生命科学导论

20世纪中后期以来，信息技术在经济和社会各领域的广泛应用和渗透，深刻改变了人们的生活、生产和思维方式，促进了国际经济结构调整，加快了经济全球化进程，以信息化和信息产业发展水平为主要特征的综合国力竞争日趋激烈。目前，世界信息产业年生产总值超过万亿美元，持续增长的势头十分强劲，是世界经济发展中最迅速、规模最大的产业。而在进入新千年，当大批网络公司纷纷陷入困境的时候，年轻的生物技术产业却显示出强劲的发展势头，成为当今高技术产业发展的核心动力之一。受益于信息技术革命而成为全球首富的比尔·盖茨曾预言：超过我的下一个首富必定出自基因领域。

生物技术的发展需要信息技术支撑

首先，在现代生物技术发展过程中，计算机与高性能的计算技术发挥了巨大的推动作用。在人类基因组草图的绘制过程中，高性能计算技术发挥了巨大的威力，康柏公司的Alpha 服务器为研究人员提供了出色的计算动力。赛莱拉公司计划将32亿个碱基对按照正确顺序加以排列。为了完成该历史性课题所需的数量极为庞大的数据处理工作，公司动用了700台互联的Alpha64位处理器，运算能力达到每秒1.3万亿次浮点运算。同时，公司还采用了康柏的Storage Works系统，用以完成对一个空间为50TB且以每年10TB速度增长的数据库管理工作。业界分析人士称，在这场激烈的基因解码竞赛背后隐含的是一场超级计算能力的竞赛，同时，这次竞赛有助于大众对超级计算机的超强能力形成普遍认知。此外，信息技术还有助于加强生物技术领域的各种数据库管理、信息传递、检索和资源共享等。随着生物技术及其产业的发展，各种数据库几乎覆盖了生命科学的各个领域。

其次，生物技术及其产业的发展对于生物技术类软件的需求将进一步增加，软件技术将成为支撑生物技术及其产业发展的关键力量之一。在生物技术各领域中均需要相应的专业软件来支撑：各类生物技术数据库的构建需要性能优良、更新换代迅速的软件技术；核酸低级结构分析、引物设计、质粒绘图、序列分析、蛋白质低级结构分析、生化反应模拟等等也需要相应的软件及其技术支撑；加强生物安全管理与生物信息安全管理也离不开软件及其技术发展的支持。

目前，欧美各国及日本相继成立了生物信息数据中心，美国有国家生物技术信息中心(NCBI)、英国有欧洲生物信息研究所(EBI)、日本有70余家制药、生物及高技术公司组成的“生物技术产业信息化共同体”等。根据戈德曼—萨克斯财团2001年的一份报告显示，美国国际商用机器公司(IBM)、Sun、康伯和摩托罗拉等各公司已至少与生物技术公司和调研公司达成12项合作意向，共有140多项合作协议，合作内容涉及到各种技术领域，包括基因芯片，用计算机模拟药效等。IT企业介入生物技术产业后给他们带来了丰厚的效益。IBM表示，2004年，与生物信息技术相关的年销售额将达到30亿美元。

生物技术为信息技术发展开辟道路

在生物技术的发展需要信息技术支撑的同时，生物技术也为信息技术发展开辟着新的道路。

首先，生物技术推动超级计算机产业的发展。随着人类基因组计划各项任务的完成，有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数增长。面对如此巨大而复杂的数据，只有运用计算机进行数据管理、控制误差、加速分析过程，使得人类最终能够从中受益。然而要完成这些过程，并非一般的计算机力所能及，而需要具有超级计算能力的计算机。因此，生物技术的发展将对信息技术提出更高的需求，从而推动信息产业的发展。

其次，生物技术将从根本上突破计算机的物理极限。目前使用的计算机是以硅芯片为基础，由于受到物理空间的限制、面临耗能和散热等问题，将不可避免地遭遇发展极限，要取得大的突破，需要依赖于新材料的革新。2000年美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家根据生物大分子在不同状态下可产生有和无信息的特性，研制出分子开关。2001年世界首台可

自动运行的DNA计算机问世，并被评为当年世界十大科技进展。2002年DNA计算机研究领域的先驱阿德勒曼教授利用简单的DNA计算机，在实验中为一个有24个变量、100万种可能结果的数学难题找到了答案，DNA计算机的研制迈出了重要一步。

当然，生物计算机要真正超越电子计算机，还需要在DNA大分子操纵技术等方面有大的突破。尽管如此，许多科学家认为，21世纪将是生物计算机的时代，21世纪生物技术将独领风骚！

全能性、多能性和单能性

受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体，所以把受精卵的分化潜能称为全能性。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。从全能性到多能性，再到单能性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。

植物的枝、叶、根都有可能长成一株完整的植株，细胞培养的结果也证明即使高度分化的植物细胞也可以培养成一个完整的植株，因此可以说绝多数植物细胞具有全能性。

成熟动物细胞显然不具备全能性。其原因并非在细胞核而在细胞质，如大量的核移殖实验证实，分化细胞的核仍保留完整的基因组DNA。我国发育生物学家童第周1978年成功地将黑斑蛙成熟的细胞核移入去核的受精卵细胞内，培育出了蝌蚪。60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的基因组DNA。

在人的一生中，皮肤、小肠和血液等组织需要不断地更新，这个任务是由干细胞完成的。干细胞是一类具有分裂和分化能力的细胞，多能干细胞可以分化出多种类型的细胞，但它不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞，所以多能干细胞的分化潜能称为多能性（pluripotent）。单能干细胞来源于多能干细胞，具有向特定细胞系分化的能力，也称为祖细胞（progenitor）。

新陈代谢是机体生命活动的基本特征。新陈代谢包括物质代谢和能量代谢，其中物质代谢又包括合成代谢和分解代谢。一般来说，在合成代谢过程中吸收能量，而在分解代谢过程中则释放能量，这种能量伴随物质的合成和分解而发生的转变的过程称为能量代谢。

糖首先是构成人体组织、细胞的组成成分之一。其次糖是人体重要的能量来源。人体每日从糖类获得的能量约占总能量消耗的70％，另外糖在某些条件下还可转变为脂肪和蛋白质。

人体内主要的糖类是糖原（glycogen）和葡萄糖（glucose）。食物中的糖经消化、吸收入血后一部分在血浆中以血糖形式存在。一部分进入肝脏和肌肉，分别以肝糖原和肌糖原形式存在。血糖是人体糖类的运输形式，而糖原是人体糖类的贮存形式，两者以血糖为中心，在体液调节的作用下，维持动态平衡。

糖在人体内大多作为能量供应者而被分解，糖在人体的主要分解途径有两条：

1．糖酵解（glycolysis）：指糖在人体组织细胞中，不需要耗氧而分解成乳酸，并释放出一部分能量的过程。在该过程中，每分子葡萄糖被分解生成2分子乳酸，并生成2分子的A TP。其释放出的能量较少，仅为有氧氧化的5％。但能量释放的速度较快。

2．有氧氧化（oxidition）：糖元或葡萄糖在有氧条件下彻底分解，生成CCO2和H2O的过程。糖的有氧氧化释放能量较多，每分子葡萄糖完全分解时，产生38个A TP,为糖酵解的19倍，是人体正常生理条件下及长时间运动中供能的主要形式。