他對自己的事業總是那麼地充滿激情與夢想。
Xie P (2017) If not life in this world, who detects information? ScienceNet.cn
I thought it's written better: "if no life in ..."
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世上若無生命，誰來感知信息？-博客-科學網手機版
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世上若無生命，誰來感知信息？ - 每日頭條
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世上若無生命，誰來感知信息？
（謝平，中國科學院水生生生物研究所，武漢 430072）
If not life in this world, who detects information?
(XIE Ping, Institute of Hydrobiology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430072 )
（謹將此文獻給已故的復旦大學生物信息學教授——鍾揚先生）
地球，自從有了生命，就是一個信息世界，隻是後來日漸熱鬧起來了而已。我們在社會中生存，每個人既是信息的感知者，也是信息的生產者。就像人類不知道怎樣定義生命，卻一代又一代地生活過來了一樣，人們不知道該如何定義信息，卻一代又一代地使用過來了……信息是什麼？控製論的創始人維納說，「信息就是信息，不是物質，也不是能量」（Wiener1948），而物理學家則不然，他們說，「信息是負熵」 （Brillouin 1956）、「萬物是比特」（Wheeler 1994）、「物質世界由信息自身所構成」 （Bekenstein 2003），等等。問題是，如果沒有生命，山川河海、風雲雷電、日月星辰與量子糾纏——誰來欣賞與遐想？雖然當代信息技術給人類生活帶來了翻天覆地的變化，但是，人們在信息的本質與定義問題上卻依然存在巨大爭議。在中國科學院編寫的《21世紀100個交叉科學難題》一書中，「信息是什麼」甚至被列為100個難題之一。
1. 引言
1.1 生物信息——多彩而古老
信息——豐富多彩，有生物的、社會的和自然的……即便是生物信息，也並非人類的專利，譬如，所有生物體內都有一套遺傳信息。盧因（2007）說，「我們之所以用『信息』這一術語，是因為基因組成本身在建造生命體中不起任何主動作用，而是核酸的一個個亞基（鹼基）的序列決定了遺傳特性。通過一係列複雜的相互作用，這種序列被用來在適當的時間和地點產生出生命體的所有蛋白質」。
生物體內的脫氧核糖核酸（DNA）是地球上最古老的信息載體。四種核苷酸（A、T、G、C）的排列組合——以三聯體的形式——就記載了生命的遺傳信息，DNA的編碼信息被翻譯為胺基酸以指導蛋白質的合成。數百萬個物種使用著同一套的遺傳編碼體係。因為，DNA記載的生命信息可以自我複製並傳給子代，才有遺傳信息之稱。它們在世代間傳遞的誤差成為了生物變異的源泉，而這意外地變成了物種演化的動力，否者在地球上不可能出現數以千萬計的物種！
此外，生物體內還有很多化學信號物質，如激素，對機體的新陳代謝、生長發育、繁殖活動等具有重要的調節作用。
地球表麵的生物圈亦是一個信息圈（Infosphere），數以百萬計的動植物和微生物通過複雜的種內和種間關係構成了一個相互聯繫、相互依存的網絡係統，物質、能量和信息在其中川流不息。譬如，很多動物都用各自的方式感知外在信息——色彩（視覺）、氣味（嗅覺）、聲音（聽覺），有的甚至能使用超聲波或磁場……這些感覺信息（輸入）轉化成神經信號傳遞到大腦，再返回決策信息指導行為（輸出）。行為的結果亦可作為新的信息反饋到大腦，豐富或修正已有的知識，形成「學習」。
各種動植物都擁有自己對生存信息的感知（甚至認知）、加工與利用方式，對高等動物來說，生存信息的記憶就保存在大腦中，而我們人類的認知信息還可以保存在紙張上或電子設備中。但是，人類對自己的大腦是如何辨識、編碼、存儲與利用這些認知信息的內部過程依然是一無所知。譬如，我們並不知道自己的大腦對視覺信息是否進行了編碼，就更談不上如何編碼了。
1.2 通向現代信息社會之旅
與其它動物最大的不同在於，除了聲（語言）外，我們人類還能用光、電、紙張、手機、電腦等來傳輸或記載大量的文字、圖形、聲音、影像等感知/認知信息。
人類對外在信息利用的記載歷史悠久，古籍中早有對利用草木榮枯、候鳥來去等信息來安排農事的記載，譬如，早在1500多年前，賈思勰就在《齊民要術》中寫道：杏花開了，好像它傳語農民趕快耕土；桃花開了，好象它暗示農民趕快種穀子。春末夏初布穀鳥來了，我們農民知道它講的是什麼話: 「阿公阿婆，割麥播禾」（竺可禎和宛敏渭1973）。
人類通訊手段的發展經歷了數千年的歷程：從書信→電信→光信等。但在工業技術的突飛猛進中迅速邁入了現代信息社會：17世紀和18世紀初的鐘表時代→18世紀末到19世紀的蒸汽機時代→20世紀的通訊和控製時代→21世紀的網際網路與智能時代。
現在，我們生活在一個現代化的資訊時代，通過自己的感官從身邊或從各種信息媒介/載體——報紙、書籍、電視、電話、網際網路、微信等——中獲取、傳遞和交換信息，每個人都在複雜紛繁的信息中穿行，失去信息的生活已無法想像！
