郝柏林院士的生物信息學(xué)講座5

11三月2024郝柏林院士的生物信息學(xué)講座5科學(xué)、宗教與藝術(shù)同源而殊途：同源于描述和解釋自然、人類以及人和自然的關(guān)系。數(shù)學(xué)是自然科學(xué)的“畫筆”：定量而不僅是定性地掌握自然規(guī)律?？茖W(xué)結(jié)論具有可以定量檢驗(yàn)的預(yù)測(cè)能力?！皵?shù)學(xué)”和“定量”包括解析、數(shù)值、圖形和其它主要由現(xiàn)代計(jì)算機(jī)提供的模擬手段。物理學(xué)已經(jīng)成為鼎立于實(shí)驗(yàn)、理論和計(jì)算三大支柱上的成熟的學(xué)科。生物是物，生物學(xué)也會(huì)受到物理學(xué)的啟發(fā)。生物是物生物有理天地有大美而不言,萬物有成理而不說。夫圣人者原天地之美，而達(dá)萬物之理。莊子，《知北游》物含妙理總堪尋(北京頤和園銅亭出口處對(duì)聯(lián)下聯(lián))細(xì)推物理須行樂

何用浮名絆此身

杜甫耳目之察，不足以分物理?！痘茨献印Ｓ[冥訓(xùn)》需要儀器觀測(cè)和理論思維

物理學(xué)與生物學(xué)的相互促進(jìn)由來已久電學(xué)和電生理學(xué)同時(shí)誕生C.A.deCoulomb,1785L.Galvani,1791生物學(xué)為物理學(xué)啟示過能量守恒醫(yī)生R.J.Mayer(1842)：受動(dòng)、靜脈血色差別啟發(fā)，第一個(gè)給出熱功當(dāng)量。物理學(xué)家J.P.Joule(1843)：熱功當(dāng)量?，F(xiàn)役軍醫(yī)H.vonHelmholtz(1847)：把能量守恒從機(jī)械運(yùn)動(dòng)推廣到熱、電、磁乃至生命現(xiàn)象。（24年后任物理教授）

（感謝劉寄星博士核實(shí)姓名年代）物理學(xué)為生物學(xué)提供過大量工具光學(xué)顯微鏡(~1590)：細(xì)胞(1665)細(xì)菌(AntonievanLeeuwenhoek,1683)(Muller確認(rèn)細(xì)菌為一類生物,1773)X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（JDWatson,FHCCrick,1953）肌紅蛋白、血紅蛋白晶體結(jié)構(gòu)（1957,1959）電子顯微鏡、掃描電鏡、隧道掃描電鏡物理學(xué)為生物學(xué)提供過大量工具各種光譜方法、熒光標(biāo)記中子衍射示蹤原子、放射性標(biāo)記核磁共振波譜質(zhì)譜儀“化學(xué)”儀器：超速離心機(jī)、液相色譜分析、圓偏振二向色性分析、凝膠電泳物理學(xué)為生物學(xué)提供了新思想負(fù)熵非周期晶體對(duì)熱漲落的擔(dān)心三聯(lián)碼（GeorgeGamow,1954）生物中的“標(biāo)度”和“分形”ErwinSchrodinger,WhatisLife?

ThePhysicalAspectofthe

Living

Cell,1944,…MichaelP.MurphyandLukeA.J.O’Neill,eds.WhatisLife?The

NextFiftyYears,CambridgeUniversityPress,1995,1997.數(shù)學(xué)是關(guān)于形和數(shù)的科學(xué)分析代數(shù)幾何統(tǒng)計(jì)、概率和隨機(jī)過程離散數(shù)學(xué)：組合學(xué)、圖論、語言學(xué)生物有形

生物有數(shù)生物有形，人所共識(shí)。地球上自然之美，多數(shù)來自生物本身和它們的營(yíng)造。生物有數(shù)，則經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的認(rèn)識(shí)過程。生物有形HIV病毒粘菌(Slimemold)：自組織現(xiàn)象的實(shí)例“數(shù)學(xué)的應(yīng)用:…

