【摘要】
在人類的歷史上，計算機的誕生和發展無疑有着舉足輕重的地位。計算機水平的每一次提升都會帶給社會巨大的推動。雖然我們一直在努力，希望計算機的性能越來越強，但是現在的計算機的某些技術已經達到了極限，不可能再提高了。所以，尋找另一個提高的方向已十分必要。現在，生物計算機理論的提出和誕生給人們帶來了新的的希望。如果有朝一日生物計算機能夠普及，那這將會是計算機發展史上的一個重大突破。
【關鍵詞】
生物計算機 DNA 神經元 芯片
【正文】
一、計算機的發展
人們通常所説的計算機，是指電子數字計算機。一般認為，世界上第一台數字式電子計算機誕生於1946年2月，它是美國賓夕法尼亞大學物理學家莫克利（hly）和工程師埃克特（rt）等人共同開發的電子數值積分計算機（Electronic Numerical Integrator And Calculator，簡稱ENIAC）。ENIAC雖是第一台正式投入運行的電子計算機，但它不具備現代計算機“存儲程序”的思想。1946年6月，馮·諾依曼博士發表了“電子計算機裝置邏輯結構初探”論文，並設計出第一台“存儲程序”的離散變量自動電子計算機（The Electronic Discrete Variable Automatic Computer，簡稱EDVAC）。【1】
自馮·諾依曼設計的EDVAC計算機始，直到今天我們用芯片製作的多媒體計算機為止，電腦一代又一代，都沒能夠跳出“諾依曼機”的體系結構。馮·諾依曼為現代計算機的發展指明瞭方向。但是，隨着生物計算機、人工智能和神經網絡計算機的發展，“諾依曼機”一統天下的格局已經被打破。【2】
二、生物計算機的誕生
1994年，一位加州科學家首次使用試管中的DNA來解一道簡單的數學題，從而產生了利用DNA來儲存和處理信息的創意。這一創意也為計算機帶來了新的課題與發展方向。科學家們在研究中發現，仿生學同樣可以應用到計算機領域中。通過對生物組織體的研究，發現組織體是由無數的細胞組成，細胞由水、鹽、蛋白質和核酸等有機物組成。而有些有機物中的蛋白質分子像開關一樣，具有開與關的功能。因此，人類可以利用遺傳工程技術，仿製出這種蛋白質分子，用來作為元件製成計算機，科學家把這種計算機叫做生物計算機。【3】
計算機工業在近幾十年內飛速發展，然而目前，晶體管的密度已經達到當前所用技術的理論極限。所以，人們在不斷地尋找新的計算機結構。另外，人們在研究人工智能的同時，借鑑生物界的各種處理問題的方式，提出了一些生物計算機的模型，部分模型已經解決了一些經典計算機難以解決的問題。【4】
三、生物計算機的優良特性
生物計算機目前主要有以下幾類：生物分子或超分子芯片；自動機模型；仿生算法；生物化學反應算法。其中自動機模型以自動理論為基礎，致力於尋找新的計算機模式，特別是特殊用途的非數值計算機模式。目前研究的熱點集中在基本生物現象的類比，如神經網絡、免疫網絡、細胞自動機等。不同自動機的區別主要是網絡內部連接的差異，其基本的特徵是集體計算，或稱為集體主義，在非數值計算、模擬、識別方面有極大的潛力。神經網絡系統模擬大腦的工作方式，由大量簡單的神經元廣泛相互連接而成，形成一種拓撲結構。大腦具有相當高級的信息處理能力。與傳統計算機模型相比，大腦具有如下特徵：首先是大規模並行的處理能力；其次是大腦具有很強的“容錯性”和聯想功能；第三是大腦具有很強的自適應能性和自組織性。在這些方面，目前的傳統計算機模型是難於實現的。【5】
生物計算機的主要原材料是生物工程技術產生的蛋白質分子，並以此作為生物芯片。生物元件比硅芯片上的電子元件要小很多，甚至可以小到幾十億分之一米，而且生物芯片本身具有天然獨特的立體化結構，其密度要比平面型的硅集成電路高五個數量級。如讓幾萬億個DNA分子在某種酶的作用下進行化學反應就能使生物計算機同時運行幾十億次。
