计算机技术对现代生物科学的影响

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计算机技术对现代生物科学的影响

【摘要】当代生物技术的发展已经积累了大量的文献和资料，而计算机具有巨大的信息加工能力，因此，计算机成为贮存和分析这些信息的中心工具。本文先简单阐述了生物技术的发展史及应用现状，接着又论述了计算机科学的相关技术对生物科学研究的重大作用，最后讨论了应用计算机技术对生物技术的辩证作用以及计算机技术对生物技术研究前景的预测分析。

【关键词】：计算机技术；现代生物技术；生物学研究；发展史；跨学科综合研究；

生物技术产业；前景分析

当今世界，科学技术发展突飞猛进，新兴学科、交叉学科不断涌现，科技进步对经济社会的影响作用日益广泛和深刻。伴随着信息科技革命方兴未艾的浪潮，生命科学和生物技术的发展也正在展现出无可限量的前景。越来越多的人们已经预见到，一个生命科学的新纪元即将来临，21世纪将是生命科学的迅猛发展的时代。如今现代生物技术广泛应用于农业、医药与健康、能源、环境保护等领域，对科技发展、社会进步和经济增长产生极其重要而深远的影响。所有这些影响的产生都离不开现代生物技术广泛和深入的应用。

生物技术被世界各国视为一项高新技术，它对于提高国力迎接人类所面临的人口、食物、资源、能源和环境五大危机及经济问题的挑战是至关重要的关键性技术之一。它的广泛应用将促进传统产业的技术改造和新兴产业的形成，对人类社会生活将产生深远的革命性影响。生物技术是现实生产力，是21世纪高技术革命的核心内容，生物技术产业将是21世纪的支柱产业。

现代生物技术是指人们以现代生命科学为基础，结合工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先设计改造生物体或加工生物材料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。它至少包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程五项工程。这五项工程师相互联系、相互渗透的，其中以基因工程为核心。现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的，它是一门集生物学、医学、工程学、数学、计算机科学、电子学等多学科相互渗透的综合性学科。

1、现代生物技术的发展史及应用现状{1}

为了全面了解现代生物技术的发展，我们不妨先来看一看其发展史上的重要事件。

1917年，匈牙利工程师Karl Ereky首次使用“生物技术”这一名词。当时他提出的生物技术这一名词的含义是指用甜菜作为饲料大规模养猪，即利用生物将原材料转变为产品。

1928年，Flemming发现了青霉素。1943年，大规模工业生产青霉素。到现在人们已找到6000多种具有不同作用机制、不同作用专一性、不同来源的抗生素，这些抗生素对于维护人类的健康，拯救人的生命起到了决定性的作用。

1944年，Avery、Macleod和McCarty通过细菌转化实验证明DNA是遗传物

质。

1953年，Watson和Crick发现了DNA双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础，从而给整个生物学乃至整个人类社会带来了一场革命。从那以后，越来越多的科学家投身于分子生物学研究领域，并取得了许多重大的进展。

20世纪50年代，Foley等人证实化学诱变发生的肿瘤可以激发机体的免疫应答。随后，Hable等人又发现多瘤病毒能表达一种多瘤类肿瘤所特有的肿瘤特异抗原，用多瘤病毒作为疫苗引起了有效的免疫反应。

1956年，Sober和Peterson首次将离子交换基因结合到纤维素上，并成功的用于蛋白质分离。

1959年，B.J Davis首先报道了聚丙烯酰胺凝胶电泳。同年，美籍西班牙裔科学家Uchoa发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了将基因内的遗传信息通过DNA中间体翻译成蛋白质的过程。

1961年，M.Nirenberg等成功破译了遗传密码，解开了DNA编码的遗传信息是如何传递蛋白质这一秘密。

1964年，联合国世界卫生组织专门召开会议，对所发现的各类免疫球蛋白给以正式命名。

1964年，Littlefield等人利用突变细胞株和HAT选择培养液解决了分离杂交瘤细胞的难点。HAT筛选培养液是由次黄嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸生物合成途径设计的。