現代信息技術可謂五彩繽紛，包含無線通信技術、光通訊技術、雷射技術、計算機網絡技術、遙感技術、數字多媒體技術、大數據技術、智能信息處理技術、網際網路技術等諸多領域，人類在各種信息（文字、圖像、聲音等）的探測、識別、獲取、傳輸、存儲、檢索與處理等方麵取得的技術進步有目共睹，譬如，精準的人臉識別技術得到了廣泛的商業應用。資訊理論早就不局限於其經典的通訊領域，已經或正在滲透進生物學、人工智慧、經濟學、農學、氣象學、資源環境、心理學、醫學、神經科學、化學等，孕育出了生物信息學、智能信息學、經濟信息學、農業信息學、氣象信息學、資源環境信息學、醫學信息學、神經信息學、化學信息學等新學科。
1.3 資訊理論的誕生
雖然信息一詞的使用已有2000多年的歷史，但資訊理論的出現卻是上世紀中葉的事情。1948年，美國數學家香農發表了長篇論文「通訊的數學理論」（Shannon 1948），宣告了資訊理論（information theory）的正式誕生，在這之前稱為資訊理論的「史前時代」（有本卓1985）。那時，電子計算機、PCM通訊技術以及控製論也登上了歷史舞台。可以說，資訊理論是為了解決通信技術問題而問世的，那時它就是二進位的碼/串/陣列。當然，通訊信息有自身規範的概念體係：①信息源——以信號的形式發送信息的主體，或觀測、考察的對象，②信道——傳送信號的通道或媒介，③信宿——信息傳送的對象。信號在傳輸中可能需要編碼、解碼、調製等各種形式的轉換或處理，當信宿識別後，信號轉化為信息（朱月明等2003）。
1.4 本文的目的
維納（1948）曾說，「在科學發展上可以得到最大收穫的領域是各種已經建立起來的部門之間的被忽視的無人區……一個人可以是一個拓撲學家，或者一個聲學家，或者一個甲蟲學家。他滿嘴是那個領域的行話，知道那個領域的全部文獻，那個領域的全部分枝，但是，他往往會把鄰近的科學問題看作與己無關的事情，而且認為如果自己對這種問題發生任何興趣，那是不能容許的侵犯人家地盤的行為」。
我是研究生物學的，從未學習過正宗的信息科學，對信息理論更是知之甚少，但近幾年由於對生命起源的興趣，涉足了一點生物信息學，主要是關於遺傳信息的起源問題，並提出了密碼子起源的「ATP中心假說」 （雖然它還在沉睡之中，因尚無法驗證）。最近，我關注到信息科學對其最核心的概念——信息的定義十分混亂——據粗略統計，國內外學術界對信息的定義已經超過200種（王哲2007），可謂眾說紛紜，但鮮有生物學家的聲音。因此，懷著忐忑之心，筆者鬥膽寫下此文，旨在重探信息的本質與定義。
2. 詞源
根據Wikipedia，古希臘語中的信息為「πληροφορ?α」，字麵上的意思是「bears fully」（充分承載）或「conveys fully」（充分傳遞）之意，在現代希臘語中，「Πληροφορ?α」仍然是一個與英語「information」同樣意思的日常用語。
「信息」（information）一詞由in，form, -ation組成，前綴in具有強調行動之義，名詞後綴-ation表示「做某事的行動或過程」，因此，information字麵上有「賦予某物以形式的行動」之意（Capurro 2009）。
根據Wikipedia，信息的英文單詞源於主格（informatio）的拉丁詞根（information-）：這個名詞是由動詞「informare」（告知）衍生出來的，有「to give form to the mind」、「to discipline」、 「instruct」、「teach」等意思（Capurro & Hjørland 2003）。Informatio 有具有本體論和認識論兩層含義：「賦予質料以形式的行動」和「傳授知識給其他人的行為」（周理乾2016）。Inform自身（通過法語）informer來自拉丁動詞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，我國就有使用「信」的記載：西漢揚雄《太玄經》中有「陽氣極於上，陰信萌乎下」的句子，這裡的「信」意指「消息」。另外，在唐代，李中在《碧雲集·暮春懷故人》一詩中就寫下過「夢斷美人沈信息，目穿長路倚樓台」的句子（鍾義信2002）。日文用「情報」、以及台灣用「資訊」表示「信息」。
3. 信息的定義
信息的早期定義主要體現了與通訊技術、控製論與熱力學的血脈關係。對信息概念最有影響力的學者當屬三位美國數學家——哈特萊（Ralph Hartley，1888-1970）、香農（Claude Elwood Shannon，1916-2001）和維納（Norbert Wiener，1894-1964）（表1），香農被譽為資訊理論的創始人，而維納是控製論的創始人。Hartley（1928）認為消息是代碼和符號而非信息內容本身，提出用消息可能數目的對數來度量消息中所含有的信息量，從而為資訊理論的創立提供了思路。Shannon（1948）認為，信息是用來消除隨機不確定性的東西。Wiener（1948）的定義強調了作為觀察者——我們在信息中的地位，以及通過信息介導的反饋作用，這也是其控製論的核心。但維納對信息的定義亦充滿了哲學激情，他說，「信息就是信息，不是物質，也不是能量。不承認這一點的唯物主義，便不能在今天存在」（Wiener 1965）。英國神經生物學和控製論學家艾什比（W. Ross Ashby，1903-1972）用「變異度」來定義信息。
早期的資訊理論曾試圖與經典熱力學（熵、負熵）聯姻。Wiener（1948）認為信息量實際上就是負熵，他說，「信息量的概念非常自然地從屬於統計力學的一個古典概念——熵。正如一個係統中的信息量是它的組織化程度的度量，一個係統的熵就是它的無組織的度量；這一個正好是那一個的負數」。法國物理學家布裏淵（Léon Brillouin，1889-1969）在1956年發表的《科學與資訊理論》專著中說，「信息是負熵」。美國物理學家惠勒（John Archibald Wheeler，1911-2008）曾語出驚人道：「萬物源於比特（it from bit）」（Wheeler 1994）。