生物計算機芯片本身還具有並行處理的功能，其運算速度要比當今最新一代的計算機快10萬倍，能量消耗僅相當於普通計算機的十億分之一，存儲信息的空間僅佔百億億分之一。生物芯片一旦出現故障，可以進行自我修復，所以具有自愈能力。生物計算機具有生物活性，能夠和人體的組織有機結合起來，尤其是與大腦和神經系統相連。這樣，生物計算機就可直接接受大腦的綜合指揮，成為人腦的輔助裝置或擴充部分，並能由人體細胞吸收營養補充能量，因而不需要外界能源。它將成為能植入人體內，幫助人類學習、思考、創造、發明的最理想的夥伴。另外，由於生物芯片內流動電子間碰撞的可能性極小，幾乎不存在電阻，所以生物計算機的能耗極小。【6】
四、我國的生物計算機
我國的首台生物計算機，是由上海交通大學生命科學研究中心和中科院上海生命科學院營養科學研究合作完成的，實驗中工作人員把自動機與表面DNA計算結合到了一起。這在我國屬首次，相關論文發表在中國《科學通報》第49卷第1期的英文版上。據介紹，這一DNA計算機採用雙色熒光標記對輸入與輸出分子進行同時檢測，用測序儀對自動運行過程進行實時監測，用磁珠表面反應法固化反應提高可控性操作技術等，以至於最終在一定程度上完成模擬電子計算機處理0和1信號的功能。將來通過計算芯片技術，把電子計算機的計算功能進行本質上的提升，在理論上和潛在的應用上都有重大意義。【7】
五、生物計算機的功能
生物計算機不僅有很好的性能，而且它的功能也十分強大。生物計算機既然是用一個個分子構成的，那麼它的體積就可以達到分子尺寸的水平，甚至注入人的血液內，達到“人機一體化”，檢測人體的情況。l998年英國雷丁大學的科學家凱文·沃爾威克把一塊芯片植入他的左手臂，這個芯片從此將他個人和電腦網絡連在一起。在接下來的九天裏，當他步入教學主樓，無需出示身份證，大門的電腦就根據他手臂上芯片傳遞的信息認出了他，芯片還替他打開了實驗室的自動門，幫他開燈。美國EMV公司在研究能夠幫助盲人重現光明的生物集成電路時，就用以蛋白質為基礎的生物微器件植入盲人眼球后部，利用胚胎神經細胞作為橋樑，同大腦視覺皮層聯繫起來，使盲人恢復“視力”。通過生物計算機，病人可以把自己的病情通過芯片傳給醫生體內的芯片，永遠不擔心病例丟失，病情講不清楚。【8】
六、生物計算機的發展前景
目前電腦的發展方向，一是使用生物芯片，二是使用量子器件。它們的工作原理與目前使用的電腦有本質上的不同。生物芯片的原理是在分子水平上，與生物學水平一致；而量子器件的原理是在更微觀的原子、光子層次水平上。生物芯片也稱為分子芯片，其元件大小都在分子尺度內，而生物計算機的關鍵在於DNA大分子操作的問題上。現有的計算機基本構件是開關元件，要製造生物計算機需要有開關元件的有機分子，即DNA分子。美國科學家埃德曼指出：DNA分子中含有大量的遺傳密碼，分子之間在某種酶的作用下完成生物化學反應，從一種基因代碼變為另一種基因代碼，反應前的基因代碼作為輸入數據，反應後的基因代碼作為運算結果。2000年美國加利福尼亞大學洛杉磯分校科學家根據生物大分子的不同形態，成功研製了DNA電腦的分子開關。【9】
目前，DNA計算機已經可以對赫姆震茲等數學問題求解。預計在10到15年內就可能製造出與微電子芯片相融合的高級DNA計算機。DNA計算機可以實現超大規模並行運算，運算速度極快，幾天的運算量就相當於目前世界上所有計算機問世以來的總運算量，11立方米的DNA溶液的存儲容量可以超過目前世界上所有計算機的存儲量。而且DNA計算機耗能極少，只有一台普通計算機的l0億分之一。它可以實現現有計算機無法實現的模糊推理功能和神經網絡運算功能，使真正的智能計算機得以實現。目前美、日、德等國科學家正在研製一種在微電子芯片上生長神經網絡的方法，希望研製出一種具有生命力的智能神經網絡，並將神經網絡的神經元與計算機芯片連接起來，用計算機來控制芯片上的神經元，進而達到控制動物的神經元。
