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

1. 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/

2. 2011年秋季期末考试情况 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。

3. 2012年春季期末考试情况 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。

4. 2012年秋季期末考试情况 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，。。。

5. 内容提要 • 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（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）； • 计算机辅助药物研发介绍； • 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。

6. 计算机科学的诞生与发展 慕尼黑工业大学信息学院LOGO

7. 计算机科学的诞生与发展 “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） 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。

8. 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

9. 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

10. 计算机科学的诞生与发展 阿兰·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing，1912-1954） 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。

11. 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。

12. 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”！

13. 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。

14. 现代生命科学的诞生与发展 1871年，瑞士人Miescher从白细胞细胞核中分离出脱氧核糖核酸（DNA）；

15. 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。

16. 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；

17. 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。

18. 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

19. 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”。

20. 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。

21. 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。

22. 现代生命科学的诞生与发展

23. 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）

24. 现代生命科学的诞生与发展

25. 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。