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走向21世紀的生命的科學(xué)與計算機科學(xué)與技術(shù)計算機科學(xué)與技術(shù) 房晨 08093444在高中時有一個學(xué)科叫生物，他是我在高中時喜歡的很少的學(xué)科中的一個，其中的一個很現(xiàn)實的原因，它是高考的一部分，并且自己很擅長學(xué)習(xí)生物知識，更重要的一個原因，自己在農(nóng)村長大，那份對自然的本真在高中三年地獄般的生活中顯得異常珍貴。考入大學(xué)后由于自己的專業(yè)原因，和生物科學(xué)的距離顯得已經(jīng)很遠了。在報選修課時看到了生命的科學(xué)這一學(xué)科，不禁又勾起了我的興趣，在最后的考核中，這篇論文的題目讓我好好的思考了自己現(xiàn)在的選擇與原來的興趣之間的關(guān)系，這也是我這次課程最大的收獲。生命的科學(xué)與計算機科學(xué)有什么聯(lián)系呢？剛聽到這個題目還真不知道有什么重要的聯(lián)系，仔細一想又有著千絲萬縷的聯(lián)系。千絲萬縷太多了，我這一篇小小的論文是寫不完的，那么我就從兩個方面闡述一下自己的觀點吧。計算機不變的本質(zhì)-工具首先我們了解一下計算機是什么。在百度百科中計算機的定義是這樣的，計算機是一種用于高速計算的電子計算機器，可以進行數(shù)值計算，又可以進行邏輯計算，還具有存儲記憶功能。計算機（Computer）是一種能夠按照事先存儲的程序，自動、高速地進行大量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。由硬件和軟件所組成，兩者是不可分割的。由此可以看出計算機是一種工具，而且是一種無比強大的工具。通常說到“世界公認的第一臺電子數(shù)字計算機”大多數(shù)人都認為是1946年面世的“ENIAC”，它主要是用于計算彈道。是由美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾電氣工程學(xué)院制造的，但它的體積龐大，占地面積170多平方米，重量約30噸，消耗近150千瓦的電力。顯然，這樣的計算機成本很高，使用不便。這個說法被計算機基礎(chǔ)教科書上普遍采用,事實上在1973年根據(jù)美國最高法院的裁定,最早的電子數(shù)字計算機,應(yīng)該是美國愛荷華州立大學(xué)的物理系副教授約翰阿坦那索夫和其研究生助手克利夫貝瑞(Clifford E. Berry ，1918-1963）于1939年10月制造的ABC(Atanasoff- Berry-Computer）。之所以會有這樣的誤會，是因為“ENIAC”的研究小組中的一個叫莫克利的人于1941年剽竊了約翰阿坦那索夫的研究成果，并在1946年時，申請了專利。由于種種原因直到1973年這個錯誤才被扭轉(zhuǎn)過來。（具體情況參閱百度百科-“約翰阿坦那索夫”詞條，希望大家記住ABC和約翰阿坦那索夫，希望以后的教科書能夠修改這個錯誤）。后來為了表彰和紀念約翰阿坦那索夫在計算機領(lǐng)域內(nèi)作出的偉大貢獻，1990年美國前總統(tǒng)布什授予約翰阿坦那索夫全美最高科技獎項-“國家科技獎”。1956年，晶體管電子計算機誕生了，這是第二代電子計算機。只要幾個大一點的柜子就可將它容下，運算速度也大大地提高了。1959年出現(xiàn)的是第三代集成電路計算機。最初的計算機由約翰馮諾依曼發(fā)明(那時電腦的計算能力相當(dāng)于現(xiàn)在的計算器)，有三間庫房那么大，后逐步發(fā)展而成。從20世紀70年代開始，這是電腦發(fā)展的最新階段。到1976年，由大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路制成的“克雷一號”，使電腦進入了第四代。超大規(guī)模集成電路的發(fā)明，使電子計算機不斷向著小型化、微型化、低功耗、智能化、系統(tǒng)化的方向更新?lián)Q代。20世紀90年代，電腦向“智能”方向發(fā)展，制造出與人腦相似的電腦，可以進行思維、學(xué)習(xí)、記憶、網(wǎng)絡(luò)通信等工作。進入21世紀，電腦更是筆記本化、微型化和專業(yè)化，每秒運算速度超過100萬次，不但操作簡易、價格便宜，而且可以代替人們的部分腦力勞動，甚至在某些方面擴展了人的智能。于是，今天的微型電子計算機就被形象地稱做電腦了。