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生物信息学研究方法(6篇)

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生物信息学研究方法篇1

关键词生物信息学教学改革医学教学模式

中图分类号:Q811-4文献标识码:A

21世纪是生命科学的世纪,人类及模式生物基因组计划的全面实施,使分子生物学数据以爆炸性速度增长。面对基因组学、蛋白质组学、基因芯片、分子进化等大量的生物信息,在计算机科学、网络技术以及生物分析技术的相互作用和渗透下,诞生了一门崭新的学科――生物信息学(Bioinformatics)。生物信息学利用计算机和互联网,以数据库为载体,运用数学算法和计算模型,研究生物信息数据的获取、处理、存储、分发、分析和解释等方面,进而阐明和解释庞杂的生物数据所蕴含的意义。生物信息学跨越了整个生命科学领域,近年来在医药学研究中发挥了不可替代的作用,无论是从分子生物学的角度阐述病因,还是对疾病的预防、诊断、治疗与新药研发都将产生巨大的推动作用,医学生物信息学必然在未来的医学研究中处于关键地位,但生物信息学的理工科特性决定了该课程在医学教育中开展的难度。本文结合医学院校特色和生物信息学课程特点,探讨开设医学生物信息学课程的必要性,分析生物信息学课程在教学实践中存在的问题,提出本校开展生物信息学教学的实施方法。

1医学生物信息学的主要研究内容

1.1疾病基因的发现与鉴定

约有6000种以上的人类疾患与特异基因的改变有关,某些关键性基因或其产物的结构功能异常,可以直接或间接地导致疾病的发生。使用基因组信息学的方法通过超大规模计算是发现新基因的重要手段。例如:通过构建肿瘤cDNA文库或表达序列标签(expressionsequencetag,EST)分析差异表达基因,揭示肿瘤发生的分子水平变化,寻找靶基因。

1.2药物设计与新药研发

生物信息技术为药物研究、设计提供了崭新的研究思路和手段。利用数据资料、软件工具筛选药物作用的靶位和候选基因,阐明其结构和功能关系,指导设计能激活或阻断生物大分子发挥其生物功能的治疗性药物。

生物信息药物设计常用的方法有:①三维结构搜寻,寻找符合特定性质和三维结构的分子,从而发现合适的药物分子。②分子对接,建立大量化合物的三维结构数据库,依次搜索小分子配体使其与受体的活性位点结合,通过优化使得配体与受体的形状和相互作用最佳匹配。③全新药物设计,利用计算机自动设计出与受体活性部位的几何形状和化学性质相匹配的结构新颖的药物分子。

生物信息学方法为药物研制提供了更多的、潜在的靶标,大大减少药物研发的成本,提高研发的质量和效率。

1.3流行病学研究中的应用

将流行病学的遗传和非遗传性的研究与生物信息学结合起来,会对疾病的机理、个体对某种疾病的易感性和疾病在群体中的分布有更明确的认识,对疾病的预防和治疗有极大的指导意义。

2医学生物信息学课程的特点及主要困难分析

2.1课程内容丰富,学科交叉,数据庞杂

生物信息学利用生物学,计算机科学和信息技术揭示大量复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘,是一门交叉性学科,并且理科特性很强,需要深入理解分析。目前生物信息学包含了基因组、蛋白质组、代谢及药物等多个部分,每个部分都具有各自的特色和相应的分析技术。根据《NucleicAcidsResearch》统计,全球共有约1000多个主要的生物医学数据库,涵盖了生物医学研究的诸多领域。学生不仅要掌握获取和利用海量生物信息的基本知识和技术,还应掌握相关的数学、物理学、计算机程序设计等知识和技术,又因为医学专业学生的数理知识有限,学习起来有一定的困难。

2.2操作性和实践性强

生物信息学是一门操作性和实践性很强的学科,主要是在互联网环境中,依靠计算机,利用数据库和各种信息处理软件来进行生物信息学方面的分析工作。针对医学专业学生开设生物信息学课程,其教学内容应注重理论与实践紧密结合,着重学习利用计算机对各种生物信息资源和数据库的检索,使用方法与技巧,真正做到学有所用。

2.3现状与困难分析

目前,国内的生物信息学教学基本沿用以“教师讲授为主”的传统教学模式,与生物信息学交叉前沿性特点不相适应,实验教学单一,多为验证性试验,缺乏综合性和设计性。此外,医学专业学生计算机知识薄弱,对生物信息学的算法与数据库的原理和特点等不甚了解,在高通量数据处理面前力不从心,影响对问题的分析能力。

3医学生物信息学课程开设实施方法和对策

3.1根据医学专业特点设计教学内容,建立具有模块化的教学大纲

目前尚未形成系统、成熟的生物信息学教学模式。开设课程之前,对医学专业学生进行问卷调查,让他们选择医学生物信息学课程中感兴趣的、需要学习的知识内容,并提出难点问题。教师汇总问卷结果,对授课内容进行调整,建立模块化的教学大纲,例如:导论模块、数据库及使用模块、基因组信息学及其分析方法模块、蛋白质组生物信息学模块、代谢和药物生物信息学及系统生物学模块等,使学生清楚每个模块的特点和作用,提高学生的学习兴趣,激发学生的学习热情。

3.2强化实验教学,激发学生的创新思维和创新意识

生物信息学的学习是运用生物医学、数学、以及计算机科学等诸多学科知识进行分析、判断、推理、综合的实践过程,强化实验教学显得尤为重要。另外,采用PBL(ProblemBasedLearning)教学法,可以有效地激发学生的创新思维和创新意识。

3.2.1注重实验操作

生物信息学实验课程以计算机操作为主,需要学生灵活应用互联网、数据库和多种生物信息学软件,所以实验操作显得尤为重要,加大实验比例,为学生提供较多的实验操作机会,不仅提高了学生的动手能力,而且大大提高了学生在因特网环境下对生物大分子序列、生物大分子结构进行生物信息学分析的能力,是提高学生学习生物信息学效果的有力保障。

3.2.2采用PBL教学模式,优化实验内容

加大设计性实验的比例,采用PBL教学法,根据学生能力和兴趣进行分组,由教师提出问题并布置真实性任务,使学生在已有的知识基础上,通过查找文献、小组讨论、探索,最终完成任务,写出试验报告。由教师对任务完成过程及结果进行点评,对学生掌握知识的程度及学生的科研、应用能力进行评价,并提出进一步的提高方向。学生在实验操作的过程中,不断地发现问题、解决问题,有效地激发了学生的创新思维和创新意识。

3.3改革教学方法,革新考核方式

3.3.1结合多媒体技术与双语教学

多媒体技术教学灵活生动,教师在讲授难于理解的概念和生物信息学工具时,可以直接打开相关软件和网站进行演示,使抽象的生物信息学知识以具体的、动态的形式展现出来,从而加深学生对课程的掌握程度。此外,生物信息学涉及到的数据库、网站、应用软件多为英文界面,所以双语授课显得尤为重要,教师可借助多媒体,对课程进行中英整合讲解。

3.3.2结合科研实例进行教学

生物信息学是一门不断完善和发展的学科,数据库的更新、相关软件的升级、算法的优化等,通常会随着科研中遇到的生物学问题变化而变化,所以教师可以结合现阶段的科研背景和具体的研究方向,结合实例进行教学,可以让学生真正掌握利用生物信息学方法解决生物学问题的思路,并培养和提高学生的科学思维能力,使学生由知识的被动接受者变为知识的主动发现者、探究者,教师则由知识的传授者转变为教学活动的指导者、组织者。

3.3.3采用无纸化考核方式

适当降低课程理论难度,减少不必要的数学理论推导,注重实际应用、解决问题能力的培养,通过上机实践操作,考核学生对基本知识和原理的掌握情况,克服传统的死记硬背现象。

4.结语

生物信息学作为一门交叉学科,发挥了其独特的桥梁作用,已经广泛地渗透到医学的各个研究领域。本文针对开设医学生物信息学课程的必要性和教学模式进行了探讨,以提高学生学习的自主性、实际操作能力和解决问题的应用能力为目标,不断改进教学手段、加强教学过程的趣味性,以期培养综合型的、高素质、现代化医学人才。

参考文献

[1]伍欣星,赵.生物信息学基础与临床医学应用指南[M].北京:科学出版社,2005.

[2]张阳德.生物信息学[M].北京:科学出版社,2009.

[3]WeiLi-ping,YuJun.BioinformaticsinChina:APersonalPerspective[J].PlosComputationalBiology,2008,4(4):e1000020.

[4]汪凡军,张楚瑜.生物信息学在医学上的应用[J].国际检验医学杂志,2006,27(2).

