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走向21世紀的生命的科學與計算機科學與技術計算機科學與技術 房晨 08093444在高中時有一個學科叫生物，他是我在高中時喜歡的很少的學科中的一個，其中的一個很現(xiàn)實的原因，它是高考的一部分，并且自己很擅長學習生物知識，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。考入大學后由于自己的專業(yè)原因，和生物科學的距離顯得已經(jīng)很遠了。在報選修課時看到了生命的科學這一學科，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系，這也是我這次課程最大的收獲。生命的科學與計算機科學有什么聯(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-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莫爾電氣工程學院制造的，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,應該是美國愛荷華州立大學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、學習、記憶、網(wǎng)絡通信等工作。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架構全面取代了IBM在個人電腦主導的地位。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域的科研發(fā)展，當然也包括生命科學。生命科學是一門實驗的科學，計算機自投入應用即在實驗科學中發(fā)揮著作用，承擔了大量實驗數(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)代基因技術同領風騷。從1988年開始實施的“人類基因組計劃”由美國倡導，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，并隨時調出，分析比較，美國在巴爾的摩的約翰斯霍普金斯大學建立了一個完整的計算機網(wǎng)絡數(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，實驗設計同樣離不開計算機。計算機在制藥方面的應用或許更能說明其在生命科學領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。隨著我國關貿(mào)總協(xié)定締約國地位的即將恢復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。有關專家指出，不重視與新藥有關的基礎研究，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。很顯然，清晰地揭示受體的結構功能對闡明藥物的作用機制非常重要?？茖W家利用計算機模擬受體的三維結構，以計算機模擬方法研究受體與配體的相互關系，提出更佳的配體設計方案，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計的計算機專家、研究結構化學、分子藥理的化學、生物學專家聯(lián)合起來，共同進行新藥的設計、開發(fā)。“深藍”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。在生命科學領域，新成果的誕生常伴隨著技術上的突破。近幾十年計算機技術的參與催生了多項先進、便捷的技術手段和技術設施。計算機技術對生命科學的推動作用加速了生命科學的進步，反之，生命科學的成果亦能招致計算機技術的革命。生命科學下計算機新生兒-生物計算機人類有一門學科叫仿生學，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，當飛機強烈傾斜時，能自動得以平衡，使飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失；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)生了隱身科學和保護色的應用仿生學同樣可應用到計算機領域中。科學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、蛋白質和核酸等有機物組成，而有些有機物中的蛋白質分子像開關一樣，具有“開”與“關”的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術，仿制出這種蛋白質分子，用來作為元件制成計算機。科學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建的計算機。它利用蛋白質有開關特性，用蛋白質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速度來決定的。用蛋白質制成的計算機芯片，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。由蛋白質構成的集成電路，其大小只相當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，當美國軍方網(wǎng)絡被入侵后，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功能。同樣，生物計算機也有這種功能，當它的內(nèi)部芯片出現(xiàn)故障時，不需要人工修理，能自我修復，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元件，它們是利用化學反應工作的，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想之后，立即激起了發(fā)達國家的研制熱潮。當前，美國、日本、德國和俄羅斯的科學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、生物化學反應算法等幾種類型。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