第9章 生命科学与智能探索.doc

第9章 生命科学与智能探索 在现代科学发展过程中，生物学取得了引入瞩目的成就。化学、物理学、数学向生物学领域的广泛渗透，为分子生物学的产生和发展奠定了基础。分子生物学的兴起，DNA双螺旋结构的建立，被视为20世纪自然科学的重大突破之一，也被看作是生物学发展的一个新的里程碑。 “生物学”这一传统学科概念正逐渐被“生命科学”的名称所取代。 9.1 现代生命科学 生命现象作为自然界的奇迹，历来对哲学家和科学家具有持久的魅力。生命科学就是要探索这个奇妙世界的奥秘。现代生命科学包括现代遗传学、分子生物学、生物化学和神经科学等诸多学科，其中以分子生物学为代表。 9.1.1 现代遗传学与分子生物学 摩尔根等人在遗传的物质基础(1919)、基因论(1926)等著作中系统论述了基因理论。该理论的主要内容如下： 1.基因作为物质的遗传单位，不是虚构的。“它代表着一个有机的化学实体”，是染色体的物质微粒； 2.基因坐落在染色体上，总是与一定的连锁群相联系； 3.基因能够重新产生，细胞分裂时子细胞中可以再生出一套同样的基因； 4.在一定条件下，基因能够以极小的几率发生变异，并保持其改变了的特性； 5.每个基因所具有的功能不是唯一的，在某些情况下，基因对个体性状往往显示出多种效应； 6.在同源染色体中，等位基因具有相互吸引的作用。 基因理论证明了染色体是基因的载体，但对染色体的化学分析表明它是由蛋白质和核酸这两种主要成分构成的，那么，究竟哪种成分是遗传的物质基础呢? 9.1.2 DNA的双螺旋结构的建立 1953年克里克和沃森在建立DNA双螺旋结构模型之后不久，克里克和沃森进而指出了 DNA分子结构的遗传含义。 DNA具有特殊的双螺旋结构。1、由两条反向平行的脱氧核苷酸链围绕同一个中心轴像副扶梯一样盘旋的稳定结构。2、脱氧核糖和磷酸交替连接，排列在双螺旋的外侧，构成基本骨架。3、碱基排列在内侧，并与中心垂直。4、两条链上的碱基通过氢键连接而成碱基对。5、每10对碱基组成 一个螺旋周期. DNA双螺旋结构可以解决遗传学中长期存在的核心问题，即基因的分子基础问题。作为遗传的物质基础，为了保证遗传的稳定性，有机体在每次细胞分裂之前，DNA必须准确地复制自己。复制前，DNA两条互补链因中间的氢键破裂而分离，各自以自己为模板，在活细胞中以形成氢键为吸引力，同时借助酶的参与，形成一条新的互补链。其结果是，原来的一个亲代双螺旋分子变成两个完全相同的子代双螺旋分子，在子代分子的双链中，有一条单键来自亲代，另一条则是新复制的。因而这种复制方式被称为半保留复制。9.1.3 基因的调节与控制：中心法则 基因作为具有遗传效应的DNA片段，其基本功能表现为两个方面：一方面通过复制，在生物繁衍过程中传递遗传信息；另一方面，在生物的个体发育中使遗传信息得以表达，从而使子代表现出与亲代相似的性状。 基因控制蛋白质合成的过程，可以分为两个重要步骤：转录和翻译。 遗传信息从DNA传递给RNA，再从RNA传递给蛋白质的转录和翻译过程，以及遗传信息在DNA分子中的复制，刻划了基因调节和控制的机制，被称为“中心法则”。 9.1.4遗传密码的破译 2003年4月完成人类基因组全部23对染色体10万个基因作图和DNA全长30亿个碱基对的序列分析。 9.2 生命的起源 生命起源问题是人们喻为“宇宙之谜”。对生命起源问题的解释，历来存在两种对立的思想：一种认为生命来自非生命，这种观点被称为“自然发生说”；另一种认为生命只能源于生命，这种观点被称为“生生说”。 1924年，奥巴林出版生命起源一书，他根据当时关于地球、太阳系其他行星以及太阳形成的资料，认为地球上出现生命之前就存在有机小分子物质，并能在原始地球条件下，形成复杂的有机化合物。以此为起点，人们在20世纪开始了对生命的起源这一问题的科学研究.9.2.1 从无机物合成有机小分子 生命的起源必然是通过化学的途径实现的，这里所说的化学途径，主要指的是非生命的物质由于自然的原因，通过化学作用，从简单的无机物质逐渐演变成复杂的物质，产生出多种有机物和生命必需的生物大分子。换言之，在生命系统出现之前，必然要经历长期的化学进化。 实验表明，核酸的组成成分和蛋白质的组成成分均可以在生命出现前的原始地球条件下得以合成。 9.2.2 生物大分子的合成 由氨基酸等有机化合物形成蛋白质和核酸这种生物大分子，在化学进化过程中具有更加重要的意义。1965年，中国科学院上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所和北京大学生物学系等单位的科研人员，用化学方法合成了含有51个氨基酸的胰岛素，这是在世界上第一次用化学方法合成了蛋白质。