1965年法国科学家Jacob和Monod由于提出并证实了操纵分子作为调节细菌细胞的分子机制而与Iwoff分享了诺贝尔生理学或医学奖。

1970年，分离出第一个限制性内切酶。

1973年，最早在人体进行基因治疗实验，是由美国的一名科学家和几名医生在德国进行。

1976年，第一个DNA重组技术规则问世；DNA序列测定技术诞生。

1980年，Botstein、White、Skolnick和Davis等科学家建立了人类基因组作图的大致框架。

1989年，Huse报道了用组合抗体库技术制备抗体。到1991年Winter和Lerner分别报道了噬菌体抗体库技术。这一技术的建立，表明抗体制备技术进入了一个新的里程碑，即所谓的第三代抗体。

1994年，Gilman和Rodbell由于发现了G蛋白在细胞内信息传导中的作用而分享了诺贝尔生理学或医学奖。

20世纪60年代、70年代和80年代，我国科学家相继实现了人工全合成具有生物学活性的结晶牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素的晶体结构，采用有机合成与酶促反应的方法完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成，在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有令人所瞩目的建树。

人类已经进入知识经济时代，知识经济的基本特征之一就是知识不断创新，高新技术迅速产业化。作为高新技术领域重要组成部分的生物技术，必然在知识经济的发展过程中大显身手并做出特殊的贡献。

2、计算机科学在生物信息学中的应用

计算机科学和以基因组学为代表的分子生物学的各主要研究与应用分支之

间存在着紧密的联系。计算机系统结构和操作系统两个分支为分子生物学提供了其必需的高性能计算平台，计算机网络技术为其创建了高带宽的分布式计算和网络应用环境，算法研究和软件工程则直接涉及分子生物学工具与应用软件的设计与开发，数据库技术为生物学信息的存储检索提供了有效手段。另外，利用计算机图形学理论与图像处理技术进行DNA或蛋白质分子的三维建模显示也是一个重要的应用方向，因为基因测序所得到的只是关于基因中核苷酸排列的线性信息，如果搞清楚相应的三维结构必然能为研究人员提供更多的功能信息，尤其是蛋白质分子的空间结构不同，可能导致其功能的差异。{2}

自从将数据挖掘引入生物信息学领域，在机器学习方法的帮助下加快了分子生物学的结构预测、基因定位、基因组学、蛋白质组学等几个重要领域的研究和不断完善。然而，生物信息的大规模给数据挖掘提出了新课题和挑战，需要提出新的思想，常规的计算机算法仍可以应用于生物数据分析中，但越来越不适用于序列分析问题。这是由于生物系统本质上的模型复杂性及缺乏在分子层上建立完备的生命组织理论。

3、计算机科学对生物技术的辩证作用及前景分析

计算机病毒与生物病毒极为相似。如果计算机在正常程序控制下运行，不运行带病毒的程序，这台计算机总是可靠的。如果我们能在恶意程序运行前就发现它并抓出来，那么就达到了病毒防治的目的。这让人不禁联想到人体的免疫系统。设想，通过某些算法来实现这样一种反病毒程序，首先它可以将所有普遍的异常程序排出，暂不执行，当将附于其上的病毒清除后再运行，进入第二道防线之后进行“特异性免疫”，将特殊的有异于正常程序的病毒排除。这大大提高了对病毒防治的有效程度。但是问题的关键似乎就便成了“识别”的难题！因为我们知道：计算机病毒有着隐蔽性。如果我们能够高效地模拟人体免疫细胞的工作，能够尽量多的识别“异己”，就能更好的进行计算机病毒的防治。{3}人工智能高速度的发展，计算机技术更有效地将生物技术、仿生技术、微电子技术等相结合，创造出更多的机器生命为人类服务。这是每个人所期望的未来生活。同时，我们必须有一定的准则来约束这种发展。

随着生物学的深入发展，计算机在研究中的应用显得越来越重要，一系列的研究发现也充分的证明了这一点。我们有理由相信在计算机辅助下的生物学必将获得更快的进展，从而创造出更大的社会价值。

参考文献：

{1} 于智勇《现代生物发展史上的重要事件》生物学杂志

{2} 于啸陆丽娜程磊《计算机科学在生物信息学中的应用》农机研究杂志

{3} 阳春《人工智能——浅谈生物科学与计算机科学》时代教育期刊