程序分析法-信息科学与生命科学的基本方法解析(共12页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上第25卷,第6期 科学技术与辩证法Vo.l25 No.6 2008年12月 Sc ience,Technology and D ia l e ctics Dec.,2008程序分析法信息科学与生命科学的基本方法杨玉辉(西南大学政治与公共管理学院,重庆北碚摘 要:程序分析法就是以程序为分析研究的基本对象的研究方法。探讨计算机和生命体的程序结构及其运作规律的程序分析法是信息科学和生命科学研究的基本方法。程序分析法的基本内容主要包括对程序的结构、信息的存在形式和运行模式、程序的启动、程序的运行、程序的终止、程序的功能作用等六个方面的分析和研究。计算机信息科学对计算机工作原理的揭示应以计算机程序的分析研究为核心;生命科学对遗传的机制和原理、体液调节功能的机制和原理以及神经系统和脑的工作原理的揭示应以遗传程序、体液程序和神经程序的分析研究为核心。关键词:程序分析法;信息科学;生命科学;基本方法;基本内容中图分类号:N02 文献标识码:A 文章编号:1003-5680(-0011-05随着信息科学和生命科学的发展,程序已经成为其最核心的范畴。然而如何来认识和研究信息系统和生命系统中的程序问题,是否可以提供一个基本的方法和规范,这已经成为人们越来越关心的问题,当然它也是影响信息科学和生命科学发展的一个重大问题。作者通过长期的研究,找到了研究和考察程序的基本方法,这就是程序分析法,本文拟对有关这一方法的几个基本问题做一个简要的讨论,以就教于大家。一 程序分析法及其在信息科学与生命科学中的核心地位所谓程序分析法,即以程序为分析研究的基本对象和基本单元,以揭示程序的结构和运作规律,探讨程序的功能作用,并进而寻求建构新的程序以及完善和改造程序的途径与手段为目的的研究方法。程序研究可以围绕两个目的进行,一是对现有程序的认知,揭示现有程序的结构与运行规律;二是新程序的建构和改进,探讨新程序的结构和运行模式。目前对生命体中各种生理程序的研究多是围绕前一目的进行的;而对计算机和网络中的许多程序的研究则多是围绕后一目的进行的。但不管是哪一种目的,其对程序的分析研究在内容和方法上都是一致的,所使用的方法都可以归入程序分析法的范畴。信息科学和生命科学到底应该采用什么方法研究,这并不是一个问题,真正的问题是到底哪种方法更能把握信息科学和生命科学所研究的计算机和生命体的本质和规律,更能找到相关问题解决的科学而合理的措施和方法。不容否认,现有的信息科学和生命科学方法都在一定程度上起到了作用,但我认为这些作用还不是根本的,所以这些方法也都还不足以成为最具决定性意义的基本方法。那么什么方法才是信息科学和生命科学研究的基本方法呢?我认为只能是程序分析法。程序分析法之所以是信息科学和生命科学的基本方法,是因为它是围绕计算机和生命体的基本工作原理 程序原理来进行研究的,而这一原理的揭示正是认识和解决各种信息科学和生命科学问题的关键和核心所在。应该说,在今天的科学界,人们对计算机功能活收稿日期! 2008-06-30作者简介! 杨玉辉(1958-,男,四川德阳人,教授,哲学博士,研究方向为现代自然观与科学方法论,科学与宗教关系。11动的程序特征的认识是比较清楚的,虽然在一些基本问题的认识上还存在一些偏差,但在具体的研究中总能够做到从信息和程序的角度来思考问题,因而也能够通过其实际的探索促进信息科学的迅速发展。然而对生命体功能活动的程序实质的认识则不是那么清楚了。长期以来,人们对生命体的研究都是偏重于从物质层面进行考察,不仅在结构上强调以解剖学为基础的物质构成研究,而且在功能上重视的也主要是其物理化学特征和过程。虽然20世纪50年代以后人们已经从本质上揭示了遗传过程的信息特征,但对遗传功能的研究仍然是侧重在物质方面。对生命体的体液调节功能和神经调节功能的认识也基本上是着眼于它们的物理化学特性和过程的。由于没有看到生命体功能活动的程序实质,所以导致对生命体功能的研究长期以来都只能停留在一种物质基础研究和旁敲侧击考察的水平,无法进入其实质的把握。