現在，生物計算機僅處於起步階段。但不論如何，DNA計算機的提出，拓寬了人們的視野，啟發人們用算法的觀念研究生命，並向眾多領域提出了挑戰。要想真正進入實用階段還需要更多的時間和科學家更多的艱辛探索。【10】
【參考文獻】
【1】中國科學院計算技術研究所，電子計算機的誕生，計算機發展史，2011年版。
【2】孫宏濱，胡美鑫，關於生物計算機的思考，知識經濟，2009年8期。
【3】J.N Corsellis,er,Aunals of Human Biology,1977年9月22日。
【4】孫宏濱，胡美鑫，關於生物計算機的思考，知識經濟，2009年8期。【5】Scientific American,神經元計算機，2003年3月。
【6】黃俞成，生物計算機，北京電子，2006年2月。
【7】劉軍，首台計算機，首都醫藥，2004年4期。
【8】楊寶華，孫中濤，關於生物計算機技術研究的思考，仿生技術推動下的計算機發展生產率系統，2002年1期。
【9】曹來發，生物電腦最新進展，科技情報開發與經濟，2005年12期。
【10】殷海濱，第六代計算機，中學生物學，2007年8期。
一、“通識教育”與生命科學教育
1、“通識教育”理念的認識
通識教育是指對所有大學生普遍進行的有關共同內容的教育，包括基礎性科學知識的傳授、公民意識的養成、健全人性的薰陶以及一些非專業性的實際能力的培養。其目的在於：培養學生具有廣博的科學基礎和文化背景，提高學生的價值觀念、歷史視野、認知風格和創新能力。使學生能夠創造知識、自我更新、適應社會多種職業需求和社會環境的變化，從而實現個人的最高價值。
我國現行的本科教育過分注重專業知識和技能的培養，已不適應現代社會知識面廣、適應力強、具有思辨和創新能力人才的要求。因而注重能力、方法和性情培養的通識教育日益受到我國高等教育界的普遍關注。專業教育與通識教育結合，培養現代社會所需要的高素質人才，已成為高等教育發展的必然選擇。
2、生命科學教育是通識教育的重要領域
目前困擾人類生存和發展的諸多重大問題：人口膨脹、糧食不足、環境污染日益嚴重、能源短缺、生態平衡失調、疑難疾病等的解決均寄希望於生命科學和技術的進步。生命科學已成為自然科學向前飛速發展的帶頭學科，它與物理學、化學、數學、計算機科學等學科緊密相關。如：人類基因組計劃和基因芯片的研究，要求計算機技術、化學、物理等各個領域的知識和理論的融合；在化學工程領域，化學合成過程中可以引入生物催化等。人類基因組的解讀改變我們對生命整體的認識，生命中最基本的生、老、病、死將重新在基因組研究的剖析下體現其隱密性，這對未來社會各個層面的發展不論是工程、法律、經濟等學科均將產生重大的影響。生命科學不僅拓寬了傳統學科的理論和技術，同時生命科學技術的發展也帶動了自然科學的學科交叉及邊緣學科的空前發展。生命科學類通識教育的開展，對完善學生知識結構，培養具有現代生命科學意識的綜合人才發揮重要作用，生命科學教育是通識教育的重要領域，高等教育中生命科學通識教育勢在必行。
二、生命科學通識教育現狀
通識教育作為一種教育理念近年來逐漸被我國教育界所接受和認同，國內的一些知名高校開始着手實施通識教育，並開展了現代生命科學相關領域專業及通識的訓練，全國已有幾十所高校開設了非生物類本科生“生命科學導論”或“普通生物學”或“生物工程概論”等生物學課程，編寫出版了不同類型的適用於非生物類不同層次類型生物學課程教學的多種教材、系列課程教學大綱及網絡課程和普及讀物，以滿足不同層次學生的需求。但仍有相當部分普通高校在生命科學通識教育特別是非生物專業生命科學的通識教育的認識和實施上存在許多片面和不足。我校生命科學通識教育在生物專業中處於剛剛起步階段，仍有許多值得探究和改進的地方，而非生物專業中的生命科學通識教育仍然沒有啟動，如何在“通識教育理念下開展生命科學教育，實現面向全體學生的生命科學通識教育是一個值得探討的問題。
