數(shù)學(xué)以及數(shù)學(xué)與科學(xué)技術(shù)交叉的前沿領(lǐng)域

生物信息學(xué)研究(yánjiū)中心CenterofBioinformatics(COBI)主任章祥蓀副主任方偉武朱力行(lìxíng)周勇石堅(jiān)學(xué)術(shù)委員會(huì)主任 王志新學(xué)科介紹隨著人類基因組方案〔HGP〕等大型國(guó)際工程的實(shí)施與迅速開展,分子生物信息的研究已經(jīng)成為了當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。一門新興的邊緣學(xué)科——生物信息學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。它是以核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子數(shù)據(jù)為主要對(duì)象，以數(shù)學(xué)、生物學(xué)、信息科學(xué)為主要手段，以計(jì)算機(jī)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)為主要工具，從浩如煙海的原始數(shù)據(jù)中獲取基因編碼、基因調(diào)控、核酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能等知識(shí)，從而探索生命起源、生物進(jìn)化，以及細(xì)胞、器官和個(gè)體的發(fā)生、發(fā)育、衰亡等生命科學(xué)中的重大問(wèn)題。它對(duì)進(jìn)入后基因組時(shí)代的21世紀(jì)生命科學(xué)，具有不可估量(bùkěɡūliànɡ)的推動(dòng)作用。第一頁(yè)，共17頁(yè)。1陳潤(rùn)生 研究員 中科院生物物理所方偉武 研究員 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院李國(guó)英 研究員 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院歐陽(yáng)鐘燦 院士 中科院理論物理所錢敏平 教授 北京大學(xué)沈世縊 教授 南開大學(xué)唐煥文 教授 大連理工大學(xué)薛勇彪 研究員 中科院遺傳發(fā)育(fāyù)所王志新 院士 中科院生物物理所章祥蓀 研究員 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院朱力行 研究員 數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院學(xué)術(shù)(xuéshù)委員會(huì)委員第二頁(yè)，共17頁(yè)。2新興(xīnxīng)的邊緣學(xué)科——生物信息學(xué) 以核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子數(shù)據(jù)為主要對(duì)象，以數(shù)學(xué)、生物學(xué)、信息科學(xué)為主要手段，以計(jì)算機(jī)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)為主要工具，從浩如煙海的原始數(shù)據(jù)中獲取基因(jīyīn)編碼、基因(jīyīn)調(diào)控、核酸和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能等知識(shí)，從而探索生命起源、生物進(jìn)化，以及細(xì)胞、器官和個(gè)體的發(fā)生、發(fā)育、衰亡等生命科學(xué)中的重大問(wèn)題。第三頁(yè)，共17頁(yè)。3生物(shēngwù)信息學(xué)與數(shù)學(xué) 生命科學(xué)因研究對(duì)象的極端重要性和復(fù)雜性，人類生存開展的需求的緊迫性，完全有可能在不久的將來(lái)出現(xiàn)革命性的變化，以致可能開展成為(chéngwéi)科學(xué)革命的中心。在這種進(jìn)程中，它對(duì)數(shù)學(xué)提出了新的挑戰(zhàn)，也給數(shù)學(xué)帶來(lái)了新的開展機(jī)遇。國(guó)內(nèi)外許多物理、數(shù)學(xué)家紛紛介入這個(gè)領(lǐng)域，恰如其分的說(shuō)明了這一點(diǎn)。第四頁(yè)，共17頁(yè)。4生物信息學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)的挑戰(zhàn)——海量(hǎiliàng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量極大 特小102 小104 中等106 大108 特大1010 巨大1012 海量1015 早期 基因數(shù)101 數(shù)據(jù)量103 現(xiàn)在 基因數(shù)103－104 到2000年堿基總量1010 數(shù)據(jù)量每年(měinián)翻番第五頁(yè)，共17頁(yè)。5極端復(fù)雜生物數(shù)據(jù)的復(fù)雜性表現(xiàn)在：維數(shù)高，高達(dá)數(shù)千、上萬(wàn)維；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有高度的非線性性和非一致性；噪聲強(qiáng)而信號(hào)(xìnhào)弱；“污染〞嚴(yán)重；在時(shí)間和空間上變化范圍極大。分析處理這樣的數(shù)據(jù)，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)工具遠(yuǎn)不能勝任，需要探索新的思路和概念，開展新的方法、理論和算法。