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数理科学与生命科学

数理科学与生命科学. 郝柏林 复旦大学理论生命科学研究中心 中国科学院理论物理研究所 http://www.itp.ac.cn/~hao/. 科学、宗教与艺术. 同源而殊途：同源于描述和解释自然、人类以及人和自然的关系。 数学是自然科学的“画笔”：定量而不仅是定性地掌握自然规律。 科学结论具有可以定量检验的预测能力。 “数学”和“定量”包括解析、数值、图形和其它主要由现代计算机提供的模拟手段。 物理学已经成为鼎立于实验、理论和计算三大支柱上的成熟的学科。生物是物，生物学也会受到物理学的启发。. 生物是 物 生物有 理.

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数理科学与生命科学

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  1. 数理科学与生命科学 郝柏林 复旦大学理论生命科学研究中心 中国科学院理论物理研究所 http://www.itp.ac.cn/~hao/

  2. 科学、宗教与艺术 • 同源而殊途：同源于描述和解释自然、人类以及人和自然的关系。 • 数学是自然科学的“画笔”：定量而不仅是定性地掌握自然规律。 • 科学结论具有可以定量检验的预测能力。 • “数学”和“定量”包括解析、数值、图形和其它主要由现代计算机提供的模拟手段。 • 物理学已经成为鼎立于实验、理论和计算三大支柱上的成熟的学科。生物是物，生物学也会受到物理学的启发。

  3. 生物是物 生物有理

  4. 天地有大美而不言,万物有成理而不说。夫圣人者原天地之美，而达万物之理。天地有大美而不言,万物有成理而不说。夫圣人者原天地之美，而达万物之理。 庄子，《知北游》

  5. 物含妙理总堪寻 (北京颐和园铜亭出口处对联下联)

  6. 海潜空飞齐物理以归一天造地设合人力而成三 (厦门集美鳌园陈嘉庚墓碑背面对联)

  7. 细推物理须行乐何用浮名绊此身杜甫 耳目之察，不足以分物理。 《淮南子。览冥训》 需要仪器观测和理论思维

  8. 物理学与生物学的相互促进由来已久 电学和电生理学同时诞生 C. A. de Coulomb, 1785 L. Galvani, 1791

  9. 生物学为物理学启示过能量守恒 • 医生R. J. Mayer (1842)：受动、静脉血色差别启发，第一个给出热功当量。 • 物理学家J. P. Joule (1843)：热功当量。 • 现役军医H. von Helmholtz (1847)：把能量守恒从机械运动推广到热、电、磁乃至生命现象。（24年后任物理教授） （感谢刘寄星博士核实姓名年代）

  10. 物理学为生物学提供过大量工具 • 光学显微镜(~1590)： 细胞(1665) 细菌(Antonie van Leeuwenhoek,1683) (Muller确认细菌为一类生物, 1773) • X射线衍射晶体结构分析 DNA双螺旋结构（JD Watson,FHC Crick,1953） 肌红蛋白、血红蛋白晶体结构（1957,1959） • 电子显微镜、扫描电镜、隧道扫描电镜

  11. 物理学为生物学提供过大量工具 • 各种光谱方法、荧光标记 • 中子衍射 • 示踪原子、放射性标记 • 核磁共振波谱 • 质谱仪 • “化学”仪器：超速离心机、液相色谱分析、圆偏振二向色性分析、凝胶电泳

  12. 物理学为生物学提供了新思想 • 负熵 • 非周期晶体 • 对热涨落的担心 • 三联码（George Gamow, 1954） • 生物中的“标度”和“分形”

  13. Erwin Schrodinger, What is Life?The Physical Aspect of theLivingCell, 1944, … Michael P. Murphy and Luke A. J. O’Neill, eds. What is Life? TheNext Fifty Years, Cambridge University Press, 1995, 1997.

  14. 数学是关于形和数的科学 分析 代数 几何 统计、概率和随机过程 离散数学：组合学、图论、语言学

  15. 生物有形生物有数 生物有形，人所共识。地球上自然之美，多数来自生物本身和它们的营造。生物有数，则经历了漫长的认识过程。

  16. 生物有形 • HIV 病毒 • 粘菌(Slime mold)：自组织现象的实例

  17. “数学的应用:…生物学中的数学=0.” （恩格斯：1885） 于光远等译,《自然辩证法》, 人民出版社, 1984, 172页

  18. 生物有数

  19. 生物多样性（宏观数据） • 现存物种知多少？ 从2 百万到10亿的种种估计 • 2004年6月初旬GenBank核酸数据库中有 171 535 种生物至少有1条数据 • 其中只有约半数有某些分类学信息 • 目前地球上存活着约 5000 种哺乳动物,约9000种鸟类 • 细菌是地球上最成功的物种,然而我们不知道它们的数目有多少

  20. 生物数据的产量 • 中国科学院基因组学研究所（“华大基因”）每天的测序能力：5000万碱基对（5*107） • 一个人的基因组：3.2*109 碱基对 • 籼稻基因组：4.3*108碱基对 • 全世界每年生物数据产出量：1015字节 • 英国Sanger中心今后5年每年新增硬盘：80-100TB，即(0.8~1)*1014字节