Brier（2015）指出，建立一個普適性的信息概念的最大問題是，由香農、維納和惠勒等試圖建立一個客觀信息概念的本體論嘗試都無法包容蘊含在生命和社會係統中的意義和經驗，特別是這些純數學的或與負熵相關數學的信息定義並不足以包容生命係統中的日常信號遊戲（sign games）和意識性人類的語言遊戲（language games）所涉及的問題，因為沒有證據顯示貫穿自然、文化、生命和意識實在的核心是純數學的、邏輯的或計算性質的。
表1 國外學者對信息的定義
| 作者 | 定義 | 文獻 |
| Ralph Hartley | 信息是選擇的自由度 | Hartley 1928 |
| Claude Elwood Shannon | 信息是用來消除隨機不確定性的東西 | Shannon 1948 |
| Norbert Wiener | 信息就是信息，既不是物質，也不是能量，它是我們同環境進行互相交換的內容 | Wiener 1948, 1965 |
| W. Ross Ashby | 信息的本性在於事物本身具有變異度 | Ashby 1956 |
| Georg Klaus | 信息絕不是物質與意識之外的第三種獨立不依的存在成分，而是一種構成的東西，在這種東西裏物質成分與意識成分以完全特殊的方式融合起來，這種方式使我們有理由說信息有一種特殊的性質，而這種特殊的性質既不是物質的性質，也不是能量的性質……純粹從物理學方麵看，信息就是按一定方式排列起來的信號序列。但光說這一點還不足以構成一個定義。毋寧說，信息必須有一定的意義，必須是意義的載體……由此可見，信息是由物質載體與語義構成的統一整體。 | Klaus 1961 |
| 別爾格A | 信息作為自然界客觀現象的一個方麵，是在整個世界、整個宇宙中無所不存在的……經典物理學的物質、運動、能量、空間、時間等基本概念，已不足以描述實在世界了……人們在研究能量場（引力、電、磁場……）的特點時，也應考慮到這些場都是信息的負載者。 | 別爾格1974 |
| Giuseppe Longo | 信息是反映事物的形成、關係和差別的東西，它包含於事物的差異之中，而不在事物本身 | Longo 1975 |
| 茹科夫 | 信息——這是組織的一種尺度，是控製係統及其作用的有目的地調整了的結構。 | 茹科夫1981 |
| 蘇沃羅夫 | 信息是能夠被認識主體所接收的任何係統的有序性。 | 蘇沃羅夫1985 |
而現代百科和各類詞典的信息定義（表2）主要體現了人對客觀事物的認識（通過觀察、學習或交流等）以及從中獲得知識等認知信息的過程。
根據Wikipedia的定義，信息是對某種問題的回答，因此與數據和知識有關，因為數據表示由參數決定的數字，而知識表示對真實事物或抽象概念的理解。關於數據，信息的存在並不一定伴隨一個觀察者，但在知識的情形下，信息需要一個有認知能力的觀察者（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.）。
百度百科認為，「信息，指音訊、消息、通訊係統傳輸和處理的對象，泛指人類社會傳播的一切內容。人通過獲得、識別自然界和社會的不同信息來區別不同事物，得以認識和改造世界。在一切通訊和控製係統中，信息是一種普遍聯繫的形式」。
表2 各種詞典中關於信息的定義
| 詞典 | 定義 |
| The Danish Dictionary of Information Terms | 信息隻為提出的問題提供答案（information only provides an answer to a posed question），因此，「信息」=「對特定問題的答案」 |
| American Heritage Dictionary | 信息是習得的知識或事實，特別是關於某一事物或事件（Knowledge or facts learned, especially about a certain subject or event），或一個實驗結果的不確定性的數量描述（A numerical measure of the uncertainty of an experimental outcome） |
| Collins English Dictionary | 信息是通過經驗或學習獲得的知識，是關於事件或情況的特定、及時的知識 （knowledge acquired through experience or study, knowledge of specific and timely events or situations），如消息。 |
| Random House Kernerman Webster's College Dictionary | 信息是通過交流或接受的關於某個事實或環境的知識，或通過學習、交流或研究等方式獲得的知識（knowledge communicated or received concerning a particular fact or circumstance, or knowledge gained through study, communication, research, etc.），如數據。 |
| Dictionary of Military and Associated Terms | 信息是以任何媒介或形式顯示的事實、數據或指令，或人類根據已有的表述約定賦予數據的意義（Facts, data, or instructions in any medium or form, or the meaning that a human assigns to data by means of the known conventions used in their representation）。 |
