爱华网计算机在生物技术上的应用研究进展
摘要：随着生物技术的发展，随着计算机的发展，生物技术越来越离不开计算机的辅助。同时计算机也在生物技术的发展下，将变得越来越强大先进。这更让计算机可以为生物技术做更多人无法完成的工作。使得两者越来越更紧密结合在一起。
关键词：生物技术，计算机，基因，分子
前言： 计算机计算的运行速度12个月翻一番,生物技术就18个月翻一番。由此就可以看出，计算机技术对生物技术是有多么的促进作用的。但是，事实上，计算机技术可能更快，到2009年底，全球超级计算机的排名中，前五名都已经突破1000万亿次的峰值浮点运算速度了。这对生物技术的促进无疑是非常大的。计算机在生物技术上的应用集中在计算机和生物技术的结合方面，例如生物计算机，基因技术，仿生模拟研究----
目前，计算机工业飞速发展，计算机技术日益成熟。然而晶体管的密度已接近当前技术的理论极限，发展空间似乎越来越小，因此人们不断寻找新的计算机结构。为了实现高集成度，使计算机得到进一步发展，科学家们把目光转向了分子生物学方面，并借鉴生物界的各种处理问题的方式（生物算法），提出了一些生物计算机的模型。在过去的半个多世纪中，分子生物学将生命现象分解成大量基因和蛋白质的组成。英国《自然》杂志报道，英国剑桥大学研究发现了“生物电路”。他们对一种细菌中的蛋白质进行研究发现，细菌内部存在着由蛋白质构成的信息处理网络，该网络可根据分子密度和形状等性质的变化传递和处理信息，并根据接收到的信息而驱使细菌游向营养物质所在的地方。同样，美国斯坦福大学的专家在细菌中也发现了“生物电路”，并在生物利用能量糖酵解过程中发现了逻辑运算现象，找到了有关的“逻辑门”。因此，人类可以利用遗传工程技术，仿制出这种蛋白质分子，用来作为元件制成计算机。上世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸（DNA）处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的通导或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等等，科学家们激发了研制生物元件的灵感。在此基础上，
1995年，来自世界各国的200多位有关专家共同探讨了DNA计算机的可行性，认为DNA分子间在酶的作用下通过生物化学反应可以从某种基因代码转变为另一种基因代码，转变前的基因代码可以作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。利用这一过程也可以制成新型的生物计算机。
生物计算机目前主要有以下几类：
1生物分子或超分子芯片：立足于传统计算机模式，从寻找高效、体微的电子信息载体及信息传递体入手，目前已对生物体内的小分子、大分子、超分子生物芯片的结构与功能做了大量的研究与开发。“生物化学电路”即属于此。自动机模型：以自动理论为基础，致力于寻找新的计算机模式，特别是特殊用途的非数值计算机模式。目前研究的热点集中在基本生物现象的类比，如神经网络、免疫网络、细胞自动机等。不同自动机的区别主要是网络内部连接的差异，其基本特征是集体计算，又称集体主义，在非数值计算、模拟、识别方面有极大
的潜力。仿生算法：以生物智能为基础，用仿生的观念致力于寻找新的算法模式，虽然类似于自动机思想，但立足点在算法上，不追求硬件上的变化。
2生物化学反应算法：立足于可控的生物化学反应或反应系统，利用小容积内同类分子高拷贝数的优势，追求运算的高度并行化，从而提高运算的效率。DNA计算机属于此类。生物计算机主要是以生物电子元件构建的计算机。它利用蛋白质有开关特性，用生物工程技术产生蛋白质分子，并以它们做元件制成集成电路——也就是生物芯片。生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型的硅集成电路高5个数量级，因此生物元件比硅芯片上的电子元件要小很多，甚至可以小到几十亿分之一米。如用血红素制成的生物芯片，1平方毫米能容纳10亿个门电路，其开关速度达到10皮秒（十万亿分之一秒）。生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一。并且，用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普通计算机的10亿倍。
