从学科交叉漫谈生物信息学.pptx

从学科交叉漫谈生物信息学

科学、宗教与艺术 同源而殊途：同源于描述和解释自然、人类以及人和自然的关系。 数学是自然科学的“画笔”：定量而不仅是定性地掌握自然规律。科学结论具有可以定量检验的预测能力。 “数学”和“定量”包括解析、数值、图形和其它主要由现代计算机提供的模拟手段。 物理学已经成为鼎立于实验、理论和计算三大支柱上的成熟的学科。生物是物，生物学也会受到物理学的启发。

生物是物生物有理

天地有大美而不言,万物有成理而不说。夫圣人者原天地之美，而达万物之理。庄子，《知北游》

物含妙理总堪寻(北京颐和园铜亭出口处对联下联)

细推物理须行乐何用浮名绊此身杜甫耳目之察，不足以分物理。《淮南子。览冥训》需要仪器观测和理论思维

物理学与生物学的相互促进由来已久电学和电生理学同时诞生C.A.deCoulomb,1785L.Galvani,1791

生物学为物理学启示过能量守恒医生R.J.Mayer(1842)：受动、静脉血色差别启发，第一个给出热功当量。物理学家J.P.Joule(1843)：热功当量。现役军医H.vonHelmholtz(1847)：把能量守恒从机械运动推广到热、电、磁乃至生命现象。（24年后任物理教授）（感谢刘寄星博士核实姓名年代）

物理学为生物学提供过大量工具光学显微镜(~1590)：细胞(1665)细菌(Antonie van Leeuwenhoek,1683)(Muller确认细菌为一类生物,1773)X射线衍射晶体结构分析DNA双螺旋结构（JDWatson,FHCCrick,1953）肌红蛋白、血红蛋白晶体结构（1957,1959）电子显微镜、扫描电镜、隧道扫描电镜

物理学为生物学提供过大量工具各种光谱方法、荧光标记中子衍射示踪原子、放射性标记核磁共振波谱质谱仪 “化学”仪器：超速离心机、液相色谱分析、圆偏振二向色性分析、凝胶电泳

物理学为生物学提供了新思想负熵非周期晶体对热涨落的担心三联码（George Gamow, 1954）生物中的“标度”和“分形”

ErwinSchrodinger,WhatisLife?ThePhysicalAspectoftheLivinCell,1944,…MichaelP.MurphyandLukeA.J.O’Neill,eds.WhatisLife?TheNexFiftyYears,CambridgeUniversityPress,1995,1997.

数学是关于形和数的科学分析代数几何统计、概率和随机过程离散数学：组合学、图论、语言学

生物有形生物有数生物有形，人所共识。地球上自然之美，多数来自生物本身和它们的营造。生物有数，则经历了漫长的认识过程。

生物有形HIV病毒粘菌(Slimemold)：自组织现象的实例

“数学的应用:…生物学中的数学=0.”（恩格斯：1885）于光远等译,《自然辩证法》,人民出版社,1984,172页

生物有数

生物多样性（宏观数据）现存物种知多少？从2百万到10亿的种种估计2003年11月初GenBank核酸数据库中有154089种生物至少有1条数据其中只有约半数有某些分类学信息目前地球上存活着约 5000 种哺乳动物,约9000种鸟类细菌是地球上最成功的物种,然而我们不知道它们的数目有多少

生物数据的产量中国科学院基因组学研究所（“华大基因”）每天的测序能力：5000万碱基对（5*107）一个人的基因组：3.2*109碱基对籼稻基因组：4.3*108碱基对全世界每年生物数据产出量：1015字节英国Sanger中心今后5年每年新增硬盘：80-100TB，即(0.8~1)*1014字节

GenBank138版(2003年10月15日)序列数:29819397(2981万)核苷酸(字母)数:35599621471(355亿)序列平均长度:1193

计算机：用火以来的最伟大发明ENIAC（1944）：每秒330次乘法运算神威计算机：每秒3840亿次浮点运算曙光3000计算机：每秒4000亿次浮点运算每秒1万亿次=1012次/秒

数学、物理和计算机科学大有可为生物学引论

地球上的自然史~13Bys:大爆炸~4.9Bys:太阳系和地球诞生~3.8Bys:地球上出现原始生命~2.7Bys:细菌、光和作用~1.7Bys:多细胞生物~550 Mys: 寒武纪(Cambrian)物种大爆发~425Mys:志留纪(Silurian)物种爆发~65Mys:恐龙灭绝~3.5Mys:化石古猿科与人科分离~0.7Mys:人类与黑猩猩分离~0.5Mys:北京人(Homoerectus)~0.