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【摘要】计算机在生物学研究中有着十分广泛的应用,已经成为一门新兴的交叉学科.本文对国内特别是福建省“计算机在生物学研究中的应用”学科发展情况进行了简介,并对这门新兴学科的进展进行了简述.

【关键词】计算机生物学研究生物信息学交叉学科

一前言

什么是生物科学?在古时候,人们对生物学的认识是很有局限性的：对生物学的认识往往停留在观察上,到了19世纪,达尔文发表《物种起源》之后,生物学第一次总结出一个有重大哲学意义的普遍规律.此后,孟德尔发现了遗传学的规律,沃森和克里克发现的DNA双螺旋结构以及核酸是生命本质的一系列重大发现,为生物学发展奠定了坚实的基础,从而生物学正式摆脱了那种仅靠观察,比较的方法,发展成为一门实验科学.

传统的生物学是一门实验科学,生物学的研究主要依靠的是对实验所得的数据进行处理和分析.生物学还是一门发现科学,通过对在实验中发现的新现象,新的生物规律进行分析、归纳和总结,提炼出新的生物学知识.进入到20世纪以来,人类已经进入了信息化的社会.作为信息社会中最为重要的工具,计算机在人们生活中发挥着日益重要的作用.随着网络技术和通信技术以及半导体技术的发展,计算机的功能越来越强大.计算机科学是对社会各个层面影响最大,渗透力最强的高新技术.

回顾20世纪人类所取得的科学成就,以计算机技术为代表的信息技术得到高速的发展和应用.在以计算机科学为代表的信息科学取得快速发展的同时,现代生物科学研究也取得了极大的成功.

二进展

计算机在生物学研究中的应用并不是一个很新的话题,作为一门学科,它是新的,但实际上它的研究工作的开展已经有了一段历史.

(一)计算机在国内生物学研究中应用的情况

我国的科研人员在20世纪60-70年代就开始利用计算机在生物学研究中进行数据的统计分析,但是应用的层次低,多用于教学和实验数据分析处理.我国的生物信息工作是逐步发展起来的,20世纪80年代初仅在个别单位开展了一些计算分子生物学的工作,如核酸序列统计分析、生物大分子二级结构预测、分子动力学等.虽然我国在1993年就在中国人类基因组计划中加入了生物信息学的相关研究内容,但是真正的开始是在1995年.目前,我国所用到的生物数据库和生物系列软件多半来自于国外,基础力量还比较薄弱.

1997年,香山会议专题讨论了我国生物信息学的发展.1999年,国家自然科学委员会生命科学部、信息科学部、数理科学部、材料科学部在北京召开了“生命科学中的信息科学问题”论坛,提出了建立国家生物医学数据库与服务系统,同时开展基因组及功能基因组信息分析工作.2000年国家自然科学基金委员会主持召开的“生物信息学前沿方向”研讨会上,与会专家提出了我国生物信息学发展的方向是：建立国家生物医学数据库与服务系统、人类基因组信息结构分析、功能基因组相关信息分析和研究遗传密码起源与生物进化（尤其是分子进化）的过程与机制.

近几年来,我国对生物学中的计算机应用工作越来越重视,研究的层次也不断提高.在“HGP1%的测序工作”、“中华民族基因组中若干位点基因结构的研究”和“重大疾病相关基因的定位、克隆、结构与功能研究”等项目中,计算机都起到了重要的作用.

北京大学于1997年3月成立了生物信息学中心,中科院上海生命科学研究院也于2000年3月成立了生物信息学中心,分别维护着国内两个专业水平相对较高的生物信息学网站.

