第九章 生命科学与智能探索

第九章生命科学与智能探索讨论：说说你知道的20世纪自然科学的重大突破。说说你所理解的人工智能的概念是什么？在现代科学发展过程中，生物学取得了引人注目的成就。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被“生命科学”的名称所取代，生命科学的进步也向数学、物理学、化学以及工程科学提出了新的问题，提供了新的理论和概念，开辟了许多新的研究领域和生长点，如脑和计算机、智能和人工智能等。§9.1现代生命科学9.1.1现代遗传学与分子生物学

现代遗传学的奠基人是奥地利生物学家孟德尔。他做出了重要的理论假定：在生物体内存在着一种遗传物质——遗传因子。孟德尔与现代遗传学的创立对基因理论发展做出重大贡献的是美国生物学家摩尔根。他进行了著名的果蝇杂交实验，发现了基因的连锁现象、交换现象，以及性别决定、伴性遗传等事实。果蝇杂交实验摩尔根基因理论的主要内容：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。基因坐落在染色体上，总是与一定的连锁群相联系。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。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。每个基因所具有的功能不是唯一的，在某些情况下，基因对个体形状往往显示出多种效应。在同源染色体中，等位基因具有相互吸引的作用。对蛋白质和核酸在生命现象中的作用，人们的认识经历了一个发展过程：19世纪，人们认为蛋白质是生命的物质基础，明确了蛋白质是由多种氨基酸连接而成的生物大分子，形成了蛋白质的肽键结构理论。1869年，核酸被发现。1952年，进一步确认了DNA是生命遗传信息的物质载体，使得对DNA功能、结构及其与蛋白质之间关系的研究成为分子生物学研究的重点。1944年，确定DNA遗传信息传递过程中的重要作用。9.1.2DNA的双螺旋结构的建立

薛定谔的《生命是什么？》——“唤起生物学革命的小册子”

薛定谔《生命是什么？》DNA双螺旋结构的建立是一个时代的产物，它与结构化学的兴起，特别是生物大分子晶体X射线衍射分析技术的发展密切相关。X射线衍射技术应用于晶体蛋白质和核酸研究，对人们认识蛋白质和核酸的性质和推定它的三维结构起了重要作用。20世纪50年代初，英国女科学家富兰克林用X射线衍射方法对DNA进行了研究，她拍摄了当时最好的DNA衍射图片。富兰克林拍摄的DNA晶体的X射线衍射照片，这张照片正是发现DNA结构的关键1953年，克里克和沃森建立了DNA双螺旋结构的分子模型。这一成就后来被看作20世纪以来生物学方面最伟大的发现，也被认为是分子生物学诞生的标志。沃森、克里克与DNA双螺旋模型

DNA是一种高分子化合物，其基本组成单位是脱氧核苷酸，每个脱氧核苷酸由一分子磷酸、一分子脱氧核糖、一分子含氮碱基组成。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分子独特的双螺旋结构为其自我复制提供了精确模版，而碱基互补配对能力则使复制准确完成得以保证。对DNA分子结构及其自我复制机理的研究，极大地深化了人们对基因概念的理解，基因是一贯化学实体，是具有遗传效应的DNA分子中的一定核苷酸顺序，它是遗传新鲜贮存、传递、表达、形状分化和发育的依据。9.1.3基因的调节与控制：中心法则基因通过DNA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。是指以DNA的一条链为模板，按照碱基互补配对原则，合成RNA的过程，它是在细胞核内完成的。转录方法表示为：

通过上述转录，DNA的遗传信息被传递到RNA上，这种RNA被称为信使RNA。DNA···—A—T—G—C—···RNA···—U—A—C—G—···········翻译是指以信使RNA为模版，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。这一过程是在细胞质中进行的。上述遗传信息从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，刻画了基因调节和控制的机制，被称为“中心法则”。DNADNAmRNAtRNA+氨基酸转录自我复制在核糖体内蛋白质氨酰基合成酶9.1.4遗传密码的破译1961年，科学家第一次用实验给遗传密码以确切的解答，到1969年，64种遗传密码的含义全部得到解答。遗传密码同氨基酸之间的专一性联系是稳定的，遗传密码还具有可变性，基因的自然突变率在10-4～10-9之间。基因突变是密码子变化的结果，而这种基因突变是生物进化的主要源泉。遗传密码的破译和中心法则的确立，直接导致了重组DNA技术的建立，并由此产生了基因工程。重组DNA技术在新的产业革命中具有重要意义，它的建立被认为是分子生物学新时代的开始。1985年美国科学家提出测定人类基因组全序列，呼吁科学家们联合起来从整体上研究和分析人类基因组序列。1990年10月，美国正式启动人类基因组计划（HGP）项目，此后有德、日、法、英、中五国16个实验室的科学家先后加入该研究计划，终于在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。目前，HGP已经完成了遗传图谱、物理图谱、转录图谱和序列图谱的绘制和初步分析，这一研究奠定了21世纪人类生命科学发展的基础。作为当代生命科学的主流，分子生物学的发展不但伤痕化了人们对生命活动机制和生命本质的认识，给生物学带来了深刻变革，而且也丰富了物理学和化学等学科的研究内容。特别值得指出的是它为人类进一步改造生物物种和创造新型物质开辟了广阔前景，并因此深刻影响着医学和工农业技术发展的方向。人们认为，分子生物学的建立是继物理学革命之后20世纪自然科学的又一次革命，分子生物学将成为当代自然科学的带头学科，未来的世纪将是生命科学的世纪。§9.2生命的起源生命起源问题被人们喻为“宇宙之谜”。对生命起源问题的解释，有两种对立的思想：1.“生生说”——认为生命只能源于生命。最终将生命的起源归于超自然的原因，即归于天命或神秘的活力。如基督教“创世纪”中记载，上帝创造了生命。这种主张也被称为“神创论”或“特创论”。2.“自然发生说”——认为生命来自非生命。19世纪下半叶恩格斯在《自然辩证法》中对神创论进行了批判，认为生命是从非生命的无机界物质运动中分化产生的。

