计算机科学与生命科学(PPT-23)

1、计算机科学与生命科学（1）2012年秋季学期通选课程上课时间：周三 18:30点 上课地点：软件园4区402d主讲人：魏天迪讲义 :/ 上学期共46名同学选修本课程，期末考试形式为递交一篇大约3000字（含图表）的论文。有38名同学按时递交了论文。所有按时递交论文的同学的成绩皆为合格，剩下8名同学不得不不合格。交上来的38篇文章里，25篇机打，13篇手写。35篇网络摘抄，2篇课件摘抄，1篇原创。 本学期有114名同学选修本课程，。上学期考试情况计算机科学在生命科学中应用的回顾、现状与展望；计算机与动物学；计算机与植物学；计算机与医学；生物信息学基础（基本概念、核酸与蛋白质序列分析基本算法、生物

2、数据库、生物分子结构预测与分析软件、分子动力学模拟、分子进化树）；计算机辅助药物研发介绍；生物统计学基础；在计算机科学与生命科学的交叉领域内的前沿性、典型性科研成果与论文的介绍。 内容提要计算机科学的诞生与发展慕尼黑工业大学信息学院LOGO“世界上没有两片完全相同的树叶。”-戈特弗里德威廉莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646-1716）计算机科学的诞生与发展德国最重要的数学家、物理学家、历史学家和哲学家，和牛顿同为微积分的创建人。他的研究成果还遍及力学、逻辑学、化学、地理学、解剖学、动物学、植物学、气体学、航海学、地质学、语言学、法学、哲学、历史、外交等等，他

3、还是最早研究中国文化和中国哲学的德国人。莱布尼兹认为：数理逻辑、数学和计算机三者均出于一个统一的目的，即人的思维过程的演算化、计算机化、以至于在计算机上实现。首次提出了“计算机”这个概念。古奥地利皇帝和俄国彼得大帝都曾聘请莱布尼兹做帝国顾问，在他建议下分别建立了维也纳科学院和彼得堡科学院。他还建议中国清朝的康熙皇帝建立北京科学院。莱布尼茨在中国八卦图的影响和启发下发明二进制。莱布尼茨一生没有结婚，没有在大学当教授，平时从不进教堂，因此他有一个绰号Lovenix，即什么也不爱的人。计算机科学的诞生与发展德国莱布尼兹超级计算中心（LRZ） Linux Cluster：2007年，753节点，564

4、6核，峰值43万亿次/秒； HLRB II：2007年，9728核，峰值62万亿次/秒； SuperMUC：2012年，140000核，峰值3千万亿次/秒 (3 peta / s)，投资1亿3千5百万欧元。(2010年11月，天河一号，2.57 peta / s)Linux Cluster HLRB II SuperMUC计算机科学的诞生与发展天文数字单位：尧 yotta泽 zetta艾 exa拍 peta（千万亿）太 tera吉 giga 1000000000兆 mega 1000000 （百万）千 kilo 1000百 hecto 100十 deca 10个 mono 1计算机科学的诞生与

5、发展英国著名的数学家和逻辑学家，被称为计算机科学之父、人工智能之父，是计算机逻辑的奠基者。在图灵之前没有任何人清楚地说明过莱布尼兹说的“计算机”到底是怎么一回事。1936年图灵发表了论文“论可计算及其在判定问题中的应用”。在论文的一个脚注中“顺便”提出来一种计算机抽象模型，可以把推理化作一些简单的机械动作。正是这个“歪打正着”的脚注，开辟了计算机科学技术史的新纪元。图灵提出的该计算模型现在被称为“图灵机”。1952年，图灵写了一个国际象棋程序。可是，当时没有一台计算机有足够的运算能力去执行这个程序，他就模仿计算机，每走一步要用半小时。他与一位同事下了一盘，结果输了。二战时期图灵破解了德国的著名

6、密码系统Enigma，成为扭转战争走势的关键人物。但战后英国政府却认为他是同性恋而拘捕了他，注射各种药物进行“治疗”。1954年，图灵吃了一口被氰化钾浸泡过的苹果而死。后来这个被咬了一口的苹果成为了苹果电脑公司的标志。阿兰麦席森图灵（Alan Mathison Turing，1912-1954）计算机科学的诞生与发展1966年，美国的计算机协会ACM设立图灵奖。每年只奖励一位计算科学家。计算机研制： 1967年，莫里斯威尔克斯，研制了世界上第一台存储程序式计算机EDSAC。程序语言设计： 1966年，艾伦佩利，定义了算法语言ALGOL，标志着程序设计语言由一种“技艺”转而成为一门科学。 197

7、2年，德斯加狄克斯特拉，“goto语句是有害的”，“程序测试只能用来证明有错，决不能证明无错”。 1977年，约翰巴克斯，发明了世界上第一个高级程序设计语言FORTRAN。 1983年，丹尼斯 里奇和肯尼斯 汤普森设计、开发了C语言和UNIX操作系统。 1984年，尼克劳斯沃思，PASCAL语言及结构化程序设计的首创者，“数据结构 + 算法 = 程序”。 2001年，奥尔约翰戴尔和克利斯登奈加特，60年代提出了面向对象程序设计的概念。其他方面： 1971年，约翰麦卡锡，提出“人工智能”这一术语/学科领域 。 1981年，埃德加科德，发明了关系数据库。 1997年，道格拉斯恩格尔巴特，发明了鼠标