可以说,这也是生命技术长期无法得到迅速发展和运用的重要原因。事实上,不管是计算机还是生命体,其功能活动的原理都是一种程序原理,它们都是通过程序运作的方式来完成其各种功能活动的。程序是计算机和生命体完成其功能活动的基本方式,所以计算机和生命体的功能单位并不是那些单一的元件、部件或细胞、组织和器官,而是一个一个的程序系统。计算机和生命体都是通过预先建立相应的具有某种功能作用的程序以后,在需要的时候启动固有的程序,并通过程序的运行以产生相应的效应来完成其功能的。就计算机的工作原理来说,它是通过预先建立一个一个针对相应的任务或工作的计算机程序,然后在需要完成这种任务或工作的时候,通过启动和运作相应的程序将任务或工作完成。在生命体中,任何一个功能都对应着一个相应的程序,一个遗传性状的实现是由一个或一组遗传程序来实现的;一个生理或生化功能是由一个或一组体液程序来实现的;一个反应功能是由一个或一组神经程序来实现的。没有相应的程序或没有建立起相应的程序,机体就不可能具有相应的功能;而当完成这种功能的程序机制被破坏时,这种功能也就会产生障碍。所以研究机体的各种功能活动及其规律,实质上也就是去研究完成这种功能的程序机制,只有把它们的程序机制搞清楚了,对机体的相关功能也就把握了。这也是今天生命科学研究的核心内容。对生命体来说,其功能活动的进行都是通过遗传发育和后天训练所建立起来的包括遗传程序、体液程序和神经程序在内的各种功能程序来实现的。例如,遗传功能的完成是通过固有的遗传程序的运作来实现的,当机体需要合成某种蛋白质或表现某种遗传性状的时候,机体就运作相应的蛋白质合成程序或遗传性状表达程序;体液调节功能的完成则是通过机体的体液程序的运作来实现,当机体需要进行某种化学过程来对体内的化学环境进行调节的时候,机体就通过启动腺体的分泌,运作相应的体液程序促动这一化学过程;神经调节功能的完成则又是通过神经程序的运作来实现的,当机体面对环境的改变需要做出反应时,就通过对感受器的刺激兴奋启动和运作相应的神经程序,并通过程序运作产生的效应来应对环境的这种变化。很显然,计算机科学的基本任务是探讨计算机和网络的结构和功能,并寻求建构新的计算机和网络系统的途径与方法;生命科学的基本任务则是揭示生命活动的本质和规律,寻求生命技术的开发和运用。由于计算机和生命体的各种功能活动都是通过程序机制来实现的,所以要真正把握计算机和生命体功能活动的本质和规律,就必须通过对计算机和生命体功能活动的各种程序机制的探讨来实现。这就需要把程序尤其是计算机程序、遗传程序、体液程序和神经程序的研究作为计算机科学和生命科学最基本的研究工作。而研究程序的基本方法就是程序分析法,它也必然是信息科学和生命科学研究的基本方法。事实上,要揭示计算机和网络的基本原理,阐明其各项功能的机制以及其功能障碍的基本原因,就必须通过程序分析法来加以研究才能从整体上把握并找到基本的思路和方法。同时,要真正揭示遗传表达、体液调节和神经活动的机理和规律,也必须通过运用程序分析法才能实现,尤其是要从根本上把握生命体各种功能的原理和问题,不能站在程序的立场来思考是不行,而不运用程序分析法来加以研究和认识更是不可能达到根本的层次。二 程序分析法的基本内容根据作者的考察,程序分析法的基本内容主要有以下六个:(一分析程序系统的基本结构要认识一种程序或建构一种程序,就必须了解这种程序系统的基本结构,明确它的各种组成部分以及各组成部分之间的相互关系,然后再根据各组成及其关系来进行认识和建构。对一个程序系统来说,其基本的组成部分有三,就是程序的启动、运行、12终止,所以认识程序的基本结构就是要明确所认识的程序在启动、运行和终止三个方面的基本情况及其在时间和空间上的相互关系。(二分析信息的载体与信息的存在形式信息是程序系统的主体,所以要把握程序就必须对程序中的信息有充分的认识,否则就很难实现对程序的把握,更谈不上程序的创建。认识信息首先需要了解信息的物质负载形式,了解它的物质载体到底是什么,物质载体的性质、特性以及运动变化规律等;其次还需要更进一步认识信息的存在形式,包括信息的表现形式,信息的意义表达,信息产生存在的条件,信息传递的特点和信息转换的方式等。(三分析程序的启动任何程序要完成它的功能都依赖于它的启动运行,如果程序不能启动,那这种程序功能只能作为一种潜在的功能存在,而不能表现为一种现实的功能活动;只有当程序启动运行起来的时候,程序功能才是一种现实的功能,也才能发挥其现实的功能作用,所以启动对于程序功能的完成来说是不可缺少的,因而研究程序就必须研究程序的启动。程序启动的研究主要涉及启动因子、启动条件、启动机制、启动过程等几个方面的问题,只有将这些问题都搞清楚,才能对程序启动有一个完整把握。(四分析程序的运行程序功能的完成依赖于程序的运行,而且程序运行也是程序构成的最主要方面,所以认识程序的主要任务就是要弄清楚程序运行的各种问题。程序运行涉及许多的问题,越是复杂的程序,其运行所涉及的问题也越多,但归结起来则主要是三个方面:一是信息的运行路线。程序启动后信息就开始产生并沿着固有的路线运行,那么究竟有哪些信息在哪些路线中运行?各运行路线的具体结构和特点是什么?各种信息运行路线在时间和空间上的关系是什么?这些都是需要弄清楚的问题。二是信息运行的环节。程序运行中因各种原因往往会出现信息形式的转化或信息载体的变换,所以研究程序的运行还需要明确一种程序运行中信息会出现哪些转换,转换的形式、转换的机制以及转换的条件是什么等问题。三是反馈控制机制。程序运行除少数简单程序不需要反馈调节之外,绝大多数都需要反馈调节,特别是生命运动中的各种程序基本上都有反馈调节。所以认识程序必须明确程序的反馈调节的机制和作用。认识程序的反馈调节主要涉及反馈调节的信息形式,反馈信息的运行路线,反馈调节产生的条件,以及反馈调节完成的机制和构成等。(五分析程序的终止由于程序功能的完成依赖于程序的运行,但在许多情况下则会因为各种原因而使程序运行中途终止,从而影响程序作用和功能的正常实现;另一方面,许多时候也会因为各种原因需要正在运行的程序停止下来,以避免程序运行产生对系统的负面影响。这两种情况都关系到程序的终止问题,所以研究程序也必须研究程序的终止问题。程序的终止问题主要涉及终止的类型、终止的条件、终止的机制等三个方面。研究程序的终止不仅要明确一种程序到底存在哪些终止的形式,而且要考察终止的各种因素和条件以及导致终止的具体机制,只有这样才可能在程序的实际运用中找出避免异常终止的方法和寻求正常终止的途径。(六分析程序的作用和功能一种程序的产生存在总是与它特定的作用和功能联系在一起的,同时,程序的作用和功能,也往往是程序运行的最终结果。所以认识和建构一种程序必须明确它的作用和功能。对一种程序作用和功能的认识主要涉及这种程序有什么样的作用和功能,作为其作用和功能发挥的结构基础的效应装置的构成与性能,其作用和功能发挥的条件,作用和功能产生的机制等。三 程序分析法的具体运用从上面的分析已经很清楚,程序分析法是研究和揭示计算机和生命体的工作原理的基本方法,所以要真正认识和把握它们的功能活动规律,阐述其功能障碍的基本原因,找到解决功能障碍问题的方法,就必须运用程序分析法来进行。那么在信息科学和生命科学中到底应该如何来运用程序分析法呢?以下我们就针对计算机和生命体的几种程序讨论程序分析法在具体研究中的运用问题。(一计算机程序研究计算机程序研究是狭义信息科学即计算机科学研究的核心内容。就计算机科学研究来说,早期研究主要是从硬件的物理特性来把握问题,后来人们才意识到作为计算机程序的软件研究比硬件研究更重要、更有价值。不过即使在今天,软件研究在理论上仍然不是十分明确,更没有从理论上阐明程序的基本结构和运作规律。事实上,在计算机科学中,不管是软件研究还是硬件研究都应该围绕计算机程序来进行,只不过软件研究是研究计算机程序的本质13结构和过程,而硬件研究则是一种计算机程序的信息过程的载体和结构基础研究。要真正要揭示计算机功能作用的本质就必须从计算机程序入手来进行:(1考察程序的整体结构和特点。这自然就需要了解它的启动结构、运行路线和终止结构,以及它的功能作用,并在思想上形成对它的完整把握。(2考察程序的启动。接下来就是要考察它的启动环节,即考察其程序的启动因子、启动机制和启动过程,比如它是通过什么因子启动的?是直接的键盘敲击启动或鼠标点击启动,或者是其他的程序过程启动。其启动的机制是什么?过程是如何的?明确信息过程产生的原理是如何的,其具体的信息产生过程又是什么。(3考察程序的运行。即考察程序启动后的整个运行过程,明确其信息运行的路线,信息处理、转换的环节,信息运行的最终指向。(4考察程序的终止。包括正常情况下程序运行完成的自然终止,尤其是程序中途正常结束的条件终止和异常停止的干扰终止。要明确导致程序终止的因素,探讨如何保证条件终止的实现和干扰终止的避免。(5考察程序的功能作用。即考察程序运行所产生的功能效应,程序运行是完成了某种数据处理,还是某种实际活动控制,或者是某种效应表现,这些都需要阐明其机制和过程。只有从以上几个方面都把相应的问题搞清楚了,人们也才能把握这一计算机程序功能正常发挥的原理,进而找到其功能异常的原因和机制,并找出好的解决问题的措施和办法。(二遗传程序研究遗传程序研究是揭示遗传规律的根本方法。传统的遗传研究是以基因为中心的,认为遗传的性状都是由基因决定的,只要揭示了基因的奥秘,遗传的规律和机制也就可以弄清楚了,所以遗传研究最根本的目标就是找出基因的构成。20世纪末21世纪初进行并完成的人类基因组计划#就是围绕这一目标进行的,当这一宏伟的研究计划完成的时候,一些人曾为此欢呼,认为人类遗传的奥秘揭开了,各种遗传疾病从此可以找到根本的解决方法了。不过现在人们已经知道,这种欢呼是盲目的,也是不切实际的,就人类遗传疾病的诊断尤其是治疗来说,与之前相比并没有出现根本的改进。事实已经很清楚,生命各种性状的遗传是通过遗传程序完成的,人类基因组计划所达成的目标仅仅是揭示了人类遗传程序的一个环节即基因(DNA环节的碱基排列规律,而人类遗传机制涉及基因(DNA的复制,DNA向RNA的转录,RNA再翻译合成蛋白质,最后通过蛋白质的构形与作用实现遗传的功能。而这一系列的过程是一个完整的程序运作过程,必须加以整体的把握。很显然,弄清楚DNA的碱基排列仅仅是把握了其中的一个环节,离真正把握整个遗传程序还存在很大的距离。实际上,要完整把握某一遗传性状实现的规律和机制,需要从整体上认识有关这一基因程序以及它的各个环节。其中首先是要考察一个基因程序的完整结构和功能,以从整体上对它加以把握;其次是要考察这一基因程序的启动环节,要把握包括启动因子、启动机制和启动过程的各个方面,也就是要弄清楚相关DNA的复制的启动因子是什么,它是如何促动DNA的复制的,其具体过程是如何的等问题;再次是要考察这一基因程序的运行,需要研究的问题包括DNA复制、DNA向RNA转录以及RNA翻译为蛋白质的具体过程是如何的,其原理和控制机制又是怎样的等;复次是需要考察这一基因程序的终止,包括终止的因素、终止的过程、终止的机制等,如哪些因素会导致基因程序的终止,各种终止是如何发生的,如何完成正常终止,如何防止异常终止等;最后还要考察这一基因程序的功能作用,也就是合成蛋白质的功能,弄清楚蛋白质通过其构形和特性发挥其功能的原理。只有将所研究的某一基因程序的整个运作的原理和机制都弄清楚了,才可以说真正把握了这一遗传性状的遗传规律,也才谈得上如何来解决所遇到的相应问题。(三体液程序研究体液程序研究是完整认识机体的体液调节功能的根本方法。在生命体中,一个特定的体液调节功能都是由一个完整的体液程序来完成的,但在今天的生命科学中,这一点并不十分明确,这其中最突出的就是激素的作用,至今人们还是就激素来阐述激素的作用,很少把它放在一个完整的体液程序中来认识和理解它的地位和作用,明确它作为程序过程的主要信息载体的作用,并从程序的运作来理解其作用发挥的原理和方法。很明显,要真正把握生命体内体液调节功能的机制和原理,并找到解决体液调节问题的途径和方法,就必须从程序的角度来加以认识和把握,这当然就需要体液程序分析的方法。在一般的体液程序中,程序的启动都开始于内分泌腺体的激素分泌,而程序的运行则从激素进入体液后开始,激素在血液和体液中被输运到靶组织和靶细胞,并与相应的受体结合,导致靶组织和靶细胞特定的生理生化反应,发挥相应的生理作用,至此程序运行终止,功能完成。在研究中首先需要的也是从14整体上认识和把握体液程序的这种完整结构和基本的运作原理。在具体的研究中,第一是要考察它的启动,要了解是什么因素导致内分泌腺体开始分泌激素的,其机制是怎样的,其具体的过程又如何等。