3此外，由于生物具有自我修复功能，生物芯片一旦出现故障，不需要人工修理也可以进行自我修复。所以，生物计算机具有“半永久性”和很高的可靠性。再者，生物计算机的元件是由有机分子组成的生物化学元件，它们是利用化学反应工作的，所以，只需要很少的能量就可以工作了。因此，不会像电子计算机那样，工作一段时间后，机体会发热，而且它的电路间也没有信号干扰。生物计算机具有较高的人工智能，能够如同人脑那样进行思维、推理，能认识文字、图形，能理解人的语言，因而可以担任各种工作。更令人惊异的是，生物计算机的元件密度比人的神经元密度还要高100万倍，其传递信息的速度也比人脑进行思维的速度快100万倍。
4而且，由于具有生物活性，它能够和人体的组织有机地结合起来，既可以从人体细胞吸收营养来补充能量，还可以与大脑和神经系统相连，从而直接接受人脑的指挥，成为人脑的外延或扩充部分。未来，它将成为能植入人体内，帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。例如：把生物电脑植入人的大脑内，可以使盲人“复明”，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若是植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体质增强，使残疾人重新站立起来。
目前最新一代实验生物计算机正在模拟人类的大脑。人们正努力寻找神经元与硅芯片之间的相似处，研制基于神经网络的计算机。尽管目前研制出来的最先进的神经网络拥有的智力还非常有限，但大多数科学家认为，生物计算机是未来的发展之路。[9]
截止目前,美国科学家已经研制出一台由水蛭的神经元构成的生物计算机。日前,这种设备可以做一些简单的求和运算。但是我们最终的目标是发明快速、灵活的新一代计算机,这种计算机能够自己找到解决问题的方法而不必确切地告诉它们应该做些什么。目前实现的这一生物计算器可以“自己进行思考”,原因是水蛭的神经元能够自己形成相互之间的联系。普通的硅芯片计算机只能依据程序员的指令进行这种联系。这种灵活性意味着计算机可以自己找到解决问题的方法。“我们只需引导这些神经元向答案前进,它们会自己找到答案。”[6]
基因技术，也是需要计算机密切配合的一项工作。没了计算机，基因技术基本不会发展。因为那个数量级不是人可以轻易搞定的。可以说计算机技术是必须的。
计算机技术的出现是以年美国费城的宾夕法尼亚大学的工程师们成功研制出第一台计算机即所谓的“电子数字积分式计算机—为标志的,而仅在短短年之后,美国遗传学博士詹姆斯··沃森和英国剑桥大学的物理学家弗朗西斯··克里克就向世人宣告他们发现的双螺旋结构,并阐述了进行有序的功能活动的规律,从而揭示了DNA的分子结构及其功能的奥秘,正式宣告了分子生物学的诞生,从此打开了通向生物内部世界奥妙的大门,而这项发展的重大意义不仅仅存在于生物学领域,更重要的是沃森和克里克借助于控制论和正在研究中的信息科学新领域一些隐喻和专业术语,将基因的螺旋性描述成是一种密码,克里克和沃森所宣告的他们对的发现,落在了公众对电脑、电脑电路和信息理论有模糊理解的土壤里……因此,公众很容易将遗传密码的“破译”看作是对一个电脑程序的揭示,而把分子双螺旋结构的发现看成是相当于对一个电脑基本线路的解释。如何解开这些密码是一个新课题,而要了解生物过程如何行使其功能则必须破译这些密码,这一需求为将计算机技术引人生物技术领域奠定了基础。
计算机技术在生物技术中的应用
在悄然而至的生物技术世纪里,信息技术将用于对遗传资源的分离、下载、组织、翻译编辑和编程等方面。正如已故媒体理论家麦克卢汉等人所指出的,计算机和与之相伴的信息技术是人体神经系统向外部世界的延伸。它们是人类心智向物理世界的角角落落的机械投射。同时,基因是生物存在的化身,储存于其中的丰富遗传指令帮助生物协调其整个生命旅程。计算机和基因一起形成一个新的强大的心身二位一体。在未来的岁月里,人类将越来越多地把计算机当作“替换心智”,用来处理、重新调整和组织生命世界的浩瀚遗传信息。计算机将信息以一种革命性的新方法进行组织,从而成为一种管理基因、细胞、器官、生物和生态圈之间动态流动和相互作用过程的理想工具。计算机所管理的信息在软件指令的作用下在计算机屏幕上闪现,其动态的、可重新组合、容易编辑和短暂易逝的特点与基因的动态本质有很多共性,基因在编写生命这一剧本的过程中也是不断地被开启和关闭。