生物學(xué)中的數(shù)學(xué)=0.”（恩格斯：1885）于光遠(yuǎn)等譯,《自然辯證法》,人民出版社,1984,172頁生物有數(shù)生物多樣性（宏觀數(shù)據(jù)）現(xiàn)存物種知多少？從2百萬到10億的種種估計(jì)2003年11月初GenBank核酸數(shù)據(jù)庫中有154089種生物至少有1條數(shù)據(jù)其中只有約半數(shù)有某些分類學(xué)信息目前地球上存活著約5000種哺乳動(dòng)物,約9000種鳥類細(xì)菌是地球上最成功的物種,然而我們不知道它們的數(shù)目有多少生物數(shù)據(jù)的產(chǎn)量

中國(guó)科學(xué)院基因組學(xué)研究所（“華大基因”）每天的測(cè)序能力：5000萬堿基對(duì)（5*107）一個(gè)人的基因組：3.2*109堿基對(duì)秈稻基因組：4.3*108堿基對(duì)全世界每年生物數(shù)據(jù)產(chǎn)出量：1015字節(jié)英國(guó)Sanger中心今后5年每年新增硬盤：80-100TB，即(0.8~1)*1014字節(jié)GenBank138版(2003年10月15日)序列數(shù):29819397(2981萬)核苷酸(字母)數(shù):35599621471(355億)序列平均長(zhǎng)度:1193計(jì)算機(jī)：用火以來的最偉大發(fā)明ENIAC（1944）：每秒330次乘法運(yùn)算神威計(jì)算機(jī)：每秒3840億次浮點(diǎn)運(yùn)算曙光3000計(jì)算機(jī)：每秒4000億次浮點(diǎn)運(yùn)算每秒1萬億次=1012次/秒數(shù)學(xué)、物理和計(jì)算機(jī)科學(xué)大有可為生物學(xué)引論地球上的自然史~13Bys:大爆炸~4.9Bys:太陽系和地球誕生~3.8Bys:地球上出現(xiàn)原始生命~2.7Bys:細(xì)菌、光和作用~1.7Bys:多細(xì)胞生物~550Mys:寒武紀(jì)(Cambrian)物種大爆發(fā)~425Mys:志留紀(jì)(Silurian)物種爆發(fā)~65Mys:恐龍滅絕~3.5Mys:化石古猿科與人科分離~0.7Mys:人類與黑猩猩分離~0.5Mys:北京人(Homoerectus)~0.4Mys:智人(Homosapiens)~100-20Kys:山頂洞人221BC,2224年前：秦始皇統(tǒng)一中國(guó)模式生物噬菌體(Bacteriophage:lambda,T4,T7)病毒(Viruses:SV40,HIV)大腸桿菌(Escherichiacoli)酵母(Saccharomycescerevisiae,yeastbudding)線蟲(Caenorhabitidiselegans,nematode,worm)果蠅(Drosophilamelanogaster,fruitfly)擬南芥(Arabidopsisthaliana)水稻(Oryzasativa,rice)非洲爪蟾(Xenopuslaviae,Africanfrog)斑馬魚(Daniorerio,Zebrafish)小鼠(Musmusculus,mouse)智人(Homosapiens)遺傳物質(zhì)核酸(DNA)：線性和環(huán)狀質(zhì)粒(Plasmids)：線性和環(huán)狀染色體：DNA+組蛋白線粒體：有自己的DNA葉綠體：也有自己的DNA生命現(xiàn)象的眾多層次系統(tǒng)生物學(xué)、生物復(fù)雜性、生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性、種群動(dòng)力學(xué)動(dòng)物行為科學(xué)個(gè)體、器官、組織細(xì)胞及其通信、信號(hào)傳導(dǎo)免疫網(wǎng)絡(luò)、調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、代謝網(wǎng)絡(luò)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、剪接、翻譯、運(yùn)輸生物大分子:蛋白質(zhì)與核酸（DNA、RNA）小分子(糖、脂肪、核苷酸、氨基酸)、金屬離子、水分子和原子的相互作用來自我們工作的幾個(gè)具體例子完全基因組中的缺失和稀少字串：相關(guān)的組合學(xué)和語言學(xué)問題秈稻基因組框架圖：測(cè)序讀出大量短串的拼接、重復(fù)序列帶來的困難、長(zhǎng)DNA鏈中尋找基因細(xì)菌親緣關(guān)系和分類學(xué)

