计算机科学与生物

1、L o g oL o g o计算机科学与生物学计算机科学与生物学2010.9.21石若夫L o g oL o g oContents计算机将同人类共同进化计算机将同人类共同进化1计算机对生命科学的贡献计算机对生命科学的贡献2生命科学对计算机的贡献生命科学对计算机的贡献3L o g oL o g o计算机将同人类共同进化计算机将同人类共同进化v1952年，微生物学家沃森和克里克宣布年，微生物学家沃森和克里克宣布他们已经解决了现代生物学最重要的问他们已经解决了现代生物学最重要的问题，破译出了隐藏在题，破译出了隐藏在DNA分子结构中的分子结构中的“遗传密码遗传密码”。“密码密码”这个词汇用得这个词汇

2、用得相当巧妙，令人马上联想到信息论中的相当巧妙，令人马上联想到信息论中的“信息的编码信息的编码”，而且还令人想到英国，而且还令人想到英国第一台计算机的用途第一台计算机的用途破译德国的密破译德国的密码。码。 L o g oL o g o计算机将同人类共同进化计算机将同人类共同进化v不久不久DNA分子就被普遍认为是某种微型分子就被普遍认为是某种微型控制论机器，它们储藏并处理极微小单控制论机器，它们储藏并处理极微小单位的、经过化学编码的信息。据称，这位的、经过化学编码的信息。据称，这些经过编码的信息控制着生物体复制的些经过编码的信息控制着生物体复制的不连续的过程，当载有全部编码的两条不连续的过程，当

3、载有全部编码的两条螺旋体被解开时，携带的信息将按储存螺旋体被解开时，携带的信息将按储存单位一段段地解读，如同计算机的记忆单位一段段地解读，如同计算机的记忆存储器解读其中的字符串一样。存储器解读其中的字符串一样。 L o g oL o g o计算机将同人类共同进化计算机将同人类共同进化v虽然实际上虽然实际上DNA的的“程序程序”远没有那么远没有那么简单，但在简单，但在“新生物学新生物学”突破的初期，突破的初期，控制论和生物学找到了共同的基础。在控制论和生物学找到了共同的基础。在随后的时间里，计算机领域的用语总和随后的时间里，计算机领域的用语总和生物学语言息息相关，或者互作比喻。生物学语言息息相关

4、，或者互作比喻。“反馈反馈”、“病毒病毒”、“人工智能人工智能”、“记忆记忆”，甚至，甚至“语言语言”等等诸如此类等等诸如此类的大量的拟人化的词汇成为了计算机领的大量的拟人化的词汇成为了计算机领域的基本术语；域的基本术语；L o g oL o g o计算机将同人类共同进化计算机将同人类共同进化v并且计算机因其处理速度不断得到发展并且计算机因其处理速度不断得到发展提高而被赋予了进化论的解释，计算机提高而被赋予了进化论的解释，计算机似乎变成了地球上新的似乎变成了地球上新的“物种物种”，一种，一种会同人类进行会同人类进行“共生的进化共生的进化”（凯梅尼（凯梅尼语语BASIC语言的发明者）的语言的发明

5、者）的“智慧智慧物种物种”。 L o g oL o g o 20世纪世纪80年代后年代后金融机构金融机构行政部门行政部门商业机构商业机构教育部门教育部门科研部门科研部门计算机的应用计算机的应用L o g oL o g o计算机将同人类共同进化计算机将同人类共同进化v 大量拟人化的用语使计算机成为了一种非常大量拟人化的用语使计算机成为了一种非常“聪明聪明”的智慧生物。它们会精确地的智慧生物。它们会精确地“思考思考”，会，会“对用户友对用户友善善”，还可以人机，还可以人机“对话对话”，计算机还得到一个很不，计算机还得到一个很不赖的昵称赖的昵称“电脑电脑”。在实际生活与工作中，。在实际生活与工作中，

