2022年走向世纪的生命的科学与计算机科学与技术 .pdf

走向 21 世纪的生命的科学与计算机科学与技术计算机科学与技术房晨08093444 在高中时有一个学科叫生物，他是我在高中时喜欢的很少的学科中的一个，其中的一个很现实的原因， 它是高考的一部分，并且自己很擅长学习生物知识，更重要的一个原因，自己在农村长大， 那份对自然的本真在高中三年地狱般的生活中显得异常珍贵。考入大学后由于自己的专业原因，和生物科学的距离显得已经很远了。在报选修课时看到了生命的科学这一学科， 不禁又勾起了我的兴趣，在最后的考核中，这篇论文的题目让我好好的思考了自己现在的选择与原来的兴趣之间的关系，这也是我这次课程最大的收获。生命的科学与计算机科学有什么联系呢？刚听到这个题目还真不知道有什么重要的联系，仔细一想又有着千丝万缕的联系。千丝万缕太多了，我这一篇小小的论文是写不完的，那么我就从两个方面阐述一下自己的观点吧。计算机不变的本质- 工具首先我们了解一下计算机是什么。在百度百科中计算机的定义是这样的，计算机是一种用于高速计算的电子计算机器，可以进行数值计算，又可以进行逻辑计算，还具有存储记忆功能。计算机（ Computer）是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。由硬件和软件所组成，两者是不可分割的。由此可以看出计算机是一种工具，而且是一种无比强大的工具。通常说到“世界公认的第一台电子数字计算机”大多数人都认为是1946 年面世的“ENIAC ” ，它主要是用于计算弹道。是由美国宾夕法尼亚大学莫尔电气工程学院制造的，但它的体积庞大，占地面积170 多平方米，重量约30 吨，消耗近150 千瓦的电力。显然，这样的计算机成本很高，使用不便。这个说法被计算机基础教科书上普遍采用,事实上在 1973年根据美国最高法院的裁定,最早的电子数字计算机,应该是美国爱荷华州立大学的物理系副教授约翰 阿坦那索夫和其研究生助手克利夫贝瑞 (Clifford E. Berry ，1918-1963）于 1939年 10 月制造的 ABC(Atanasoff- Berry-Computer） 。 之所以会有这样的误会，是因为“ENIAC ”的研究小组中的一个叫莫克利的人于1941 年剽窃了约翰 阿坦那索夫的研究成果，并在 1946年时， 申请了专利。 由于种种原因直到1973 年这个错误才被扭转过来。（具体情况参阅百度百科 - “约翰阿坦那索夫”词条，希望大家记住ABC 和约翰阿坦那索夫，希望以后的教科书能够修改这个错误）。后来为了表彰和纪念约翰阿坦那索夫在计算机领域内作出的伟大贡献， 1990 年美国前总统布什授予约翰阿坦那索夫全美最高科技奖项-“国家科技奖” 。1956 年，晶体管电子计算机诞生了，这是第二代电子计算机。只要几个大一点的柜子就可将它容下，运算速度也大大地提高了。1959 年出现的是第三代集成电路计算机。最初的计算机由约翰冯诺依曼发明(那时电脑的计算能力相当于现在的计算器)，有三间库房那么大，后逐步发展而成。从 20 世纪 70 年代开始，这是电脑发展的最新阶段。到1976 年，由大规模集成电路和超大规模集成电路制成的“克雷一号”，使电脑进入了第四代。超大规模集成电路的发明，使电子计算机不断向着小型化、微型化、低功耗、智能化、系统化的方向更新换代。20 世纪 90 年代， 电脑向 “智能” 方向发展， 制造出与人脑相似的电脑，可以进行思维、学习、记忆、网络通信等工作。进入 21 世纪，电脑更是笔记本化、微型化和专业化，每秒运算速度超过100 万次，不但操作简易、 价格便宜， 而且可以代替人们的部分脑力劳动，甚至在某些方面扩展了人的智能。于是，今天的微型电子计算机就被形象地称做电脑了。世界上第一台个人电脑由IBM 于 1981 年推出。IBM 推出以英特尔的x86 的硬体架构及微软公司的MS-DOS 操作系统的个人电脑，并制定以PC/AT 为 PC 的规格。之後由英特尔名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 所推出的微处理器以及微软所推出的操作系统发展几乎等同于个人电脑的发展历史。Wintel架构全面取代了IBM 在个人电脑主导的地位。计算机飞速的发展使它作为一种工具极大的推动了各个领域的科研发展，当然也包括生命科学。 生命科学是一门实验的科学，计算机自投入应用即在实验科学中发挥着作用，承担了大量实验数据的存储、处理以及分析， 一些适合于不同类型生物学实验数据处理的软件包纷纷问世，并为科研工作者所接受，这只是计算机在生命科学舞台上的小角色，不足为奇。“人类基因组计划”是二十世纪生命科学研究的重大举措，可谓“主打剧”，计算机机在某种程度上是以联合主演的身份与现代基因技术同领风骚。从1988 年开始实施的“人类基因组计划” 由美国倡导， 世界范围内进行的，计划 15 年内投资30 亿美元， 目的在于阐明人类染色体上的所有基因，绘制出基因图谱，以期从基因水平增强对生命活动的理解，阐明疾病发生发展的机制，更有效地提高疾病防治水平。据估计，人类基因总数5-10 万左右，而每个基因又有其独特的碱基组成；这些必要要借助计算机才有有效地存储，并随时调出， 分析比较， 美国在巴尔的摩的约翰斯霍普金斯大学建立了一个完整的计算机网络数据库，用以存储全世界基因研究的成果，计算机在此项中的作用不仅仅是存储、记忆的工具， 在研究分析基因活动时，实验设计同样离不开计算机。计算机在制药方面的应用或许更能说明其在生命科学领域更具实用性的意义。生物制药作为二十一世纪的支柱产业，发展势头锐不可挡。