生物(shēngwù)信息學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)的挑戰(zhàn)——復(fù)雜性第六頁(yè)，共17頁(yè)。6挑戰(zhàn)(tiǎozhàn)之一：數(shù)學(xué)建模分析數(shù)據(jù)的第一步是描述數(shù)據(jù)，即建立數(shù)學(xué)模型(móxíng)。例如，為了得到人類的疾病基因圖譜，局限在最多百余人的同一家系中，無(wú)法觀測(cè)到重組率不到1％的等位基因?qū)Γ柙谡麄€(gè)群體中進(jìn)行研究。這就需要有合理的群體進(jìn)化模型(móxíng)，才能把不同家系的整個(gè)群體的數(shù)據(jù)聯(lián)系起來(lái)分析。類似的問(wèn)題，在大分子序列分析、生物演化和變異等生物數(shù)據(jù)的分析研究中普遍存在。第七頁(yè)，共17頁(yè)。7挑戰(zhàn)(tiǎozhàn)之二：分析方法絕大多數(shù)傳統(tǒng)(chuántǒng)的數(shù)據(jù)分析方法僅能處理幾個(gè)到幾十個(gè)變量和10到104的數(shù)據(jù)量，而且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單。而生物數(shù)據(jù)那么往往包括成千上萬(wàn)個(gè)變量和1010～1015的數(shù)據(jù)量，而且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。這就需要改進(jìn)那些有用的原有方法，特別需要探索新的思路和新的分析方法。第八頁(yè)，共17頁(yè)。8挑戰(zhàn)之三：評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和理論(lǐlùn)支持如何評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析方法的可靠性和可信性，對(duì)于龐大而復(fù)雜的生物數(shù)據(jù)而言，許多原有的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不再適用，甚至沒(méi)有(méiyǒu)意義。因此，需要有針對(duì)性地提出新概念和新標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量現(xiàn)有的和將要出現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析方法。實(shí)際上現(xiàn)有的許多方法都缺乏可靠性、可信性等方面的理論支持，其中缺少合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是原因之一。另一個(gè)原因是數(shù)學(xué)上非常困難。第九頁(yè)，共17頁(yè)。9挑戰(zhàn)(tiǎozhàn)之四：計(jì)算方法首先數(shù)據(jù)的龐大和復(fù)雜直接帶來(lái)了計(jì)算上的困難。更重要的是，就現(xiàn)有分析方法而言，已經(jīng)有許多NP問(wèn)題，需要研究(yánjiū)高效快速的計(jì)算方法?？梢韵胂螅鎸?duì)越來(lái)越龐大、越復(fù)雜的數(shù)據(jù)，計(jì)算方法所面臨的挑戰(zhàn)將會(huì)更嚴(yán)峻。第十頁(yè)，共17頁(yè)。10交叉(jiāochā)目標(biāo)促進(jìn)我們進(jìn)一步綜合利用各種數(shù)學(xué)方法探討生物信息學(xué)中的關(guān)鍵及根底性問(wèn)題。爭(zhēng)取在某些數(shù)學(xué)分支上有所創(chuàng)新(chuàngxīn)和開展。第十一頁(yè)，共17頁(yè)。11我們(wǒmen)的典范R.A.Fisher(1890-1962)英國(guó)人遺傳學(xué)家，統(tǒng)計(jì)學(xué)奠基人為生物學(xué)、遺傳學(xué)而研究統(tǒng)計(jì)學(xué)1919-1933羅瑟姆特農(nóng)業(yè)室驗(yàn)站最輝煌的時(shí)期奉獻(xiàn)普及統(tǒng)計(jì)學(xué)各領(lǐng)域5卷文集，294篇論文一半稍多是遺傳學(xué)，近一半是統(tǒng)計(jì)學(xué)用統(tǒng)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)生物學(xué)、遺傳學(xué)規(guī)律在研究生物、遺傳問(wèn)題(wèntí)中開展統(tǒng)計(jì)方法第十二頁(yè)，共17頁(yè)。12主要研究(yánjiū)方向生物(shēngwù)大分子折疊、相互作用和自組織機(jī)理的研究藥物設(shè)計(jì)中的數(shù)學(xué)、物理學(xué)問(wèn)題復(fù)雜疾病的基因機(jī)理分析生物(shēngwù)演化及群體遺傳研究應(yīng)用于生物(shēngwù)信息學(xué)的數(shù)學(xué)方法研究第十三頁(yè)，共17頁(yè)。13初步(chūbù)成果信息(xìnxī)論與生物信息(xìnxī)學(xué)基因信息(xìnxī)生物統(tǒng)計(jì)生物與醫(yī)藥系統(tǒng)分析第十四頁(yè)，共17頁(yè)。14交流(jiāoliú)合作中國(guó)科學(xué)院數(shù)學(xué)與系統(tǒng)科學(xué)研究院與華大基因研究中心共同進(jìn)一步探索(tànsuǒ)合作工程，組成