恩格斯自然辩证法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。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。1953年，美国人米勒模拟了在原始地球条件下产生复杂有机物的可能过程。他将甲烷、氨、水和氢气等混合物注入特殊封闭的系统中，连续火花放电一周，得到大量有机化合物。原始大气原始地球米勒实验宇宙考察和陨石分析也为有机化合物的非生物起源提供了证据从宇宙飞船带回来的月球岩石样品中发现有微量的氨基酸对陨石的化学分析，也发现氨基酸、脂肪酸等有机化合物我国科学家在陨冰水样中，发现氨基酸化合物9.2.2生物大分子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。模拟这个过程必须经过脱水缩合或高温热聚缩合。在这一问题上有两种观点：一是陆相起源派，另一种是海相起源派。人们也采用人工合成的方法合成这些生物大分子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。

我国在人工合成生物大分子的研究方面居于世界先进行列。合成的胰岛素变成结晶方面，中国处于世界领先地位

1965年8月3日，我国首次人工合成结晶牛胰岛素

9.2.3多分子体系和原始生命的出现多分子体系是由生物大分子相互结合形成的具有一定内部结构的独立体系。有以下两种可能的模型。奥巴林提出的团聚体模型：原始海洋中的有机物质能浓缩成团聚体，以此作为生命发展的可能模式。福克斯的微球体模型：在合适的pH和一定浓度的盐溶液条件下，让加热生成的类蛋白的热浓溶液缓慢冷却，形成无数球状滴粒，即类蛋白微球体。§9.3人类的起源及其智力的发展9.3.1人类的起源在生物学发展史上，人们对人类起源问题作过很多探讨。拉马克的《动物学的哲学》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。

“劳动创造了人本身”——人类从动物界中分化出来的根本原因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；第三，劳动中产生了语言；第四，劳动推动了人脑的形成和发展；最后，劳动发明了用火，最终把人同动物界分开。早期猿人阶段晚期猿人阶段最著名的北京猿人早期智人阶段（古人阶段）晚期智人阶段（新人阶段）新人基本上已和现代人类相似早期猿人复原图早期人猿阶段（约300-200万年至150万年前）包括东非坦桑尼亚的“能人”和肯尼亚“1470号人”以及更新世早期前一段时间内已能制造工具的人类。晚期猿人晚期猿人阶段（约150万年至30-40万年前）属这一阶段的猿人有我国的蓝田、元谋和北京猿人，印尼的莫佐克托猿人，非洲的毛利坦猿人，德国的海德堡猿人等。晚期智人（新人）阶段（约5万年前）新人基本上已和现代人类相似，正是从新人逐渐发展出现代各色人种。晚期智人头盖骨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。西班牙组织解剖学家卡哈尔的神经元理论和英国生理学家谢灵顿的反射学说，为20世纪神经系统研究的迅速开展奠定了基础。卡哈尔神经系统基本组成单元是细胞，可分为两类：神经细胞和神经胶质细胞。神经细胞即神经元，它是神经系统的最基本的结构和功能单位。人类神经系统约含有1011个神经元。神经元人类神经系统人类的神经系统可以分为中枢神经系统和周围神经系统两部分。后者由各种神经节和神经组成，前者则包括脊髓和脑。9.3.3认知科学对人类智力发展的认识认知科学是以人类智力活动的基本规律作为研究对象的。

“认知”（cognition)——源于拉丁语cognito意为“知识”或“认识”。美国心理学家华生等把巴浦洛夫条件反射学说系统应用于人类心理学，建立了行为主义学派。§9.4人工智能计算机科学、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，顾名思义，它是研究人类智能的人工实现方法的科学。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。其中，数理逻辑致力于关于人类思维推理过程符号化和形式化。图灵关于计算本质的思想对于形式推理概念与当时即将发明的计算机之间联系的揭示，为人工智能的产生提供了思想基础。图灵图灵1937年就发表了“关于理想计算机”－图灵机的论文，他令人信服地论证了任何需要加以精确确定的计算过程都能够由图灵机来完成。1947年，图灵写了有份关于人工智能的内部报告，1950年他发表了“计算机能思维吗？”的著名论文，文中对智能问题从行为主义的角度给出了定义，设计了关于智能的“图灵测验”：一个人在不接触对象的情况下，同对象进行一系列的问答，如果他根据这些问答无法判断对象是人还是计算机，那么，就可以认为这个计算机具有同人相当的智力。直接促进人工智能发展的还有当时创立不久但却产生广泛影响的控制论和信息论。1956年，在美国达特茅斯（Dartmouth）召开了第一次人工智能研讨会，首次使用了人工智能这一概念，这次会议是人工智能作为一门学科诞生的标志。20世纪50年代神经网络时代20世纪60年代弱方法时代20世纪70年代知识工程时代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

符号主义：又称