计算机的组织方式,尤其是并行计算,与生命系统有很大相似性,在生命状态的维持过程中,每一层次,每一部分都是一个不断自我调节和更新的动态网络。华盛顿大学的计算机科学家卡普脚的观点在信息科学与分子生物学两个领域中都具有代表性“就很多目的而言,生物学,尤其是在分子水平,可被视为一门信息科学。要理解细胞、脑或免疫系统是怎么工作的,有时,你必须将其看作一个非常复杂的信息处理系统”。计算机在基因作图与测序中的应用今天,世界上的分子生物学家正忙于进行有史以来最大的数据收集工作。在政府、大学和公司所属的实验室中研究人员正在进行着从最低等的细菌到最高等的人的全部基因组的作图和序列测定,为的是发现对遗传信息具有经济价值的新的利用和开发途径。到世纪结束的时候,分子生物学家希望获得几万种生物的基因组序列。这将是一个含有分布在地球上不同地方的很多微生物、植物和动物进化“蓝图”的巨大数据库。
生物化学家坎托,说,对如此之多的生物进行基因组作图“所获得的生物信息量比以往我们遇到最大信息量还要大几个数量级”。所产生的生物信息量如此之大,以至于只能通过计算机进行管理,以电子方式储存在位于世界上不同国家的几千个数据库中。收集、下载、管理和使用基因组信息将要求信息科学和生命科学之间更加密切地合作,同时也要求研究人员在相关的物理学、数学、工程学、计算机科学、化学和分子生物学等领域进行全面培训。人类基因组计划加速了计算机科学和遗传学的结合。若没有计算机科学家和日益复杂的计算机技术的帮助,进行人类细胞中亿个碱基对的序列测定和分析将是不可能的。人类的基因组计划正把生物学转变为信息科学。许多生物学家觉得获得序列的过程很枯燥,但是从计算机科学的角度来,这是一流的富于挑战的算法问题。基因组的作图和序列测定工作刚刚开始。在遗传水平把整个自然世界进行重新组织,并着眼于把它转化成一系统的市场上的有用产品,是一个令人畏惧的挑战,这无疑是人类曾经想象过的最庞大的管理任务。理解和描述所有基因之间、组织之间、器官之间、物种之间和外界环境之间的相互关系网络,以及引起遗传突变和表型改变的因素,是曾经研究过的任何复杂系统所不能处理的。只有通过跨学科途径,尤其依赖于信息科学家的计算技巧,才有希望完成此任务。
计算机在破译遗传密码和管理基因数据方面的应用计算机在破译遗传密码和管理基因数据方面的潜力,在加利福尼亚大学圣迭分校的生物化学教授杜利特尔及其同事的工作中得以体现。他们在年进行的工作中只通过分析计算机打印输出的数据就获得了一个重要的生物学发现。杜利特尔教授的研究小组比较了两个由计算机打印输出的蛋白质序列,发现一种与癌症发生有关的序列和一种与细胞生长有关的的序列完全一样,揭示出癌基因引起了细胞的不正常生长。这一发现在没有进行过任何一实验的情况下就获得了。
计算机在创造生物的虚拟环境方面的应用计算机还正被用于创造一个虚拟的生物环境,以便对复杂的生物网络和生态系统进行模拟。这种虚拟环境创造不同的情境,帮助研究人员产生新的假说,并在实验室里被用于检测新的农业和制药产品以及医学活体实验。在虚拟世界里,生物学家敲敲键盘就可以产生新的合成分,而在实验室经常需要几年时间才可能合成一个真正的分子。有了三维的计算机模型,研究人员可以在屏幕上将各种基因和分子进行组合,然后观察它们的相互作用情况。年,宾夕法尼亚州立大学和位于加利福尼亚拉霍亚的斯克里普斯临床研究所的研究人员,通过使用最先进的计算机首次设计了一种极有价值的合成分子。这种被命名为的化合物是在计算机屏幕上构想出来的,几家生物技术实验室正在进行该化合物的批量生产。科学家们打算通过使用新的信息时代的计算技术造出多种多样的新分子。[8]
计算机在基因微分子技术上的运用和结合将越来越深入。这点会随着研究的越深入，从而这两者的关系会加深。
随着生物技术和医疗技术的研究越来越深入，计算机变得越来越不可能缺少的一个工具。除了生物计算机，基因技术，还有生物视觉仿生之类生物研究[7]，没有了计算机，这些需要大量记录和计算的工作靠人力根本无法想象的难。计算机生物力学模拟技术在脊柱侧凸矫形中应用[1]，一切的医疗试验，如果没有计算机的配合，靠人与人的实体试验，这真的耗时又耗工的真极其困难的事。在林业管理，计算机也让管理大大减少工作量，而且效率极大地提高。[4]
随着科技的发展，随着生物技术的发展，它将越来越离不开计算机。不但如此，计算机和生物技术更越来越紧密结合。将更快地促进两者的发展。
