從學(xué)科交叉漫談生物信息學(xué)

從學(xué)科交叉漫談

生物信息學(xué)科學(xué)、宗教與藝術(shù)同源而殊途：同源于描述和解釋自然、人類以及人和自然的關(guān)系。數(shù)學(xué)是自然科學(xué)的“畫筆”：定量而不僅是定性地掌握自然規(guī)律。科學(xué)結(jié)論具有可以定量檢驗的預(yù)測能力?！皵?shù)學(xué)”和“定量”包括解析、數(shù)值、圖形和其它主要由現(xiàn)代計算機提供的模擬手段。物理學(xué)已經(jīng)成為鼎立于實驗、理論和計算三大支柱上的成熟的學(xué)科。生物是物，生物學(xué)也會受到物理學(xué)的啟發(fā)。生物是物生物有理天地有大美而不言,萬物有成理而不說。夫圣人者原天地之美，而達萬物之理。莊子，《知北游》物含妙理總堪尋(北京頤和園銅亭出口處對聯(lián)下聯(lián))細推物理須行樂

何用浮名絆此身

杜甫耳目之察，不足以分物理。《淮南子。覽冥訓(xùn)》需要儀器觀測和理論思維

物理學(xué)與生物學(xué)的相互促進由來已久電學(xué)和電生理學(xué)同時誕生C.A.deCoulomb,1785L.Galvani,1791生物學(xué)為物理學(xué)啟示過能量守恒醫(yī)生R.J.Mayer(1842)：受動、靜脈血色差別啟發(fā)，第一個給出熱功當(dāng)量。物理學(xué)家J.P.Joule(1843)：熱功當(dāng)量。現(xiàn)役軍醫(yī)H.vonHelmholtz(1847)：把能量守恒從機械運動推廣到熱、電、磁乃至生命現(xiàn)象。（24年后任物理教授）

（感謝劉寄星博士核實姓名年代）物理學(xué)為生物學(xué)提供過大量工具光學(xué)顯微鏡(~1590)：細胞(1665)細菌(AntonievanLeeuwenhoek,1683)(Muller確認細菌為一類生物,1773)X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（JDWatson,FHCCrick,1953）肌紅蛋白、血紅蛋白晶體結(jié)構(gòu)（1957,1959）電子顯微鏡、掃描電鏡、隧道掃描電鏡物理學(xué)為生物學(xué)提供過大量工具各種光譜方法、熒光標(biāo)記中子衍射示蹤原子、放射性標(biāo)記核磁共振波譜質(zhì)譜儀“化學(xué)”儀器：超速離心機、液相色譜分析、圓偏振二向色性分析、凝膠電泳物理學(xué)為生物學(xué)提供了新思想負熵非周期晶體對熱漲落的擔(dān)心三聯(lián)碼（GeorgeGamow,1954）生物中的“標(biāo)度”和“分形”ErwinSchrodinger,WhatisLife?

ThePhysicalAspectofthe

Living

Cell,1944,…MichaelP.MurphyandLukeA.J.O’Neill,eds.WhatisLife?The

NextFiftyYears,CambridgeUniversityPress,1995,1997.數(shù)學(xué)是關(guān)于形和數(shù)的科學(xué)分析代數(shù)幾何統(tǒng)計、概率和隨機過程離散數(shù)學(xué)：組合學(xué)、圖論、語言學(xué)生物有形

生物有數(shù)生物有形，人所共識。地球上自然之美，多數(shù)來自生物本身和它們的營造。生物有數(shù)，則經(jīng)歷了漫長的認識過程。生物有形HIV病毒粘菌(Slimemold)：自組織現(xiàn)象的實例“數(shù)學(xué)的應(yīng)用:…