三、“通識教育”理念下如何開展生命科學教育
1、根據生源特點，設定相應教學目標
通識教育課程要求的是一種基礎性的、普適性的課程內容，強調對基本原理與基本方法的學習。因為學生學習的知識越基礎，接受新知識的能力、解決新問題的能力就越強。不應把過多的應用性課程和專業性較強的課程列入通識課程中。因此，對高校生命科學通識課的教學目標定位如下：通過學習，不僅讓學生了解生命科學的發展歷史、研究領域、研究手段和研究成果，還要讓他們深入瞭解某些熱點研究領域的最新成就和進展以及生命科學和其他學科的相互交叉、相互滲透，從而激發學生對生命科學的求知熱情和探索興趣，拓寬知識面，幫助和促進學生形成一種科學的、理性的思維方式，培養他們具備科學的思想和方法處理和解決學習中碰到的難題。
面對與生命科學關係比較密切的理工科專業本科生，生命科學作為一門基礎課程，其課程目標在於使非生命科學類專業的理科學生掌握生命科學基本知識和願理，拓寬知識領域，完善知識結構，開闊思路，培養科學思維能力和創新精神，提高整體素質；激發對生命科學的興趣和創造性火花，從各自的領域出發尋找與生命科學的交叉點，探索生命科學的奧祕；特別是增強多學科交叉與滲透的意識，為跨學科學習和研究奠定基礎，以利於成長為適應未來社會需要的跨學科高層次的人才。面向文科各專業以及部分理科專業的本科生，生命科學作為供全校學生選修的一門文化素質課程，其課程目標是拓寬學生的知識面，改善知識結構，提高綜合素質，適應未來社會的需要，併為商界、新聞界、法學界和其他領域決策層儲備高素質、複合型和創新型的人才；同時，通過了解人類自身、瞭解人類與環境的關係，建立科學的世界觀，增強現代健康意識，昇華人格。
2、根據教學目標選擇教學內容
根據以上教學目標，在教學內容的選擇上，既要使生命科學的系統知識與21世紀生命科學的重大學科方向和領域、面臨的重大理論和應用問題以及解決這些問題所需的技術和方法等學生感興趣的熱點問題有機地結合，又要增強多學科交叉與滲透的意識，為跨學科學習和研究奠定基礎。不同專業、不同年級的學生有着不同的背景和基礎，因此，對講授的內容就要求不同，可供開設的相關課程有：生物學與人類文明、生物技術、基因工程、人體生物學、疾病與保健、觀賞動物養殖、生態與環保、環境保護與人類生存和發展、人體奧祕、營養與健康、性科學與性教育、生物倫理、庭園藝學、室院花卉、微生物與人類健康、生物史、遺傳與優生、家庭小藥房、生理心理學、昆蟲與人類、生物進化論、生物學前沿、動物世界、生物學方法論、花卉欣賞與養護、人口問題講座、遺傳與健康、植物葉貼藝術與標本製做、生物科學技術及實驗，等等。多模式地開設生命科學通識課，不僅可以滿足學生對不同專業領域知識的渴求，更可以豐富他們的專業知識。
3、改進傳統教學方法，激發學習興趣
通識教育要求教師傳授給學生的並不僅是死板的知識與技能，而是傳授他們正確的科學觀和思考問題、解決問題的邏輯方式，提高他們的知識視野與科學素養，努力培養他們的思維方式、洞察力、智慧和探索精神。為突出生命科學的學科特點，在教學上可以多采取系列講座方式，根據不同的教學目標選擇其中相關內容，然後將講授內容分為幾個部分，每部分又分為幾個專題，每部分有各自的中心，各個專題前後之間相互聯繫，又各自相對獨立。在傳授方式上，多開設一些研討班形式的課程，使課程本身成為教師與學生合作開展探究知識的過程，保持學生與教師之間的良好溝通，在民主、自由的課堂中，激發學習興趣，才能更好地達到通識教育的。目的。另外要採用多媒體教學方式，大量增加動畫和音像教學的比例，儘可能展現生命科學豐富多彩的一面。通過多種教學手段相互補充，使學生對一些陌生的生命科學概念、生物技術的原理和操作、生命科學的微觀現象和生命進化歷程等有更直觀的認識。
