的“生命是负熵”类似，生命也是通信。而香农也早已说过“信息是负熵”，因此，结合薛定谔和香农的论断，我们便知生命确实是负熵，而该负熵来自人体通信系统中传递的所有信息，包括基因等先天信息和神经通信系统等所传输的后天信息。