生物學(xué)中的數(shù)學(xué)=0.”（恩格斯：1885）于光遠等譯,《自然辯證法》,人民出版社,1984,172頁生物有數(shù)生物多樣性（宏觀數(shù)據(jù)）現(xiàn)存物種知多少？從2百萬到10億的種種估計2003年11月初GenBank核酸數(shù)據(jù)庫中有154089種生物至少有1條數(shù)據(jù)其中只有約半數(shù)有某些分類學(xué)信息目前地球上存活著約5000種哺乳動物,約9000種鳥類細菌是地球上最成功的物種,然而我們不知道它們的數(shù)目有多少生物數(shù)閥據(jù)的產(chǎn)窗量中國科學(xué)涉院基因組務(wù)學(xué)研究所譯（“華大社基因”）勾每天的測瓦序能力：庸5000甩萬堿基對虜（5*1巖07）一個人多的基因混組：3典.2*死109堿基對秈稻基狂因組：膏4.3胖*108堿基對全世界每她年生物數(shù)池據(jù)產(chǎn)出量三：1015字節(jié)英國S羊ang負er中長心今后駛5年每色年新增哪硬盤：沈80-盒100鞠TB，跟即(0脈.8~萍1)*句1014字節(jié)Gen水Ban澤k1撞38版扣(20受03年系10月瘡15日宿)序列數(shù)隸:29碼819題39喜7(住298閣1萬)核苷酸填(字母炎)數(shù):35垂599剖62腹14殊71鬼(35僚5億)序列平補均長度勒:1繁193計算機袍：用火寺以來的任最偉大愧發(fā)明ENIA海C（19吩44）：碧每秒33籮0次乘法千運算神威計板算機：屠每秒3躺840胡億次浮充點運算曙光30均00計算膚機：每秒賀4000膊億次浮點辭運算每秒1械萬億次賠=1012次/秒數(shù)學(xué)、趕物理和只計算機險科學(xué)大硬有可為生物學(xué)霉引論地球上重的自然燃史~13猛Bys:姿大爆炸~4.廢9B披ys:勻太陽稍系和地漫球誕生~3.熱8B籃ys:語地球郊上出現(xiàn)盲原始生投命~2.7套Bys赤:細菌返、光和作僵用~1.框7B似ys:斥多細集胞生物~55鐮0M遍ys:覺寒武退紀(jì)(C骨amb倚ria奶n)物密種大爆所發(fā)~425充Mys千:志留以紀(jì)(Si帳luri龜an)物誰種爆發(fā)~65痰Mys:移恐龍滅獻絕~3.5披Mys飄:化石爸古猿科與汽人科分離~0.7此Mys暴:人類店與黑猩猩微分離~0.5尚Mys罷:北京換人(H盒omo惕erec鐵tus)~0.4腎Mys洗:智人親(Hom段osa霸pien蠻s)~10睡0-2旋0K堪ys:刑山頂喉洞人221帝BC擔(dān),2王224徑年前：碗秦始皇傲統(tǒng)一中羽國模式生物噬菌體(仆Bact光erio蘋phag義e:l郵ambd扮a,T擺4,T蛇7)病毒(抹Vir均use足s:嘗SV4孟0,待HIV執(zhí))大腸桿槐菌(E藝sch軍eri否chi什ac氏oli擊)酵母(胸Sac榴cha紅rom歡yce擴sc著ere鉗vis橋iae罩,平y(tǒng)ea真st率bud策din猴g)線蟲(C森aeno腿rhab漏itid壓ise眉lega參ns,槳nema井tode憂,wo赴rm)果蠅(D揚roso府phil郊ame譽lano趟gast熄er,賊frui脆tfly翼)擬南芥(化Arab掘idop羅sis午thal蛋iana打)水稻(奴Ory襖za錫sa旦tiv否a,及ric再e)非洲爪寧蟾(X禮eno堆pus柔la頂via粥e,逗Afr復(fù)ica繪nf近rog捧)斑馬魚扶(Da玩nio鼓re耀rio挺,Z弄ebr澆af應(yīng)ish籮)小鼠(M商usm懼uscu諒lus,箱mou獸se)智人(膽Hom壘os開api萌ens踩)遺傳物質(zhì)核酸(閑DNA波)：線婆性和環(huán)蘆狀質(zhì)粒(P夢lasm疤ids)產(chǎn)：線性和園環(huán)狀染色體安：DN乏A+介組蛋向白線粒體桐：有自撕己的D妙NA葉綠體呢：也有水自己的照DNA生命現(xiàn)象季的眾多層抽次系統(tǒng)生書物學(xué)、愚生物復(fù)浩雜性、膊生態(tài)系慮統(tǒng)生物多醬樣性、姑種群動王力學(xué)動物行跟為科學(xué)個體、器多官、組織細胞及其岔通信、信己號傳導(dǎo)免疫網(wǎng)杜絡(luò)、調(diào)沈控網(wǎng)絡(luò)箱、代謝殃網(wǎng)絡(luò)復(fù)制、悔轉(zhuǎn)錄、奧剪接、騙翻譯、妨運輸生物大劇分子:探蛋白億質(zhì)與核枯酸（D篩NA、估RNA海）小分子(屠糖、脂肪秘、核苷酸撲、氨基酸而)、金屬粉離子、水分子和鑰原子的竿相互作霉用來自我們毯工作的幾戚個具體例妹子完全基辮因組中桂的缺失眉和稀少劍字串：像相關(guān)的鹿組合學(xué)告和語言共學(xué)問題秈稻基因鑒組框架圖螞：測序讀昆出大量短斃串的拼接漫、重復(fù)序省列帶來的釣困難、長辦DNA鏈魂中尋找基殖因細菌親緣矩關(guān)系和分征類學(xué)細菌完印全基因柜組中的叨缺失和帶稀少短怠核苷酸窗串以大腸桿雀菌為例：一個DN紅A環(huán)：4睬639或221屠個a,衣c,g,據(jù)t字母長度為8多的短串共限有種65鐵536種同長隨襪機序列泰中平均決每種串虧出現(xiàn)7遼1次實際情埋形如何才？