細(xì)菌完全基因組中的缺失和稀少短核苷酸串以大腸桿菌為例：一個(gè)DNA環(huán)：4639221個(gè)a,c,g,t字母長(zhǎng)度為8的短串共有種65536種同長(zhǎng)隨機(jī)序列中平均每種串出現(xiàn)71次實(shí)際情形如何？seeDNA程序演示C語言+Xlib+XtoolkitUNIX或LINUX平臺(tái)由GenBank取得基因組數(shù)據(jù)背后的組合學(xué)和語言學(xué)問題水稻葉綠體基因組可能曾經(jīng)是一種光合細(xì)菌全部由a、c、g、t四種核苷酸組成的序列粳稻（日本1989）：134525個(gè)字母秈稻（中國(guó)2001）：134559個(gè)字母cccaatatcttgcttcagcaagatattgggtatttctagctttcctttcttcaaaaattgctatatgttagcagaaaagccttatccattaagagatggaacttcaagagcagctaggtctagagggaagttgtgagcattacgttcgtgcattacttccataccaagattagcacggttgatgatatcagcccaagtattaataacgcgaccttggctatcaactacagattggttgaaattgaatccgtttagattgaaagccatagtactaatacctaaagcagtgaaccaaatccctactacaggccaagcagccaagaagaagtgtaaagaacgagagttgttaaaactagcatattggaagattaatcggccaaaataaccatgagcggccacaatattataagtttcttcctcttgaccaaatctgtaaccctcattagcagattcgttttcagtggtttccctgatcaaactagaggttaccaaggaaccatgcatagcactgaatagggaaccgccgaatacaccagctacacctaacatgtgaaatggatgcataaggatgttatgctctgcctggaatacaatcataaagttgaaagtaccagatattcctaaaggcataccatcagagaaacttccttgaccaatagggtaaatcaagaaaacagcagtagcagctgcaacaggagctgaatatgcaacagcaatccaaggacgcatacccagacggaaactcagttcccactcacgacccatataacaagctacaccaagtaagaagtgtagaacaattagctcataaggaccaccattgtataaccactcatcaacagatgcagcttcccaaattgggtaaaagtgcaatccgatcgccgcagaagtaggaataatggcaccagagataatattgtttccgtaaagtaaagaaccagaaacaggctcacgaataccatcaatatctactggaggggcagcgatgaaggcgataataaatacagaagttgcggtcaataaggtagggatcatcaaaacaccgaaccatccgatgtaaagacggttttcggtgctagttatccagttgcagaagcgaccccacaggcttgtactttcgcgtctctctaaaattgcagtcatggtaagatcttggtttattcaaattgcaaggactcccaagcacacgtattaactagaaagataatagaaggcttgttatttaacagtataatatagactatataccaatgtcaaccaagccagccccgacagttgtatatccatacaacaaaatttaccaaaccaaaaaattttgtaaatgaagtgagtgaaaaatcaaaactcagattgctcctttctagtttccatatgggttgcccgggactcgaacccggaactagtcggatggagtagataattattccttgttacaatagagaaaaaacctctccccaaatcgtgcttgcatttttcattgcacacgactttccctatgtagaaataggctatttctattccgaagaggaagtctactaatttttttagtagtaagttgattcacttactatttattatagtacagagaacatttcagaatggaaactgtgaaagttttaccttgatcatttatcaatcatttctagtttattagttttgtttaatgattaattaagaggattcaccagatcattgatacggagaatatccaaataccaaatacgctcactgtgcgatccacggaaagaaaagtaagttgttttggcgaacatcaaagaaaaaacttgctcttcttccgtaaaaaattcttctaaaaataccgaacccaaccattgcataaaagctcgtaccgtgcttttatgtttacgagctaaagttctagcgcatgaaagtcgaagtatatactttagtcgatacaaagtcttcttttttgaagatccactgtgataatgaaaaagatttctacatatccgaccaaaccgatcaagaatatcccaatccgataaatcggtccaaattggtttactaataggatgccccgatccagtacaaaattgggcttttgctaaagatccaatgagaggagtaacagggactttggtatcgaattttttcatttgagtatctattagaaatgaattctccagcatttgattccttactaacaaagaatttattggtacacttgaaaagtaccccagaaaatcgaagcaagagttttctaattggtttagatggatcctttgcggttgagtccaaaaagagaaagaatattgccacaaacggacaaggtaacatttccatttcttcttcaaaagaagagttccttttgatgcaagaattgcctttccttgatatcgaacataatgcataaggggatccataacgaaccatatggttttccgaaaaaaagcagggtacattaacccaaaatgttccatcttcctagaaaagatgattcgttccagaaaggttccggaagaagttaatcgcaagcaagaagattgtttacgaagaaacaacaagaaaaattcatattctgatacataagagttatataggaaccgaaatagtcttttattttcttttttcaaaataaaaatggatttcattgaagtaataaaactattccaattcgagtagtagttgagaaagaatcgcaataaatgcaaggatggaacatcttggatccggtattgaaggagttgaagcaagatatccaaatggataggatagggtatttctatatgtgctagataatgtaagtgcaaaaatttgtcttctaaaaaaggaaatattgaatgaatagatcgtaaattctgaaactttggtatttctttttcttccggacaagactgttctcgtagcgagaatgggatttctacaacgatcgcaaacccctcagatagaatctgagaataaaactcagaataaaaaaaattgttgtaatccaataatcgatcttggttaggatgattaaccaaattaatccaaaaattctgctgatacattcgaatcattaaccgtttcacaagtagtgaactaaatttcttgttattagaaccaataatttcgacaagttcggaaccatttaatccataatcatgggcaaacacataaatgtactcctgaaagagtagtgggtagacgaaatattgtctaggaaatttaagtttttctgaataaccctcgaatttttccatttgtatttctacttgaatcagagagagagaaatatttctcggtttatcaaatggtgatacatagtacaatatggtcagaacagggtgttgcattttttaatacaaacccctggggaagaaaaggagtctaatccacggatctttttccgctccttttctatccaatttgtttatgtttgttctaattacaaaagagaacaaatcctttatttttgcaggccaattgctcttttgactttgggatacagtctctttatcaatatactgcttcttttacacattcaatccataacatccttttcaatccaaaatcaagaataattaggatttctaaaaaaaaaagaaaaaatcaaaggtctactcataggaaaaccagcttttccctacatcaggcactaatctatttttaacgtctaattagatcagggagttcttccaattaagaagttaagctcgttgctttttgttttaccagaattggagccaggctctatccatttattcattagacccagaaaatcagaatttttttattccattccaaaaatccaaaataagaaattgattttattacgacatgctattttttccattcattacccttgaggatcagtcgcggtcttatagactctaccaagagtctggacgaattttttgcttcatccaaatgtgtaaaagatcatagtcgcacttaaaagccgagtactctaccattgagttagcaacccagataaactaggatcttagatacgatcgaaatccaaaaatcaatggaattacaccgcacacccctgtcaaaatcttaaaatagcaagacattaaaagaaagattttatcaccattgaaaacactcagataccaaaaggaacgggtctggttaaatttcactaaggttaaaagtggcaccaatcacgatcgtaaaattgtcatttttttagcatttttatttaaataaataaataaatcttgtatgagagtacaaacaagagggacaaccctaccatttgagcaaagtgtaggcaaaaaacctaatagggagtgaggataaagagacttatccatctacaaattctagatgttcaatggacctttgtcaatggaaatacaatggtaagaaaaaaattagatagaaaaactcaaaaaaataaaggcttatgttggattggcacgacataaatccagtcaaaaataggattaagaaagaggcaaattatttctaaatagttagacaacaagggatactagtgagcctctcctagttttttattcatttagttcttcaattaactcaaagttctttctttttctttaaagaattccgccttccttaaaatatcagaaacggttcttgtaggttgagcacctttttcaaggaaatagagaatagctggaacatttaaacaagtttgattctttatcggatcataaaaacctacttttcgaagatctcttccttctcttcgagat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尋找基因生物知識(shí)體現(xiàn)為基因模型