6、“电电脑脑”的逻辑运算能力已经远非人脑可及，而且电脑不的逻辑运算能力已经远非人脑可及，而且电脑不像人脑那样经常会将过往信息像人脑那样经常会将过往信息“遗忘遗忘”。电脑给人以。电脑给人以任何时候都可充分相信和依赖的绝对任何时候都可充分相信和依赖的绝对“理性理性”的形象，的形象，而人脑则常常会表现出而人脑则常常会表现出“非理性非理性”的一面，从而便有的一面，从而便有一种不是百分之百可靠的感觉。一种不是百分之百可靠的感觉。L o g oL o g o计算机将同人类共同进化计算机将同人类共同进化v1997年年5月月11日，当一台名叫日，当一台名叫“深蓝深蓝”的电的电脑将棋盘上的一个兵走到脑将棋盘上的一

7、个兵走到C4位置时，人类最位置时，人类最了不起的棋手卡斯帕罗夫不得不沮丧地承认自了不起的棋手卡斯帕罗夫不得不沮丧地承认自己输了。己输了。20世纪末的一场人机大战终于以计世纪末的一场人机大战终于以计算机的微弱优势取胜。似乎自计算机诞生的那算机的微弱优势取胜。似乎自计算机诞生的那一刻起，人类失败的命运已然注定。一刻起，人类失败的命运已然注定。L o g oL o g o2003年卡斯帕罗夫对“小深”，再次挑战电脑。L o g oL o g o计算机对生命科学的贡献计算机对生命科学的贡献v 生命科学是一门实验的科学，计算机自投入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

8、了大量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。生命科学舞台上的小角色，不足为奇。 L o g oL o g o计算机对生命科学的贡献计算机对生命科学的贡献v “ “人类基因组计划人类基因组计划”是是20世纪生命科学研究世纪生命科学研究的重大举措，计算机在某种程度上是以联合主的重大举措，计算机在某种程度上是以联合主演的身份与现

9、代基因技术同领风骚。演的身份与现代基因技术同领风骚。L o g oL o g o计算机对生命科学的贡献计算机对生命科学的贡献v生物制药是生物制药是21世纪的支柱产业，科学家利用世纪的支柱产业，科学家利用计算机模拟受体的三维结构，以计算机模拟方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。开辟了新途径。L o g oL o g o计算机对生命科学的贡献计算机对生命科学的贡献v在生命科学领域，新成果的诞生常伴随着技术在生命科学领域，

10、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。多项先进、便捷的技术手段和技术设施。 L o g oL o g oDiagram聚合酶链反应仪（聚合酶链反应仪（PCR)计算机断层扫描仪（）计算机断层扫描仪（）核磁共振仪核磁共振仪L o g oL o g oDiagram流式细胞仪流式细胞仪 激光共聚焦显微镜激光共聚焦显微镜 显微操作显微操作 L o g oL o g o计算机对生命科学的贡献计算机对生命科学的贡献v这是心脏手术中这是心脏手术中使用的机械手，使用的机械手，同样是用计算进同样是用计算进行设计

11、的制作的。行设计的制作的。L o g oL o g o计算机对生命科学的贡献计算机对生命科学的贡献v众多的科学工作者享受了计算机技术带来的便众多的科学工作者享受了计算机技术带来的便捷与准确，从任何一台联网的计算机上都可以捷与准确，从任何一台联网的计算机上都可以及时浏览最新成果，这是计算机技术促进生命及时浏览最新成果，这是计算机技术促进生命科学发展的一种体现。科学发展的一种体现。 L o g oL o g o机器人机器人v机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例

12、如生产业、建筑业，或是危险的工作。机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。L o g oL o g ov联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”L o g oL o g ov机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具有生物功能的实际空间运行工具。L o g oL o

13、 g o古代机器人古代机器人 v西周时期，我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人。 L o g oL o g ov春秋后期，我国著名的木匠鲁班，在机械方面也是一位发明家，据墨经记载，他曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”，体现了我国劳动人民的聪明智慧。 L o g oL o g ov1800年前的汉代，大科学家张衡不仅发明了地动仪，而且发明了计里鼓车。计里鼓车每行一里，车上木人击鼓一下，每行十里击钟一下。L o g oL o g ov后汉三国时期，蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”，并用其运送军粮，支援前方战争。L o g oL o g ov1920年