生物信息学研究方法篇2

【关键词】大数据生物信息知识提取数据挖掘

1数据挖掘的功能

数据挖掘是从大量的数据中四栋搜索隐藏于其中的具有特殊关系性的信息过程。它是数据库知识发现KDD中的一个步骤。知识发现KDD过程由以下3个阶段组成:数据准备、数据挖掘、结果表示和解释。数据挖掘跟许多学科都交叉关联,包括数据库技术、统计学、机器学习、人工智能、云计算和可视化等。

数据挖掘的实际应用功能可分为三大类和六分项:分类和聚类属于分类去隔类;回归和时间序列属于推算预测类;关联和序列则属于序列规则类。分类常被用来根据历史经验已经分好的数据来研究它们的特征,然后再根据这些特征对其他未经分类或是新的数据做预测。聚类是将数据分群,其目的是找出群间的差异来,同时找出群内成员间相似性。回归是利用一系列的现有数值来预测一个数值的可能值。基于时间序列的预测与回归功能类似,只是它是用现有的数值来预测未来的数值。关联是要找出在某一事件与数据中会同时出现的东西。

2降维

从降维的角度讲,整个数据挖掘的过程就是一个降维的过程。在这个过程中,需要对数据删除线性关系比较强的特征数据,再用一些算法,如信号分析算法、傅里叶转换、离散小波转换等算法,从数据中提取特征,再对数据做主成分析处理,得到最后的特征,再用数据挖掘算法来将这些特征转化为人类可读取的数据或信息。

3分布式数据挖掘解决方案

随着分布式计算技术、云计算技术、hadoop生态圈和非结构化数据库等技术的发展,以及对大数据挖掘的需求,出现了一批分布式数据挖掘,比较典型的有Apache推出的基于Hadoop的Mahout和加利福尼亚大学伯克利分校AMP实验室推出的基于Spark的MLBase。在Mahout中主要实现3种类型的数据挖掘算法:分类、聚类(集群)和协同过滤。相比Mahout而言,MLbase更好的支持迭代计算,它把数据拆分成若干份,对每一份使用不同的算法和参数运算出结果,看哪一种搭配方式得到的结果最优。

4大数据下的具体应用实例――生物信息学的应用

生物信息学(Bioinformatics)是生命科学、计算机科学、信息科学和数学等学科交汇融合形成的一门交叉学科。近年来随着先进仪器装备与信息技术等越来越广泛和深入的整合到生物技术中来,生物医学研究中越来越频繁的涉及到大数据存储和分析等信息技术。在使用计算机协助生物信息时,处理仅有计算机辅助的方式存储数据很显然是不够的,生物信息学研究的目的是运用计算机强大的计算能力来加速生物数据的分析,理解数据中所包含的生物学意义。当前生物信息学研究的热点有:

(1)由以序列分析为代表的组成分析转向功能分析。

(2)由对单个生物分子的研究转向基因调控忘了等动态信息的研究。

(3)完整基因组数据分析。

(4)综合分析。

生物信息数据具有如下特点:高通量与大数据量;种类繁多,形式多样;异构性;网络性与动态性;高维;序列数据等特点[5]。针对这样的生物数据信息,要结合当前的大数据分析方法进行分析和理解。当前数据挖掘实现对生物信息分析的支持主要有:生物数据的语义综合,数据集成;开发生物信息数据挖掘工具;序列的相似性查找和比较;聚类分析;关联分析,生物文献挖掘等方面。

参考文献

[1]许凡.大数据时代的数据挖掘技术探讨[J].电子技术与软件工程,2015(08).

[2]洪松林.数据挖掘技术与工程实践[M].北京:机械工业出版社,2014(11).

[3]李荣.生物信息数据挖掘若干关键问题研究与应用[D].复旦大学(博士论文),2004(11).

[4]宋杰.生物信息数据挖掘中的若干方法及其应用研究[D].大连理工大学(博士论文),2005(04).

[5]孙勤红.基于梯度采样局部收敛的生物信息大数据挖掘[J].科技通报,2015(10).

作者简介

孙勤红(1979-),女,山东省人。现为三江学院计算机科学与工程学院讲师。研究方向为人工智能、数据挖掘。

沈凤仙(1984-),女,江苏省人。现供职于三江学院计算机科学与工程学院。研究方向为数据挖掘。

生物信息学研究方法篇3

【关键词】信息技术生物课程整合

一、课题研究背景及意义

计算机网络技术的应用给学校教育和课堂教学带来了新的里程碑,成为教育思想革新、教育手段创新、教育模式突破的桥梁。然而目前大部分教师在运用信息技术进行课堂教学时,依然采用传统模式,信息技术属于教辅手段,基于这种形式下的教学,学生依然是围着课本知识、教师的思维、设计好的一成不变的教育进程在转。

通过本课题的研究,有利于充分发挥教师的主导作用和学生的主体地位以及多媒体的功能优势;有利于建立各教学要素之间的相互作用、彼此协调、取向一致的关系;有利于激发学生学习的兴趣,提高学生的学习效果,培养学生的创新能力,进而提高学生的综合素质。改变传统的以灌输式为主的教学模式,为探究式、互动式、开放式教学模式,最大程度地调动了学生的主观能动性,为学科创新教育提供行之有效的教学手段,为学生积极创新提供多个“触角”,具有一定的理论意义和应用价值。

二、课题界定

1.信息技术:本课题中的信息技术界定为以计算机多媒体为核心和互联网技术为核心的信息技术。

2.信息技术与学科课程的整合:就是教师在教学活动中,把信息技术资源、方法和各学科课程有机结合,共同完成教学任务的一种新型的学科教学方式。是在课程学习中有机的使用信息技术,努力使课堂教学内容、方法和形式都发生变革,更好地完成课程目标。

三、课题的研究目标、研究内容

1.信息技术教育与其它学科教育、教学的关系。

2.信息技术教育对学生能力的培养(包括信息加工能力、现代信息社会的适应能力和自主学习能力等等)。

3.运用信息技术优化教学过程的教学模式、教学方法、教学策略的研究。

4.信息技术与传统教学手段、教学方法的整合。

四、课题研究思路

信息技术与学科课程有效整合的研究目的在于探求实现信息技术的应用与学科课程教学过程有效整合的规律、策略和方法,培养学生信息素养的规律,策略和方法,提高教学效益。

1.信息技术与学科课程整合对硬件建设,软件建设和师生信息素养的基本要求,加快学校信息化的步伐;

2.信息技术与学科教学的有效整合的途径,方法和策略,优化课堂教学的方法和手段,大面积地提高教学质量;

3.常用软件作为思维支持工具;

4.充分发挥计算机信息加工能力;

5.创设模拟实验的整合教学;

6.使用网站开展研究性学习;

7.研究开发一批实用的基于计算机网络的学科教学课件;

8.积累一批课堂教学设计案例和典型课例。

五、课题主要研究方法

本课题研究主要采用行动研究法、教学实验法。同时辅以问卷调查、观察分析等手段和方法开展研究。各学科根据本学科的实际情况和研究方向自行选择研究方法。

六、课题研究步骤

1.准备阶段

制订详细的实施方案,确定课题并对研究的理论依据实行可行性论证;申报立项。成立课题研究组,并安排课题组成员学习理论听指导;安排课题组成员计算机及信息技术培训等。

2.探索研究阶段

课题开题,制订课题研究方案,安排课题组成员分工;制定符合学科特点的课题方案,按计划进行研究;课题组成员开设研究课,形成教学设想与反思;形成阶段性报告,根据中期评估反馈结果,调整研究方案;课题组成员进行小结。

3.总结鉴定阶段

召开课题总结会,全面检查课题研究过程;分类整理,汇总课题研究材料,撰写课题结题报告;整理研究成果。

七、课题研究成果

通过对信息技术与生物课程整合的理论研究,整合课的案例剖析,以及关于“信息技术与生物课程整合”的调查、实验及分析,研究了信息技术与生物课程整合的现状及效果,得出以下五个主要结论:

第一,信息技术与课程整合有助于激发学生的学习兴趣和求知欲望。

第二,信息技术与课程整合可以优化生物教学环境,有助于突破教学难点。

第三,信息技术与课程整合改变了学生的学习方式,有助于提高教学效率和培养学生能力。

第四,信息技术与课程整合有助于提高学生成绩。

第五,我国由于起步较晚,加之历来受以教为主传统教育思想的影响,仍存在观念、体制和实际操作上的误区。只有以先进的教育理念为指导,建立完善的保障体制和新型的教学结构才能真正实现信息技术与课程的深层次整合。

【参考文献】

[1]孙杰远.信息技术与课程整合[M].北京大学出版社,2002(7).

[2]何克抗.计算机辅助教育[M].高等教育出版社,1996.

[3]李克东.信息技术与课程整合的目标方法[J].中小学信息技术教育国际研讨会论文,200l(8).