1981年上海有机化学研究所用化学方法合成核酸.处于世界领先. 9.2.3 多分于体系和原始生命的出现 生物大分子的形成并不等于生命现象的出现。有一个问题引起了人们的关注，即蛋白质和核酸形成的先后顺序问题。如80年代初，科学家通过实验发现，某些RNA自身可以起酶的作用，可以在没有蛋白质的帮助下进行自我复制。 生命起源问题是现代生命科学中的重要问题。目前虽然取得了不少成就，但由于生命起源的过程涉及到原始地球40亿年的演变，因而要真正解决这个问题，需要天文、地理、地质、化学、生物、物理及航天等各学科领域的合作。可以说，现在人们对生命起源的探讨仍只是初步的。 9.3 人类的起源及其智力的发展 在化学进化之后的漫长生物进化过程中，一个伟大的飞跃是人类的出现，这是整个自然发展史上具有划时代意义的事件。人类起源于动物界，但同时又超越了动物界，人类“不仅使自然物发生形式变化，同时他还在自然物中实现自己 的目的。” 与这个超越的过程相伴随， 人类智力也在不断的发展之中。 9.3.1 人类的起源 达尔文在人类的由来及性选择中证明人类是由古猿进化来的，人类和现代类人猿有着共同的祖先。 恩格斯指出，劳动在人类超越动物界过程中的作用表现在以下几个方面：第一，劳动促使古猿直立行走，这就完成了从猿转变到人的具有决定意义的一步：第二，劳动促使古猿的前爪转变为人手，手不仅是劳动的器官，它还是劳动的产物。手的解放和发展也导致了古猿整个躯体结构发生变化；第三，在劳动中产生了语言。动物之间，甚至在高度发展的动物之间，彼此要传达的东西也很少，不用分音节的语言就可以互相传达出来；第四，劳动推动了人脑的形成和发展。就世界性的解放作用而言，摩擦生火还是超过了蒸汽机，因为摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物界分开。 人类发展的大致过程划分为四个特殊阶段。第一，早期猿人。第二，晚期猿人。第三，早期智人。第四，晚期智人。 9.3.2脑科学对人类智力发展的研究 人类与动物界的根本区别在于，人能够能动地改造自然界。与人类自我意识逐渐觉醒的过程形成直接对应的，是作为意识活动物质基础的脑器官的不断进化。 从猿脑到人脑的显著变化在脑量的增加上。 人类神经系统约含有1011个神经元，且没有任何两个神经元的形状完全相同，但它们具有某些结构上的共同特征。一般来说，神经元由细胞体、树突、轴突三个部分组成。树突与轴突都是细胞体原生质的延伸，统称突起。树突是分枝很精细的管状物，在多数情况下，起接受输人信息的作用 大量研究表明，神经元之间以高度的有序性和特异性互相连接，其传递信号的方式，在一个神经元内部沿轴突传输的是电脉冲，在神经元与神经元之间，则是在其接触点处传输化学递质分子。神经元与神经元之间的接触点即突触。通常，一个神经元有多达几百个甚至几千个突触联系，因此人脑的全部突触数目大约1015数量级。 其中脑包括大脑、间脑、中脑、脑桥、延髓和小脑六方面。这些部分既存在着机能分工，又存在着彼此间的协同活动。 目前，对脑的本质的认识还只是初步的。但可以设想，随着神经科学特别是脑科学的不断进步，人们对于人类智力的发展将会有越来越深刻的理解9.3.3 认知科学对人类智力发展的认识 研究人类智力发展的另一个重要学科是认知科学。认知科学是以人类智力活动的基本规律作为研究对象的。有着极其重要的意义。 9.4 人工智能 人工智能是研究人类智能的人工实现方法的科学。 计算机科学、脑科学、认知科学与逻辑学、心理学的不断进步，不但深化了人们对于人类智力的认识，而且促进了人工智能的出现和迅速发展。人工智能作为一门新兴学科，人们主要是用计算机作为工具模拟人类的某些智能活动，如推理、决策、规划、设计和学习等。 9.4.1 人工智能的发展历史 人工智能是多学科交叉的产物。从技术的角度出发，人们把人工智能的发展历史分为四个阶段。 1、20世纪50年代神经网络时代 2、 20世纪60年代弱方法时代 3、20世纪70年代知识工程时代 4、 20世纪80年代知识工业时代 9.4.2 人工智能的两个主要学派 人工智能的发展过程，是人门对人类智能模拟方式的不断反思过程。由此形成了两个不同的学派：符号主义和联接主义。 9.4.3 人工智能的主要研究内容 由于人们对“智能”的理解不同，因而对“智能”进行人工模拟时，选择的重点也不尽统一。但一般来说，人工智能研究的内容主要包括以下几方面：知识表示方法、问题求解、逻辑推理和定理证明、自然语言理解、自动程序设计、机器学习及人工神经网络等。 逻辑推理是人工智能研究中最持久的领域之一； 语言处理是人工智能的早期研究领域之一； 学习是人类智能的主要标志和获得知识的基本手段。 人工智能的研究对人类生产和生