計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)(PPT-23)

1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)（1）2012年秋季學(xué)期通選課程上課時(shí)間：周三 18:30點(diǎn) 上課地點(diǎn)：軟件園4區(qū)402d主講人：魏天迪講義 :/ 上學(xué)期共46名同學(xué)選修本課程，期末考試形式為遞交一篇大約3000字（含圖表）的論文。有38名同學(xué)按時(shí)遞交了論文。所有按時(shí)遞交論文的同學(xué)的成績(jī)皆為合格，剩下8名同學(xué)不得不不合格。交上來的38篇文章里，25篇機(jī)打，13篇手寫。35篇網(wǎng)絡(luò)摘抄，2篇課件摘抄，1篇原創(chuàng)。 本學(xué)期有114名同學(xué)選修本課程，。上學(xué)期考試情況計(jì)算機(jī)科學(xué)在生命科學(xué)中應(yīng)用的回顧、現(xiàn)狀與展望；計(jì)算機(jī)與動(dòng)物學(xué)；計(jì)算機(jī)與植物學(xué)；計(jì)算機(jī)與醫(yī)學(xué)；生物信息學(xué)基礎(chǔ)（基本概念、核酸與蛋白質(zhì)序列分析基本算法、生物

2、數(shù)據(jù)庫、生物分子結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與分析軟件、分子動(dòng)力學(xué)模擬、分子進(jìn)化樹）；計(jì)算機(jī)輔助藥物研發(fā)介紹；生物統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)；在計(jì)算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)的交叉領(lǐng)域內(nèi)的前沿性、典型性科研成果與論文的介紹。 內(nèi)容提要計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生與發(fā)展慕尼黑工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院LOGO“世界上沒有兩片完全相同的樹葉?！?戈特弗里德威廉萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646-1716）計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生與發(fā)展德國最重要的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、歷史學(xué)家和哲學(xué)家，和牛頓同為微積分的創(chuàng)建人。他的研究成果還遍及力學(xué)、邏輯學(xué)、化學(xué)、地理學(xué)、解剖學(xué)、動(dòng)物學(xué)、植物學(xué)、氣體學(xué)、航海學(xué)、地質(zhì)學(xué)、語言學(xué)、法學(xué)、哲學(xué)、歷史、外交等等，他

3、還是最早研究中國文化和中國哲學(xué)的德國人。萊布尼茲認(rèn)為：數(shù)理邏輯、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)三者均出于一個(gè)統(tǒng)一的目的，即人的思維過程的演算化、計(jì)算機(jī)化、以至于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。首次提出了“計(jì)算機(jī)”這個(gè)概念。古奧地利皇帝和俄國彼得大帝都曾聘請(qǐng)萊布尼茲做帝國顧問，在他建議下分別建立了維也納科學(xué)院和彼得堡科學(xué)院。他還建議中國清朝的康熙皇帝建立北京科學(xué)院。萊布尼茨在中國八卦圖的影響和啟發(fā)下發(fā)明二進(jìn)制。萊布尼茨一生沒有結(jié)婚，沒有在大學(xué)當(dāng)教授，平時(shí)從不進(jìn)教堂，因此他有一個(gè)綽號(hào)Lovenix，即什么也不愛的人。計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生與發(fā)展德國萊布尼茲超級(jí)計(jì)算中心（LRZ） Linux Cluster：2007年，753節(jié)點(diǎn)，564

4、6核，峰值43萬億次/秒； HLRB II：2007年，9728核，峰值62萬億次/秒； SuperMUC：2012年，140000核，峰值3千萬億次/秒 (3 peta / s)，投資1億3千5百萬歐元。(2010年11月，天河一號(hào)，2.57 peta / s)Linux Cluster HLRB II SuperMUC計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生與發(fā)展天文數(shù)字單位：堯 yotta澤 zetta艾 exa拍 peta（千萬億）太 tera吉 giga 1000000000兆 mega 1000000 （百萬）千 kilo 1000百 hecto 100十 deca 10個(gè) mono 1計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生與