| 新華詞典 | ①音訊、消息； ②資訊理論中指用符號傳送的報導，報導的內容是接受符號者事先不知道的。 |
我國學者也提出了很多信息定義（表3），主要是從哲學的視角，有些強調信息的本體性或客觀性，甚至將信息與物質和能量並列，有些則秉持主體論觀點，認為信息是人類對事物的認識。
表3 我國學者對信息的定義
| 作者 | 定義 |
| 鍾煥懈1980 | 從客觀到主觀是有一種物質作為媒介的。現代科學已經查明，這種媒介物質就是信息。 |
| 周懷珍1980 | 信息從最一般的意義上來理解，是物質和能量在空間和時間中分布的不均勻程度。這種分布的狀態可以看作物質係統排列組合的有序化形式、也可以是不同物質係統之間互相聯繫的一種組織形式。 |
| 劉發中1981 | 信息是指一種狀態，它對外界產生某種反應。 |
| 黎鳴1984 | 信息是物質的普遍屬性，它表述它所屬的物質係統，在同任何其他物質係統全麵相互作用（或聯繫）的過程中，以質、能、波動的形式所呈現的結構、狀態和歷史。 |
| 鍾學富1985 | 信息屬於關係範疇。 |
| 魯品越1985 | 某一信息即是以物質能量在時空中某一不均勻分布的整體形式所表達的物質運動狀態和關於運動狀態的知識。 |
| 劉長林1985 | 信息是反映出來的事物屬性。 |
| 揚教1986 | 信息是標誌客觀物質世界普遍聯繫的範疇；它以顯示事物差異的聯繫因素作用於各種矛盾關係（客體一主體、物質一精神、實踐一認識等）之間，反映了各種矛盾關係既同一又非同一的運動轉化過程；是人類正確認識世界和改造世界的一種思維模式。 |
| 王振武1987 | 信息是主體對多樣性消息的選擇。 |
| 施啟良1988 | 廣義認識論認為信息是廣義主體對廣義客體的表征，或者更一般地說，信息是一事物對他事物的表征。 |
| 藏蘭和史兆平 1988 | 信息是事物聯繫的中介，它的內容就是相互作用的事物之間傳遞著的事物的運動狀態和方式。 |
| 鄭金山1989 | 人類對係統的存在方式、運動變化規律以及係統間相互作用規律認識活動情況的傳遞與交流稱為信息。換言之，信息是人類認識自然、改造自然、認識自己、改造自己的活動情況的傳遞與交流。 |
| 沈驪天1993 | 哲學上的信息概念是指除去能量性質之外的運動屬性，即與運動量相併列的運動的質，此種運動的質一般被認為即是運動的有序性，包括有序程度和有序內容。 |
| 烏家培1993 | ①自在信息，即客觀存在的信息，並不以是否被人們接收而轉移；②自為信息，即接收方根據特定目的和實際能力所得到的信息，它能排除對發送方了解的不確定性；③積存信息，即接收方已有的先驗信息，是對自在信息的「解釋係統」，即辨別選擇自在信息的能力。經過積存信息的「解釋」，自在信息轉化成為接受方的自為信息。 |
| 鄔焜1994 | 信息是標誌間接存在的哲學範疇，它是物質（直接存在）存在方式和狀態的自身顯示。 |
| 李基順和粟霞 1996 | 信息是再現於其它事物的事物的內容、屬性、運動狀態、存在方式等的自我表征。 |
| 李伯聰1997 | 信息是多元關係的他在之物。 |
| 閔家胤1997 | 信息是在場、能量和物質的基礎上進化出來的宇宙的四種基本要素。信息是通訊係統中信宿收到而信源並未失去的某種東西，它消除了信宿相對於信源的存在、屬性和動態的某種不確定性。信息隻能存在於能量的或物質的編碼結構當中；因此，它不可能是一種完全獨立的、絕對的自存，也不可能有單一的、獨立的進化。 |
| 周鴻鐸2000 | 信息是信息源所發生的各種信號和消息經過傳遞被人們所感知、接收、認識和理解的內容的統稱。 |
| 洪昆輝2001 | 在本體上，信息是事物及現象的存在方式之一，在認識論上，信息是通過特定媒介主體對主客體相互關係存在的顯示。 |
| 鍾義信2002 | ①某事物的本體論層次信息，就是該事物運動的狀態和狀態改變的方式的自我表述/自我顯示。②某主體關於某事物的認識論層次信息，是指該主體所感知的或該主體所表述的相應事物的運動狀態及其變化方式，包括狀態及其變化方式的形式、含義和效用。 |
| 朱月明等2003 | 信息是客觀事物運動和變化的內涵和對這個內涵經識別後所得到的內容的總稱。本源信息來源於信息源，「感知信息」產生於信宿的識別內容的關係。本源信息是「母」，「感知信息」是「子」。 |
| 鄧宇等2004 | 信息是事物屬性標識的集合，即「屬概念+種差」的實質及數理定義，它涵蓋了非生物、生物的物—物、人—物、人—人間信息流的本質內涵與統一。 |
| 朱誌康2004 | 信息的本質是變化，但變化並不簡單等於信息，隻有客體的變化，通過某種途徑，作用到主體，才構成了信息。信息是在流通中存在。所以，信息的本質定義應該是相對於主體而存在的客體變化。 |
| 董春雨和薑璐 2004 | 在物質運動變化過程中，不發生改變的那些性質，都可以定義為信息，信息就是對這一類物理量或這一類性質的最高概括或總稱。 |
| 煒瑋和成昀 2005 | 信息是客觀實在的，信息是一切物質都具有的顯示物質存在方式和狀態的客觀屬性，信息是物質間接存在性的標誌，信息是物質自身顯示自身的屬性。 |
| 羅先漢2006 | 通用信息概念可由事物的實在狀態及其相關規律表示，並可將其劃分為狹義信息與廣義信息、自然信息與人文信息以及客觀信息與主觀信息等類型。 |
| 陳一壯2006 | 信息是客觀世界中物質和能量存在及變動的有序形式，和自組織係統對這個形式的能動的反映及改組。 |