生物信息学研究方法篇4

准确地说:自20世纪80年代以来,我们已是处在一个信息爆炸的时代、一个知识经济的时代。有人还更形象地说:这是一个一“网”情深的时代;一个“网”事如歌的时代;一个无“网”而不胜的时代。的确,进入20世纪的后期,我们已实实在在地处在了一个信息网络化的时代中。未来学家们又进一步预言说:21世纪将是生物科技的时代,或者说是生命科学的时代。因为生物技术和信息技术的迅猛发展已向人们展现出了更加诱人前景,并使得将生物学和信息学结合起来的生物信息学的研究成为可能。运用生物信息学的原理或机制去提示生命的奥秘,认识和探讨人类疾病的发生和发展及至康复等医学问题,将是一个全新的课题,并有望开启一个崭新医学时代。生物信息医学的时代。这是一个将“物质、能量和信息”三基元的思想用来指导医学的研究和发展的新阶段,是对现代医学仅从人体的物质结构和功能(能量)或者注重从生物物理和生物化学的角度去认识疾病和防治疾病方法的一种进步和完善。换句话说:我们将从生理、生化和生物信息三方面去看待机体和生命,去认识和防治疾病。这不正是我们传统中医学的“形、气、神”理论的现代体现吗?所以,我们认为,21世纪的医学发展趋势将是以生物信息为主导的医学新时代。

下面我想从4个方面来分析和探讨一下,我们所提出的“生物信息医学”形成的可能性或可行性。即:①现代高新科技发展所提供的时代科技背景;②信息时代新的哲学思想原则为之提供的认识论和方法论;③生物信息医学已存在的历史和发展现状;④生物信息医学未来的发展前景展望。

1生物信息医学形成的时代背景――现代高新科技

现代医学科学的每一个新进展都与当时的科学研究和技术的支持是分不开的,在当今蓬勃发展的医学背后有现代高新技术强有力的支撑。

现代高新科技来自现代尖端科学的研究,所谓尖端科学就是人类探索自然界规律,攀登科学知识高峰的前沿。当前,科学研究的最前沿主要可以归结为以下几个方面的问题,即物质的组成或结构,生命的本质和演化,人类生存的环境,宇宙的起源和人类智力的奥秘。正是对在这些问题探索研究的过程中,人们不断获取尖端科学知识,并应用这些知识,又进一步开发出了如下高新科学技术,即:①生命科学技术(或称生物科学技术)――对生命的本质和演化的探索;②信息科学技术――对人类智力的探索;③软科学技术(或称管理科学)――对人类智力的探索;④海洋科学技术――对生存环境的探索;⑤空间科学技术(或称航空航天技术)――对宇宙空间的探索;⑥环境科学技术――有益于环境的高新技术;⑦新材料科学技术――对物质的组成或结构的探索;⑧新能源和可再生能源科学技术――对物质的组成或结构的探索。

这高新技术中,其中信息科学技术、生命科学技术和软科学(管理科学)是与人的生命和智力的探索直接相关的。自然也是与医学是密切相关的科学和技术。海洋科学和空间科学及环境科学,主要研究人类生存空间的拓展和生存环境的保护,也是以人为本的。新材料科学和新能源及可再生能源科学则主要是为人类寻找更好的使用工具和动力资源,提高人类劳动效率和生存生活质量。同时,其新材料科学技术还将会为我们的医学提供更精细和精密的诊疗仪器或技术手段。例如:纳米技术可使我们造制出更加精细的检测仪器,如:纤维镜、胃镜等,也可提供更精细手术器械等。

在现代高新科学技术的基础上,现代医学科学研究方法的特点:一是研究更为深入,利用现代生物学先进技术,在核酸、蛋白质等生物大分子水平上阐述生命体的结构和功能特征,并且利用基因技术使人们能够设计和改变生物体特征;二是研究技术的综合应用,以往各学科单一的研究方法、系统正在被跨学科多水平的实验体系所取代,高水准的研究一般都在整体、离体组织、细胞、分子多种水平上证实一种论点;三是高新技术的发展完善,使得元损伤非侵入式研究越来越广泛被采用,不仅可以在实验动物上得出与人更接近的结果,还能直接用于人体的研究;四是信息科学技术又为现代医学科学的研究提供了新的思路和方法。它使我们对生命体的认识不再只考虑其物质结构和能量代谢两个方面的问题,而是将生命体内物质、能量和信息三个基本要素都考虑进来。目前,对于人体信息系统的组成、信号转导及有关的分子家族、信号转导过程、细胞内信号转导、细胞间通讯、神经信息的传递、大脑信息的加工、处理等有了前所未有的详细认识。

因此,在这里我将重点介绍一下信息科学技术和生物科学技术。因为,这两项技术与我所提出的生物信息医学是紧密相连的。

1.1信息科学技术

1.1.1信息的定义及本质的讨论:从20世纪中叶开始,对于信息的定义及其本质的问题在世界范围内已引起了非常广泛的讨论,但仍未有一个定论。

其实,信息现象十分古老,早在人类历史发端以前,信息已存在于物质世界。如阳光普照,星光灿烂,就是宇宙天体发出的信息,在人类社会诞生以后,信息不仅来自物质世界,而且来自精神领域。人类认识和改造客观世界的过程,实质上就是一个信息过程。所以,人类自诞生以来,一直是在不断地进行信息的加工、传递、交流和利用等过程。

人类虽然很早并一直在接触和利用信息,但对信息进行有意识的科学阐析,都是20世纪以后的事。在此之前,我们对信息的认识和理解,主要是指一些通知、报告、新闻消息、报道、情报、知识见闻、资料等,进一步指思想、事实、思维、意念、资讯等,在通信科学发展的时代中是指信号、指令、代码、数据、图像等等。这些都是我们的日常可能接触到的一些信息。。然而,从哲学的角度去深究信息的本质,是相当艰难的,在学术上也一直是争论不休的。这些争论,始终是围绕着信息同物质、能源的关系,同认识、意识的关系问题展开的。由于人们认识上的差异以及观察角度和采用方法的不同,各国学者在探索过程中,给“信息”下的定义已有四五十个之多,每种定义都有理性的面,但还没有一个是定义在世界范围内得到公认。不过,从这些讨论中可以肯定的是:信息与物质和能量一起共同构成了人类可利用的三大基本资源要素。换句话说:整个世界(包括人体)是由物质、能量和信息三大资源构成的。信息论的创始人之一,美国学者唯纳说过一句有名的话,他说:信息就是信息,它不是物质也是能量;不承认这一点的唯物论,在今天就不能存在下去。

随着信息科学和技术的发展与完善,相信人们一定会对信息的本质作出一个比较全面的科学阐析。目前,对信息的单位已确定了用“比特”来表示。所谓的信息流也就是比特流。美国麻省理工学院媒体实验室主任尼古拉•尼葛洛庞帝先生说过:信息社会的基本要素不是原子,而是比特。比特与原子遵循着不同的安全法则。比特没有重量,易于复制,可以以极快的速度传播。它在传播时,时空障碍完全消失。而原子只能由有限的人使用,使用的人越多其价值越高。尼葛洛庞帝还说:“我觉得我们的法律就仿佛在甲板上吧达吧达挣扎的鱼一样。这些垂死的鱼拼命喘着气,因为数字世界是个截然不同的地方。大多数法律都是为了原子的世界而不是比特的世界而制定的”。可见信息与物质和能量有着本质的不同。另外信息网络带来的挑战,可能会更超出我们所有人的想象。所有这些都将有助于我们对“信息”的进一步理解。对于信息的定义值得一提的有:《中国新闻实用大辞典》(人民日报出版社)从“实用”的角度,把“信息”表述为:一切事物的状态和特征的反映。它普遍存在于自然界、人类社会以及人们的认识和思维过程中。人类生活的世界是一个充满信息的世界。另有一个比较通俗的说法:即认为凡是人和动物通过眼睛、耳朵、鼻子、舌头、身体、大脑接受到的外界事物及其变化,统统都含有信息。如五彩滨纷的图画、火车的鸣叫、香水的芬芳、苹果的酸味、棒击的疼痛、灵感的触发等等。据专家统计,一般来说,人类通过视觉获得的信息占83%,通过听觉获得的信息占12%,而其余6%的信息通过嗅觉、触觉和味觉获得。然而,这些也只不过是指人体从外界接收或获取的体外信息,只是机体信息中一个方面。而另一方面在生物体内自身还有其信息的加工、处理、发出、传输、储存和利用等过程。如大脑的思维、心理活动、神经反射、激素调节、体液传导、遗传变异、气功意念、经络传感、细胞、组织的新陈代谢等等,都是一些重要的生物信息过程。可见,“生物信息”的过程要比现在我们了解的“电子信息”处理的过程更为复杂。

现代医学是建立在分子生物学、细胞学、组织胚胎学、解剖学、生理学和生物化学的基础上的。它注重的是机体不同部分之间的差异性,即每发现一个部分在结构和功能上的不同,就给予这个部分一个命名,就成为一种新发现。这也正是科学界历来所信奉的“结构决定功能”的理论观念。由于这种思想观念的指导,使人们对机体内部各个部分都有了深刻的研究和了解,便于得到各部分之间的结构方式和本质差别,进而了解其功能特征。然而,这种只从物质结构状态和功能(或能量)特征去认识机体是不全面的,它忽视了生物体不同部分之间还有其信息的联系和控制调节等特点,即生物体内的“信息调控机制”问题。因而,现代医学也就遇到了许多理论难题和临床疑点问题,这些问题也正是影响医学和生命科学全面发展的主要因素。因此,未来医学则必须是建立在生物物理学(物质结构功能,即分子生物学、细胞学、组织胚胎学、解剖学、生理学等)、生物化学(物质和能量代谢)和生物信息学的基础上。

1.1.2信息技术的发展历程:在人类诞生之初――即最原始的人类,其信息交流可能主要是靠叫声和动作手势,进而就有语言的产生,最后又有了文字符号,并进一步又有印刷术的出现。紧接着又有书报、信件、邮递员、信鸽等信息传播工具或媒体,这些是古代信息传播技术发展的一个基础过程。到了近代,随着电的发明和发展,利用电来传递信息的技术得以研究和发展。最初是电报、电传,到了1876年3月10日,贝尔运用电声转换技术发明了电话,随后又是有了无线电广播、电影、电视的发睨。这些使人类的信息传播技术产生的一个飞跃,是一次信息革命

