高性能计算在生命科学中的应用
目录
1.1 高性能计算的发展现状 (3)
1.1.1 高性能计算概述 (3)
1.1.2 高性能计算的应用需求 (3)
1.1.3 国外高性能计算发展现状 (4)
1.1.4 国内高性能计算发展现状 (5)
1.1.5 高性能计算机关键技术发展现状 (7)
1.2 高性能计算在生命科学中的应用 (13)
1.2.1 基因测序数据处理 (13)
1.2.2 蛋白质结构研究 (34)
1.2.3 计算机辅助药物设计 (50)
1.1高性能计算的发展现状
1.1.1高性能计算概述
高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机（High Performance Computer），满足科学计算、工程计算、海量数据处理等需要。
自从1946年设计用于导弹弹道计算的世界上第一台现代计算机诞生开始，计算技术应用领域不断扩大，各应用领域对计算机的处理能力需求越来越高，这也促使了高性能计算机和高性能计算技术不断向前发展。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。1.1.2高性能计算的应用需求
应用需求是高性能计算技术发展的根本动力。传统的高性能计算应用领域包括：量子化学、分子模拟、气象预报、天气研究、油气勘探、流体力学、结构力学、核反应等。随着经济发展和社会进步，科学研究、经济建设、国防安全等领域对高性能计算设施及环境提出了越来越高的需求，不仅高性能计算的应用需求急剧增大，而且应用范围从传统领域不断扩大到资源环境、航空航天、新材料、新能源、医疗卫生、金融、互联网、文化产业等经济和社会发展的众多领域。
当前，世界和中国面临诸多重大挑战性问题。比如，全球气候出现快速增温的事实使“应对气候变化”成为各国政治、经济和社会发展的重大课题，为了进一步消减“温室效应”和减少碳排放，实现可持续发展的低碳经济，新材料的发现、设计与应用迫在眉睫；随着化石能源的日益枯竭和环境的日趋恶化，新能源的开发势在必行；随着科技的发展，人类迈向太空的脚步逐渐加快，空间资源的争夺和战略性部署竟然愈发激烈，航空航天领域作为此项重大科研技术活动的基础支撑，投入将持续扩大；为了攻克重大疾病、进一步提高人口健康质量，生命科学与新药制造已成为技术发展和经济投入的重要增长点；随着互联网技术不断发展，借助海量数据与高性能计算的力量使得人工智能研究不断取得新的突破，各大互联网企业对高性能计算的投入将持续增加；在国际竞争的大环境下，基础科研实力是高新技术发展的重要源泉，是未来科学和技术发展的内在动力，也是实现国家经济、社会和环境可持续性发展的重要途径，基础科学研究的投入也将持续增长。
解决上述关系国家战略和国计民生的重大挑战性问题都离不开高性能计算的强力支撑，可以预见在战略层面，各国对高性能计算的投入会持续增长，而中国将更加发力；在技术层面上，高性能计算的应用范围将越来越广，反过来应用需求也将催生高性能计算新技术的诞生与发展。
图：全球HPC TOP500统计数据显示高性能计算能力成倍增长
1.1.3国外高性能计算发展现状
高性能计算作为国家实力的重要体现，是一个国家最尖端的信息技术综合体。发达国家政府（美日欧）普遍将高性能计算作为国家战略，给予高度重视并进行持续投入。
美国是世界上最重视高性能计算、投入最多、受益最大的国家。近数十年来，美国政府持续实施了SCP（战略计算机计划）、HPCC（高性能计算和通信）、ASCI（加速战略计算）、ASC（先进模拟和计算）、HPCS（高生产率计算机）等多个国家计划，从而确保了美国在高性能计算领域长期处于领先地位。2015年7月，美国政府提出了建立“国家战略计算项目”(NSCI)，目的是创建美国高性能计算的研发地位，研制世界上第一台百亿亿次计算系统，此举的目标就是夺回2013年以来被中国夺走的计算速度头名的宝座。2015年6月统计的全球性能最高的500台高性能计算机有233台安装在美国，其中性能最高的10台计算机中有5台部署于美国。美国在高性能计算领域的领先优势十分明显，为美国在科技创新和经济发展方面处于世界领先地位做出了重大贡献。当前，美国政府仍在继续加强其在高性能计算领域的研发投入。正在实施的UHPC（普适高性能计算）计划，目标是研究革命性的设计方法来满足不断增长的国防应用对高性能计算的需求，包括开发超高并发性的高性能计算机、有效提升系统能效比、简化并行应用设计方法和提升应用的容错能力等，为实现百亿亿次（ExaFlops）计算奠定基础。
日本一直以来位列高性能计算大国，与美国类似，日本政府非常重视高性能计算技术，不断加强其在高性能计算领域的研发投入。早在1990年，日本NEC公司研制的SX-3/44R系统就成为当时全球速度最快的高性能计算机。之后的1993年，Fujitsu公司开发的“数值风洞”系统，以及2004年NEC的“地球模拟器”再次位列全球第一。在2015年6月统计的全球TOP 500高性能计算机中，日本占据40席，其中Fujitsu公司研制的“K计算机”位列世界第四，“K计算机”将落户日本理化学研究所（RIKEN），服务于物理、化学、生物、医学、材料、能源等领域科学研究。此外，日本正在进行Exascale Supercomputer Project（E 级高性能计算）项目，该项目目标是建设E级的高性能计算与软件系统的来替换现有的“K 计算机”，该系统将服务于未来日本科学技术研究如药物设计、地震影响研究等。
欧洲也一直是高性能计算的活跃区域。2002年，7个欧洲国家的11个高性能计算中心就联合发起DEISA项目，旨在建立泛欧洲的高性能计算基础设施。在2015年6月统计的全球TOP 500高性能计算机中，欧洲占据了28%的席位。面向百亿亿次（ExaFlops）计算需求，欧洲提出了EESI和MareIncognito超算计划，主要从并行编程模型和和应用算法方面突破百亿亿次级计算的关键技术，包括编程模型、负载均衡技术、微处理器/结点技术、性能分析工具、互连技术和高性能应用等。
1.1.4国内高性能计算发展现状
“九五”以来，在国家及相关政府的持续支持和IT企业的积极参与下，我国高性能计算机有了长足的发展，研制队伍不断发展和壮大，主要的研制单位有：国家并行计算机工程技术研究中心、中科院计算技术研究所国家智能中心、国防科技大学计算机学院、曙光公司等，是数十年积聚起来的我国高性能计算机技术研发的中坚力量。
“十一五”期间，在国家863计划“高效能计算机及网格服务环境”重大项目的支持下，我国先后研制成功若干台百万亿次和千万亿次超级计算机系统。2008年，联想公司和曙光公司分别研制成功“深腾7000”和“曙光5000”百万亿次计算机；2009年，国防科技大学研制成功“天河一号”千万亿次计算机，使我国成为继美国之后世界上第二个研制成功千万亿次计算机的国家；2010年6月，曙光公司研制成功“星云”千万亿次计算机，性能列世界TOP500第二位。2010年11月，升级后的“天河-1A”系统创造了超级计算机全球排名第一的最好成绩。基于自主CPU芯片研制超级计算机也取得了重大突破，神威蓝光于2010年底成为第一个全部采用国产CPU实现的千万亿次超级计算机。
进入“十二五”以来，我国的超级计算机研制继续发展，天河2号连续四次位居TOP500第一名。预计到“十二五”末，我国还将推出2套峰值性能超过10亿亿次（100PFLOPS）的超级计算机系统，有望继续在TOP500排行榜中名列前茅。
