走向21世紀(jì)的生命的科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù).doc

走向21世紀(jì)的生命的科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 房晨 08093444在高中時(shí)有一個(gè)學(xué)科叫生物，他是我在高中時(shí)喜歡的很少的學(xué)科中的一個(gè)，其中的一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的原因，它是高考的一部分，并且自己很擅長(zhǎng)學(xué)習(xí)生物知識(shí)，更重要的一個(gè)原因，自己在農(nóng)村長(zhǎng)大，那份對(duì)自然的本真在高中三年地獄般的生活中顯得異常珍貴?？既氪髮W(xué)后由于自己的專(zhuān)業(yè)原因，和生物科學(xué)的距離顯得已經(jīng)很遠(yuǎn)了。在報(bào)選修課時(shí)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(lái)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(jì)算機(jī)科學(xué)有什么聯(lián)系呢？剛聽(tīng)到這個(gè)題目還真不知道有什么重要的聯(lián)系，仔細(xì)一想又有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。千絲萬(wàn)縷太多了，我這一篇小小的論文是寫(xiě)不完的，那么我就從兩個(gè)方面闡述一下自己的觀點(diǎn)吧。計(jì)算機(jī)不變的本質(zhì)-工具首先我們了解一下計(jì)算機(jī)是什么。在百度百科中計(jì)算機(jī)的定義是這樣的，計(jì)算機(jī)是一種用于高速計(jì)算的電子計(jì)算機(jī)器，可以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，又可以進(jìn)行邏輯計(jì)算，還具有存儲(chǔ)記憶功能。計(jì)算機(jī)（Computer）是一種能夠按照事先存儲(chǔ)的程序，自動(dòng)、高速地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)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(jì)算機(jī)是一種工具，而且是一種無(wú)比強(qiáng)大的工具。通常說(shuō)到“世界公認(rèn)的第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)”大多數(shù)人都認(rèn)為是1946年面世的“ENIAC”，它主要是用于計(jì)算彈道。是由美國(guó)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(jì)算機(jī)成本很高，使用不便。這個(gè)說(shuō)法被計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教科書(shū)上普遍采用,事實(shí)上在1973年根據(jù)美國(guó)最高法院的裁定,最早的電子數(shù)字計(jì)算機(jī),應(yīng)該是美國(guó)愛(ài)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(huì)有這樣的誤會(huì)，是因?yàn)椤癊NIAC”的研究小組中的一個(gè)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(shí)，申請(qǐng)了專(zhuān)利。由于種種原因直到1973年這個(gè)錯(cuò)誤才被扭轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。（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(shū)能夠修改這個(gè)錯(cuò)誤）。后來(lái)為了表彰和紀(jì)念約翰阿坦那索夫在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)作出的偉大貢獻(xiàn)，1990年美國(guó)前總統(tǒng)布什授予約翰阿坦那索夫全美最高科技獎(jiǎng)項(xiàng)-“國(guó)家科技獎(jiǎng)”。1956年，晶體管電子計(jì)算機(jī)誕生了，這是第二代電子計(jì)算機(jī)。只要幾個(gè)大一點(diǎn)的柜子就可將它容下，運(yùn)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(jì)算機(jī)。最初的計(jì)算機(jī)由約翰馮諾依曼發(fā)明(那時(shí)電腦的計(jì)算能力相當(dāng)于現(xiàn)在的計(jì)算器)，有三間庫(kù)房那么大，后逐步發(fā)展而成。從20世紀(jì)70年代開(kāi)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(hào)”，使電腦進(jìn)入了第四代。超大規(guī)模集成電路的發(fā)明，使電子計(jì)算機(jī)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(jì)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(jìn)行思維、學(xué)習(xí)、記憶、網(wǎng)絡(luò)通信等工作。進(jìn)入21世紀(jì)，電腦更是筆記本化、微型化和專(zhuān)業(yè)化，每秒運(yùn)算速度超過(guò)100萬(wàn)次，不但操作簡(jiǎn)易、價(jià)格便宜，而且可以代替人們的部分腦力勞動(dòng)，甚至在某些方面擴(kuò)展了人的智能。