1、计算机科学与生命科学（1）2017年秋季学期通选课程上课时间：周二 19:00上课地点：软件园4区201d主讲人：魏天迪,姓名：魏天迪Email：1997 年2001 年，学士，中国海洋大学，生物技术专业2002 年2007 年，本硕连读硕士，慕尼黑工业大学，生物信息学专业2007 年2010 年，博士，德国慕尼黑大学，生物信息学专业2008 年2010 年，德国巴伐利亚州超级计算中心，兼职科研助理2010 年至今，山东大学生命学院,自我介绍,课程网站,共129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126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
2、合格，剩下3名同学不得不不合格。交上来的126篇文章里，125篇机打，1篇手写。122篇网络摘抄，2篇半原创，1篇原创。,2014年秋季期末考试情况,共98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96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2名同学不得不不合格。交上来的96篇文章里，95篇机打，1篇手写。93篇网络摘抄，2篇半原创，1篇原创。,2015年秋季期末考试情况,共64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64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。交上来的64篇文章里，6
3、3篇机打，1篇手写。62篇网络摘抄，1篇半原创，1篇原创。 本学期。,2016年秋季期末考试情况,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；计算机与微生物学；计算机与医学；生物信息学基础；,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
4、、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
5、）SuperMUC：2015年，214000核，峰值6.8千万亿次/秒 (6.8 peta / s)，投资1亿3千5百万欧元。(2015年，天河二号，峰值54.9 peta / s),计算机科学的诞生与发展,天文数字单位：尧 yotta1000000000000000000000000 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 hec
6、to 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
7、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
8、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。 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
9、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。 2011年，犹大伯尔，人工智能。 2016年，蒂姆伯纳斯李，发明了万维网。,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，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
10、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、
11、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。,1
12、871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
13、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,分子生物学的中心法则,分子生物学的中心法则,中心法则：DNA复制,中心法则：DNA复制,5 - 3半不连续复制http:/www.rcsb.org/pdb/explore/jmol.do?structureId=3SQ2&bionumber=1,中心法则：DNA复制,半保留复制,中心法则：RNA转录,转录：以DNA为模板，按碱基配对将其中所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的mRNA链的过程。1. RNA聚
14、合酶与DNA模板的结合,中心法则：RNA转录,转录：以DNA为模板，按碱基配对将其中所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的mRNA链的过程。2. 解链并开始转录,http:/www.rcsb.org/pdb/explore/jmol.do?structureId=1MSW&bionumber=1,中心法则：RNA转录,转录：以DNA为模板，按碱基配对将其中所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的mRNA链的过程。3. 延长,A-U, T-A, C-G, G-C,中心法则：RNA转录,转录：以DNA为模板，按碱基配对将其中所含的遗传信息传给RNA，形成一条与DNA链互补的m
15、RNA链的过程。4. 终止，DNA双链闭合,中心法则：RNA剪切拼接,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,中心法则：蛋白质翻译,翻译：根据mRNA链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质链的过程。,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， C
16、elera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
17、算机在我国生命科学中的应用情况与挑战,20世纪80年代，个别单位（中国科学院计算机研究所）开始了一些计算分子生物学的，如核酸序列分析、蛋白质二级结构预测、分子动力学等。 1997年，香山会议专题讨论了我国生物信息学的发展。 1999年，国家自然科学基金委召开了“生命科学中的信息学问题”会议，提出了建立国家生物医学数据库与服务系统。 1999年，中国加入国际人类基因组计划，承担了1%的测序工作。 2003年，曙光公司与华大基因公司联合推出了国内第一款完全自主知识产权的生物信息专用计算机，峰值每秒3万亿次的Linux服务器。 两个生物信息学研究中心：北京大学生物信息中心和中科院上海生命科学院生物信息中心。 2011年，华大基因通过国家发改委批准，开始建立深圳国家基因库。 目前，我国所用到的生物数据库和生物软件绝大多数来自国外，计算机在我国生命科学中的应用基础还比较薄弱。,
