生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)

1、生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，新興學(xué)科、交叉學(xué)科不斷涌現(xiàn)，科技進(jìn)步 對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響作用日益廣泛和深刻。伴隨著信息科技革命方興未艾的浪潮，生 命科學(xué)的發(fā)展也正在展現(xiàn)出無(wú)町限量的前景。生命科學(xué)是一門(mén)對(duì)各種 生命形式進(jìn)行 研究和探秘的學(xué)科，它不同于我們以往學(xué)習(xí)的生物，生物只是生 命科學(xué)所涉及的其 中一個(gè)方面，而生命科學(xué)研究多個(gè)層次和各種生命形式 ，并 對(duì)其進(jìn)行科學(xué)性分析和探討。越來(lái)越多的人們已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到，一個(gè)生命科學(xué)的新紀(jì)元 即將來(lái)臨，21世紀(jì)將是生命科學(xué)的迅猛發(fā)展的時(shí)代。如今現(xiàn)代生物技術(shù)廣 泛應(yīng)用于 農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥與健康、能源、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，對(duì)科技發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)產(chǎn) 生

2、極其重要而深遠(yuǎn)的影響。在現(xiàn)代社會(huì)中，生命科學(xué)與人們生活息息相關(guān)，成為了備受人們關(guān)注的一門(mén)科 學(xué)。生命科學(xué)在日常生活中應(yīng)用廣泛，無(wú)論是DNA檢驗(yàn)還是血型判斷，或 是疾病治 療，都離不開(kāi)生命科學(xué)的具體應(yīng)用。然而，倘若單單依靠生命科學(xué)，生命科學(xué)不可 能飛速發(fā)展到如此地步，也明顯不足以滿足和實(shí)現(xiàn)人們的各種需 求。顯然，生命科 學(xué)的發(fā)展與其他學(xué)科或技術(shù)的輔助密不可分 ，而我的專業(yè)是 計(jì)算機(jī)，所以就讓我來(lái)探討一下生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)之間的聯(lián)系 。就以DNA為例。1925年，微生物學(xué)家沃森和克里克宣布他們已經(jīng)解決了現(xiàn)代生 物學(xué)最重要的問(wèn)題，破譯出了隱藏在DNA分子結(jié)構(gòu)中的遺傳密碼” o在我 看來(lái)，密信息的編

3、碼”這個(gè)詞匯用的相當(dāng)巧妙，令人馬上聯(lián)想到信息論中的 碼”，而且還令人想到英國(guó)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)的用途 一一破譯德國(guó)的密碼。DNA分 子結(jié)構(gòu)是密碼，計(jì)算機(jī)卻是破解密碼的工具，這似乎在揭示著生物學(xué)與計(jì)算機(jī)從很 早開(kāi)始便有著不解之緣。不久DNA分子就被普遍認(rèn)為是某種微型控制論機(jī)器，它們儲(chǔ)藏并處理極微 小單 位的、經(jīng)過(guò)化學(xué)編碼的信息。據(jù)稱，這些經(jīng)過(guò)編碼的信息控制著生物體復(fù)制的不連 續(xù)的過(guò)程，當(dāng)載有全部編碼的兩條螺旋體被解開(kāi)，攜帶的信息將按儲(chǔ)存單位一段段 地解讀，如同計(jì)算機(jī)的記憶存儲(chǔ)器解讀其中的字符串一樣。雖然實(shí)際上DNA的程序”遠(yuǎn)沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，但在新生物學(xué)”突破的初期，控制 論和生物學(xué)找到了共同的基礎(chǔ)。在隨

4、后的時(shí)間里，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的用語(yǔ)總和 生物學(xué)語(yǔ) 言息息相關(guān)，或者互作比喻。反饋”、病毒”、人工智能”、記憶”,甚至語(yǔ)言” 等等諸如此類的大量的擬人化的詞匯成為了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的基本術(shù)語(yǔ)。由此看來(lái)，生 命科學(xué)深刻地影響了計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)有著超強(qiáng)大腦”，能快速有效地解決各種問(wèn)題，而且計(jì)算機(jī)因其處理速 度不斷得到發(fā)展提高而被賦予了進(jìn)化論的解釋，計(jì)算機(jī)似乎成為了地球上新的物 種”，一種會(huì)同人類進(jìn)行 共生的進(jìn)化”的智慧物種”，仿佛變成了生命科學(xué)的一部 分。另一方面，計(jì)算機(jī)科學(xué)也對(duì)生命科學(xué)的發(fā)展起著重要作用 。生命科學(xué)是一 門(mén)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，計(jì)算機(jī)自投入應(yīng)用以來(lái)即在實(shí)驗(yàn)科學(xué)中發(fā)揮著作用，承擔(dān)了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存