8、和超文本。 2000年，华裔学者姚期智，计算理论领域重大贡献。 2009年，芭芭拉丽丝克夫，首位获得图灵奖的女计算机科学家。现代生命科学的诞生与发展 亚里士多德（公元前384-322，古希腊）动物志一书中相当细致地记述了他对动物解剖结构、生理习性、胚胎发育和生物类群的观察，并对生命现象作出了许多深刻的思考（鲸鱼）。 贾思勰（北魏386-543，中国） 齐民要术系统地总结了6世纪以前黄河中下游地区农牧业生产经验、食品的加工与贮藏、野生植物的利用等。 希尔德加德修女（1098-1179，德国）医学一书继承和发扬了古希腊的创新精神，大胆地记录了她对动物、植物的观察和用来当作药物的使用方法。 维萨里（

9、1514-1564，比利时）人体的结构标志着解剖学的建立。 李时珍（1518-1593，中国）本草纲目综合了大量科学资料，提出了较科学的药物分类方法，溶入先进的生物进化思想，并反映了丰富的临床实践。广泛涉及医学，药物学，生物学，矿物学，化学，环境与生物，遗传与变异等诸多科学领域。英国生物学家达尔文称本草纲目为“16世纪的百科全书”！现代生命科学的诞生与发展 虎克（1636-1702，荷兰）发明了显微镜，因而首次发现细胞和微生物，最早纪录肌纤维、微血管中血流 。提出了单词“cell”。 林耐（1707-1778，瑞典）千姿百态的生物物种被科学的归纳在界、门、纲、目、科、属、种的秩序里，因此他成为

10、有史以来最伟大的生物分类学家。上帝造物还是生物进化？ 达尔文（1809-1882，英国）物种起源是19世纪最具争议的著作，试图证明物种的演化是通过自然选择的方式实现的。 施旺（1810-1882，德国）细胞学说创始人，植物与动物都是由细胞组成的。恩格斯把细胞学说誉为19世纪最重大的发现之一。 孟德尔（1822-1884，奥地利）通过8年的豌豆杂交实验得出了生物遗传规律，是现代遗传学创始人。遗憾的是其工作的价值被埋没了30多年 。 巴斯德（1822-1895，法国）创立了微生物学，直接导致了医学疫苗的发明和免疫学的建立 。巴氏消毒：60摄氏度，30分钟。1871年，瑞士人Miescher从白细胞

11、细胞核中分离出脱氧核糖核酸（DNA）；现代生命科学的诞生与发展1883年，德国人鲁克斯观察到细胞核内能被碱性染料染色的丝状体。1888年，德国人沃尔德耶称这种丝状体为“染色体”，并猜测染色体与遗传有关。现代生命科学的诞生与发展1944年，美国人阿弗莱、麦克李沃和麦克卡三人通过实验证明DNA是生物的遗传物质；现代生命科学的诞生与发展1953年，英国人Watson和Crick在Nature杂志上发表了DNA的双螺旋三维结构。现代生命科学的诞生与发展1962年， Watson，Crick和Wilkins共同获得了诺贝尔生物奖。Maurice Wilkins Rosalind Franklin现代生命

12、科学的诞生与发展1954年，Crick提出了中心法则“DNA - RNA - 蛋白质”。现代生命科学的诞生与发展1966年，美国人Nirenberg和Khorana破译了全部遗传密码字典的64个密码子。现代生命科学的诞生与发展人类基因组计划： 1990年，国际人类基因组计划启动，预算30亿美元，被誉为生命科学“阿波罗登月计划”，参与国：美、英、日、德、法； 1997年，在耗费了巨额资金和一半预定时间之后，仅完成了3%的工作； 1998年，Craig Venter创立Celera公司； 1999年， Celera公司在无政府资助下，赶超了多国合作小组； 1999年，中国加入多国合作小组，负责测定

13、基因组全部序列的1； 2000年，在美国总统克林顿的协调下， Celera公司与多国合作小组合作，宣布完成了人类基因组草图的90； 2001年，完成了人类基因组草图的99， Celera公司与多国合作小组合作几乎同时分别在Science和Nature上独立发表自己的草图； 2003年，人类基因组序列图绘制成功，彻底完成。现代生命科学的诞生与发展现代生命科学的诞生与发展测序仪：2000年，荧光自动测序仪（第一代）；当前，高通量测序仪（第二代）现代生命科学的诞生与发展现代生命科学的诞生与发展计算机在生命科学中的应用现状1. 数据库技术：数据的储存与挖掘 计算机技术与生物学的应用中，数据库技术是最基本的技术。生物实验数据的储存、管理、查询都是建立在数据库管理系统之上的。 生物数据的特点：结构和组织方式复杂、数据量增长十分迅速。 核酸研究自2000年起每年的第一期都发表最新的生物数据库论文。目前正式发表生物数据库已接近2000个。 传统的关系数据库难以有效储存复杂的生物数据，因此必