| 巨乃岐2006 | 從認識論視角看，信息是物質在相互作用過程中表達出來的內在邏輯的時空序，表現為實體態信息、運動態信息、基因態信息、反應態信息和思維態信息等五個層次。從本體論視角看，信息是標誌物質間接存在的哲學範疇。信息與物質具有對等性，信息是全麵的、濃縮的，是潛信息與顯信息的統一。 |
| 楊鋼元2007 | 信息僅是生命及其仿生係統對事物及其屬性（包括自身）的反映和表達形式，它源於生命係統的自組織機能，它是表述時象對生命（或仿生）係統呈現或被其抽繹出的形態。信息生成是生物機能的體現，信息表達則肇基於生物因應環境的生態係統內的互動行為。 |
| 王勇2008 | 信息是在受限製的條件下（比如編碼長度限製，分析計算能力限製，解析度限製等）和考慮各種代價的情況下，盡力追求更高的準確性和可靠性的前提下，通過各種被認可的條件、因素、事實和知識等，以各種被認為精確的或者近似的算法、理論等技術手段或者是人工手段（思考等），採用在一定程度可信的方式直接或間接獲得的（被信息處理者認為）對事物更加可靠認識的，可以消除、增加或者不改變不確定性的東西。 |
| 葉小艷2011 | 信息是物質世界的運動狀態與轉換方式表述，是物質的本質屬性。在這裡，「物質」泛指一切人類和動物可以識別的可能的研究對象，包括人類不斷的增進認識的外部宇宙世界的物質客體，也包括主觀世界的精神現象；「運動」泛指一切意義上的變化，包括機械運動、化學運動、思維運動和社會運動；「運動方式」是指事物運動在時間上所呈現的多種複合複雜過程；「運動狀態」則是事物運動在時間和空間上所展示的形態。 |
| 王知津等2012 | 信息是一種符號，具有共時性和歷時性，信息的意義和價值取決於信息的能指（signifier）與所指（signified）以及二者的關係，還有信息所處的語境。 |
| 楊學山2016 | 信息就是所有客觀存在，這裡，物理空間、生命空間和信息空間都是客觀存在的。信息沒有質量、沒有能量、沒有固定形態，必須依託載體與/或外殼存在，可以在不同的形態間轉換，藉助不同的載體與/或外殼逐步走向自主發展，最終成為獨立的自我發展的與物理空間、生命空間並列的信息空間。信息以自在態、自有態和記錄態三種模式存在，可以解釋幾乎所有今天在使用的信息概念。 |
不同的領域有自己獨特的信息內涵，信息在通訊技術中主要是符號的排列順序，在動物的行為中是各種不同的感覺信號，在分子生物學中是核苷酸的排列順序（三聯體密碼子），在物理學中是熵，等等（表4）。
表4 信息在不同的領域中的含義
| 領域 | 定義 |
| 資訊理論 information theory | 信息就是符號的排列順序，信息處理由輸入-輸出函數所組成，它表示從任何χ的輸入序列映射出ϒ的輸出序列（Information processing consists of an input-output function that maps any input sequence from χ into an output sequence from ϒ），這種映射可能是或然的或確定性的。因此，這裡的信息被視為一種有序的符號序列。 |
| 感覺 sensory | 信息可作為一種對有機體或係統的輸入。有的輸入對有機體功能（如食物）或係統（如能量）具有重要意義，稱為因果輸入（causal input）。而其它的輸入僅僅當其與因果輸入關聯並能用於預測後麵（或者在另外的地方）因果輸入發生時才是重要的 （Dusenbery 1992）。譬如，信息常常由一些微弱的刺激所攜帶，它必須被特殊的感覺係統所感知，然後由能量輸入所放大，最終才能對有機體或係統起作用。 |
| 認知 cognitive | 信息被認為需至少包含兩個相關實體，即任何類別的對象S和其子集R，R本質上是S的表征，或換言之，攜帶了關於S的表征（因此是概念性）信息。R攜帶的關於S的信息量稱為S複雜性的變化速率，無論R的實體是否已從S中移出。模式、不變性、複雜性、表征和信息——普世科學的五個基本結構——在一個獨特數學框架下被聯合起來（Vigo 2011，2013，2014）。 |
| 分子生物學 molecular biology | 信息是指能影響其它模式形成或轉換的任何類型的模式（Casagrande 1999），在這種意義上來說，無需意識去感知這一模式。譬如DNA，核苷酸的序列是一種能影響有機體形成與發育的模式，但並不需要任何意識（Watson 2003，Reilly 2005）。 |
| 係統理論 systems theory | 有時似乎假定信息不一定需要包括任何意識，在係統中循環（通過反饋）的格局能被稱作信息。換言之，信息可視為某種潛在的表征，雖然不是專門為了那一目的被創造或被表征的。因此，信息也被定義為「製造差異的差異（a difference that makes a difference）」（Bateson 1972）。 |
| 物理學 physics | 在物理學中，物質世界有被定義為由信息自身所構成（physical world is defined as being made up of information itself）的趨勢（Bekenstein 2003）。譬如，這包括所謂的量子糾纏現象（the phenomenon of quantum entanglement），即粒子之間的相互作用與它們的分離或光速無關，任何信息傳遞的速度都無法超過光速。 麥克斯韋妖的思想實驗證實了信息與另外一個物理特性——熵之間的關係，一個結果是如果不增加一個係統的熵是不可能破壞信息的，另外一個哲學結果就是信息是可以與能量互換的。 |
