计算机科学与生命科学（ 1）

2013 年秋季学期通选课程上课时间：周一 19:00 点 上课地点：软件园 4 区 502d

主讲人：魏天迪讲义网址： http://www.mbtech.sdu.edu.cn/biocomp/

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。

2011年秋季期末考试情况

共 150 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 144 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 6 名同学不得不不合格。交上来的

144 篇文章里， 137 篇机打， 7 篇手写。 131 篇网络摘抄， 4 篇半原

创， 2 篇原创。

2012年春季期末考试情况

共 55 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 54 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 1 名同学不得不不合格。交上来的 54

篇文章里， 53 篇机打， 1 篇手写。 46 篇网络摘抄， 3 篇半原创， 4

篇原创。

本学期共 107 名同学选修本课程，。。。

2012年秋季期末考试情况

1. 计算机科学在生命科学中应用的回顾、现状与展望；

2. 计算机与动物学；

3. 计算机与植物学；

4. 计算机与微生物学

5. 计算机与医学；

6. 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）；

7. 计算机辅助药物研发介绍；

8. 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， 5646 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 1000000000000000000000000 泽 zetta 1000000000000000000000艾 exa 1000000000000000000拍 peta 1000000000000000 （千万亿）太 tera 1000000000000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。• 1972 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（ 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有 2000多个。• 传统的关系数据库难以有效储存复杂的生物数据，因此必须采用面对对象的数据库技术，如基于 XML 的数据库。• 针对分散在全球个地的海量的并且相互关联的生物数据，数据仓库（ data warehouse ）技术可以互相独立的数据源中提取面向主题的数据集合，并将这些数据按一定的逻辑顺序重新进行组织与集成，从而为用户提供决策支持分析。• 数据挖掘（ data mining ）技术是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中提取隐含在其中的、事先不知道的、但又有意义的信息和规律。