14、 捷克斯洛伐克作家卡雷尔恰佩克在他的科幻小说罗萨姆的机器人万能公司中，根据Robota(捷克文，原意为“劳役、苦工”)和Robotnik(波兰文，原意为“工人”)，创造出“机器人”这个词。L o g oL o g oL o g oL o g o铁血战士剧照铁血战士剧照L o g oL o g ov自1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。 v大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，其结果之一便是1952年数控机床的诞生。与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。 L o g oL o g o自主意识的机器人自

15、主意识的机器人L o g oL o g o北京奥运会曾经使用过的机器人北京奥运会曾经使用过的机器人v一、福娃机器人一、福娃机器人v福娃机器人能够感应到一米范围内的游客，与人对话、摄影留念、唱歌舞蹈，还能回答与奥运会相关 v二、翻译机器人二、翻译机器人v能够实现在任何时间、场所，对任何人和任何设备的多语言服务。v三、安保机器人三、安保机器人v其杰出代表为排爆机器人。L o g oL o g o上海世博会使用过的机器人上海世博会使用过的机器人v海宝机器人海宝机器人v迎宾服务；语音服务 ；信息服务 ；照相服务；导航服务；协作引领参观 ；才艺表演L o g oL o g ov机器人学国家重点实验室机器

16、人学国家重点实验室（State Key Laboratory of Robotics)依托于中国科学院沈阳依托于中国科学院沈阳自动化研究所。其前身是中国科学院机器人学开自动化研究所。其前身是中国科学院机器人学开放实验室。该实验室是我国机器人学领域最早建放实验室。该实验室是我国机器人学领域最早建立的部门重点实验室，我国机器人学领域著名科立的部门重点实验室，我国机器人学领域著名科学家蒋新松院士学家蒋新松院士1989-19971989-1997年曾任实验室主任。年曾任实验室主任。近二十年来，实验室在机器人学基础理论与方法研究方面与国际先进水平同步发展，并在机器人技术前沿探索和示范应用等方面取得一批有

17、重要影响的科研成果，充分显示出实验室具有解决国家重大科技问题的能力。目前，我国在沈阳浑南技术开发区的“新松机器人”公司即是我国的该科研领域的基地。该实验室机器人学研究总体水平在国内相关领域处于核心和带头地位，是国内外具有重要影响的机器人学研究基地。 L o g oL o g o每年日本东京都会有机器人展览每年日本东京都会有机器人展览L o g oL o g o生命科学对计算机科学的贡献生命科学对计算机科学的贡献计算机技术与生命科学的联姻加速了生命科学的进步，计算机与生命科学计算机与生命科学反之，生命科学的成果亦能招致计算机技术的革命。L o g oL o g o生命科学对计算机的贡献生命科学对

18、计算机的贡献v随着生物技术基因工程、蛋白质工程和随着生物技术基因工程、蛋白质工程和微电子技术、自动化技术以及聚合物化微电子技术、自动化技术以及聚合物化学、人造膜工艺等学科的平行发展，生学、人造膜工艺等学科的平行发展，生物计算机从人们模糊的构想中款款步出。物计算机从人们模糊的构想中款款步出。 L o g oL o g o生命科学对计算机的贡献生命科学对计算机的贡献v 20世纪世纪80年代初，美国首先开始部署研制工作，随年代初，美国首先开始部署研制工作，随后日本也开始了类似研究，英国亦不甘落后，后日本也开始了类似研究，英国亦不甘落后，1987年年拨款拨款3000万英镑，开发生物计算机的研制。万英镑，开发生物计算机的研制。 L o g oL o g o开发生物计算机的两个方向开发生物计算机的两个方向1一个是在不改变传统数字式计算技术的基础上，用含半醌类有机化合物的分子取代现用的硅半导体元器件，在分子水平上进行器件关开和逻辑操作，其优越性在于不仅大大缩小了电子器件的体积，而且优化了工作性能，扩大了存储量，提高了运算速度 2另一个是模拟活生物体系统，寻找二进制数字新的表达方式，表达载体是生物大分子，目前认为可行的主要有两种：蛋白质、核酸。L o g oL o g ov近年来，已经有各种各样的生物计算被研近年来，已经