| 宇宙學 cosmology | 數學宇宙假說（mathematical universe hypothesis）認為，所有事物，從粒子到場，到生物實體和意識，再到多元宇宙本身，都可被信息的數學模式所描述。依此類推，宇宙巨洞可視為空間中物質信息的缺失（Max 1998）。 |
（來源：Wikipedia）
人們也在試圖總結信息的一般特徵（表5），但並不那麼容易，像「普遍性」、「客觀性」和「動態性」是物質世界的基本屬性，並非信息所特有。時效性也要看信息的使用目的，譬如，當我們要探討地球歷史演化時，古老的地層信息依然十分重要。當然，可識別性和可傳遞性是重要的，這是獲取與使用信息的基本前提。至於可不可以共享這也難以一概而論，存在範圍與方式的問題。
表5 信息的特徵
| 特性 | 內涵 |
| 普遍性 | 隻要有事物的地方，就必然存在信息。信息在自然界和人類社會活動中廣泛存在。 |
| 客觀性 | 信息是客觀現實的反映，不隨人的主觀意誌而改變。如果人為地篡改信息，那麼信息就會失去它的價值，甚至不能稱之為「信息」了。 |
| 動態性 | 事務是在不斷變化發展的，信息也必然的隨之運動發展，其內容，形式，容量都會隨時間而改變。 |
| 時效性 | 由於信息的動態性，那麼一個固定的信息的使用價值必然會隨著時間的流逝而衰減。 |
| 可識別性 | 人類可以通過感覺器官和科學儀器等方式來獲取，整理，認知信息。這是人類利用信息的前提。 |
| 可傳遞性 | 信息是可以通過各種媒介在人－人，人－物，物－物等之間傳遞。 |
| 可共享性 | 信息與物質、能量顯著不同的是：信息在傳遞過程中並不是「此消彼長」，同一信息可以在同一時間被多個主體共有，而且還能夠無限的複製、傳遞。 |
（來源：維基百科）
4. 數據、信息與知識的區別
根據Diffen，數據是原始的、未組織的事實，因此需要加工，數據可能是簡單、看起來隨機無用的東西直到它被組織起來（Data is raw, unorganized facts that need tobe processed. Data can be something simple and seemingly random and useless until it is organized.）；當數據被加工、組織、結構化或以一定的範式呈現以便使其有用，就稱為信息（When data is processed, organized,structured or presented in a given context so as to make it useful, it iscalled information）。譬如，過去100年的全球溫度記錄就是數據，如果通過對這些數據的組織與分析發現全球溫度正在升高，就是信息。
Silver（2012）說，「數字自己不會說話，我們為它說，我們為其灌輸意義」（The numbers have no way of speaking for themselves. We speak for them. We imbue them with meaning）。
在信息科學中，信息用數據來定義，而知識用信息來定義（information is defined in terms of data, knowledge in terms of information），即知識常常被定義為組織起來或可操作的信息（knowledge is often defined as 「informationthat have been organized」or 「as actionable information」）（Rowley 2007）。知識由一係列相互連結的信息組成（knowledge consists of an interlinked chain of information）（Hilbert 2016）。
5. 信息量的計算
最早試圖對信息進化量化的是哈特萊，當可傳輸符號的集合包含n個符號時，由此集合選出N個符號而做成的序列共有nN種，接受這類序列之一而得到的信息量H= log nN=N log n（Hartley 1928）。
香農提出了計算信息量的公式（Shannon 1948），一個信息由n 個符號所構成，符號k出現的機率為Pk，則有：
這個公式和熱力學的熵的計算方式一樣，故也稱為信息熵。從公式可知，當各個符號出現的機率相等，即「不確定性」最高時，信息熵最大。故信息可以視為「不確定性」或「選擇的自由度」的度量。
信息的基本單位是比特（bit），是Binary digit（二進位數）位的縮寫，一個二進位數就包含了1比特的信息，如二進位數0101的信息量就是4比特。動物神經元興奮的「全或無」（激發或休止）就類似二進位中的數字選擇（1或0）。當前的計算機係統基本上都是使用二進位運算模式。
6. 信息——僅隸屬於生命
信息一定是生命的信息，離開了生命，就隻有客觀世界中萬事萬物的存在與變化，無論多麼地複雜。信息也不僅僅是人類的信息，所有動植物都能感知自身與環境中的信息，並運用於指導各自的生存。同一個事物對不同物種的信息意義可能十分地不同。譬如，同樣的光，對不同動物的意義是完全不同的，這取決於它們的光感受器的結構與功能。
眼點使帶鞭毛的原生動物能感受光的方向和密度，進行定向的趨光運動或避光運動，對這些小生命來說，這樣的功能足以滿足其生存需求了。據說，渦鞭毛蟲可通過眼點對光的感受來進行捕食。
圖1 扁眼蟲，紅色為眼點（來源：百度圖片）
昆蟲有稱之為複眼（圖2）的視覺器官，它由眾多的小眼（ommatidia）組成（如蝶、蛾類的複眼可含有約28000個小眼），每個小眼是一個獨立的感光單位，分別由角膜、晶椎、色素細胞、視網膜細胞、視杆細胞等所構成。從視網膜細胞向後伸出的軸突穿過基膜匯合形成視神經。通常每個小眼隻能形成一個像點，由眾多小眼的像點可拚成一幅圖像。與簡單的原生動物相比，昆蟲所能感知和利用的視覺信息就要豐富得多了。