世界上第一臺個人電腦由IBM于1981年推出。IBM推出以英特爾的x86的硬體架構(gòu)及微軟公司的MS-DOS操作系統(tǒng)的個人電腦，并制定以PC/AT為PC的規(guī)格。之後由英特爾所推出的微處理器以及微軟所推出的操作系統(tǒng)發(fā)展幾乎等同于個人電腦的發(fā)展歷史。Wintel架構(gòu)全面取代了IBM在個人電腦主導(dǎo)的地位。計算機飛速的發(fā)展使它作為一種工具極大的推動了各個領(lǐng)域的科研發(fā)展，當(dāng)然也包括生命科學(xué)。生命科學(xué)是一門實驗的科學(xué)，計算機自投入應(yīng)用即在實驗科學(xué)中發(fā)揮著作用，承擔(dān)了大量實驗數(shù)據(jù)的存儲、處理以及分析，一些適合于不同類型生物學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理的軟件包紛紛問世，并為科研工作者所接受，這只是計算機在生命科學(xué)舞臺上的小角色，不足為奇。“人類基因組計劃”是二十世紀生命科學(xué)研究的重大舉措，可謂“主打劇”，計算機機在某種程度上是以聯(lián)合主演的身份與現(xiàn)代基因技術(shù)同領(lǐng)風(fēng)騷。從1988年開始實施的“人類基因組計劃”由美國倡導(dǎo)，世界范圍內(nèi)進行的，計劃15年內(nèi)投資30億美元，目的在于闡明人類染色體上的所有基因，繪制出基因圖譜，以期從基因水平增強對生命活動的理解，闡明疾病發(fā)生發(fā)展的機制，更有效地提高疾病防治水平。據(jù)估計，人類基因總數(shù)5-10萬左右，而每個基因又有其獨特的堿基組成；這些必要要借助計算機才有有效地存儲，并隨時調(diào)出，分析比較，美國在巴爾的摩的約翰斯霍普金斯大學(xué)建立了一個完整的計算機網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，用以存儲全世界基因研究的成果，計算機在此項中的作用不僅僅是存儲、記憶的工具，在研究分析基因活動時，實驗設(shè)計同樣離不開計算機。計算機在制藥方面的應(yīng)用或許更能說明其在生命科學(xué)領(lǐng)域更具實用性的意義。生物制藥作為二十一世紀的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展勢頭銳不可擋。隨著我國關(guān)貿(mào)總協(xié)定締約國地位的即將恢復(fù)以及藥物專利法的實施，對新藥研究的投入勢必要加大力度。有關(guān)專家指出，不重視與新藥有關(guān)的基礎(chǔ)研究，就不可能使我國落后的新藥研究走向國際競爭的前列。例如，有些藥物發(fā)揮必須通過一種叫作“配體受體”相結(jié)合的途徑，藥物本身作為配體，而受體則是機體細胞表面或內(nèi)部的特殊的大分子物質(zhì)。很顯然，清晰地揭示受體的結(jié)構(gòu)功能對闡明藥物的作用機制非常重要?？茖W(xué)家利用計算機模擬受體的三維結(jié)構(gòu)，以計算機模擬方法研究受體與配體的相互關(guān)系，提出更佳的配體設(shè)計方案，為新的高選擇性配體及新藥研究開辟了新途徑。國際上一些頗具實力的大企業(yè)或研究所常把從事計算機分子設(shè)計的計算機專家、研究結(jié)構(gòu)化學(xué)、分子藥理的化學(xué)、生物學(xué)專家聯(lián)合起來，共同進行新藥的設(shè)計、開發(fā)?！吧钏{”的老家公司，已和世界上最大規(guī)模的藥物研究實驗室簽訂了合作協(xié)議，使用RS/6000超級并行計算機進行藥物設(shè)計，此舉可將一種新藥的硬拼工發(fā)時間從目前的十五年縮短二至三年，意味能拯救更多為病痛折磨的生命。在生命科學(xué)領(lǐng)域，新成果的誕生常伴隨著技術(shù)上的突破。近幾十年計算機技術(shù)的參與催生了多項先進、便捷的技術(shù)手段和技術(shù)設(shè)施。計算機技術(shù)對生命科學(xué)的推動作用加速了生命科學(xué)的進步，反之，生命科學(xué)的成果亦能招致計算機技術(shù)的革命。生命科學(xué)下計算機新生兒-生物計算機人類有一門學(xué)科叫仿生學(xué)，即通過對自然界生物特性的研究與模仿，來達到為人類社會更好地服務(wù)的目的。