活動報導 | 通識核心課程 於 2015-01-07 發表

與分子生物學一起發展的另一個資訊學- 電腦發展史與遺傳密碼解碼

活動報導

本課程融匯現代生物學革命在歷史上與其他學科,(特別是物理與電腦資訊學)、藝術(音樂、美術等)、與哲學的相伴發展。讓學生體會社會各方面的文明進步一體,息息相關的。黃教授是是生物資訊學方面的專家,融會電腦、物理、與生物學專場,最適合進行此演講教學。

 

黃老師這次的演講主要帶領學生們認識電腦領域的發展史與生物學的結合,與本課程分子生物發展史探討的內容相輔相成。黃老師是一個物理學家,從事生物資訊學的研究,目前是陽明生物醫學資訊所所長。在這場演講中,黃老師深入淺出的介紹電腦的發展及演進的歷史與電腦發展在分子生物學領域造成的影響與應用。

電腦已是日常生活中不可缺少的一環。長久以來,人們就常使用工具來幫助計算,例如算盤(加減法)或是計算尺(乘除法)。特別在航海上,在沒有衛星導航的時代,古代的航海員只能靠計算與星體的運行來推估身處的位置。但是使用工具計算仍很難避免人為疏失,因此人們就很希望能製造一台用來計算的機器,黃老師將計算機比喻為像工廠內的機器,將原料(物質)放入機器最後做出產品(物質)。而計算機則是將數字加上程式(資訊)放入機器,最後產出數字(資訊),差別在於由實際的物質變成資訊。Charles Babbage即是設計出第一台機械式計算機(差分機)的人,並且在10年後,提出利用”程式”來控制計算機的概念(分析機)。後來Ada Lovelace提出subroutine→loop→conditional jump替分析機設計了程式。還有Joseph Marie Jacquard Hollerith利用打洞卡來處理及儲存資料,此方法也被美國用來進行人口普查,可惜速度很慢。Konrad Zuse是發明第一個二進位電腦(繼電器)的人,也開發出高階的程式語言。而1944年因為戰爭需要美國海軍跟哈佛合作做出Mark I 電腦,每秒可做出3次加法,每6秒做1次乘法,速度雖慢但是對於彈道的計算還是很有幫助。1946年美國陸軍的ENIAC電腦由18000支真空管組成(開始用電子傳遞,非機械式)。美軍電腦的缺點是只能單一種計算,如果要做新的計算,線路必須重新設計,因此Boole發展了Boolean代數,將邏輯運算的概念帶進了電腦。瑪紐曼則將程式”編碼”,儲存在記憶體內,要做不同種運算不用再改變電路開關,最後電晶體的發明出現了電晶體製作的電腦。

    回到分子生物學剛發展的年代,大家還搞不清楚關於遺傳的”資訊”是儲存在DNA還是蛋白質。研究很自然的就分成兩種學派:靠計算及分析為主的理論學派,以及靠實驗證明的實作學派。結果兩學派相輔相成的使分子生物學能快速發展,由理論學派的提出可能的想法,再透過實作學派設計實驗來驗證對錯,而電腦的發明也讓理論學派的計算及分析能夠加速進行。生物學在1960年代開始借重電腦資訊運算的幫助,嘗試利用電腦模擬來為DNA解碼,Gamov 提出鑽石密碼假說與Metrololis 合作運用 MANIAC 電腦做「蒙地卡羅模擬」,依照鑽石密碼假說利用電腦模擬出符合假說的「人工胺基酸序列」,與真實存在的胺基酸序列比較,可惜比較後發現鑽石密碼假說與實際的DNA密碼並不相符。這是一次開創性的突破,早期生物學家大多是利用實驗數據建造假說,但資訊學家先建立符合邏輯的理論,利用電腦模型模擬理論後,在利用電腦分析大量資訊後比較模型是否符合實際的實驗結果。

     一直到了近代生物學,仍須面對大量的資訊(基因.親緣關係等)問題,因此也衍生出了生物資訊學。在生物學知識越來越複雜和龐大的情況下,生物資訊是未來生物領域的學生不可或缺的技能,往後的研究不再只討論一兩個蛋白質,而是一群蛋白質或整個基因體如何影響生物的現象,因此需要足夠強大的電腦模型來幫助生物學家,但常常資訊學家和生物學家無法有效率的溝通,電腦模型運算後的數值與實際的生物意義之間常常無法吻合。黃老師最後提到人工神經網路,利用電腦模擬人類大腦神經運作,可能是未來研究人類大腦神經的方法。

   在人類基因體計劃完成後,累積的龐大訊息已不是傳統生物學學家可以處理的,生物資訊學是未來年輕一代的生物學家必備的基本能力,透過黃老師的介紹,讓台下的同學對未來生物學發展得趨勢更加了解,黃老師更鼓勵同學往跨領域方向學習以提升未來就業的競爭力。

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