圖2 昆蟲的複眼（來源：維基百科）
與無脊椎動物相比，脊椎動物的視覺係統更為複雜：通常包括視網膜，相關的神經通路和神經中樞，以及為實現其功能所必須的各種附屬係統（圖3）。這些附屬係統主要包括：眼外肌，可使眼球在各方向上運動；眼的屈光係統（角膜、晶體等），保證外界物體在視網膜上形成清晰的圖像。
圖3 人眼的結構（來源：Scanlon and Sanders 2007）
物種對同一個事物的信息感知方式可能完全不同。譬如，青蛙眼睛中的感受細胞僅僅可以對又小又黑而且活動的物體做出反應，因此，青蛙能夠在沒膝深的不動的蒼蠅堆中餓死，但一旦一隻蒼蠅快速地從青蛙的眼前飛過時，青蛙的「昆蟲覺察器」就會突然覺醒（Myers 2004）。
不同物種對各種環境要素的感知能力可能完全不同。譬如，很多動物都有利用特定環境信息或信息技術進行生存的絕技，如鳥類可用磁性作指南針，蜜蜂則可用太陽偏振光來導航，蝙蝠和海豚（還有我們熟悉的在長江中生活的白鰭豚）可用聲吶來搜索獵物或逃避捕食者……對此，我們人類卻完全無能為力。因此，不能撇開觀察者來談信息。對蝙蝠和海豚來說，聲吶是它們進行捕獵的信息技術，但對人類來說，揭開了這個秘密才使其成為了我們的認知信息。
7. 生命的開端——從能量到信息
在遺傳指令控製下的生命內部運行法則常常被誤貼上「活力論」的標籤：「由於科學家至今仍不能找到產生這種生物信息的『編碼者』，也就不能從自己所建構的符號係統之內來解釋以生物分子為載體的生物信息的生成機製，所以生命的物質實體就不能構成提供生物信息的確定源泉。因而，生物信息仍然具有無法解釋的神秘性。生物信息和活力物質所起到的作用就有了『異曲同工之妙』」（曹昱和蕭玲2009）。
在地球上，分子與分子之間的化學作用是如何轉化成可被保存、識別與利用並能進行自我複製的信息的，這堪稱物質世界的最大神奇，這亦是生命創造的奇蹟！這種原始的生命信息是所有信息的開端，它實現了從孤寂的物理世界到多彩的信息世界/生命世界的華麗變身。那麼，這種信息是如何起源的呢？
首先必須從細胞內信息係統的構建開始，這是歷經數億年的漫長過程，直到原始生命獲得了將物質信息化的能力，成功地將自身的生物化學過程儲存於一種特殊的信息分子DNA之中(謝平2017a)，從而使生命可以遺傳，並保持世代之間的同質性。儲存了種族信息的DNA序列就稱為遺傳信息，這亦是生物信息學研究的核心（鍾揚等2001，2005）。
一方麵，無論是以單細胞還是多細胞的形式，所有生命個體在本質上都是能量轉換的自動機，另一方麵，能產生同質性個體的生命延續（繁殖）方式得到了自然的青睞，而這是以服務於遺傳的信息係統的構建為基礎的。因此，原始生命的生化係統是在能量轉化與信息化的協同演化中發展起來的，或者更確切地說，是在能量轉化的過程中實現的信息化。因此，生物信息實現了遺傳與生化的偶聯。
生物信息係統的核心就是三聯體密碼子。ATP在三聯體密碼子起源中扮演了重要角色，因為：?它是所有光合生物將光能轉化成化學能的第一個產品；?驅動了一係列的生化循環（如卡爾文循環、糖酵解和三羧酸循環等）與元素重組；?它通過自身的轉化與縮合將複雜的生命過程信息化，篩選出用4種鹼基編碼20多個胺基酸的三聯體密碼子係統，形成了遺傳信息的保存、複製、轉錄和翻譯以及多肽鏈的生產體係；?演繹出蛋白質與核酸互為因果的反饋體係，並在個體生存的方向性篩選中，構建了對細胞內成百上千種同步發生的生化反應進行秩序化管控的複雜體係與規則，並最終建立起個性生命的同質化傳遞機製——遺傳。這就是解釋遺傳密碼子起源的「ATP中心假說」（圖4）。
圖4 原始生命中信息係統的起源，藍色虛線表示前生命期的演化過程，紅色實線表示演化或作用從前生命期一直延續到生命期，箭頭表示作用或影響方向（來源：謝平2017a）
為什麼世界沒有停留在有機湯中？為什麼物質要從混沌走向秩序？為什麼大自然青睞生產同質性個體而導致了遺傳信息的產生？地球生命演化初期，包裹在脂質囊泡中的有機物在太陽光能的照射下連結出較長的有機分子從而在泡內累積，之後囊泡破裂，再累積，再破裂……循環往復，終於迎來了細胞分裂機製的出現。不斷重複就變成了規律，記錄、保存與使用規律就是一種信息化過程。沒有個體就沒有生命，以信息為紐帶的生化與遺傳係統的演化都必須在個體中進行。遺傳信息記載的不僅僅是生命個體的構建程序，還包括了對外部世界（各種環境信息）的響應模式。
在被破譯以前，遺傳密碼不能稱之為我們的認知信息，但它卻是所有生物的遺傳信息，並有效地運行著。現在我們知道，生命 = 物質 + 能量 + 信息。
不同的物種對環境信息的感知與需求可謂千差萬別，對水中的眼蟲來說，它們隻需要感知身旁微弱的光來指導其捕食行為即可，而陸地上人類的高樓大廈與燈紅酒綠對其毫無意義。因此，同樣的事物，對不同物種的信息意義可以完全不同。人類（當然不是每個人）幾乎對世間的萬事萬物都感上了興趣——小到基本粒子，大到整個宇宙。因此，人類社會集聚的信息無可估量。
8. 信息的本質——沒有感知就沒有信息
沒有感知者，信息將無任何意義，而這個感知者就是生命。因此，在生命誕生之前，不可能有感知者及其主觀世界，隻有客觀世界中萬事萬物的存在、運動與變化等。地球上千千萬萬的物種，生活在形形色色的環境之中，以各自特有的方式感知著身邊的大千世界，它們不僅對同一信息的感知靈敏度不同，有時還可能形成完全不同的感覺信號。有些物種的個體其活動範圍一輩子也不會超過1m，而有些物種（如鳥類、洄遊性魚類）每年都要遷徙成千上萬公裏，它們對信息的感知範圍和模式會有天壤之別。