典型的例子如，通過研究蜻蜓的飛行制造出了直升機；對青蛙眼睛的表面“視而不見”，實際“明察秋毫”的認識，研制出了電子蛙眼；對蒼蠅飛行的研究，仿制出一種新型導(dǎo)航儀振動陀螺儀，它能使飛機和火箭自動停止危險的“跟頭”飛行，當(dāng)飛機強烈傾斜時，能自動得以平衡，使飛機在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時也萬無一失；對蝙蝠沒有視力，靠發(fā)出超聲波來定向飛行的特性研究，制造出了雷達、超聲波定向儀等；對“變色龍”的研究，產(chǎn)生了隱身科學(xué)和保護色的應(yīng)用仿生學(xué)同樣可應(yīng)用到計算機領(lǐng)域中?？茖W(xué)家通過對生物組織體研究，發(fā)現(xiàn)組織體是由無數(shù)的細胞組成，細胞由水、鹽、蛋白質(zhì)和核酸等有機物組成，而有些有機物中的蛋白質(zhì)分子像開關(guān)一樣，具有“開”與“關(guān)”的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術(shù)，仿制出這種蛋白質(zhì)分子，用來作為元件制成計算機?？茖W(xué)家把這種計算機叫做生物計算機。生物計算機主要是以生物電子元件構(gòu)建的計算機。它利用蛋白質(zhì)有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子作元件從而制成的生物芯片。其性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關(guān)速度來決定的。用蛋白質(zhì)制成的計算機芯片，它的一個存儲點只有一個分子大小，所以它的存儲容量可以達到普通計算機的十億倍。由蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路，其大小只相當(dāng)于硅片集成電路的十萬分之一。而且運行速度更快，只有10-11秒，大大超過人腦的思維速度。在科幻電影變形金剛中有這么一段場景，當(dāng)美國軍方網(wǎng)絡(luò)被入侵后，五角大樓搜羅了全美國的電腦高手分析是誰能做到在5分鐘內(nèi)突破美國的軍方防火墻，在分析毫無頭緒時一個人站出來說世界上沒有一臺電腦可以做到，除非是一種超級先進的生物計算機，由此可見生物計算機的運算速度與現(xiàn)在的普通意義的計算機之間的差距。生物計算機有很多優(yōu)點，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，它體積小，功效高。在一平方毫米的面積上，可容納幾億個電路，比目前的集成電路小得多，用它制成的計算機，已經(jīng)不像現(xiàn)在計算機的形狀了，可以隱藏在桌角、墻壁或地板等地方。 生物計算機其次，當(dāng)我們在運動中，不小心碰傷了身體，有的上點兒藥，有的年輕人甚至藥都不上，過幾天，傷口就愈合了。這是因為人體具有自我修復(fù)功能。同樣，生物計算機也有這種功能，當(dāng)它的內(nèi)部芯片出現(xiàn)故障時，不需要人工修理，能自我修復(fù)，所以，生物計算機具有永久性和很高的可靠性。再者，生物計算機的元件是由有機分子組成的生物化學(xué)元件，它們是利用化學(xué)反應(yīng)工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了，因此，不會像電子計算機那樣，工作一段時間后，機體會發(fā)熱，而它的電路間也沒有信號干擾。1983年，美國公布了研制生物計算機的設(shè)想之后，立即激起了發(fā)達國家的研制熱潮。當(dāng)前，美國、日本、德國和俄羅斯的科學(xué)家正在積極開展生物芯片的開發(fā)研究。從1984年開始，日本每年用于研制生物計算機的科研投資為86億日元。目前，生物芯片仍處于研制階段，但在生物元件，特別是在生物傳感器的研制方面已取得不少實際成果。這將會促使計算機、電子工程和生物工程這三個學(xué)科的專家通力合作，加快研究開發(fā)生物芯片。生物計算機一旦研制成功，可能會在計算機領(lǐng)域內(nèi)引起一場劃時代的革命。生物計算機是以生物界處理問題的方式為模型的計算機。目前主要有：生物分子或超分子芯片、自動機模型、仿生算法、生物化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類型。計算機工業(yè)在近幾十年內(nèi)飛速發(fā)展，其速度令人瞠目。然而目前晶體管的密度已