进入20世纪后,电话、无线电广播、电影和电视得到了极大的发展和应用。更有意义的是:20世纪上半叶又有了电子计算机的出现,计算机改变了人类对信息储存、加工、处理和复制的基本方式,也使传统的印刷术发生了一场革命。使之告别了铅与火,代之以光和电。进入20世纪90年代以后,以Intemet为代表的计算机网络得到了飞速的发展。它从最初的教育科研网络,逐渐发展成为商业和民用网络,并正在改变着我们工作和生活的各个方面。可以毫不夸大地说,Intemet是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。目前,Intemet与电话和电视并称为三大通信网络。从计算机网络(Intemet)的发展速度和趋势来看,有可能以它为核心将“三网合而为一”。

1993年9月15日,美国政府了一个在全世界引起很大反响的文件,其文题是“国家信息基础结构行动计划”。后来人们又通俗、生动而形象地把这个“行动计划”称作“信息高速公路”。紧接着全世界所有的工业发达国家和很多发展中国家都纷纷研究和制订本国建设信息基础结构的计划。这就使得计算机网络(Intemet)的发展进入了一个新的历史阶段。应该说,这正是我们进入信息化时代的一个标志。当然,这个时代是经历了由信息科学研究一信息技术革命一信息产业化、商品化一信息的社会化一信息化时代的过程,也差不多是经历了一个世纪的发展历程。

在这个信息化时代,我们所有的人都可以感受它给我们带来的快捷和便利。也更惊叹它的发展速度以及其社会变化竟是如此变幻莫测。有一个著名的定律是美国贝尔电话实验室的穆尔提出的,叫穆尔线性定律:他说一个硅片上的晶体管数量,按每18个月增加1倍的集成度的速度增长。目前,一块计算机芯片上晶体管的集成度已达几亿个以上。据估计,到2007年将达到2000亿个晶体管。所以,有些学者说,在信息化时代,我们只能预测到5年(最多10年)以内的发展情形,10年以后是很难以预料的,因其发展太快了。如果说20世纪末的信息时代是那么地变幻莫测,那么21世纪的生物科技时代,就更难以预测了。因为,21世纪人类的生存、生活、婚姻、家庭以及伦理、道德等方式都将有可能被重新定义或定位。你想想,可以将人进行复制,并使生命延续的克隆技术已予示着将打破一切条条框框(这正是下面我将要介绍的生物科学技术的发展及态势)。

1.2生物科学技术的发展态势:生物技术应该说不完全是一门新兴学科,它包括传统生物技术和现代生物技术两部分。传统的生物技术是旧有的制造酱油、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品等传统工艺。现代生物技术则是指20世纪70年代末80年代初发展起来的,以基因工程为核心,以DNA重组技术的建立为标志的新兴学科。目前我们所提的生物技术基本上是指现代生物技术。

现代生物技术包括:基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程以及生化工程等。.不久的将来也许还将有生物信息工程的诞生。

1.2.1基因工程:1944年Averg等科学家阐明了DNA是遗传信息的携带者;1953年Wats。n和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型,阐明了DNlA的半保留复制模式,从而开启了分子生物学研究的新纪元;1961年M•Nirenberg等破译了遗传密码,揭示了DNA编码的遗传信息如何传递给蛋白质这一秘密;1972年Berg首先实现了DNA体外重组技术,这标志着生物技术的核心技术――基因工程技术的开始,它向人们提供了一种全新的技术手段,使人们可以按照意愿在试管内切割DNA,分离基因,并经重组后导人其他生物或细胞,藉以改造农作物或畜牧品种;也可以直接导人人体内进行基因治疗。基因治疗主要包括制备正常基因取代遗传缺陷的基因,或者关闭异常表达的基因,或者降低异常基因的表达强度。这样可以对一些由于基因突变、缺失和异常表达所引起的疾病,如遗传病、恶性肿瘤等有望达到较理想的治疗效果。

根据基因工程技术而进行的基因工程药物的研究自20世纪70年末也已经开始,如人工胰岛素、干扰素、生长素类、白细胞介素类和肝炎疫苗等。一还有转基因技术对人工选育优良品种也取得了成功。其中克隆羊的成功为动物转基因研究揭示了广阔的前景(有关克隆技术在下面的细胞工程中介绍)。

1.2.2细胞工程技术:所谓的细胞工程是指以细胞为基本单位,在体外条件下进行培养、繁殖,或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变,从而达到改变生物品种和创造新品种,加速繁育个体,或获得某种有用的物质的过程。在这里我重点介绍一下细胞核移植技术-克隆技术。进入20世纪90年代,利用幼胚细胞核克隆哺乳动物的技术接近成熟。世界上许多国家和地区,如美国、英国、新西兰、中国、台湾等纷纷报道成功克隆猴子、猪、绵羊、牛、山羊、兔等。不过最让生物学家和全世界震惊的重大突破是英国PPL生物技术公司罗斯林(R。slin)研究所的维尔穆特(Wilmut)博士于1997年2月27日在世界著名权威杂志《Nature》上宣布的用乳腺细胞的细胞核克隆出一只绵羊“多莉”(D。lly)的消息,“多莉”的诞生,既说明了体细胞核的遗传信息的全能性,也翻开了人类以体细胞核竟相克隆哺乳动物的新篇章。仅仅过了一年半,1998年7月5日,日本人就喜迎来了叫作“能都”和“加贺”的两头克隆牛犊的降生。它们是用母牛输卵管细胞的细胞核克隆成功的,几乎与此同时,一组科学家在美国檀香山宣布,他们已经采用卵泡细胞的细胞核克隆成功的小鼠“卡缪丽娜”再克隆出了下一代。祖孙三代22只克隆鼠组成的大家庭具有完全一致的遗传基因和信息。随后,德国和韩国的科学家也相继宣布用体细胞成功克隆出哺乳动物的消息。可见,几个世纪以来人类梦寐以求的快速、大量繁殖纯种动物的夙愿,在20世纪快要结束之前正在变成现实。

如果说1997年2月克隆“多莉”羊的新闻轰动了世界,一些人还是持怀疑态度的话,那么随着“能都”和“加贺”等多头克隆牛的问世以及克隆老鼠的再克隆成功,用体细胞而不是用早期胚胎细胞的细胞核克隆的哺乳动物,已经成了广为科学界和普通群众接受的事实。在此基础上,克隆人已经不再是科幻小说中的故事了。1998年初,美国哈佛大学的理查德•希德宣布了他的克隆人计划,立即招来了全世界一浪高过一浪的反对呼声,紧接着欧洲19国联合签署了禁止克隆人的协议,我国政府以及美、英、德、日也已明确表示反对。然而这位69岁的博士称:克隆人“只不过是人类生育的另一项先进技术”。他计划把自己的体细胞核与捐献者的卵相结合后,再将这个胚胎植入他妻子格洛丽亚的子宫中,以期生下他的复制品。目前全世界都以关切的目光注视着希德的举动和美国政府的一些反应。另据报道,韩国科学家已于最近克隆成功了人的早期胚胎,但摄于法律的约束,又主动将她销毁了。正象核能的开发具有截然相反的作用那样,人类对克隆自身已采取了十分慎重的严肃态度。

但是,科学的发展是无法阻挡,即便是法律最终也可能无能为力,它也只能为顺应科学的发展而变化或制订新的条文,以此来对新生事物加以规范或约束,强制阻挠是愚蠢的。正如信息时代一样对信息犯罪必须重新修订法律条文。所以,克隆人最终还是会变成现实的。据了解,目前在医学领域是允许可以克隆器官的,以便提供被人体易接受的一模一样的器官移植。

总之,这项技术必将对21世纪的医学科学、生命科学以及农学等诸多领域产生重大的影响和变革。如果一旦被允许可以克隆人时,那么,整个社会的形态,生存和生活的方式都将发生变化,人与人之间的关系、婚姻、家庭和伦理道德等概念都将会被重新改写或定义,因为,一种新的生育方式将改变这一切。因此,21世纪的生命科学时代的确是人们难以预料的。

1.2.3生物信息学的萌生:随着人类基因组计划等大型国际项目的实施,以及生物技术和信息科学技术的进一步研究和发展,一门新兴的边缘学科――生物信息学已应运而生。因为,生物科技和信息科技等高新技术的发展已为生物信息学的研究、开发和利用提供了可能,并已成为当前一个前沿领域和研究的热点。

生物信息学是以核酸(DNA分子)、蛋白质等生物大分子的信息密码;细胞间的通讯;脑科学和神经网络;内分泌激素的信使作用和免疫调节,以及中医的经络学说和精气神理论为主要研究对象。以数学、信息学、计算机科学和仿生学为主要手段,以计算机硬件、软件和通信网络为主要工具,对浩如烟海的原始数据和纷繁复杂的生命信息进行存储、管理、注释、加工、解读,使之成为具有明确生物意义的生物信息。通过对生物信息的查询、搜索、备份、比较、分析,从中获取基因编码、基因调控,核酸和蛋白质的翻译和其结构功能关系,大脑的信息加工、处理机制、神经信息的传输原理等等知识。在弄明白这些大量的生物信息的基础上,再结合已有的生理、生化知识去探索生命的起源、生物的进化、生命信息的传输调控机制、大脑的思维和神智;人类的疾病与康复,以及细胞、器官和个体的发生、发育、衰亡等生命科学中的重大问题,搞清楚它们的基本规律和内在联系,是完全可能的。因此,生物信息学对21世纪的医学科学和生命科学具有不可估量的奠基和推动作用。

