[论文解读] Photonic Communications and Information Encoding in Biological Systems

S. Mayburov|arXiv (Cornell University)|May 18, 2012

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文提出，泥鳅鱼卵发出的生物光子通过准周期性光子脉冲实现细胞间通讯，其信息通过脉冲间的时序间隔编码，方式类似于数字-时间-模拟（DTA）编码。关键发现是，时序模式——尤其是脉冲间隔——表现出有结构的、与年龄相关的变异，表明这是一种非随机、富含信息的信号机制，与基于振幅的阈值机制截然不同。

ABSTRACT

The structure of optical radiation emitted by the samples of loach fish eggs is studied. It was found earlier that such radiation perform the communications between distant samples, which result in the synchronization of their development. The photon radiation in form of short quasi-periodic bursts was observed for fish and frog eggs, hence the communication mechanism can be similar to the exchange of binary encoded data in the computer nets via the noisy channels. The data analysis of fish egg radiation demonstrates that in this case the information encoding is similar to the digit to time analogue algorithm.

研究动机与目标

• 调查鱼卵发出的生物光子是否携带结构化、富含信息的信号，而非随机噪声。
• 确定发育信息在生物光子脉冲时间结构中的编码机制。
• 评估脉冲的时序（脉冲间隔）而非振幅是否为主要的信息载体。
• 探讨该信号机制对生物系统中细胞间通讯和形态发生的影响。

提出的方法

• 分析不同发育阶段（8–11、12–16、30–34）泥鳅鱼卵生物光子发射的光电倍增管时间序列数据。
• 对不同发育阶段的脉冲间隔（T）、振幅（I）及分布进行统计检验，以识别重复模式。
• 比较不同发育阶段的脉冲间隔分布，检测其结构上的相似性与差异性。
• 通过比较光滑与粗糙石英板下细胞有丝分裂反应，评估相干性效应，以检验辐射场的相位相干性。
• 应用量子光学中的光子计数制度来模拟生物系统中的单光子探测。
• 采用数字-时间-模拟（DTA）编码模型，将脉冲的时间结构解释为一种信息编码形式。

实验结果

研究问题

• RQ1 鱼卵生物光子脉冲的时间模式是否表现出非随机、有结构的特征，表明存在信息编码？
• RQ2 生物光子发射中的信息是否主要编码在脉冲时序（脉冲间隔）而非振幅中？
• RQ3 鱼卵不同发育阶段的生物光子发射统计特性如何变化？
• RQ4 所观察到的信号机制能否用类似于电子系统中使用的数字-时间-模拟（DTA）编码模型来解释？
• RQ5 发射光场的相干性在多大程度上影响细胞间通讯的效率？

主要发现

• 8–11、12–16和30–34发育阶段鱼卵的脉冲间隔（T）分布表现出显著的非随机结构，具有明显的峰值，表明存在有序的信号传递。
• 8–11阶段T分布中最大的三个峰值大致呈1:2:4比例，提示存在谐波或递归性的时间模式。
• 尽管各阶段脉冲数量相近，但30–34阶段的平均脉冲振幅（I）比早期阶段高出15–20%，表明存在发育调控。
• 振幅（I）分布的重叠程度大于间隔（T）分布的重叠，暗示时序是更具区分力的信号特征。
• T分布中存在大而统计显著的峰值——特别是从5秒到6秒、10.3秒到10.8秒的跃迁——表明存在动态的、与年龄相关的信号编码。
• 相干与非相干光子传输实验显示，光滑石英条件下有丝分裂率提高45%，而非光滑石英条件下仅提高20%，支持光场相干性在信号效率中的作用。