5、儲(chǔ)、處理以及分析，一些適合于不同類型生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 的軟 件包紛紛問(wèn)世，并為科研工作者所接受，為科研人員的實(shí)驗(yàn)提供了巨大方便。計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)兩個(gè)分支為分子生物學(xué)提供了其必需的高性能計(jì)算平臺(tái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為其創(chuàng)建了高帶寬的分布式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，算法研究和軟件工程則直接涉及分子生物學(xué)工具與應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) ，數(shù) 據(jù)庫(kù)技術(shù)為生物學(xué)信息的存儲(chǔ)檢索提供了有效手段。計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)為存儲(chǔ)生物實(shí) 驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)提供了條件，而研究生命科學(xué)所做的實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)往 往是無(wú)比 龐大和繁雜的，單靠人工處理數(shù)據(jù)幾乎是不可能的，計(jì)算機(jī)則能夠快 速高效準(zhǔn)確的 對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而給出你想

6、要的結(jié)果。生物制藥是21世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)模擬受體的三維結(jié)構(gòu)，以計(jì) 算機(jī)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(jì)方案，為新的高選擇性配體及新藥研究開(kāi)辟了新途徑。這便是生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)完美融合的 結(jié)果。另外，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)理論與圖像處理技術(shù)進(jìn)行DNA或蛋白質(zhì)分子的三維 建模顯示也是一個(gè)重要的應(yīng)用方向，因?yàn)榛驕y(cè)序所得到的只是關(guān)于基因中核昔酸 排列的線性信息，如果搞清楚相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)必然能為研究人員提供更多的功能信 息，尤其是蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)不同，可能導(dǎo)致其功能的差異。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)制造生命科學(xué)所需的儀器更是層出不窮，其中包括聚合酶鏈 反應(yīng)儀，計(jì)算機(jī)斷層掃描儀、核磁

7、共振儀、流式細(xì)胞儀、激光共聚焦顯微 鏡、顯微 操作等等。生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)的前景都一片光明，而目前非常有發(fā)展前景的項(xiàng)目就是生物 計(jì)算機(jī)了，它是計(jì)算機(jī)在生命科學(xué)的催生下誕生的嬰兒。仿生學(xué)是人類中的一門(mén)學(xué)科，通過(guò)對(duì)自然界生物特性的研究與模仿，來(lái)達(dá)到為人類社會(huì)更好地 服務(wù) 的目的，而這一學(xué)科被應(yīng)用到了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?？茖W(xué)家通過(guò)對(duì)生物組織體研 究，發(fā)現(xiàn) 組織體是由無(wú)數(shù)的細(xì)胞組成，細(xì)胞由水、鹽、蛋白質(zhì)和核酸等有機(jī)物 組成，而有些有機(jī)物中的蛋白質(zhì)分子像開(kāi)關(guān)一樣，具有開(kāi)”和關(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(lái)作為元件制成生物 計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)的芯片是用蛋白質(zhì)制成的，它的一個(gè)存儲(chǔ)

8、點(diǎn)只有一個(gè)分子大 小，它的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到普通計(jì)算機(jī)的十億倍，而由蛋白質(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(wàn)分之一，運(yùn)行速度更快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人腦的速度。如果生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)能更緊密地聯(lián)系起來(lái),進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和研究關(guān)于生物計(jì)算機(jī)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生物計(jì)算機(jī)的偉大功能，那么未來(lái)的生物科學(xué)領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都會(huì)掀起一場(chǎng)劃時(shí)代的革命。目前地球上存在的物種數(shù)不勝數(shù)，而且有很大部分是不為人們所熟知的，當(dāng)面對(duì)出現(xiàn)在眼前的不明物種時(shí)，人們應(yīng)該如何反應(yīng)呢？不敢輕易靠近，擔(dān)心 它是 有毒物種，也不敢隨便無(wú)視、置之不理，擔(dān)心它是國(guó)家級(jí)保護(hù)動(dòng)物，如果這時(shí)能用 手機(jī)輕輕一拍，然后屏幕就可以出現(xiàn)有關(guān)這個(gè)生物的詳細(xì)信息，那就 最好了。因 此，這需要生物學(xué)者把現(xiàn)存收集到的世界上的所有生物資料上傳到網(wǎng)絡(luò)或數(shù)據(jù)庫(kù) 中，而手機(jī)需要有精確的識(shí)別功能，在識(shí)別過(guò)程中與生物資料的存放位置形成一個(gè) 鏈接，查找照片上的生物的具體信息。計(jì)算機(jī)的技術(shù)能使生命科學(xué)大大的平民化和 實(shí)用化，為人們?nèi)粘Ｉ钐峁┍憷？偟膩?lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)技術(shù)加速了生命科學(xué)的進(jìn)步，生命科學(xué)的成果能招致計(jì)算機(jī)技術(shù)的革命，生命科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)相輔相成，關(guān)系密不可分。隨著生物 學(xué)的 深入發(fā)展，計(jì)算機(jī)在研究中的應(yīng)用顯得越來(lái)越重