高新技术的重要特征之一是学科的横向渗透、纵向加深、综合交错、发展迅速。所以,我们所提出的生物信息学也正是在现代多学科发展的基础上横向结合而产生的。它是生物学与信息学,信息学与生物医学工程学等学科之间的相互交叉、相互渗透的一门边缘学科。同样,生物信息学又将与生命科学和医学科学进行交叉和渗透,并进一步形成生物信息医学这门新兴分支学科。它将促进医学科学的发展,并有可能引发一场医学革命,使我们步入生物信息医学时代。虽然,我们目前尚不能作出一个比较完善的定义或解释,但是,今天我们大家大概都不会否认,信息过程是生物体(人体)的一个重要过程。这一过程从根本上来说,是个体为了适应机体内、外瞬息万变的各种环境。事实上,现代生物遗传工程、转基因技术、细胞工程学和克隆技术,还有现代医学的脑科学研究、神经生理学、内分泌激素、免疫学、心理医学和思维医学,以及我们祖国传统医学中的针灸学、经络学说、气功和推拿按摩学等等,这些都已不同程度地揭示了机体内的一些信息过程中内涵。这些探讨生命过程中的信息问题,对于了解生命的本质、演化以及疾病的发生、发展和转归等无疑是十分重要的。因此,我们有理由相信,生物信息医学将成为21世纪医学科学研究和发展的主流。

2信息时代的哲学思想原则与方法

19世纪和20世纪初,我们把它称为工业化的时代。在工业化时代,牛顿力学有力地支撑了对立统一的哲学思想原则,也使我国古代就已形成的“物生有两,体分左右,皆有二也”的朴素“二元论”辩证法观念找到了近代科学的解释。然而,牛顿力学观察的是两个物体之间的相互作用,是以质量和能量作为物质的两个本源特质的。人们很容易理解,任何事物都有正反两个方面,非此即彼,非我即敌的机械认识论观点就是这种思想方法的极端体现。

进入20世纪后半叶,现代科学技术发展把人们推进到了信息化时代,人们遇到的诸多问题已经不可能在牛顿力学的单一因果链的思维平台上获得满意的答案,除了对立双方之间的力学作用之外,还必须考虑介质或者环境变化的信息作用问题。对立双方长期斗争的结果并不总是一个吃掉另一个,而往往是两败俱伤,由第三者或第三态主导局面。因此,信息时代的哲学思想原则应该是至少要考虑三个最基本的要素而不是两个。比如:物质、能量和信息;元序、有序和自序;整体、局部和媒介;主体、对象和环境;正态、负态和零态;宏观、微观和中观等等。现已知晓:物质、能量和信息是人类可利用的三大基本的战略资源。整个世界包括我们的人体,是由物质、能量和信息三者所共同构成的。因此,一位美国科学家曾经说过这样一首诗,他说:“没有物质的世界是一个虚无的世界;没有能量的世界是一个死寂的世界;没有信息的世界则是一个混乱的世界”。可见,物质、能量和信息这三者是缺一不可。物质可以被加工成材料,为工具准备形体;能源可以被转换为动力,为工具注入活力,驱动机器运转;信息则可以被提炼成为知识和智慧,为工具和机器提供智能指令。在这三种资源之中,物质相对直观;信息资源相对抽象;而能量资源则介于两者之间:人类认识世界的规律是由直观而至抽象,这就决定了一个极为有趣的生产力发展进程。在农业时代,人们主要利用物质一种资源来制造人力工具(称为一维工具、死工具),这种“物质”又全部取之于自然环境;在工业时代,人类进一步学会了高效地利用能量资源,并把它与材料结合起来制造动力工具(称为二维工具、活工具)物质和能量大显身手、大出了风头,使我们看到了电灯代替油灯,汽车代替了马车。到了信息化时代,人类又学会了利用信息资源,并把它与物质和能量结合起来制造智能工具(称为三维工具、聪明工具),也使我们看到计算机代替生产线上的工人。也因此在信息时代,大量的下岗和失业是在所难免的。

由此可见,人类的生产活动,实际上是通过能源的开采、运输和变换,作用于各种物质,使之发生物理的和化学的种种变化,使之成为人们所需要的各种产品。这种能量流和物质流的结合程度,取决于信息流的注入程度。我们人类的医疗实践活动似乎也遵循了这一发展规律,在原始的农业时代,人们的医疗手段主要是靠自然医疗和天然药物医疗。那时只能凭借自然界的现有条件来同疾病作斗争。到了工业时代,人类也就掌握了运用化学药物和切开手术医疗手段来战胜疾病,这些正是将物质和能量的结合利用。那么,到了信息化时代,人类也将会把信息导入医疗实践活动,并把他作为一种新的诊断和治疗手段,或与药物和手术结合起来应用,使其医疗手段更加先进和完善。在工业化时代,人类对自然资源的过度开采和大量索取,造成了有些资源短缺、物种的灭绝和环境的严重污染或破坏等,已使人类饱偿大自然对人类的惩罚。同样,现代医学由于大量使用化学药物和手术切除或置换修补,致使药源性和医源性疾病的发生和泛滥。也使人们也偿到苦头,并感到了恐慌。把生物信息资源导入医疗实践,将很有可能改变这一不利局面。

我们知道,在生产力体系中,物质、能量为实体因素,而信息是非实体因素。信息对物质和能量起着结合和控制作用。没有信息的参与,物质和能量无法正常发挥作用,生产就混乱而无法进行,除了这种“结合”和“控制”作用外,信息还起到放大或倍增作用――即信息可以凭借它“携带”的科技和经济知识、管理智慧,使物质和能量十倍、百倍甚至千倍地产生效益。一旦人们掌握了新的技术信息和管理知识,就可以创造发明新的工具;利用新的能源,掌握控制先进的生产程序,就可以十倍、百倍地提高劳动生产率。同样的道理,将信息作为一种诊断和治疗手段或要素参与医疗实践,无疑将可以降低化学药物的用量和手术的创伤使疗效成倍的提高;甚至可以免去不必要的手术和化学药物的应用,使治疗效果更加稳定、可靠,副作用也更小。

总之,在信息时代,人们对信息的本质和作用的认识也越来越深刻。并受到广泛的重视,传统哲学的二元论思想原则已受到挑战。一种以“物质、能量和信息”三基元的哲学指导思想正在起着主导作用。这种新的哲学思想认为:任何事物都是由三个具有正交完备性的最基本的要素构成的,比如热力学有三定律,机械学有三定律,生物学也有三定律(遗传、变异、自然淘汰),现代交叉科学有老三论(控制论、信息论、系统论),新三论(协同论、突变论、耗散结构论),马克思主义有三个基本原理,彩色电视中有三基色原理,任何事物可能都是由物质、能量和信息三个基本要素的完整体现,任何事物(包括机体)的组织形态也可能都存在着无序、有序和自序这三种极端模式等等。这种“三基元论”的哲学指导思想原则,无疑将改变我们对所有自然科学的研究方法和认识论观点。

我们知道,西方近、现代自然科学受英国启蒙科学家培根(R.Bac。n,1220~1292)的巨大影响,抛弃了古代科学家习惯使用的思辩方法,强调“实验方法”和“数学”的伟大作用,倡导一种直观形象的思维方法或模式,采用一种实证方法来进行验证。也就是我前面所提到的科学界所信奉的“结构决定功能”科学思想观念。因此,在18世纪以来,实验和观察成为所有自然科学的主要研究途径和人类认识客观世界的第一位的最重要实践活动。并进而将现代科学技术推进到一个很高的水平。

现代医学(西医)正是在这种哲学指导思想和科学发展的背景下得以取得了巨大发展的。其思维模式是以具体(个体)的形象思维为主导的,即将其分割后进行验证,运用形象的逻辑推理的方式,来找到或发现有可能的因果关系。因此现代医学(西医)较偏重于局部的组织结构和功能的研究,而对于整体的宏观信息调控的考虑则相对较少,如解剖学、细胞学、组织胚胎学、分子生物学、病理学、细菌学、生物化学等,这些学科都是从不同的角度,通过实验方式进行研究和观察。它注重和强调具体的人体物质结构和形态的存在形式。与此正好相反,我们传统的中医学却仍然坚守着古代哲学的思辩方法,即是从复杂的整体环境和现象中寻找规律,通过比类取象的方法,对物质世界进行一种抽象的概括或综合归纳。因此,中医学偏重于整体的宏观研究和经络信息网络的调节机能,是以整体的、运动的、辩证的观点在活的机体上来认识人体,依据“天人同理”原理,采取比类取象的方法,以自然和社会的规律及现象来类比观察人体与疾病。如中医的阴阳五行学说、形气神理论、天人合一理论、五运六气和脏象学说等,都是我国劳动人民在长期的生产和生活实践中测天观地、比类取象,并引伸到人体的生老病死中,以整体的抽象思维方式概括而成的。同样,针灸学中的经络学说也是古人根据人体复杂的“气”感和穴位效应等机体信息变化现象而抽象概括描述出来的。