随着我国关贸总协定缔约国地位的即将恢复以及药物专利法的实施，对新药研究的投入势必要加大力度。有关专家指出， 不重视与新药有关的基础研究，就不可能使我国落后的新药研究走向国际竞争的前列。例如， 有些药物发挥必须通过一种叫作“配体受体”相结合的途径， 药物本身作为配体，而受体则是机体细胞表面或内部的特殊的大分子物质。很显然， 清晰地揭示受体的结构功能对阐明药物的作用机制非常重要。科学家利用计算机模拟受体的三维结构，以计算机模拟方法研究受体与配体的相互关系，提出更佳的配体设计方案，为新的高选择性配体及新药研究开辟了新途径。国际上一些颇具实力的大企业或研究所常把从事计算机分子设计的计算机专家、研究结构化学、分子药理的化学、生物学专家联合起来，共同进行新药的设计、开发。“深蓝”的老家公司， 已和世界上最大规模的药物研究实验室签订了合作协议，使用 RS/6000 超级并行计算机进行药物设计，此举可将一种新药的硬拼工发时间从目前的十五年缩短二至三年，意味能拯救更多为病痛折磨的生命。在生命科学领域，新成果的诞生常伴随着技术上的突破。近几十年计算机技术的参与催生了多项先进、便捷的技术手段和技术设施。计算机技术对生命科学的推动作用加速了生命科学的进步，反之，生命科学的成果亦能招致计算机技术的革命。生命科学下计算机新生儿- 生物计算机人类有一门学科叫仿生学，即通过对自然界生物特性的研究与模仿，来达到为人类社会更好地服务的目的。典型的例子如，通过研究蜻蜓的飞行制造出了直升机；对青蛙眼睛的表面“视而不见” ，实际“明察秋毫”的认识，研制出了电子蛙眼；对苍蝇飞行的研究，仿制出一种新型导航仪振动陀螺仪，它能使飞机和火箭自动停止危险的“跟头” 飞行， 当飞机强烈倾斜时， 能自动得以平衡， 使飞机在最复杂的急转弯时也万无一失；对蝙蝠没有视力，靠发出超声波来定向飞行的特性研究，制造出了雷达、超声波定向仪等；对“变色龙”的研究，产生了隐身科学和保护色的应用,仿生学同样可应用到计算机领域中。科学家通过对生物组织体研究，发现组织体是由无数的细胞组成， 细胞由水、 盐、蛋白质和核酸等有机物组成，而有些有机物中的蛋白质分子像开关一样，具有“开”与“关”的功能。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。科学家把这种计算机叫做生物计算机。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件从而制成的生物芯片。其性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通计算机的十亿倍。由蛋白质构成的集成电路，其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一。而且运行速度更快，只有10-11 秒，大大超过人脑的思维速度。在科幻电影 变形金刚 中有这么一段场景，当美国军方网络被入侵后，五角大楼搜罗了全美国的电脑高手分析是谁能做到在5 分钟内突破美国的军方防火墙，在分析毫无头绪时一个人站出来说世界上没有一台电脑可以做到，除非是一种超级先进的生物计算机，由此可见生物计算机的运算速度与现在的普通意义的计算机之间的差距。生物计算机有很多优点，主要表现在以下几个方面：首先，它体积小，功效高。在一平方毫米的面积上，可容纳几亿个电路，比目前的集成电路小得多， 用它制成的计算机，已经不像现在计算机的形状了，可以隐藏在桌角、墙壁或地板等地方。生物计算机其次，当我们在运动中，不小心碰伤了身体，有的上点儿药， 有的年轻人甚至药都不上，过几天， 伤口就愈合了。 这是因为人体具有自我修复功能。同样， 生物计算机也有这种功能，当它的内部芯片出现故障时，不需要人工修理，能自我修复， 所以， 生物计算机具有永久性和很高的可靠性。再者，生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了，因此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而它的电路间也没有信号干扰。1983 年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了发达国家的研制热潮。当前，美国、日本、德国和俄罗斯的科学家正在积极开展生物芯片的开发研究。从1984 年开始，日本每年用于研制生物计算机的科研投资为86 亿日元。目前， 生物芯片仍处于研制阶段，但在生物元件，特别是在生物传感器的研制方面已取得不少实际成果。这将会促使计算机、电子工程和生物工程这三个学科的专家通力合作，加快研究开发生物芯片。生物计算机一旦研制成功，可能会在计算机领域内引起一场划时代的革命。生物计算机是以生物界处理问题的方式为模型的计算机。目前主要有： 生物分子或超分子芯片、自动机模型、仿生算法、生物化学反应算法等几种类型。计算机工业在近几十年内飞速发展，其速度令人瞠目。然而目前晶体管的密度已近当前所用技术的理论极限，晶体管计算机能否继续发展下去？所以，人们在不断寻找新的计算机结构。 另一方面， 人们在研究人工智能的同时，借鉴生物界的各种处理问题的方式，即所谓生物算法， 提出了一些生物计算机的模型，部分模型已经解决了一些经典计算机难以解决的问题。综上所谈， 计算机技术与生命科学的相互推动必将随着科学的进步而硕果累累，而这一切不言而喻，都是人类智慧的结晶。当初一场“人机”大战，卡斯帕罗夫虽然失败了，但谁又能说出真正的胜利者不是人呢？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -