生命科学前沿问题的探讨

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1、生命科学前沿问题的探讨摘要：生命科学前沿主要是对最新的科研技术的综合探讨。随着人类基因组计划的完成和生物信息学蓬勃发展，当今医学和生命科学发生了新的革命性变化。最新科研技术与临床的结合成为现今的必要，科研是人类认识世界的一种理性方法，人理解万物最终是为了能够满足更好的生活需要，如果科研仅仅停留在理论阶段无法实验，或者最终无法用于临床治疗，那么科学研究就丧失了它的本质。其二，大多数医学科研的初衷都是为了探讨致病机理、药物作用以及疾病疗等层次，如果最终无法与临床结合，那就脱离了最初的治病这个宗旨，也就丧失了研究的意义。近年

2、来生命工程的研究热点已转向基因水平、分子水平，在微观层面上的细微改变最终引起的是量变。因此研究这些微观反映的机制及其宏观的表达就成为了科学高峰。在研究方法上有通过基因层面如基因扩增、基因沉默的探讨，也有通过对中医药提取物进行纯化分析发现的奇特疗效等等。在研究内容上，有部分研究仍然停留在动物模型阶段，也有一部分已在临床开始投入实验并取得了一定成效。1、生物信息学人类基因组计划（HumanGenomeProject,HGP），是美国于1985年率先提出的，这是一项人类最伟大的生命工程[1]。它是继曼哈顿计划、阿波罗计划之后

3、的又一个伟大计划，其目标是用15年的时间对人类基因组3.0×109个核苷酸进行测序，总共发现50000个人类基因，为解释生命的奥秘、揭示遗传性疾病的发生以及发展规律奠定了基础。随着人类科学研究的不断深入，产生了大量有价值的科研结果，从而促使了生物信息学（Bioinformatics）的诞生。生物信息学是用数理和信息科学的观点、理论和方法研究生命现象的一门学科。1.1大规模核苷酸序列测定DNA由A、T、C、G四个碱基组成，这四个碱基的排列顺序千变万化，决定了生物的多样性。为了揭示生命的奥秘，科学家们首先对人类基因组进行了

4、大规模的测序[2]。测序的方法经历了以凝胶电泳为基础的自动测序技术，毛细管电泳测序技术和基于全基因组的鸟枪法测序技术等。随着投入的不断增加，研究队伍的不断扩大和大规模的自动化测序技术的采用，使得人类基因组计划提前完成。1.2基因序列的拼接随着生物信息学的发展，提供了自动高效拼接序列的算法，根据Lander-Waterman模型利用鸟枪法进行测序，随后将大量随机序列片段用计算机进行自动拼接。这种技术不仅避免了亚克隆排序所需要的大量繁琐的工作，还可以保证序列中每个碱基的准确性。1、脑学科对脑和心智的研究已成为21世纪最前沿

5、的科学研究，和信息科学进行交叉研究已成为脑科学研究的一个重要趋势。人脑是一种有1011个神经元和1015个突触联系的多层次系统。脑不仅能认识其外部世界，也能在某种程度上认识自己的内部世界，在已知的宇宙中再也没有比这更复杂的系统了，因此对脑及其功能的研究已经成了现代科学最大的挑战。没有哪一种单独的方法可以完全揭开脑功能之谜，每一种方法都只能揭示脑的某一个方面，因此多学科研究脑和心智已成为脑研究的一种重要趋势[3]。现在人们普遍认同，脑就其功能上来说，本质上是一种信息处理系统，因此以信息科学的思想、方法和技术来研究脑已成为

6、多学科脑研究的主流之一。建立数学模型和计算机仿真也成了综合多层次信息，认识其机制的最重要的工具。2.1计算神经科学20世纪30年代，英国生理学家霍奇金(AlanLloydHodgkin，1914一l998)(图2)一直对神经脉冲的产生机制感兴趣。当时流行的膜理论认为神经脉冲的产生是由于当神经受到刺激时，消除了膜对两侧离子的隔离，因此使原来内负外正的膜电位差减小了，但是它不能解释为什么神经脉冲的峰值会超射到一个很大的正值。由于霍奇金在学生时代选修了数学和物理，而他的学生和合作者赫胥黎(AndrewFieldingHuxl

7、ey)学的是数理科学，因此他们运用物理学思想把神经细胞膜等效为一个阻容的并联电路，其中的每个电阻就相当于允许某种离子通过的一个通道。这在当时还只是一种假设，从实验上真正看到这种通道差不多是半个世纪以后的事了。不过关键的一点是他们认为当有神经脉冲发生时，不仅膜不再阻挡钾离子流过膜，而且在一瞬问有大量的钠离子从外界涌入细胞内，然后又自动关闭。因此这些电阻并非固定电阻，而是可变电阻，其值和膜两侧的电位差以及时间有关。二战打断了他们的研究，直到战后才又重续旧缘。他们对钾和钠的这种可变电导用实验进行测定，然后对数据进行了曲线拟合

8、，这样他们就建立起了神经轴突细胞膜的一个方程组。在当时电子计算机还极不普遍的情况下，他们硬是手算了三个星期求出了方程的数值解(图3)]。从图中可以看出理论计算和实际测量得到的结果吻合得何等地好，这样他们就通过实验和理论计算的紧密结合解释了神经脉冲的成因和神经脉冲产生超调的原因。更令人惊叹的是根据他们模型的计算，还能预测神经脉冲有阂