2003年8月18日,“作为国内服务器品牌三甲之一”的曙光信息产业(北京)有限公司(以下简称曙光公司)与国内著名的基因组、生物信息研究中心华大基因联合推出国内第一款完全拥有自主知识产权的生物信息专用计算机,采用先进的基因数据库架构技术、数据定制可视化技术、数据密集技术、网格使能技术、在线扩展技术及机群系统等技术,为国内用户搭建了一套与国际生物信息研究主流趋势相接轨的系统平台.该系统是建立在华大基因和曙光公司在生物信息研究领域长期合作成果的基础之上,通过运用曙光公司每秒3万亿次浮点峰值运算能力的Linux超级服务器,以支持数据密集应用为主,为国内大量致力于基因组研究的科研工作者们提供方便、快捷的服务.“生物信息专用计算机”采用机群结构,系统中节点根据功能划分为计算节点、数据库节点、服务节点三种类型,为生物信息学研究提供了一个基于硬件、软件和数据库集成环境下的统一运行平台,为各个分析软件、子数据库模块提供一致的运行和管理环境.同时用户可以根据需要选择软件和数据库模块,无缝集成到平台上.平台提供ORACLE数据库和软件的集成接口和管理工具.生物信息专用计算机以模块化的方式提供大量基因组学、生物信息学研究的常用分析工具,并能实现分布式高性能计算.用户也可以根据需要定制分析软件,添加到该专用计算机应用平台中.

对于我国来说,生物信息学人才的培养是当务之急.生物信息学是一个交叉学科研究领域,这对生物信息学研究人员在知识结构上提出了非常高的要求,特别是对于来自数学或计算机专业的研究人员,不仅要掌握生物学的基础知识,还要求深入了解生物学中的相关问题,这样的人才不是单一学科能够培养出来的,要求跨学科地培养生物学和信息科学的复合型人才.目前中国科学院和国内一些著名大学已经开始较大规模地培养生物信息学专业人才,这为我国今后生物信息学的发展奠定了良好的基础.可以相信,我国未来计算机在生物学中的应用一定会有着很大的进步与发展.

（二）福建省“计算机在生物学研究中应用”学科发展简介

福建省计算机在生物学研究中的应用虽然起步较早,但是发展一直相对较慢,目前还没有形成较大的研究规模和较完整的研究体系.但是,福建省对计算机在生物学研究中的应用十分重视,福建农林大学、厦门大学等多所高校开办了计算机在生物学研究中的相关专业或研究团队并举办了几场相关的学术会议.

福建省的厦门大学生命科学学院和福建农林大学的生命科学学院已经开办了生物信息学本科专业,为我省培养生物信息科学人才提供了一个很好的平台.该专业整合了生物和计算机的相关资源,有望为我省培养出更多的精通于计算机在生物学研究中的应用人才.福建省的其它院校如福建医科大学、福建师范大学、福建中医学院、国立华侨大学、集美大学等多所高校也有不少的教学和科研工作者在这方面进行了一定的研究工作,福建省农科院也开展了一些生物信息学的研究工作.

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例如：福建省厦门大学生命科学院的纪志梁博士主要从事生物信息学、功能基因组和蛋白组学、计算机辅助药物设计、生物数据库和生物信息软件的开发及应用、数据挖掘、分子进化、生命起源与进化等方面的研究,主持了生物信息辅助药物不良反应（ADRs）的分子机理研究及预测的国家自然科学基金项目.

福建农林大学借助于其在生物学特别是农林学科上的优势,联合校内的计算机与信息学院一起开办生物信息学专业,计算机与信息学院还成立了生物信息研究团队,以期望借助于两个学院的实力,更好地为我省培养相关的人才.

目前福建省在发展该学科时面临的主要问题是相关人才的缺乏和研究硬件设备的不齐全.目前,福建省尚未能在“计算机在生物学研究”的学科发展中形成一个理想的研究梯队,从而导致了在相关的科研上以应用研究为主,缺少理论上的创新性,而应用的研究多集中于特定的领域：如福建农林大学的相关研究主要在于农业领域；华侨大学的方柏山教授所做的工作多集中于工业微生物的优化控制等方面.全方位,多角度的研究格局还没有形成.

从学科建设的硬件平台来看,虽然有了较大的发展,但是距离科研的要求还有较大的距离.因为“计算机在生物学研究中的应用”学科是一门交叉学科,需要用到许多方面的仪器设备,而目前福建省内的这方面的投入与科研所需要的设备还有一定的距离.