论生物信息学的影响和启发

编者按：
    这次大连市派到洛杉矶参加培训的28名年轻干部，分别来自不同的工作岗位，有着不同的专业背景，其中约70%以上具有硕士以上学位，一部分人具有很强的科研能力。在美学习期间，他们除了按要求完成公共管理领域的课程学习外，部分学员还根据自己的专业特点进行了广泛涉猎，力求取得更大的收获。下面是一位具有医学专业背景的学员的研究成果。
 
    一个世纪以前，奥地利植物学家孟德尔?格雷戈尔（现被誉为“遗传学之父”）提出了生物信息学的概念，他把同一种类不同颜色的花进行杂交，试验结果阐明了遗传特征是通过某种遗传因子传代转移的。继孟德尔以后，生物信息学和遗传学理论沿袭至今。在过去的30多年时间里，遗传学和生物信息学取得了飞速的发展。现如今，随着科学技术手段的推陈出新，生物信息学的应用已经涵盖了几乎所有的生物医学发展创新的领域，并已成为21世纪各国学者研究的焦点。
    生物信息学是多学科交叉的研究领域，它融合了物理学、生命科学、电子计算机科学和工程学，旨在解决在生物学和医学领域的基础和应用问题。生物信息学和计算生物学的成果包括：1、生物学体系的组织、功能的崭新全球远景；2、新特药物研发；3、基因组/蛋白质组模型在药理遗传学和个性化医疗中的应用。生物信息学是在生物学、生物化学、生物药学、生物工程学、计算机科学和数学等学科的发展下出现的边缘性学科。它对基础科学、医学、生物工艺学和社会学产生了巨大的影响。
    当今时代，生物科学家对进行生物信息学训练的需求越来越大。这个领域的专门人才需要具备全面的分子生物学、数学和统计学知识，同时还要具备计算机科学和工程学的知识。欧洲生物信息学研究所Jong Park博士于2003 年撰文“The philosophy of Bioinformatics”（生物信息学哲学），对生物信息学的内涵和外延从哲学角度进行了充分的分析，该文对我国的医学生物学科学家和医学研究工作者会有极大的启发，对我们认识当今时代生物医学发展的最新趋势和动态有很大的帮助。以下为本文作者对该文的译文，不当之处，敬请指正和帮助。

生物信息学哲学

    20世纪90年代和21世纪早期关于生物信息学的大部分定义都有太多的科技导向成分。它被认为用于超大容量生物学实验数据分析的技术，数据库和知识体系的不连贯的集合。生物信息学在科学领域的意义和作用在广度和深度以及真实性方面并不令人满意。生物信息学教育人们以一种全新的方式处理生命学的信息，然而，它应用的范例并不新鲜。过去一百年来的许多生物学理论和现代生物信息学的惟一主要技术上的不同在于计算机的广泛应用和诸如国际互联网这样的信息网络的运用。一般的生物学领域包含了大量的理论，信息学假设和计算。实际上，现代实验生物学的核心存在于细胞的信息传导过程以及对它的解释。
    在科学史上，生物信息学是分子生物学专家和计算机专家生动的组合。尽管在发展早期，主要是生物物理学家推动了生物信息学的发展，而技术上的富有深刻见解的想法还是来源于数学家和计算机专家。十年前，S. Kaufmann提出的“次序起源”（1993）描述了当今生物学家积极探讨的问题。不同观点的生物物理学家不仅对计算机运算法则和原理，还对物理学和数学，比如Shannon的“信息理论”产生着影响。表面上看来，生物学和计算机科学的融合是任何学科合并当中最不可能，但实际上可能是很大比例的一个。生物学很久以来从来没有被视为信息学。生物信息学将生物学转化为一种被称为“运用数学和计算机理论的生命科学”的复杂体系。
    生物信息学的本质并不是源于大型数据装置的科技成就，而是生命领域中信息处理的价值的实现。生命应当被重新定义为信息对象和网络的总和。新的研究目标指向了构成的基本单元（信息），它们的相互作用和新功能的出现是研究曾经从基因组、蛋白质组等单元中提取的大量的复杂数据所必需的。
    向研究者提供生物信息学在生物学领域的哲学基础是有必要的。生物信息学的一个基本观点就是：“生物信息学就是生物学，生物学就是生物信息学”。更加详细而明确的解释是：生物信息学是一个科学的综合学科，它采用哲学、数学和应用生物学实验数据的计算机科学的手段对整个生命过程进行分析、探寻，将之模拟为超越能量的信息处理环境。
    生物信息学中包含几个基础域。生物信息学专家研究的最终对象是信息。然而，信息是超越能量流之上的抽象生物实体，是能量流的体系结构或者网络系统。由于它的流动性，它体现了随着时间的动态状态改变。换句话讲，它是沿时间轴变化的。进化就是运用时间概念进行描述的。整个生物学实体（Bio-entities）是以多种不同形式通过能量的交易节点。每个节点是特定时间点上的能量存储器，也靠它组成了信息结构。（尽管有时会被误导），但这种能量存储器的形象代表就是分子、细胞和有机体的结构。生物信息学家致力于从这种信息处理系统角度来分析说明生物学功能，它们认为生物学的功能是超越相对清晰的时间周期能量流上的相对清晰的信息处理层面。上述的域的根本在于相对物。然而，能量、时间和信息对于我们理解生命的知识体系是独特的、重要的。对于能量的准确定义是一直以来人们努力解决的问题。
    对于上述研究领域，生物学产生了很多哲学的思考。生物信息如何量化？生命中的信息是否具有不同的特征？在细胞内的信息总和与蛋白质里的信息总和一样多吗？人类比起细菌来说，在信息处理的能量上是否具有更高的品质和更多的数量？这是否可以认为人类的信息处理能量更多或更好？如果那样，如何在生物学中找到衡量的参数？这样的形形色色的问题使我们的研究方向调整为源于分子生物学简化法的不同的研究途径。
    一旦人类发现并设计出的计算规则可以在生命的各种不同层面清楚地描述并模拟出信息处理过程（比如说一个简单的适用于自由衡量模式不规则成长的规则），就有可能揭示生命的定义，绘制出地球上的进化成长和分支情况图谱。如果不是这样的话，整个的生命现象是个持续变化并产生归因于不同衡量标准下不对称、不相同规则的信息处理新方法吗？
    总之，生物信息学的哲学考察可以拓宽生物信息学的领域（水平的扩展）。提倡人们把生物信息学作为高水平的科学和哲学学科来理解（纵向的扩展）。学科研究过程的组成元素被建议作为时间轴上的信息能量处理。现代生物信息学许多不确定的问题正在讨论中。
 
                     （作者联系方式：wanggang_dfh@hotmail.com）