初观生物信息学

兰枚芳，董玉荣，岳远帅

华北理工大学 河北省唐山市 063210

摘要

19世纪，人们认识到蛋白质在生命活动中的作用，生物信息学开始萌芽。20世纪50年代，生物信息学开始孕育，并在1956年在美国田纳西州召开了“生物学中的信息理论研讨会”。20世纪60年代，虽然还未正式提出生物信息学的概念，但是相关研究已经在展开。生物学的理论研究也正式在学术界崭露头角，由此生物学由实验科学转向理论科学的革命正式拉开帷幕。理论研究将不断发展，逐渐取代实验研究的主导地位，见证自然科学从现象到本质的发展历程。生物科学也将完成由原始的描述科学发展到实验科学，在由实验科学到理论科学的发展步伐。

关键词

生物信息；计算生物学

生物学史

描述生物学

在公元前15000年，我们的祖先就在山洞中描绘出形形色色的生物，这也是最初的描述科学，描述生物、生物现象的外观以及过程。在公元前2000年左右，埃及医生和尼罗河流域的居民逐渐了解疾病，治疗疾病，并将疾病记录在草纸上。公元前1750年古巴比伦王国的国王汉莫拉比制定了与医疗相关的律法，并记录在石柱上。生物学最早的体现是农学和医学。公元前1500年中国人养蚕生产精美的衣服。将装有蚂蚁的包放在柑橘树上，以保护果实不被昆虫侵害，这是使用生物防治的最早记录。公元前802年欧洲从亚洲引入和种植玫瑰树。公元前570年古希腊哲学家阿纳克西曼德提出，动物最早生产于水中，然后变成陆地动物。

描述生物学并没有在实验生物学产生后消失，而是在实验的指导下，不断发展。后来的医学、博物学都是来源于此。亚里士多德等对自然多样性的分析、公元前50~70年迪奥斯科里斯撰写《药物学》、中世纪的伊本·西那撰写的《医典》，都是博物学的发展延伸。历史上的重大贡献是由自然主义倾向的牧师，他们对植物、动物以及其他方面的描述。当时的欧洲，形成了如生理学、植物学、动物学、古生物学的学科专业。在维多利亚时期的苏格兰，人们认为研究自然历史能够让人心理健康。

19世纪三个最伟大的英国博物学家亨利·贝兹、查尔斯·达尔文和阿尔弗雷德·华莱士，花了很多年旅行，收集了非常多的标本，促进了当时科学的进步，并将 “远方世界”记录在书本里。其中描述了包括亚马逊河流域、加拉帕戈斯群岛和马来群岛等等。

实验生物学

到1543年，比利时的医生维萨里发表《人体构造》，首次揭示了人体在器官水平的结构。17世纪初期，新的技术使人们已经不仅仅满足于观察到生物的外形。人们开始探索更加精细的结构，更微小的差异。自然科学也进入了实验科学的阶段。人们开始有计划的分类植物、动物。1753年，林奈发表《植物种志》，制定了双名法，并且依据花的特征，对植物进行了分类。1865年奥地利孟德尔花费8年的时间通过杂交实验发表《植物杂交实验》，1864年法国巴斯德发明热灭菌法（巴斯德消毒法），1926年美国的摩尔根用果蝇做实验，发表《基因论》，1928年英国弗莱明发现青霉素，为人类对抗疾病提供了武器，俄国巴甫洛夫研究高级神经生理活动，德国海克尔和施佩曼研究动物胚胎发育，赫胥黎和杜布赞斯基提出现代综合进化论，1944年美国埃弗里利用肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传信息的载体。

19世纪中叶，实验生物学研究由表及里，向理解生命现象的内在规律和探索生命过程的运行机理发展。单纯的解剖观察形态，描述形态和显微镜早已无法满足人们的好奇心。

物理学的发展

15、16世纪，哥白尼提出“日心说”挑战宗教神学，开创现代天文学，同时也是理论物理的开端。自此之后，由伽利略用望远镜观察宇宙，和他关于运动的实验，牛顿的力学体系，洛伦兹的电磁场理论与相对论之间承上启下，爱因斯坦的相对论建立性的时空观以及质能方程，波尔的原子模型，海森堡、薛定谔等人的量子力学，霍金对于未来的预言等一大批物理工作者的成果，历经数百年的不断完善，理论物理已经成为当代物理学的重要组成部分。虽然至今任是一个未完成的体系，但又生机勃勃，每一个分支都引领着实验物理的前进方向，不断突破。

生物信息学的发展

生物信息学同理论物理一样，使生物学由一门传统的实验科学向理论科学转变。让生物学摆脱了湿实验的束缚，只需要从数据中就能找到生命规律，探寻真理。生物信息研究的两个重要意义之一。人们对于基因的认知，大多数还集中在单个基因或者是少数几个基因，对于整个基因组层面的信息，人们所知甚少。这也就是生物信息研究的重点领域，系统的了解基因的功能。当我们对基因组信息有足够的了解之后，大多数生物实验结果就是可以预测的。

由生物信息指导的生物实验

传统实验方法

传统的生物实验我们第一件事使确定实验的问题。围绕问题确定假设、设计实验。许多研究者在问题提出这个环节就要消耗掉大量的时间。在实验前期还需要查找各种资料，预测实验结果，实验结果是未知的，当得到实验结果之后需要解释结果，没有大量资料的前提下实验结果解释是非常困难的。

生物信息指导实验

在通过生物信息研究之后，我们是结合多样的因素把结果确定下来或者确定在某几个结果之内的。此时我们只需要有针对性的进行实验，得出正确并且理想结果的可能性大大增加。生物信息学是一种研究生命科学问题的新方法、新思路，是一种从全基因组出发、从系统水平出发、基于数据整合，提出新假说、发现新规律的研究方法。

生物信息学展望

从20世纪50年代生物信息孕育以来，随着计算机技术的不断发展，生物信息已经逐渐成熟。20世纪70年代到80年代初期，出现了一些列的序列比对算法，这极大的促进了生物信息的发展。80年代以后出现了一批生物信息服务机构和生物信息数据库。我们认为，生物信息学的发展同理论物理发展一样，最终会是生物学发展的指路明灯。20世纪以来生物吸收了数学，计算机科学等多种学科，通过数学方法与计算机理论将生物学发展到新的高度。生物信息学的未来必然是要更加交叉，更加多元和开放，同计算机技术的交叉融合也会更加紧密。未来的数据来源会更加的复杂，数据类型会更加多样，数据的标准化必然是一个重要的问题。除此之外，对于海量的数据，自动化分析已经越来越重要，机器学习与模式识别在生物信息学中的应用将是一个重要的研究方向。但是一些重要的环节依然缺少不了研究人员的亲身参与。这对于整个生物学的发展有着十分重要的推动作用。

引用

《遗传工作者的生物信息学第二版》

《生物信息学：序列与基因组分析》