5、發(fā)展英國著名的數(shù)學(xué)家和邏輯學(xué)家，被稱為計(jì)算機(jī)科學(xué)之父、人工智能之父，是計(jì)算機(jī)邏輯的奠基者。在圖靈之前沒有任何人清楚地說明過萊布尼茲說的“計(jì)算機(jī)”到底是怎么一回事。1936年圖靈發(fā)表了論文“論可計(jì)算及其在判定問題中的應(yīng)用”。在論文的一個(gè)腳注中“順便”提出來一種計(jì)算機(jī)抽象模型，可以把推理化作一些簡(jiǎn)單的機(jī)械動(dòng)作。正是這個(gè)“歪打正著”的腳注，開辟了計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)史的新紀(jì)元。圖靈提出的該計(jì)算模型現(xiàn)在被稱為“圖靈機(jī)”。1952年，圖靈寫了一個(gè)國際象棋程序?？墒牵?dāng)時(shí)沒有一臺(tái)計(jì)算機(jī)有足夠的運(yùn)算能力去執(zhí)行這個(gè)程序，他就模仿計(jì)算機(jī)，每走一步要用半小時(shí)。他與一位同事下了一盤，結(jié)果輸了。二戰(zhàn)時(shí)期圖靈破解了德國的著名

6、密碼系統(tǒng)Enigma，成為扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)爭(zhēng)走勢(shì)的關(guān)鍵人物。但戰(zhàn)后英國政府卻認(rèn)為他是同性戀而拘捕了他，注射各種藥物進(jìn)行“治療”。1954年，圖靈吃了一口被氰化鉀浸泡過的蘋果而死。后來這個(gè)被咬了一口的蘋果成為了蘋果電腦公司的標(biāo)志。阿蘭麥席森圖靈（Alan Mathison Turing，1912-1954）計(jì)算機(jī)科學(xué)的誕生與發(fā)展1966年，美國的計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)ACM設(shè)立圖靈獎(jiǎng)。每年只獎(jiǎng)勵(lì)一位計(jì)算科學(xué)家。計(jì)算機(jī)研制： 1967年，莫里斯威爾克斯，研制了世界上第一臺(tái)存儲(chǔ)程序式計(jì)算機(jī)EDSAC。程序語言設(shè)計(jì)： 1966年，艾倫佩利，定義了算法語言ALGOL，標(biāo)志著程序設(shè)計(jì)語言由一種“技藝”轉(zhuǎn)而成為一門科學(xué)。 197

7、2年，德斯加狄克斯特拉，“goto語句是有害的”，“程序測(cè)試只能用來證明有錯(cuò)，決不能證明無錯(cuò)”。 1977年，約翰巴克斯，發(fā)明了世界上第一個(gè)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言FORTRAN。 1983年，丹尼斯 里奇和肯尼斯 湯普森設(shè)計(jì)、開發(fā)了C語言和UNIX操作系統(tǒng)。 1984年，尼克勞斯沃思，PASCAL語言及結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的首創(chuàng)者，“數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) + 算法 = 程序”。 2001年，奧爾約翰戴爾和克利斯登奈加特，60年代提出了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的概念。其他方面： 1971年，約翰麥卡錫，提出“人工智能”這一術(shù)語/學(xué)科領(lǐng)域 。 1981年，埃德加科德，發(fā)明了關(guān)系數(shù)據(jù)庫。 1997年，道格拉斯恩格爾巴特，發(fā)明了鼠標(biāo)

8、和超文本。 2000年，華裔學(xué)者姚期智，計(jì)算理論領(lǐng)域重大貢獻(xiàn)。 2009年，芭芭拉麗絲克夫，首位獲得圖靈獎(jiǎng)的女計(jì)算機(jī)科學(xué)家?，F(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展 亞里士多德（公元前384-322，古希臘）動(dòng)物志一書中相當(dāng)細(xì)致地記述了他對(duì)動(dòng)物解剖結(jié)構(gòu)、生理習(xí)性、胚胎發(fā)育和生物類群的觀察，并對(duì)生命現(xiàn)象作出了許多深刻的思考（鯨魚）。 賈思勰（北魏386-543，中國） 齊民要術(shù)系統(tǒng)地總結(jié)了6世紀(jì)以前黃河中下游地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)、食品的加工與貯藏、野生植物的利用等。 希爾德加德修女（1098-1179，德國）醫(yī)學(xué)一書繼承和發(fā)揚(yáng)了古希臘的創(chuàng)新精神，大膽地記錄了她對(duì)動(dòng)物、植物的觀察和用來當(dāng)作藥物的使用方法。 維薩里（

9、1514-1564，比利時(shí)）人體的結(jié)構(gòu)標(biāo)志著解剖學(xué)的建立。 李時(shí)珍（1518-1593，中國）本草綱目綜合了大量科學(xué)資料，提出了較科學(xué)的藥物分類方法，溶入先進(jìn)的生物進(jìn)化思想，并反映了豐富的臨床實(shí)踐。廣泛涉及醫(yī)學(xué)，藥物學(xué)，生物學(xué)，礦物學(xué)，化學(xué)，環(huán)境與生物，遺傳與變異等諸多科學(xué)領(lǐng)域。英國生物學(xué)家達(dá)爾文稱本草綱目為“16世紀(jì)的百科全書”！現(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展 虎克（1636-1702，荷蘭）發(fā)明了顯微鏡，因而首次發(fā)現(xiàn)細(xì)胞和微生物，最早紀(jì)錄肌纖維、微血管中血流 。提出了單詞“cell”。 林耐（1707-1778，瑞典）千姿百態(tài)的生物物種被科學(xué)的歸納在界、門、綱、目、科、屬、種的秩序里，因此他成為