4、提供多種形式的考核方法
課程考核具有成績檢測、信息反饋、導向激勵等多項功能。生命科學通識教育應強調多層面、多方式和多層標準，重視綜合素質與知識運用的考核。多種形式的考核方法對生命科學通識教育的開展起很大的促進作用。可供嘗試的方法有：筆試與實驗操作相結合，期會考核與平時成績相結合，開卷與閉卷相結合等多種形式的考核方法；另外，作業、課堂提問、小組答辯賽、課程小論文以及對本課程提出建設性建議等均可作為平時成績考核方面。靈活多樣化的考核方式避免了學生為考試而學習的被動狀態，有效檢測並促進學生自主學習激情，從而實現生命科學通識教育的最終目標。
摘要：
隨着經濟與科學的發展，生命科學在生活的各個方面都不乏它的身影。生物科學技術的發展也推動了人類經濟的快速前進。在物質多元化的今天，人們的生活也越來越不能缺乏生物科學的指引。生物對人的生活息息相關，生物作為整個生命過程的重要的參與者和決策者，對整個人類社會的發展有着重要的有着重要的指導意義。在物質高速發展的今天，我們人類社會的進步與發展更離不開生物的參與。生命科學概論就是從這一環節出發，從生物學的角度告訴我們，人類社會的發展離不開生物的息息相伴。生命科學概論通過細胞的癌變、微生物學基礎、生物資源、生物多樣性、血液與淋巴、遺傳病、生物能源、生物倫理學、疫苗等章節並將其中的理論知識貫穿於教學視頻中，讓我們對生物這一門學科的理解更為深刻。生命科學概論中對生物的研究出促進了生物學以及人類社會經濟的發展，將生物學更進一步的為我們人類做出貢獻。
關鍵詞：
生物科學 人類社會 經濟 多樣性 科學 科學技術
正文：生命科學概論生命科學概論通過細胞的癌變、微生物學基礎、生物資源、生物多樣性、血液與淋巴、遺傳病、生物能源、生物倫理學、疫苗等章節以及視頻教學講訴了生物學對人類社會發展所起的不可磨滅的作用。
1、細胞的癌變
細胞的癌變是指在個體發育過程中，大多數細胞能夠正常完成細胞分化。但是，有的細胞由於受到致癌因子的作用，不能正常完成細胞分化，因而變成了不受機體控制的、連續進行分裂的惡性增殖細胞，這種細胞就是癌細胞。細胞的畸形分化，與癌細胞的產生有直接關係。在我們人類社會，癌症的存在是普遍的，癌症的存在和發生與我們生活的環境是有着密切的聯繫的。生活在環境較好的地區的人患癌症的機率就相對較小，反之亦然 。當然，癌細胞的轉化也與我們的心理活動存在着密切的聯繫。可以説，癌細胞是與生俱來的得。只是它只會在適當的時機用基因所表達出來而已。
癌細胞與正常細胞相比有三大特徵：
1、癌細胞的形態結構發生了變化 。
2、能夠無限增殖。
3、癌細胞的表面也發生了變化。
由癌細胞的這三大特徵就可以看出來癌細胞對我們人類來説是一個多麼可怕的存在。由於細胞膜上的糖蛋白等物質減少，使得細胞彼此之間的黏着性減小，因而容易移動，轉移至其他組織或器官中分裂，生長。癌細胞轉移是患者死亡的重要原因。為防止正常細胞的癌變，應儘量避免接觸各種致癌物質，還要保持健康的心態，注意增強體制，養成良好的生活習慣。
癌細胞的致癌因子主要分為內因和外因兩種。外因主要為：物理致癌因子，化學致癌因子和病毒致癌因子。內因主要是人和動物體內普遍存在原癌基因，正常處於抑制狀態。原癌基因一旦被激活，就有可能發生癌變。 所以，要預防癌症的發生，我們就必須從自己做起，養成良好的生活習慣，杜絕癌症在自己體內的發生。
2、微生物學的基礎
