生命科学对计算机行业的影响

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(有点格式缺失)

当今世界,各类科学技术飞速发展,学科之间的联系也越来越紧密,21世纪计算机技术和生命科学的联姻【1】就是很好的例子。生命科学是刚刚兴起的一门集人体生理学、心理学、医学、哲学、遗传学、物理学等多种学科为一体的边缘科学【2】。随着生命科学的深入发展,计算机在研究中的应用显得愈发重要,例如人类基因组计划的“工作草图”的发表【3】,而生命科学所获得的成果也推进着计算机技术的革命。

可以说,计算机与生命科学在根本上就是相关的。事实上,不管是计算机还是生命体,其功能活动的原理都是一种程序原理,它们都是通过程序运作的方式来完成其各种功能活动的。程序是计算机和.生命体完成其功能活动的基本方式,所以计算机和生命体的功能单位并不是那些单一的元件、部件或细胞、组织和器官,而是一个一个的程序系统。计算机和生命体都是通过预先建立相应的具有某种功能作用的程序以后,在需要的时候启动固有的程序,并通过程序的运行以产生相应的效应来完成其功能的【4】。所以本质上两者背后的运行机制是大同小异的。

第六代计算机生物计算机的提出就是生命科学推动计算机行业的一个具有代表性的例子。生物体的物质组成可分为无机物和有机物两大类。无机物包括水和无机盐;有机物包括蛋白质、核酸、多糖和脂类物质,也称为生物有机物。其中蛋白质与核酸是体内最重要的生物分子。核酸有遗传信息而无催化作用;而蛋白质有催化作用而无遗传信息。核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸。核酸中的脱氧核糖核酸在不同状态下,可产生有信息和无信息的变化,这就激起了科学家们研制生物电子元件——生物电脑的灵感【5】。

从冯·诺依曼思想到神经网络研究,是一个计算机模式向人脑模式靠拢的过程【6】。生物计算机也称仿生计算机,主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子,并以此作为生物芯片来替代半导体硅片,利用有机化合物存储数据。由于硅片在容纳元件数量过大时,可能会因这些元件工作时产生的热量引起融化,而蛋白质芯片几乎不存在电阻,能量消耗非常小,因而容纳的元件数目将远远高于硅片。目前,多方面的研究发现,生物分子具有极大的信息储存能力,生物计算机会比电子计算机具有一些更优越的性质【7】。相较于传统计算机,生物计算机的蛋白质在合成过程中呈现出分子同步合成,所以其并行性相对较强而且生物计算机在出现芯片损坏时,可以实现芯片的自我修复,进而有效提升计算机的可靠性【8】。

人工智能作为如今计算机行业最前沿的方向之一也很大程度上受到了生命科学进步的影响。

我们研究生命科学的意义在于在了解生物的构成、所具有的行为特征等信息的基础上,实现对获得的信息或行为的再利用操作。人工智能的出现高度的集成了生命科学中的技术知识,在此基础上利用计算机科学技术进行对生命科学中所包含的行为和信息的模拟和翻译,从而实现对设备的控制操作【9】。

计算机技术的应用使得生命科学得到了飞速发展,生命科学的发展也同步促进了AI的突破。已经证明大脑中约有1012个神经元,每个神经元又与约103105个其它神经元相连接,共同在三维空间构成一个巨大的网络系统,可存储10131020比特信息。这样巨大的存储空间是传统计算机望尘莫及的。尽管一个神经元处理一个信息比计算机要慢5*105倍,但由于它巨大的并行性,使得大脑能在300ms内识别一张复杂的图片。而计算机却需经过几百万次计算.因此其识别速度仍然要慢数百倍以上。还有大脑的神经元通过感觉器官接受外界信息不断产生新的神经脉冲序列调节自己,这种自适应的效率也是传统计算机和AI无法比拟的【10】。随着生命科学和信息科学研究的不断深入, 智能体 (人和生物) 在信息获取、信息传递、信息处理、信息再生、信息施效等各功能的内在机制将逐步被阐明【11】,我想人们必会找到更有效的方法在计算机上模拟和复现智能体那些信息功能的机制,实现人工智能的梦想。

由上面的内容我们可以看出,生命科学与计算机科学的有机结合让两者都得到了长足的发展,身为计算机专业的学生,我们除了要认真学习计算机方面的专业知识,也要着眼于其他方向例如生命科学,这样才能更好的把握自己以后从事的具体方向。

参考文献:

【1】许新,《二十一世纪计算机技术与生命科学的联姻》,华东科技

【2】陶组莱,《气功、科学与现代文明》,华夏出版社

【3】林侠,人类基因组计划暨基因技术发展的科学与哲学解析,2002-04-16

【4】杨玉辉,程序分析法——信息科学与生命科学的基本方法,西南大学

【5】曹来发,未来电脑、生命科学与DNA,2002-12-30

【6】刘建军,生命科学对计算机模式及发展的影响

【7】谭莲秀,21世纪生命科学与现代信息技术,2004-12-01

【8】徐伟,现代计算机技术的发展方向与趋势

【9】杨明经,郭德纨,人工智能与生命科学

【10】黄德原,浅谈生命科学与计算机科学的结合发展,2017-11-28

【11】郭燕慧, 王枞, 刘建毅,  数字人体与人工智能——生命科学与信息科学的融合

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