10、有史以來最偉大的生物分類學(xué)家。上帝造物還是生物進(jìn)化？ 達(dá)爾文（1809-1882，英國）物種起源是19世紀(jì)最具爭(zhēng)議的著作，試圖證明物種的演化是通過自然選擇的方式實(shí)現(xiàn)的。 施旺（1810-1882，德國）細(xì)胞學(xué)說創(chuàng)始人，植物與動(dòng)物都是由細(xì)胞組成的。恩格斯把細(xì)胞學(xué)說譽(yù)為19世紀(jì)最重大的發(fā)現(xiàn)之一。 孟德爾（1822-1884，奧地利）通過8年的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)得出了生物遺傳規(guī)律，是現(xiàn)代遺傳學(xué)創(chuàng)始人。遺憾的是其工作的價(jià)值被埋沒了30多年 。 巴斯德（1822-1895，法國）創(chuàng)立了微生物學(xué)，直接導(dǎo)致了醫(yī)學(xué)疫苗的發(fā)明和免疫學(xué)的建立 。巴氏消毒：60攝氏度，30分鐘。1871年，瑞士人Miescher從白細(xì)胞

11、細(xì)胞核中分離出脫氧核糖核酸（DNA）；現(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展1883年，德國人魯克斯觀察到細(xì)胞核內(nèi)能被堿性染料染色的絲狀體。1888年，德國人沃爾德耶稱這種絲狀體為“染色體”，并猜測(cè)染色體與遺傳有關(guān)?，F(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展1944年，美國人阿弗萊、麥克李沃和麥克卡三人通過實(shí)驗(yàn)證明DNA是生物的遺傳物質(zhì)；現(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展1953年，英國人Watson和Crick在Nature雜志上發(fā)表了DNA的雙螺旋三維結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展1962年， Watson，Crick和Wilkins共同獲得了諾貝爾生物獎(jiǎng)。Maurice Wilkins Rosalind Franklin現(xiàn)代生命

12、科學(xué)的誕生與發(fā)展1954年，Crick提出了中心法則“DNA - RNA - 蛋白質(zhì)”。現(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展1966年，美國人Nirenberg和Khorana破譯了全部遺傳密碼字典的64個(gè)密碼子?，F(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展人類基因組計(jì)劃： 1990年，國際人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)，預(yù)算30億美元，被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計(jì)劃”，參與國：美、英、日、德、法； 1997年，在耗費(fèi)了巨額資金和一半預(yù)定時(shí)間之后，僅完成了3%的工作； 1998年，Craig Venter創(chuàng)立Celera公司； 1999年， Celera公司在無政府資助下，趕超了多國合作小組； 1999年，中國加入多國合作小組，負(fù)責(zé)測(cè)定

13、基因組全部序列的1； 2000年，在美國總統(tǒng)克林頓的協(xié)調(diào)下， Celera公司與多國合作小組合作，宣布完成了人類基因組草圖的90； 2001年，完成了人類基因組草圖的99， Celera公司與多國合作小組合作幾乎同時(shí)分別在Science和Nature上獨(dú)立發(fā)表自己的草圖； 2003年，人類基因組序列圖繪制成功，徹底完成?，F(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展現(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展測(cè)序儀：2000年，熒光自動(dòng)測(cè)序儀（第一代）；當(dāng)前，高通量測(cè)序儀（第二代）現(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展現(xiàn)代生命科學(xué)的誕生與發(fā)展計(jì)算機(jī)在生命科學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀1. 數(shù)據(jù)庫技術(shù)：數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與挖掘 計(jì)算機(jī)技術(shù)與生物學(xué)的應(yīng)用中，數(shù)據(jù)庫技術(shù)是最基本的技術(shù)。生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、管理、查詢都是建立在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之上的。 生物數(shù)據(jù)的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和組織方式復(fù)雜、數(shù)據(jù)量增長十分迅速。 核酸研究自2000年起每年的第一期都發(fā)表最新的生物數(shù)據(jù)庫論文。目前正式發(fā)表生物數(shù)據(jù)庫已接近2000個(gè)。 傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫難以有效儲(chǔ)存復(fù)雜的生物數(shù)據(jù)，因此必