这两种不同的思维模式也就导致中西医两种截然不同的理论体系。现代医学因抛弃了抽象的思辩方法,因而在认识上就不够全面了,这也是现代医学不能完全取代传统中医学的原因。信息时代的“物质、能量和信息”三基元论的哲学指导思想原则将使我们重新调整对人体的认识方法和医学的研究方法。前面说过,物质是具体而形象,而信息相对抽象;能量则介于两者之间。因此,西医的形象思维和中医的抽象思维模式都只能是认识论的一个方面的,都有一定的片面性或局限性。如果将它们结合起来作为医学的一种新的认识研究方法,即形成第三种思维方法――维象思维模式,我想我们医学的发展就会有较大的突破,中西医两种医学也就可能真正结合到一起。我们所提出的生物信息医学正是以这种新的哲学指导思想原则和维象思维模式为指导,它将会使我们传统中医学的一些抽象理论和神奇的治疗方法得以挖掘和科学的阐析。因此可以说,信息科技时代将是我们传统中医学得以振兴和科学解析的时代。

3生物信息医学存在的历史和发展现状

3.1传统中医学中的信息医疗方法和思想:《灵枢•官能篇》日:“语徐而安静,手巧而心审谛者,可使行针艾……缓节柔筋而心和调者,可使导引、行气”。这就是说在传统的针灸和按摩治疗中,已体现出了一种朴素的信息医疗思想观念。它对从事针灸的施术者(医生)提出了要修心养性,语言和蔼,施术时要安静,注意意念集中,以便达到最佳的信息调节治疗效果。对从事气功推拿的要求是:应加强修炼,使动作柔缓、心理调和,这也是强调意念信息的调理作用。还有针灸针的针柄也给了我们一个很好启示,针柄上的“线圈”不应单单只是为提插捻转的方便而设计。这种金属“线圈”还当然具有接收和传导生物信息的功能,它可接收术者的意念信息或外界环境的某些信号并传导给被施术的病人体内。从而达到一种生物信息的调节治疗,因此针灸疗法实质上是一种信息刺激调节疗法。所以,我们可以这样来认为:药物治疗主要是给机体补充“能量”以增强机体的抗病能力,是一种“能量”治疗,而手术的切除、修补或置换是对机体物质结构形态的改变,是一种物质治疗方法。那么,针灸、推拿治疗则主要是运用信号刺激和传输而达到调节生物“信息”节律为目的的信息医疗思想和方法。这也正是这类疗法的抽象神奇之所在,因信息的调控机制尚未被揭示,所以,只知其然而暂时不知其所以然。尽管针灸早已引起世界各国科学家的关注并成为研究的热点,但从信息论的角度来研究还只是近几年的事。例如:随着山东大学张颖清教授对生物全息律的发现和全息生物学的创立。针刺疗法的信息映射传输反应也从一定的程度上得到一些提示和发展,随之也就有全息胚针灸学的出现。我们坚信,随着生物信息学的研究深入,针刺的治病和镇痛机制将会得到科学的解释和进一步的发展。

不仅仅如此,我国劳动人民在医疗养生保健活动中,还积累和创造了其它很多宝贵的“信息疗法”。如:心理疗法、思维疗法、物境疗法、生物钟疗法、生理饥饿疗法、睡眠疗法、想象疗法、信念疗法、静思疗法、善美疗法、阅读疗法、技艺疗法、音唱疗法、笑骂疗法、暗示疗法、音乐疗法、幽默疗法、认识行为疗法、精神分析疗法。还有在临床上经常使用的气功疗法、埋线疗法、刮痧疗法、灸法等等。另外,在中医诊断学中的切脉就是一种很抽象的“信息”诊断法,它是通过对脉搏的动态信息变化来进行分析、推测和辩证诊断的。在中药治疗学中,是很强调中药性味的归经和配伍的,其中药味的甘、辛、苦、寒,其实就是一种可以传输给机体的信息,并通过经络信息网络传递给所要治疗的脏腑器官。而现代的中成药几乎是完全去掉了中药的味,只取其性,因而其效果大打了折扣,所以对中药进行化学提纯或深加工,并不一定是很理想的选择。

中医的经络学说一直是科学界关注和广泛研究的课题,科学家一直试图想找到它的物质结构形态。可最终所得到的不是神经,就是血管,要不就是网织的胶原纤维组织,根本没有属于经络自身的物质结构或组织,其实,如果我们按照中医学“天人同理”思想,将经络与现代的信息网络类比,就不难明白,现代通信网络是由不同的地域(局域网)、系统网、有线网和元线网等通信子网互联而成的一个很大而且开放的通信网络。并且还有电信网、广播电视网和计算机网等三大异质网络系统。它们的传输途径和媒介有光纤传输、电缆传输、卫星传输、地面微波接力传递等等,还可以互相转换信号,如:模数或数模转换等。我们的神经系统、血液循环系统,就如同有线通信子网,机体还存在一个无线通信子网,如:内分泌激素、免疫系统等。这些机体通信子网的互联通讯就构成了一个人体完整的信息网络系统。所以,我们可以把经络系统理解为神经系统、血液循环系统、内分泌激素、免疫系统、细胞间的联系等组织、器官和系统的信息子网的互联,即人体信息的互联网络。

中医的相生相克理论认为,机体的五脏六腑、四肢百骸都存在着相互化生和相互制约的关系。中药的配伍也存在其相生相克的关系。世界的万事万物都存在着相生相克的关系。所以,机体(个体)与机体之间也有一个相生相克的关系。这种相生相克其实就是一种生物信息的相互生成或互相冲突(干预)。因而,在临床医疗过程中,我们可能会发现这样的一个现象:对同样一个人,两个针灸师采用的是同样的施针方法,选择的也是同样的穴位,可是达到的效果却不一样。这种情况一般认为是由于针灸师的临床经验不同而造成的。其实这里面也应该存在一个机体之间生物信息的相生相克机制问题。如果一个针灸师的生物信息场与病人的信息场是相克的关系,那么他对病人进行针刺信息调节治疗,其效果肯定是不理想,甚至可能还会加重病情。同样,施行气功导引和推拿的医师也存在这种现象。还有,同一名医师,他在不同的时期行医,也可能表现出在不同时期虽然采用的诊治方法一样,但临床诊治效果却不同。这可能是这名医师在不同时期,因自身的身体状况和精神因素变化而造成的生物信息动态变化所致。其一定时期的生物信息可能刚好与那些病人的生物信息场相生,所以治疗效果好。而另外某一个时期的生物信息场不好,正好与病人相克,所以治疗效果不佳。其实,这也反应了中医学要求行医者必需注意个人修练,保持心静、气调、神清的医德思想境界。

中医的脏象学说中的“象”是指什么?所谓“象”就是脏腑所表现出的动态的时空信息变化,即“时空信息花样”。中医学的“形、气、神”正好与我们所说“物质、能量和信息”是一一对应的。只是中医学缺乏对现代科学知识的引入,加之信息科学发展较晚,以致无法揭示“神志”的内涵致使中医学显得有些神秘摸测,甚至有的人还对他的科学性表示怀疑。随着生物信息学的研究和发展并逐步引入中医学的研究中,相信一定会使中医学重新大放光彩。

中国的气功科学尽管还有不少疑点,但确能强身治病,这是举世公认的。气功强调“调心”、“调神”、“调息”、“以意领气”、“意念观想”等。这可能都是强调用意念和精神因素来调节或控制神经、免疫、内分泌等信息经络系统,使其达到健身、治病和提高生活质量的目的。在气功文献和气功医学实践中,有迹象表明(当然还不是证实)大脑中想象的愿望、状态、图景、符号、口决、童趣,以及想象的动作、行为、刺激、过程等,都可通过经络信息系统的调控作用而影响人体生理活动,并可强身治病。这与西方医学和心理学中的“摸拟情绪”影响免疫和内分泌功能有着异曲同工之妙。

3.2现代医学中所体现出的信息医疗思想和方法:过去人们流行的观点是“生命在于运动”,并把死亡的标志确定为以呼吸的停止、心脏的停跳为标志。随着近几十年来脑科学的研究与发展,人们对于脑在整个机体中的重要地位的认识已日益深刻。脑是人体的信息中枢,人体的各个组织、器官和系统都受它的调节和控制。科学研究显示,人类大脑工作时,大脑的神经细胞会从大脑以外的细胞那里搜集信息,并把这些信息综合起来作出判断,然后再输出指令,让人体的某些部位做出相应的反应。对于端起一杯咖啡这一简单的动作,就需要几百万个神经细胞的协调工作。美国国立老年研究所使用计算机控制的电子显微镜测定,经常用脑的老年人脑细胞比一些中年人还多。国外学者通过调查5000名已故的运动员后发现,他们当中多数人的寿命短于一般人。美国学者马劳斯在研究不同职业者的寿命时也发现,超级球星和优秀拳击运动员的寿命比学术上有成就的学者、专家平均短8~83岁,究其原因是因为长时间进行剧烈运动会使人体的新陈代谢长期处于旺盛状态,缩短了人体细胞分裂的周期,从而加快了机体器官组织的磨损与衰老。而经常使用大脑的人,由于大脑的信息调控作用,使机体各部位的协调运动,保持动静平衡,进而达到延年益寿。据此,有人将“生命在于运动”的命题引伸为“生命在于脑运动”。并且现代医学对死亡标志作了新的认定,即脑死亡是人死亡的主要标志。因此,人体健康首先是应该脑的健康和运动。