于是，今天的微型電子計(jì)算機(jī)就被形象地稱(chēng)做電腦了。世界上第一臺(tái)個(gè)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(gè)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(gè)人電腦的發(fā)展歷史。Wintel架構(gòu)全面取代了IBM在個(gè)人電腦主導(dǎo)的地位。計(jì)算機(jī)飛速的發(fā)展使它作為一種工具極大的推動(dòng)了各個(gè)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(mén)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，計(jì)算機(jī)自投入應(yīng)用即在實(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)的存儲(chǔ)、處理以及分析，一些適合于不同類(lèi)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，這只是計(jì)算機(jī)在生命科學(xué)舞臺(tái)上的小角色，不足為奇。“人類(lèi)基因組計(jì)劃”是二十世紀(jì)生命科學(xué)研究的重大舉措，可謂“主打劇”，計(jì)算機(jī)機(jī)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(kāi)始實(shí)施的“人類(lèi)基因組計(jì)劃”由美國(guó)倡導(dǎo)，世界范圍內(nèi)進(jìn)行的，計(jì)劃15年內(nèi)投資30億美元，目的在于闡明人類(lèi)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(qiáng)對(duì)生命活動(dòng)的理解，闡明疾病發(fā)生發(fā)展的機(jī)制，更有效地提高疾病防治水平。據(jù)估計(jì)，人類(lèi)基因總數(shù)5-10萬(wàn)左右，而每個(gè)基因又有其獨(dú)特的堿基組成；這些必要要借助計(jì)算機(jī)才有有效地存儲(chǔ)，并隨時(shí)調(diào)出，分析比較，美國(guó)在巴爾的摩的約翰斯霍普金斯大學(xué)建立了一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)，用以存儲(chǔ)全世界基因研究的成果，計(jì)算機(jī)在此項(xiàng)中的作用不僅僅是存儲(chǔ)、記憶的工具，在研究分析基因活動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)同樣離不開(kāi)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)在制藥方面的應(yīng)用或許更能說(shuō)明其在生命科學(xué)領(lǐng)域更具實(shí)用性的意義。生物制藥作為二十一世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，發(fā)展勢(shì)頭銳不可擋。隨著我國(guó)關(guān)貿(mào)總協(xié)定締約國(guó)地位的即將恢復(fù)以及藥物專(zhuān)利法的實(shí)施，對(duì)新藥研究的投入勢(shì)必要加大力度。有關(guān)專(zhuān)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(guó)落后的新藥研究走向國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的前列。例如，有些藥物發(fā)揮必須通過(guò)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(jī)體細(xì)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(duì)闡明藥物的作用機(jī)制非常重要?？茖W(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。國(guó)際上一些頗具實(shí)力的大企業(yè)或研究所常把從事計(jì)算機(jī)分子設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)專(zhuān)家、研究結(jié)構(gòu)化學(xué)、分子藥理的化學(xué)、生物學(xué)專(zhuān)家聯(lián)合起來(lái)，共同進(jìn)行新藥的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)?！吧钏{(lán)”的老家公司，已和世界上最大規(guī)模的藥物研究實(shí)驗(yàn)室簽訂了合作協(xié)議，使用RS/6000超級(jí)并行計(jì)算機(jī)進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)，此舉可將一種新藥的硬拼工發(fā)時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)的參與催生了多項(xiàng)先進(jìn)、便捷的技術(shù)手段和技術(shù)設(shè)施。計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生命科學(xué)的推動(dòng)作用加速了生命科學(xué)的進(jìn)步，反之，生命科學(xué)的成果亦能招致計(jì)算機(jī)技術(shù)的革命。