第二是考察它的运行。具体考察激素分泌后如何进入血液和体液,通过什么样的路线输运到靶组织和靶细胞的,在靶组织和靶细胞激素又是如何与受体结合的,结合后又是如何引起靶组织和靶细胞的生理生化反应的,等等。第三是考察它的终止。要考察体液程序终止的三种情况的具体表现到底是怎样的,同时要考察可能导致程序运行停止的各种因素,明确哪些因素有利于程序的正常终止,哪些因素会导致程序运行的异常终止,并寻求更好地完成正常终止和避免异常终止的途径和方法。最后是考察它的功能作用。主要是明确特定体液程序到底承担什么样的功能作用,其功能的具体表现是如何的,其功能完成的机制和过程怎样等。总之,一个特定的体液调节功能都对应着一个特定的体液程序,要真正认识和把握它的机制和规律就必须从体液程序的角度来加以考察认识,只有在把握了整个体液程序的运作原理之后,也才能找到其产生问题的原因,并进而找出解决问题的措施和方法。(四神经程序研究神经程序研究是揭示神经系统及脑的工作原理的根本方法。传统对神经系统与脑的研究都是围绕反射结构来进行的,而且长期以来都是把研究的重点放在神经的物质结构上。很明显,基于神经结构的反射理论对于神经的生理调节功能确实还有一定的解释能力,但对复杂的行为机能尤其是意识机能的说明就很难令人信服了。事实上,要真正完整科学地说明神经活动的工作原理只能依赖神经程序理论,而在研究上则必须借助神经程序的分析方法。从神经程序的研究来说,要认识和把握一种特定神经活动的原理,首先需要了解完成这一功能活动的神经程序的基本结构,即了解这一程序从启动到运行再到终止的各个环节,并从整体上加以把握。由于完成不同功能的神经程序是不同的,其组成的物质结构基础也有所不同,如果是生理程序其物质结构基础则一定包含了从感受器到传入神经元到中枢神经元到传出神经元再到效应器的五个基本环节;意识程序的物质结构基础则可能仅包括感受器、传入神经元和中枢神经元;行为程序的物质结构基础又是由中枢神经元、传出神经元和肌肉细胞构成。但不管是哪种程序,其结构都应该包含启动、运行和终止三个环节或部分,都需要作为一个完整的整体加以认识和把握。而在具体的深入研究中,则首先需要把握所研究神经程序的启动,包括启动因子、启动机制和启动过程。在神经活动中,感觉活动的程序启动都是由环境物理化学因素作用于感受器引起细胞膜兴奋性电冲动而引起的,而思维活动程序和运动调节程序的启动则可能是感觉引发,也可能是脑内其他程序过程引发。神经程序启动研究就是要考察是什么因素如何导致神经信息过程发生的,其机制和规律是什么,其具体的过程如何等。接下来就是要考察该神经程序的运行,包括神经信息传递的路线,信息的变换和处理方式与机制,信息流动的指向等。再下来要考察的就是该神经程序的终止问题,要明确导致该神经程序终止的各种因素,这些因素是如何作用于信息过程而导致其停止的,了解条件终止的原理和干扰终止的原因,从而探讨如何保证条件终止以及如何防止干扰终止的措施和办法。最后还要考察该神经程序的功用,即考察该程序运行所引发的效应,其效应的意义和作用,效应产生的机理和过程等。实际上,对于一种神经功能活动来说,只有从完成该功能的特定神经程序的角度将其完整结构及启动、运行和终止的各方面问题都弄清楚了之后,人们才可以说真正认识和把握了这一神经活动的基本原理,也才能找到解决其各种问题的途径和方法。参 考 文 献!1杨玉辉.关于程序的理论探讨J.科学技术与辩证法,2002(5.2杨玉辉.揭开大脑和意识的奥秘 脑的工作原理与意识的脑机制M.重庆:西南师范大学出版社,1996. 3杨玉辉.现代自然辩证法原理M.北京:人民出版社,2003.4杨玉辉.一种新的现代自然观J.社会科学研究,2003(2.5李宗荣.理论信息学:概念、原理与方法(/%J.医学信息,2005(4.6王汝宽.生命科学研究理念和方法学革命及其影响J.医学研究杂志,2006(1.7许东.生物信息学与计算机科学J.计算机教育,2006(4.8赵国屏,侯云德,沈倍奋,等.生物信息学M.北京:科学出版社,2002.9程现昆.我国生物信息学研究现状与展望J.中国科技信息,2006(8.(责任编辑 魏屹东15专心-专注-专业