现代医学也已充分地注意到了心理、精神和社会因素对健康和疾病的影响,例如:心理和精神因素对心脏病、高血压、胃溃疡、糖尿病和癌症等均有很大影响。于是,就有了心理医学、思维医学和身心医学的提法,并运用心理疗法来配合这些疾病的治疗。对癌症的病人一般不直接告知患者本人的患病情况,只告知其家人――这在医学上称为“善意的谎言”,目的是不要让患者的心理负担过重,否则,精神就会夸掉。身心医学就是研究社会、心理和精神等因素与疾病发生与发展关系的一门医学新学科。国外已有人证明,心理刺激可通过氧化自由基而损伤DNA。

人类文明在进步的同时也给人类带来了许多新的文明病。其中以“大脑信息”失控或失调所致的精神心理障碍性疾病最为突出。据世界卫生组织的统计数字,全世界约有5亿人患者有不同程度的精神错乱,有5200万人患有严重精神病,约有1.5亿人患神经官能症,3000万人患癫痫。加上患有精神过敏症和其它心理障碍的人数,估计已占到总人口的20%以上。对于这些精神心理性疾病,现代医学的药物或手术疗法已显得力不从心了,只能采用心理疗法或思维疗法等信息调适方法,也有人把目光投向传统的中医、针灸、气功等信息疗法。从而也使我们看到了这些朴素的信息医疗方法对于现代文明病的攻克,显示出了广阔的发展前景。

在现代医学的诊断学中,心电图和脑电图的检测技术,其实就是一种探触大脑和心脏动态信息的检测技术;现代分子生物学已揭示了基因遗传信息的编码和控制蛋白质合成的信息链板;脑科学的研究也从一定程度上揭示了大脑进行信息搜集、加工、分析、处理并发出信息指令的部分原理;神经生物学、内分泌和免疫学则揭示了一部分机体信息交换、传输和产生反应的机制。随着生物信息学的研究和发展,现代医学在上述这些研究领域一定会取得更大突破和进展。

4生物信息医学的发展前景

“电脑”是人们对电子计算机的俗称,表现了人们的一种愿望――使计算机像人类大脑一样工作。这种仿生技术的发展和应用,必将对脑科学和机体信息调控机制的研究产生巨大促进作用。

迄今为止,科学家们已经模拟出了神经系统的一连串的活动规律,并据此编制出了相应的计算机程序;美、英科学家已合作成功研制出了世界上第一个硅神经元――一种能够模仿生物大脑细胞信息处理功能的微型芯片。这种面积只有01平方毫米的芯片的工作速度,比同样大小的生物神经细胞的工作速度还要快l00万倍;与此同时,日本三菱电机公司也已开发出了每秒可达800亿次的神经元芯片,这一成果把神经元芯片记忆一个字符所需的时间缩短到了万分之三秒。神经细胞是神经系统的基本单元,它采用电子工作方式。硅神经元在模拟神经细胞时,其电子特性和神经细胞一样能够独立运行,有自己的“行为规范”,不受控制者的“指挥”。因此,从理论上说,几百万个芯片就可以组成一个功能强大的“人造大脑”,科学家还研制成了生物芯片,生物芯片传递信息的速度比人类大脑还要快l00万倍。同时,当芯片出现故障时,它可以自我修补,成为一种半永久性的器件。

神经元芯片和生物芯片的获得,为生物计算机――仿生电脑研究带来了勃勃生机。而与之相关的神经元网络研究上的突破,更使生物计算机的研究大大向前推进了一步。神经元网络是科学家们在神经科学、心理生理学研究的基础上发展的,它具有联想记忆、相似性识别和分类、误差较正、时序保留和概括等功能。当神经元网络之间高度连接时,会引起并行机制而使神经元集团具有独特的计算性质,如同人脑的一些高级思维和信息处理或控制功能。试想,生物计算机技术对揭示人类的大脑和生物信息节律的调控机制将会起到多么关键的作用,对于大脑疾病、神经官能症、精神和心理障碍以及癫痫等疾病的有效诊治,其为期难道还远吗?

如今人们常常是,“谈癌色变”因为癌症的确困扰医学很久了,尽管有了很多新药的研究开发以及手术的改进,但这些并非是医治癌症的良方或万全之策。在生物信息医学时代,我们很有可能找到医治它的良方,比如:依据生物信息原理,我们可以研究“修复”癌细胞缺损或变异的信息密码技术,也就是对癌细胞进行“重新教育”使之“改邪归正”,或者是恢复对癌症等病灶的正常生物信息指令控制。这就好比怎样平息一个“地区”的“独立判乱”一样,其武力解决(病灶切除)并非是上策,通过说服教育,使人心归顺,才能算得上对该地真正收复。另外,对于一些组织器官或系统的功能紊乱,可以使用模拟相应的生物信息(信息编程)仪器或电子信息药丸,并设法让它进入该信息系统进行调节控制,使之恢复其生物信息节律的平衡。这种同疾病作斗争的方式的确如同“现代战争”(大家可能看过电视剧《突出重围》……)。在现代战争中,“电子信息战”已越来越突出而重要,与常规武器和生化武器等的协同作用威力也是越来越大。《孙子兵法》中云:“不战而屈人之兵,乃上之上策也”。这不正是信息战的伟大之处吗。同样,我们未来的医疗实践,也必将是以生物信息调节为先导,或将信息调控、药物治疗及手术治疗结合起来以达到协同作战的最佳效果。所以,我们不难预想21世纪的医疗实践将是一个更加先进和完美的生物信息化的医疗时代,或者可以简称之为“信息医学”时代。

生物信息学研究方法篇5

关键词生物信息学教学探究

中图分类号:G622文献标识码:A

2l世纪是生命科学的世纪,人类及模式生物基因组计划的全面实施,使分子生物学数据以爆炸性速度增长。面对基因组学、蛋白质组学、基因芯片、分子进化等大量的生物信息,在计算机科学、网络技术以及生物分析技术的相互作用和渗透下,诞生了一门崭新的学科――生物信息学(Bioinforma-tics)。当前,生物信息学教学还处于起步阶段,对于生物信息学实践课还没有完善的教学模式和有效的教学方法,如何在医学院校进行生物信息学实践课教学还有待进一步探索。

1医学生物信息学的主要研究内容

1.1疾病基因的发现与鉴定

据相关研究表明,约有6000种以上的人类疾患与特异基因的改变有关,这些关键性基因或其产物的结构功能异常,可以直接或间接地导致疾病的发生。目前,使用基因组信息学的方法通过超大规模计算是发现新基因的重要手段。例如:通过构建肿瘤cDNA文库,我们可以揭示肿瘤发生的分子水平变化,寻找靶基因。

1.2药物设计与新药研发

生物信息技术为药物研究、设计提供了崭新的研究思路和手段。生物信息药物设计常用的方法有:(1)三维结构搜寻,寻找符合特定性质和三维结构的分子,从而发现合适的药物分子。(2)分子对接,建立大量化合物的三维结构数据库,依次搜索小分子配体使其与受体的活性位点结合,通过优化使得配体与受体的形状和相互作用最佳匹配。(3)全新药物设计,利用计算机自动设计出与受体活性部位的几何形状和化学性质相匹配的结构新颖的药物分子。

生物信息学方法为药物研制提供了更多的、潜在的靶标,大大减少药物研发的成本,提高研发的质量和效率。

1.3流行病学研究中的应用

将流行病学的遗传和非遗传性的研究与生物信息学结合起来,会对疾病的机理、个体对某种疾病的易感性和疾病在群体中的分布有更明确的认识,对疾病的预防和治疗有极大的指导意义。

2医学生物信息学教学存在的问题

2.1缺乏实践课教材

目前,没有专门针对医学院校学生的生物信息学实践课教材。而国内各大高校使用的生物信息学教材多为国外教材的影印版或者中文翻译版本,这些教材一般内容宽泛,需要学生具有较高的相关基础知识,并且偏重介绍生物信息学的理论和方法,对实践环节的指导较少。

2.2缺乏有效的教学方法。

很多院校开设生物信息学实践课仅是以验证理论课所讲授的内容为目的,缺乏针对学生特点的教学设计,讲授内容单调,忽视了对学生分析问题能力的培养。

2.3学生实践课学习基础存在差异

生物信息学实践课的授课内容需要学生使用计算机在网络环境下完成,这需要学生具有较强的计算机操作技能和网络运用能力。不同学生在计算机的操作技能和网络使用能力上存在较大的差异。另外,常用的数据库和软件基本上都是英文版本,这需要学生具有一定的英文素养,学生英文水平的差异也会影响他们对实践课学习的效果。

3医学生物信息学实施方法和对策

3.1建立具有模块化的教学大纲

根据医学生物信息学课程的特点,对授课内容进行调整,建立模块化的教学大纲,例如:导论模块、数据库及使用模块、基因组信息学及其分析方法模块、蛋白质组生物信息学模块、代谢和药物生物信息学及系统生物学模块等,使学生清楚每个模块的特点和作用,提高学生的学习兴趣,激发学生的学习热情。