此外，即便是同一個物種，對信息的感知方式也是多種多樣的。譬如，人所能感知的信息可區分為視覺信息、聽覺信息、味覺信息、嗅覺信息、觸覺信息等（圖5），這些信息具有完全不同的性質，人體對它們的感知是通過不同的感覺器官來實現的。當然，我們現在對這些信息（如視覺信息）以什麼形式進行傳遞、在哪裡以及以什麼形式儲存、如何搜索與提取等問題幾乎是一無所知。而人類通過技術手段對景物的識別、圖像信息的存儲和傳輸都已十分成熟，但為何這在腦科學中就如此的步履艱難呢？
...圖5 五種基本的感覺器官（來源：謝平2017b）
大家各自使用專業領域的信息定義，亦無大礙，例如，香農的信息定義不也伴隨著網際網路通訊技術日新月異、突飛猛進過來了嗎？事實上，幾乎所有領域都會涉及信息，因此，要想囊括一切，就隻能下抽象的哲學定義了。但如果一定要給「信息」下一個既有一定普適性又不那麼抽象的定義的話，筆者呈上愚見：信息是生命的目的性產品，包括①生命係統中自動運行的內在信息（如遺傳信息、信息分子）、②人或其它生命所能感知或認識的一切事物（內部或外部、物質或精神、過去或現在、直接或間接、具體或抽象等）——它們的形式、關係、屬性及其運動變化的過程和規律等（如感知信息、認知信息）、以及③人類通過科學技術記錄、保存、傳播或創造的信息（如通訊信息、智能信息），但所有信息通過影響個體的生理、生態、行為或精神等服務於某些個體乃至種族的生存。一個係統（如生命係統、生態係統、控製係統、智能係統、社會係統或地球係統等）越複雜或組織程度越高，總體信息流量就越大。因此，物質、能量、場、負熵、有序性、變異度、結構等一切客觀對象或屬性都可以是人類或其它生命的信息，但撇開觀察者（或感知者）將信息定義為它們之一是不合適宜的。本文的定義亦涵括了香農的「信息是用來消除隨機不確定性的東西」以及維納的「信息是我們同環境進行互相交換的內容……是組織程度的度量」的思想。
世間的萬物都正在或將成為人的信息，技術使人類對信息的感知能力不斷提升——顯微鏡使我們觀看分子，望遠鏡助我們瞭望宇宙，無數專業科學家通過形形色色的精巧實驗使大自然的複雜關係一一暴露，為我們不斷增添新的認知信息，其結果，日新月異的科學與技術把我們的信息空間搞得熱鬧非凡，激情四射，又反過來促進人類社會科技與教育的突飛猛進，新的人際關係、人-地關係、經濟關係等使新信息層出不窮，繽紛光彩……這是一種正反饋，信息奔向無限……!
總之，與其它任何一種生命相比，人對自然界中物質或精神信息的感知範圍（時間與空間）、感知能力以及所創造的傳輸、儲存與加工技術等的先進性均是無與倫比的。人造的信息空間與技術（信息產業）已使有著數十億年積澱的大自然相形見絀！但切莫忘記，一切信息（包括人造的）都源自生命，無生命則無信息，這是一條永恆的法則！
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本文引用方式：
謝平（2017）世上若無生命，誰來感知信息？科學網
Xie P (2017) If not life in this world, who detects information? ScienceNet.cn
後記
9月25日在微信朋友圈傳來了一個驚人的消息：復旦大學生命科學學院的鐘揚教授在內蒙古鄂爾多斯市出差途中遭遇車禍，不幸逝世，享年53歲。我和鍾揚先生雖然不是交情很深的朋友，但早在20多年前就很熟悉，那時他還在中科院武漢植物研究所，自他調到復旦大學之後，見麵逐漸稀少，但偶爾也會碰到。在我的印象中，他對自己的事業總是那麼地充滿激情與夢想。對他的不幸罹難，十分痛惜。我一直琢磨著如何緬懷，考慮到鍾揚先生是一位生物信息學教授，就在十一長假期間，寫下拙作「世上若無生命，誰來感知信息？」，獻給這位英年早逝的生物信息學家，祭奠他那偉大的靈魂。
...據我所知，鍾揚教授主要研究植物分子進化和生物多樣性，在長達16年的援藏經歷中，收集了四千萬顆種子，可以存放100年至400年不等，他說，「我曾經有過許多夢想，那些夢想都在遙遠的地方，我獨自遠航，為了那些夢想。我堅信，一個基因可以為一個國家帶來希望，一粒種子可以造福萬千蒼生……任何生命都有結束的一天，但我毫不畏懼。因為我的學生，會將科學探索之路延續；而我們採集的種子，也許在幾百年後的某一天生根發芽，到那時，不知會完成多少人的夢想……」。鍾揚教授稱得上一個真真有理想、播種未來的學者！他的名言「不是傑出者才做夢，而是善夢者才傑出」是對他偉大一生的精闢詮釋！
...鍾揚——追尋生命高度播種科學未來
按現在的科學評價標準，鍾揚教授也許算不上一個所謂的「偉大」科學家，但他不計個人得失，懷揣崇高的夢想，在未知的科學道路上，不畏犧牲，披荊斬棘，艱苦探索，留下了希望的種子……因此，他的不幸罹難才得到了那麼多人的追思與緬懷，表明他已是科教界的精神楷模。
在目前的學術界，一些人追名逐利，低俗浮躁，一方麵熱衷於照貓畫虎取悅西方權威，另一方麵為了糊弄大眾而故弄玄虛，有的甚至猖狂造假，令人觸目驚心……本該靜謐的學術界卻熱鬧非凡，似乎陶醉於拜金主義和虛假主義的盛宴之中……在一些中小學校，物慾麵前師德底線岌岌可危——該教不教，巧立名目，天價補習，牟取暴利，學生家長不堪重負！師猶如此,生何以堪?
對鍾揚教授品德的欣賞與讚美，是社會呼喚科教界向無私奉獻、勇敢探索理性回歸的強烈信號！我們應該弘揚「播種未來」的鐘揚精神，以振興科教，實現中華民族偉大復興的中國夢！
附：常劍波先生悼念鍾揚教授詩詞一首（創作於2017年9月28日淩晨1:10分）
你西出陽關
像一個永遠的追夢少年
就此融入天地
守護時熵
你是塵世最後的風之子
懷揣孤獨的信念
收集種子
儲藏明天的希望
你握有解構生命信息的鑰匙
談笑風生中傳遞熱情
把深邃的心靈
送給沉睡的夢想
你飄然而去
留下了一堆科學的積木
應該有繼承者
去構建廳堂
你的故事
將如你的名字鐘聲遠揚
你的音容笑貌
地老天荒