seeD燈NA程序尿演示C語言殿+拉Xli琴b+衛(wèi)Xt摩ool偵kitUNIX胖或LIN夸UX平臺由Ge酒nBa度nk取眨得基因站組數(shù)據(jù)背后的滿組合學(xué)傻和語言排學(xué)問題水稻葉持綠體基豬因組可能曾經(jīng)約是一種光瘦合細菌全部由噴a、c難、g、棍t四種陜核苷酸筑組成的蔬序列粳稻（日沒本198才9）：1漿3452庫5個字母銹秈稻（中溝國200擋1）：1虎3455個9個字母cccaatatcttgcttcagcaagatattgggtatttctagctttcctttcttcaaaaattgctatatgttagcagaaaagccttatccattaagagatggaacttcaagagcagctaggtctagagggaagttgtgagcattacgttcgtgcattacttccataccaagattagcacggttgatgatatcagcccaagtattaataacgcgaccttggctatcaactacagattggttgaaattgaatccgtttagattgaaagccatagtactaatacctaaagcagtgaaccaaatccctactacaggccaagcagccaagaagaagtgtaaagaacgagagttgttaaaactagcatattggaagattaatcggccaaaataaccatgagcggccacaatattataagtttcttcctcttgaccaaatctgtaaccctcattagcagattcgttttcagtggtttccctgatcaaactagaggttaccaaggaaccatgcatagcactgaatagggaaccgccgaatacaccagctacacctaacatgtgaaatggatgcataaggatgttatgctctgcctggaatacaatcataaagttgaaagtaccagatattcctaaaggcataccatcagagaaacttccttgaccaatagggtaaatcaagaaaacagcagtagcagctgcaacaggagctgaatatgcaacagcaatccaaggacgcatacccagacggaaactcagttcccactcacgacccatataacaagctacaccaagtaagaagtgtagaacaattagctcataaggaccaccattgtataaccactcatcaacagatgcagcttcccaaattgggtaaaagtgcaatccgatcgccgcagaagtaggaataatggcaccagagataatattgtttccgtaaagtaaagaaccagaaacaggctcacgaataccatcaatatctactggaggggcagcgatgaaggcgataataaatacagaagttgcggtcaataaggtagggatcatcaaaacaccgaaccatccgatgtaaagacggttttcggtgctagttatccagttgcagaagcgaccccacaggcttgtactttcgcgtctctctaaaattgcagtcatggtaagatcttggtttattcaaattgcaaggactcccaagcacacgtattaactagaaagataatagaaggcttgttatttaacagtataatatagactatataccaatgtcaaccaagccagccccgacagttgtatatccatacaacaaaatttaccaaaccaaaaaattttgtaaatgaagtgagtgaaaaatcaaaactcagattgctcctttctagtttccatatgggttgcccgggactcgaacccggaactagtcggatggagtagataattattccttgttacaatagagaaaaaacctctccccaaatcgtgcttgcatttttcattgcacacgactttccctatgtagaaataggctatttctattccgaagaggaagtctactaatttttttagtagtaagttgattcacttactatttattatagtacagagaacatttcagaatggaaactgtgaaagttttaccttgatcatttatcaatcatttctagtttattagttttgtttaatgattaattaagaggattcaccagatcattgatacggagaatatccaaataccaaatacgctcactgtgcgatccacggaaagaaaagtaagttgttttggcgaacatcaaagaaaaaacttgctcttcttccgtaaaaaattcttctaaaaataccgaacccaaccattgcataaaagctcgtaccgtgcttttatgtttacgagctaaagttctagcgcatgaaagtcgaagtatatactttagtcgatacaaagtcttcttttttgaagatccactgtgataatgaaaaagatttctacatatccgaccaaaccgatcaagaatatcccaatccgataaatcggtccaaattggtttactaataggatgccccgatccagtacaaaattgggcttttgctaaagatccaatgagaggagtaacagggactttggtatcgaattttttcatttgagtatctattagaaatgaattctccagcatttgattccttactaacaaagaatttattggtacacttgaaaagtaccccagaaaatcgaagcaagagttttctaattggtttagatggatcctttgcggttgagtccaaaaagagaaagaatattgccacaaacggacaaggtaacatttccatttcttcttcaaaagaagagttccttttgatgcaagaattgcctttccttgatatcgaacataatgcataaggggatccataacgaaccatatggttttccgaaaaaaagcagggtacattaacccaaaatgttccatcttcctagaaaagatgattcgttccagaaaggttccggaagaagttaatcgcaagcaagaagattgtttacgaagaaacaacaagaaaaattcatattctgatacataagagttatataggaaccgaaatagtcttttattttcttttttcaaaataaaaatggatttcattgaagtaataaaactattccaattcgagtagtagttgagaaagaatcgcaataaatgcaaggatggaacatcttggatccggtattgaaggagttgaagcaagatatccaaatggataggatagggtatttctatatgtgctagataatgtaagtgcaaaaatttgtcttctaaaaaaggaaatattgaatgaatagatcgtaaattctgaaactttggtatttctttttcttccggacaagactgttctcgtagcgagaatgggatttctacaacgatcgcaaacccctcagatagaatctgagaataaaactcagaataaaaaaaattgttgtaatccaataatcgatcttggttaggatgattaaccaaattaatccaaaaattctgctgatacattcgaatcattaaccgtttcacaagtagtgaactaaatttcttgttattagaaccaataatttcgacaagttcggaaccatttaatccataatcatgggcaaacacataaatgtactcctgaaagagtagtgggtagacgaaatattgtctaggaaatttaagtttttctgaataaccctcgaatttttccatttgtatttctacttgaatcagagagagagaaatatttctcggtttatcaaatggtgatacatagtacaatatggtcagaacagggtgttgcattttttaatacaaacccctggggaagaaaaggagtctaatccacggatctttttccgctccttttctatccaatttgtttatgtttgttctaattacaaaagagaacaaatcctttatttttgcaggccaattgctcttttgactttgggatacagtctctttatcaatatactgcttcttttacacattcaatccataacatccttttcaatccaaaatcaagaataattaggatttctaaaaaaaaaagaaaaaatcaaaggtctactcataggaaaaccagcttttccctacatcaggcactaatctatttttaacgtctaattagatcagggagttcttccaattaagaagttaagctcgttgctttttgttttaccagaattggagccaggctctatccatttattcattagacccagaaaatcagaatttttttattccattccaaaaatccaaaataagaaattgattttattacgacatgctattttttccattcattacccttgaggatcagtcgcggtcttatagactctaccaagagtctggacgaattttttgcttcatccaaatgtgtaaaagatcatagtcgcacttaaaagccgagtactctaccattgagttagcaacccagataaactaggatcttagatacgatcgaaatccaaaaatcaatggaattacaccgcacacccctgtcaaaatcttaaaatagcaagacattaaaagaaagattttatcaccattgaaaacactcagataccaaaaggaacgggtctggttaaatttcactaaggttaaaagtggcaccaatcacgatcgtaaaattgtcatttttttagcatttttatttaaataaataaataaatcttgtatgagagtacaaacaagagggacaaccctaccatttgagcaaagtgtaggcaaaaaacctaatagggagtgaggataaagagacttatccatctacaaattctagatgttcaatggacctttgtcaatggaaatacaatggtaagaaaaaaattagatagaaaaactcaaaaaaataaaggcttatgttggattggcacgacataaatccagtcaaaaataggattaagaaagaggcaaattatttctaaatagttagacaacaagggatactagtgagcctctcctagttttttattcatttagttcttcaattaactcaaagttctttctttttctttaaagaattccgccttccttaaaatatcagaaacggttcttgtaggttgagcacctttttcaaggaaatagagaatagctggaacatttaaacaagtttgattctttatcggatcataaaaacctacttttcgaagatctcttccttctcttcgagatcgaacatcaattgcaacgattcgatagacagcttattgggatagatgtagataaataaagccccccctagaaacgtataggaggttttctcctcatacggctcgagaatatgacttgcattaatttccgtacagaaaaaacaaatttcatttatactcatgactcaagttgactaattttgattgacagacttgaaagaaaaaaatcctttgaaattttttgagtcgtctctaaactcttttctttgcctcatctcgaacaaattcacttttattccttattccggtccaattctattgttgagacagttgaaaatcgtgtttacttgttcgggaatcctttatctttgatttgtgaaatccttgggtttaaacattacttcgggaattcttattcttttttctttcaaaagagtagcaacatacccttttttcttatttccttcgataaagcatttccctcttctatagaaatcgaatatgagcgattgattctgatagactttaatcaaaagagttttcccatatcttccaaaattggactttcttcttattttaaccttttgatttctatattatttcgatttctatattaagggtagaatgacaaagttggcctaatttattagttttcactaaccctagattctttcccttgataaaaaataaattctgtcctctcgagctccatcgtgtactatttacttagcttacttacaaacaacccagcgaaaattcggttcgggacgaatagaacagactatgtcgagccaagagcattttcattactatggaaaatggtggatagcaaaatccacaatcgatcgtgtccttcaagtcgcacgttgctttctaccacatcgttttaaacgaagttttaacataacattcctctaatttcattgcaaagtgttatagggaattgatccaatatggatggaatcatgaatagtcattagtttcgttttttgtatactaattcaaacttgctttgctatctatggagaaatatgaataaaagaaattaagtatttatcgggaaagactccgcaaagagccaatttatttaaacccatattctatcatatgaatgaaatatagttcgaaaaaagggaataaacaagtttgcttaagacttatttattatggaatttccatcctcaacagaggactcgagatgatcaatccaatcctgaaatgataagagaagaattgactcttctccaacaaataaactatcaacctcccgtttaattaatttaattaatatattagattagcaatctatttttccataccatttttccgtaacaaaactaattaactattaactagttaaactattgcaatgaaaagaaagttttttggtagttatagaattctcgtatttcttcgactcgaataccaaaagaaagaaaaaaatgaagtaaaaaaaacgcatttcctgtaaagtaaaattaaggtctttgcttttacttattttttcttttacctaaaagaagcaactccaaatcaaaattgaatccattctatctaacgagcagttcttatcttatctttaccgggatggatcattctggatatttaaaaaatcgcggatcgagatcgtttttgcttaaccaaagaaagaaaaagaagaaggaaccttttttactaataaaatactataaaaaaaatttatctctatcataaatctatctctaccataaaggaataggtctcgttttttatacaatgttctacgtcaagtttaaaattttttcatgaaaaaaagattttcaatttgactggacttgacactggattatgttttctgagacagaaaatgaacgcattaggactgcatcgaatctaagagtttataagagaaaaaaattctctttaataaactttatgtctcgtgcagaatacaatacgatttcatctttcgtttcatcagaaaaaatctgggacggaaggattcgaacctccgagtaacgggaccaaaacccgctgccttaccacttggccacgccccatttcgggttttatgcgacactaataaacagtattatgtttatttcttattcgtcaatcctacttcaattacataaaaatggggggtattctcttggtaggattctagacatgcgaataatatagaatccaaaaaatgcattgatcattacatggaattctattaagatattatatgaaagtcgaatttcttccactctcatttgagagtgcgaatacaaggaggtattttgtgtttgggaaagtccgaagaaaaaaggattttgaatcctccttttcctttttcccttagaaaaataactcaatcaaaatccaattatctactctacaagaacgaaacgcttgttatgcctaatatacttagtttaacctgtatttgttttaattctgttatttatccgactagttttttcttcgccaaattgcccgaagcttatgccattttcaatccaatcgtggattttatgcctgtcatacctgtactcttttttctattagcctttgtttggcaagctgctgtaagttttcgatgaaatctttactactctgtctgccaaattgaatcatgtattcattctaaaaaaattcgaaaaatggataagagccgagaagtcttatattatgaaccttcgattctaaaattcaaattcttctacattgaatgtatagctgcagcaataaatttggatcagcctttctactccctgcatctacgttgagcaggtatctttaggtaaccgcacaatacctaacctaatttattgataagagtgcttattataaatcaattcttgcaatttttttcaaaaattgatttttgcatttttaggtgtcaaaataaacaaaac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尋找基因生物知識種體現(xiàn)為基犯因模型基因模貢型的數(shù)關(guān)學(xué)實現(xiàn)馬可夫、轉(zhuǎn)半馬可夫稼和隱馬可項夫鏈動態(tài)規(guī)劃其算法語言學(xué)宜模型：析生成語謊法各種數(shù)學(xué)完模型和算猴法獨立隨機女模型馬可夫添、隱馬下可夫、繁半隱馬揭可夫模棋型聚類分析判別分析廢（dis辨crim紡inan字cea憶naly予sis）動態(tài)規(guī)連劃算法形式語冤言學(xué)方腸法細菌分類難處：形能態(tài)性狀少形狀：途桿、球霉（單、曲雙、鏈?zhǔn)?、葡萄店）、分枝、撓彎曲著色：革命蘭氏陽性膊和陰性生化：厭章氧、固氮暑、脫硫進展：榴16S穩(wěn)rR孩NA序第列、三曾界論(韻Car覽lW險oes嬌e)困惑：裙完全基燦因組帶繪來問題基因橫向站傳遞？基因樹不協(xié)等于物種玻樹基于組是分矢量鈔的構(gòu)樹活方法基于K-康肽計數(shù)的相代表矢量20K維空間中拖的距離用K-廊2階馬有可夫鏈抬扣除隨眉機背景基于13們2個完全梢基因組的鑼親緣樹(朽K=6)16歷個古細扮菌110層個真細菌6個近真核生強物Tow拋ard雕sa冷Pa碗rad孤igm漿Sh渣ift豈in散Bi墳olo丹gy傷Wal逮ter劫Gi極lbe糠rt,Natu胞re349(19睜91)The轎ne夢wp忌ara石dig械m,句now招em筒erg編ing鋤,i夜st止hat脊al謠l“糊gen糕es”加wi楚ll抹be滑kno棍wn待(in閥th統(tǒng)es井ens慰eo讀fb盾ein藍gr市esi塑den債ti鞠nd潑ata快bas鐘es職ava欠ila滋ble形el垂ect逆ron旺ica由lly累),院and草th踐at碑the坦st索art忍ing哥po究int移of仇a園bio盾log馳ica的li脈nve叉sti芳gat綁ion斥wi旺l