3.2强化实验教学

生物信息学的学习是运用生物、医学、数学、以及计算机科学等诸多学科知识进行分析、判断推理、综合的实践过程,强化实验教学显得尤为重要。

3.3结合多媒体技术与双语教学

教学过程中可以打开相关软件和网站进行演示,使抽象的生物信息学知识以具体的、动态的形式展现出来,从而加深学生对课程的掌握程度。此外,生物信息学涉及到的数据库、网站、应用软件多为英文界面,所以双语授课显得尤为重要,教师可借助多媒体,对课程进行中英整合讲解。

3.4结合科研实例进行教学

教师可以结合现阶段的科研背景和具体的研究方向,结合实例进行教学,可以让学生真正掌握利用生物信息学方法解决生物学问题的思路,并培养和提高学生的科学思维能力。

4结语

生物信息学作为一门交叉学科,发挥了其独特的桥梁作用,已经广泛地渗透到医学的各个研究领域。本文针对医学生物信息学课程的主要内容和教学模式进行了探讨,以期提高学生应用生物信息学的能力,培养综合型的、高素质、现代化医学人才。

参考文献

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生物信息学研究方法篇6

关键词:生物信息学农业研究领域应用

“生物信息学”是英文单词“bioinformatics”的中文译名,其概念是1956年在美国田纳西州gatlinburg召开的“生物学中的信息理论”讨论会上首次被提出的[1],由美国学者lim在1991年发表的文章中首次使用。生物信息学自产生以来,大致经历了前基因组时代、基因组时代和后基因组时代三个发展阶段[2]。2003年4月14日,美国人类基因组研究项目首席科学家collinsf博士在华盛顿隆重宣布人类基因组计划(humangenomeproject,hgp)的所有目标全部实现[3]。这标志着后基因组时代(postgenomeera,pge)的来临,是生命科学史中又一个里程碑。生物信息学作为21世纪生物技术的核心,已经成为现代生命科学研究中重要的组成部分。研究基因、蛋白质和生命,其研究成果必将深刻地影响农业。本文重点阐述生物信息学在农业模式植物、种质资源优化、农药的设计开发、作物遗传育种、生态环境改善等方面的最新研究进展。

1.生物信息学在农业模式植物研究领域中的应用

1997年5月美国启动国家植物基因组计划(npgi),旨在绘出包括玉米、大豆、小麦、大麦、高粱、水稻、棉花、西红柿和松树等十多种具有经济价值的关键植物的基因图谱。国家植物基因组计划是与人类基因组工程(hgp)并行的庞大工程[4]。近年来,通过各国科学家的通力合作,植物基因组研究取得了重大进展,拟南芥、水稻等模式植物已完成了全基因组测序。人们可以使用生物信息学的方法系统地研究这些重要农作物的基因表达、蛋白质互作、蛋白质和核酸的定位、代谢物及其调节网络等,从而从分子水平上了解细胞的结构和功能[5]。目前已经建立的农作物生物信息学数据库研究平台有植物转录本(ta)集合数据库tigr、植物核酸序列数据库plantgdb、研究玉米遗传学和基因组学的mazegdb数据库、研究草类和水稻的gramene数据库、研究马铃薯的pomamo数据库,等等。

2.生物信息学在种质资源保存研究领域中的应用

种质资源是农业生产的重要资源,它包括许多农艺性状(如抗病、产量、品质、环境适应性基因等)的等位基因。植物种质资源库是指以植物种质资源为保护对象的保存设施。至1996年,全世界已建成了1300余座植物种质资源库,在我国也已建成30多座作物种质资源库。种质入库保存类型也从单一的种子形式,发展到营养器官、细胞和组织,甚至dna片段等多种形式。保护的物种也从有性繁殖植物扩展到无性繁殖植物及顽拗型种子植物等[6]。近年来,人们越来越多地应用各种分子标记来鉴定种质资源。例如微卫星、aflp、ssap、rbip和snp等。由于对种质资源进行分子标记产生了大量的数据,因此需要建立生物信息学数据库和采用分析工具来实现对这些数据的查询、统计和计算机分析等[7]。

3.生物信息学在农药设计开发研究领域中的应用

传统的药物研制主要是从大量的天然产物、合成化合物,以及矿物中进行筛选,得到一个可供临床使用的药物要耗费大量的时间与金钱。生物信息学在药物研发中的意义在于找到病理过程中关键性的分子靶标、阐明其结构和功能关系,从而指导设计能激活或阻断生物大分子发挥其生物功能的治疗性药物,使药物研发之路从过去的偶然和盲目中找到正确的研发方向。生物信息学为药物研发提供了新的手段[8,9],导致了药物研发模式的改变[10]。目前,生物信息学促进农药研制已有许多成功的例子。itzstein等设计出两种具有与唾液酸酶结合化合物:4-氨基-neu5ac2en和4-胍基-neu5ac2en。其中,后者是前者与唾液酸酶的结合活性的250倍[11]。目前,这两种新药已经进入临床试验阶段。tangsy等学者研制出新一代抗aids药物saquinavir[12]。pungpo等已经设计出几种新型高效的抗hiv-1型药物[13]。杨华铮等人设计合成了十多类数百个除草化合物,经生物活性测定,部分化合物的活性已超过商品化光合作用抑制剂的水平[14]。

现代农药的研发已离不开生物信息技术的参与,随着生物信息学技术的进一步完善和发展,将会大大降低药物研发的成本,提高研发的质量和效率。

4.生物学信息学在作物遗传育种研究领域中的应用

随着主要农作物遗传图谱精确度的提高,以及特定性状相关分子基础的进一步阐明,人们可以利用生物信息学的方法,先从模式生物

中寻找可能的相关基因,然后在作物中找到相应的基因及其位点。农作物的遗传学和分子生物学的研究积累了大量的基因序列、分子标记、图谱和功能方面的数据,可通过建立生物信息学数据库来整合这些数据,从而比较和分析来自不同基因组的基因序列、功能和遗传图谱位置[15]。在此基础上,育种学家就可以应用计算机模型来提出预测假设,从多种复杂的等位基因组合中建立自己所需要的表型,然后从大量遗传标记中筛选到理想的组合,从而培育出新的优良农作物品种。

5.生物信息学在生态环境平衡研究领域中的应用

在生态系统中,基因流从根本上影响能量流和物质流的循环和运转,是生态平衡稳定的根本因素。生物信息学在环境领域主要应用在控制环境污染方面,主要通过数学与计算机的运用构建遗传工程特效菌株,以降解目标基因及其目标污染物为切入点,通过降解污染物的分子遗传物质核酸dna,以及生物大分子蛋白质酶,达到催化目标污染物的降解,从而维护空气[16]、水源、土地等生态环境的安全。

美国农业研究中心(ars)的农药特性信息数据库(ppd)提供334种正在广泛使用的杀虫剂信息,涉及它们在环境中转运和降解途径的16种最重要的物化特性。日本丰桥技术大学(toyohashiuniversityoftechnology)多环芳烃危险性有机污染物的物化特性、色谱、紫外光谱的谱线图。美国环保局综合风险信息系统数据库(iris)涉及600种化学污染物,列出了污染物的毒性与风险评价参数,以及分子遗传毒性参数[17]。除此之外,生物信息学在生物防治[18]中也起到了重要的作用。网络的普及,情报、信息等学科的资源共享,势必会创造出一个环境微生物技术信息的高速发展趋势。

6.生物信息学在食品安全研究领域中的应用

食品在加工制作和存储过程中各种细菌数量发生变化,传统检测方法是进行生化鉴定,但所需时间较长,不能满足检验检疫部门的要求,运用生物信息学方法获得各种致病菌的核酸序列,并对这些序列进行比对,筛选出用于检测的引物和探针,进而运用pcr法[19]、rt-pcr法、荧光rt-pcr法、多重pcr[20]和多重荧光定量pcr等技术,可快速准确地检测出细菌及病毒。此外,对电阻抗、放射测量、elisa法、生物传感器、基因芯片等[21-25]技术也是未来食品病毒检测的发展方向。

转基因食品检测是通过设计特异性的引物对食品样品的dna提取物进行扩增,从而判断样品中是否含有外源性基因片段[26]。通过对转基因农产品数据库信息的及时更新,可准确了解各国新出现和新批准的转基因农产品,便于查找其插入的外源基因片段,以便及时对检验方法进行修改。目前由于某些通过食品传播的病毒具有变异特性,以及检测方法的不完善等因素影响,生物信息学在食品领域的应用还比较有限,但随着食品安全检测数据库的不断完善,相信相关的生物信息学技术将在食品领域发挥越来越重要的作用。

生物信息学广泛用于农业科学研究的各个领域,但是仅有信息资源是不够的,选出符合自己需求的生物信息就需要情报部门,以及信息中介服务机构提供相关服务,通过出版物、信息共享平台、数字图书馆、电子论坛等信息媒介的帮助,科研工作者可快速有效地找到符合需要的信息。目前我国生物信息学发展还很不均衡,与国际前沿有一定差距,这需要从事信息和科研的工作者们不断交流,使得生物信息学能够更好地为我国农业持续健康发展发挥作用。

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