  21. GenBank 143版(2004年8月15日) • 序列数: 37 343 937 (3734万) • 核苷酸(字母)数: 41 808 045 653 (418亿) • 序列平均长度: 1119

  22. SWISS-PROT Rel.43 (2004) • 160 000 以上 • 最短：3 AA=3肽 • 最长：6669 AA AA：Amino Acids(氨基酸)

  23. 计算机：用火以来的最伟大发明 • ENIAC（1944）：每秒330次乘法运算 • EDVAC (1952): 第一台von Neumann计算机 • 神威计算机：每秒3840亿次浮点运算 • 曙光3000计算机：每秒4000亿次浮点运算 • 每秒1万亿次=1012次/秒=1 Tflops • “Earth Simulator”: 40 Tflops • 60年间1011倍速度增长

  24. 数学、物理和计算机科学大有可为 生物学引论

  25. 地球上的自然史 • ~13 Bys: 大爆炸 • ~4.9 Bys: 太阳系和地球诞生 • ~3.8 Bys: 地球上出现原始生命 • ~2.7 Bys: 细菌、光和作用 • ~1.7 Bys: 多细胞生物 • ~550 Mys: 寒武纪(Cambrian)物种大爆发 • ~425 Mys: 志留纪(Silurian)物种爆发 • ~65 Mys: 恐龙灭绝 • ~3.5 Mys: 化石古猿科与人科分离 • ~0.7 Mys: 人类与黑猩猩分离 • ~0.5 Mys: 北京人 (Homo erectus) • ~0.4 Mys: 智人(Homo sapiens) • ~100-20 Kys: 山顶洞人 • 221 BC, 2224年前：秦始皇统一中国

  26. 模式生物 • 噬菌体(Bacteriophage: lambda, T4, T7) • 病毒(Viruses: SV40, HIV) • 大肠杆菌(Escherichia coli) • 酵母(Saccharomyces cerevisiae , yeast budding) • 线虫(Caenorhabitidis elegans, nematode, worm) • 果蝇(Drosophila melanogaster, fruitfly) • 拟南芥(Arabidopsis thaliana) • 水稻(Oryza sativa, rice) • 非洲爪蟾(Xenopus laviae, African frog) • 斑马鱼(Danio rerio, Zebra fish) • 小鼠(Mus musculus, mouse) • 智人(Homo sapiens)

  27. 遗传物质 • 核酸(DNA)：线性和环状 • 质粒(Plasmids)：线性和环状 • 染色体：DNA + 组蛋白 • 线粒体：有自己的DNA • 叶绿体：也有自己的DNA

  28. 生命现象的众多层次 • 系统生物学、生物复杂性、生态系统 • 生物多样性、种群动力学 • 动物行为科学 • 个体、器官、组织 • 细胞及其通信、信号传导 • 免疫网络、调控网络、代谢网络 • 复制、转录、剪接、翻译、运输 • 生物大分子: 蛋白质与核酸（DNA、RNA） • 小分子(糖、脂肪、核苷酸、氨基酸)、金属离子、水 • 分子和原子的相互作用

  29. 转向研究“活物”的过程 • 1985：中国科学院生物学部关于“生物学发展战略”常委扩大会议 • 1991-1994：组内学习和所内邀请报告 • 1993：物理学会委托清华大学召开“物理学与生物学”讨论会 • 1994：理论物理研究所Internet开通、开始关心生物数据库情况 • 1995：香山会议“理论物理和生命科学”

  30. 1997：从何开始？ • 1977：发明两种DNA快速测序方法 • 1977—1995：病毒和噬菌体完全基因组 • 1995：两种“独立生活”细菌的完全基因组，生殖道支原体和流感嗜血菌 • 1996：7种细菌和酵母的完全基因组 • 1997：大肠杆菌和其它细菌 从细菌完全基因组开始！

  31. 感谢合作者 • 张淑誉、郑伟谋、谢惠民、李弘谦 • 陈国义、喩祖国、王彬 • 戚继、高雷、史晓黎、王希胤、卫海滨 感谢生物学界的老师和朋友们

  32. 来自我们工作的几个具体例子 • 完全基因组中的缺失和稀少字串：二维和一维直方图中的“精细结构”,相关的统计、组合和语言问题，缺失和稀少短串的物种特异性，环境菌落中物种识别 • 细菌亲缘关系和原核生物的分类问题：组分矢量方法，蛋白质序列的分解和重构与图论中尤拉闭合圈的数目问题，带限制条件的随机化 • 籼稻基因组框架图：水稻基因组中的tRNA基因、BGF—从基因组序列中寻找基因的程序，禾本科、稻属和各种水稻基因组的比较

  33. 细菌完全基因组中的缺失和稀少短核苷酸串 以大肠杆菌为例： 一个DNA环：4 639 221 个a,c,g,t字母 长度为8的短串共有种65536种 同长随机序列中平均每种串出现71次 实际情形如何？

  34. SeeDNA程序演示 C语言 + Xlib + Xtoolkit C语言 + GTK （UNIX或LINUX平台） 由GenBank取得基因组数据 与基因组序列随机化结果对比 背后的组合学和语言学问题

  35. 细菌分类 • 难处：形态性状少 形状：杆、球（单、双、链、葡萄）、 分枝、弯曲 着色：革兰氏阳性和阴性 生化：厌氧、固氮、脱硫 • 进展：16S rRNA序列、三界论(Carl Woese) • 困惑：完全基因组带来问题 基因横向传递？ 基因树不等于物种树

  36. 基于组分矢量的构树方法 • 基于K-肽计数的代表矢量 • 20K维空间中的距离 • 用K-2阶马可夫链扣除随机背景

  37. 水稻叶绿体基因组 可能曾经是一种光合细菌 • 全部由a、c、g、t四种核苷酸组成的序列 • 粳稻（日本1989）：134525个字母籼稻（中国2001）：134559个字母

  38. 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