微生物是包括細菌、病毒、真菌以及一些小型的原生動物、顯微藻類等在內的一大類生物羣體，它個體微小，卻與人類生活關係密切。涵蓋了有益有害的眾多種類，廣泛涉及健康、食品、醫藥、工農業、環保等諸多領域。從它的定義我們就可以瞭解到微生物的存在是普遍的。微生物個體微小，結構簡單，通常要用光學顯微鏡和電子顯微鏡才能看清楚的生物，統稱為微生物。微生物包括細菌、病毒、黴菌、酵母菌等。
微生物是地球上普遍存在的羣體，它們有着自己的特點、共性以及類羣。微生物的特點主要為個體微小、構造簡單、進化地位低、大多依靠有機物維持生命。微生物的共性主要為體積小，面積大；吸收多，轉化快 ；生長旺，繁殖快；適應強，易變異；分佈廣，種類多。類羣為細菌、病毒、真菌、放線菌、立次克體、支原體、衣原體、螺旋體。
微生物千姿百態，有些是腐敗性的，即引起食品氣味和組織結構發生不良變化。當然有些微生物是有益的，它們可用來生產如奶酪，麪包，泡菜，啤酒和葡萄酒。微生物能夠致病，能夠造成食品、布匹、皮革等發黴腐爛，但微生物也有有益的一面。最早是弗萊明從青黴素抑制其它細菌的生長中發現了青黴素，這對醫藥界來講是一個劃時代的發現。後來大量的抗生素從放線菌等的代謝產物中篩選出來。抗生素的使用在第二次世界大戰中挽救了無數人的生命。一些微生物被廣泛應用於工業發酵，生產乙醇、食品及各種酶製劑等；一部分微生物能夠降解塑料、處理廢水廢氣等等，並且可再生資源的潛力極大，稱為環保微生物；還有一些能在極端環境中生存的微生物，例如：高温、低温、高鹽、高鹼以及高輻射等普通生命體不能生存的環境，依然存在着一部分微生物等等。看上去，我們發現的微生物已經很多，但實際上由於培養方式等技術手段的限制，人類現今發現的微生物還只佔自然界中存在的微生物的很少一部分。
微生物對人類另一個最重要的影響之一是導致傳染病的流行。在人類疾病中有50%是由病毒引起。世界衞生組織公佈資料顯示：傳染病的發病率和病死率在所有疾病中佔據第一位。微生物導致人類疾病的歷史，也就是人類與之不斷鬥爭的歷史。在疾病的預防和治療方面，人類取得了長足的進展，但是新現和再現的微生物感染還是不斷髮生，像大量的病毒性疾病一直缺乏有效的治療藥物。一些疾病的致病機制並不清楚。大量的廣譜抗生素的濫用造成了強大的選擇壓力，使許多菌株發生變異，導致耐藥性的產生，人類健康受到新的威脅。一些分節段的病毒之間可以通過重組或重配發生變異，最典型的例子就是流行性感冒病毒。每次流感大流行流感病毒都與前次導致感染的株型發生了變異，這種快速的變異給疫苗的設計和治療造成了很大的障礙。而耐藥性結核桿菌的出現使原本已近控制住的結核感染又在世界範圍內猖獗起來。
3、生物資源
生物資源是自然資源的有機組成部分，是指生物圈中對人類具有一定經濟價值的動物、植物、微生物有機體以及由它們所組成的生物羣落。生物資源包括基因、物種以及生態系統三個層次，對人類具有一定的現實和潛在價值，它們是地球上生物多樣性的物質體現。自然界中存在的生物種類繁多、形態各異、結構千差萬別，分佈極其廣泛，對環境的適應能力強，如平原、丘陵、高山、高原、草原、荒漠、淡水、海洋等都有生物的分佈。目前已經鑑定的生物物種約有200萬種，據估計，在自然界中生活着的生物約有2000～5000萬種。它們在人類的生活中佔有非常重要的地位，人類的一切需要如衣、食、住、行、衞生保健等都離不開生物資源。此外，它們還能提供工業原料以及維持自然生態系統穩定。地球是人類賴以生存的家園，是人類的棲身之所、衣食之源。所以我們人類更應該好好保護地球的生物資源，合理的加以利用，以維護我們賴以生存的家園。
生物資源包括動物資源、植物資源和微生物資源三大類，在三大大類廣佈於我們所生活的世界，並對我們的生活與發展有着舉足輕重的影響。
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