生命科學(xué)下計(jì)算機(jī)新生兒-生物計(jì)算機(jī)人類(lèi)有一門(mén)學(xué)科叫仿生學(xué)，即通過(guò)對(duì)自然界生物特性的研究與模仿，來(lái)達(dá)到為人類(lèi)社會(huì)更好地服務(wù)的目的。典型的例子如，通過(guò)研究蜻蜓的飛行制造出了直升機(jī)；對(duì)青蛙眼睛的表面“視而不見(jiàn)”，實(shí)際“明察秋毫”的認(rèn)識(shí)，研制出了電子蛙眼；對(duì)蒼蠅飛行的研究，仿制出一種新型導(dǎo)航儀振動(dòng)陀螺儀，它能使飛機(jī)和火箭自動(dòng)停止危險(xiǎn)的“跟頭”飛行，當(dāng)飛機(jī)強(qiáng)烈傾斜時(shí)，能自動(dòng)得以平衡，使飛機(jī)在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時(shí)也萬(wàn)無(wú)一失；對(duì)蝙蝠沒(méi)有視力，靠發(fā)出超聲波來(lái)定向飛行的特性研究，制造出了雷達(dá)、超聲波定向儀等；對(duì)“變色龍”的研究，產(chǎn)生了隱身科學(xué)和保護(hù)色的應(yīng)用仿生學(xué)同樣可應(yīng)用到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中?？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)”與“關(guān)”的功能。因此，人類(lèi)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)作為元件制成計(jì)算機(jī)。科學(xué)家把這種計(jì)算機(jī)叫做生物計(jì)算機(jī)。生物計(jì)算機(jī)主要是以生物電子元件構(gòu)建的計(jì)算機(jī)。它利用蛋白質(zhì)有開(kāi)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(kāi)關(guān)速度來(lái)決定的。用蛋白質(zhì)制成的計(jì)算機(jī)芯片，它的一個(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)只有一個(gè)分子大小，所以它的存儲(chǔ)容量可以達(dá)到普通計(jì)算機(jī)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(wàn)分之一。而且運(yùn)行速度更快，只有10-11秒，大大超過(guò)人腦的思維速度。在科幻電影變形金剛中有這么一段場(chǎng)景，當(dāng)美國(guó)軍方網(wǎng)絡(luò)被入侵后，五角大樓搜羅了全美國(guó)的電腦高手分析是誰(shuí)能做到在5分鐘內(nèi)突破美國(guó)的軍方防火墻，在分析毫無(wú)頭緒時(shí)一個(gè)人站出來(lái)說(shuō)世界上沒(méi)有一臺(tái)電腦可以做到，除非是一種超級(jí)先進(jìn)的生物計(jì)算機(jī)，由此可見(jiàn)生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度與現(xiàn)在的普通意義的計(jì)算機(jī)之間的差距。生物計(jì)算機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(gè)電路，比目前的集成電路小得多，用它制成的計(jì)算機(jī)，已經(jīng)不像現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的形狀了，可以隱藏在桌角、墻壁或地板等地方。 生物計(jì)算機(jī)其次，當(dāng)我們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中，不小心碰傷了身體，有的上點(diǎn)兒藥，有的年輕人甚至藥都不上，過(guò)幾天，傷口就愈合了。這是因?yàn)槿梭w具有自我修復(fù)功能。同樣，生物計(jì)算機(jī)也有這種功能，當(dāng)它的內(nèi)部芯片出現(xiàn)故障時(shí)，不需要人工修理，能自我修復(fù)，所以，生物計(jì)算機(jī)具有永久性和很高的可靠性。再者，生物計(jì)算機(jī)的元件是由有機(jī)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(huì)像電子計(jì)算機(jī)那樣，工作一段時(shí)間后，機(jī)體會(huì)發(fā)熱，而它的電路間也沒(méi)有信號(hào)干擾。1983年，美國(guó)公布了研制生物計(jì)算機(jī)的設(shè)想之后，立即激起了發(fā)達(dá)國(guó)家的研制熱潮。當(dāng)前，美國(guó)、日本、德國(guó)和俄羅斯的科學(xué)家正在積極開(kāi)展生物芯片的開(kāi)發(fā)研究。從1984年開(kāi)始，日本每年用于研制生物計(jì)算機(jī)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(shí)際成果。這將會(huì)促使計(jì)算機(jī)、電子工程和生物工程這三個(gè)學(xué)科的專(zhuān)家通力合作，加快研究開(kāi)發(fā)生物芯片。生物計(jì)算機(jī)一旦研制成功，可能會(huì)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)引起一場(chǎng)劃時(shí)代的革命。生物計(jì)算機(jī)是以生物界處理問(wèn)題的方式為模型的計(jì)算機(jī)。目前主要有：生物分子或超分子芯片、自動(dòng)機(jī)模型、仿生算法、生物化學(xué)反應(yīng)算法等幾種類(lèi)型。計(jì)算機(jī)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