在2013年国务院发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》中，多个基础设施的建设都离不开高性能计算系统如海底科学观测网、转化医学研究设施。其中，地球系统数值模拟器通过超级计算及存储专用系统的建设，并结合超级模拟支撑与管理软件系统、地球各层圈过程模拟软件系统等来实现模拟地球系统圈层变化和长期气候变化，精细描述和预测地球物理化学及生物过程，提高我国地球系统模拟的整体能力和重大自然灾害预测预警、气候变化预估的研究水平。
图：TOP500系统国家分布历史统计
我国在高性能计算机系统相关的基础性支撑技术方面也有了很大进步。在处理器方面，国内自主研制的“龙芯”、“神威”、“飞腾”等系列的多核处理器方面已有所突破，相关的生态环境正在逐步完善；在异构协同与并行优化方面，国内在CPU/GPU混合结构的应用研究，比如生命科学领域的基因比对、分子动力学、电镜数据处理石油勘探领域的电子断层三维重构、叠前时间偏移、深度学习等方面均取得突破。在系统软件及环境方面，国内在大规模异构系统的管理和监控、大规模系统的快速部署以及高效系统虚拟化等关键技术上也取得了很大进展。
“十一五”期间，在国家863计划“高效能计算机及网格服务环境”重大项目的支持下，成功开发具有自主知识产权的中国国家网格软件GOS（Grid Operating System），突破了广域
资源共享和协同工作的关键技术，其功能和性能已达到并超越国际同类软件水平。此外，863计划还先后重点支持了化学、天文、气象、生物医药、流体、激光聚变、大飞机、石油勘探地震成像等领域的高性能计算应用，形成了若干可利用上千以上的处理器核进行计算模拟的应用实例。
1.1.5高性能计算机关键技术发展现状
1.1.5.1体系架构
作为高性能计算基础设施的核心，现代高性能计算机的发展从20世纪70年代的向量计算机开始，也已经有了几十年的发展历程。先后出现了向量机、多处理器并行向量机、MPP 大规模并行处理机、SMP对称多处理机、DSM分布式共享存储计算机、Constellation星群系统、Cluster集群系统、混和系统等多种主体的体系架构，并分别在不同的时期占据着应用的主流。
其中，计算机集群（简称集群、Cluster）是一种计算机系统，它通过一组松散集成的计算机软件和/或硬件连接起来高度紧密地协作完成计算工作。在某种意义上，他们可以被看作是一台计算机。集群系统中的单个计算机通常称为节点，通过内部网络连接。高性能计算集群采用将计算任务分配到集群的不同计算节点而提高计算能力。比较流行的高性能计算集群采用Linux操作系统和其它一些标准软件来完成并行运算，这一集群配置通常被称为Beowulf集群。这类集群通常运行特定的程序以发挥高性能计算集群的并行能力，这类程序一般使用特定的运行库，比如MPI等。
相比于MPP等一些专有高性能计算系统，集群系统具有明显的优势，包括：
◆集群的标准化程度高
高性能计算集群一般都是采用工业标准的硬件和软件系统，比如采用标准的x86架构处理器；工业标准的互联网络，比如InfiniBand、万兆网络等；通用的Linux操作系统；通用的并行编程标准和模型；通用的作业分发调度系统等。
◆灵活性、可扩展性好
集群是一个松散的架构，由计算节点通过互联网络连接而成，一个集群可以方便地进行扩展；同样的，一个集群也可以灵活的进行物理或逻辑上的拆分。MPP等一些专有定制系统就很难做到这样的灵活可扩展性。
◆性能高
集群单个计算节点性能在不断提升、集群互联网络技术发展迅猛、集群可扩展性也越来越好、集群的并行编程技术不断进步，集群已经成为高性能计算的代名词。
◆性价比高
由于集群采用的是标准化的软硬件系统，采用的是大规模工业生产的设备部件，可以极大程度降低高性能计算系统的建设成本，相应的，集群的运维和维护成本也要小很多。
◆投资风险小
集群技术经过多年的发展，其硬件和软件技术已经发展得非常成熟，建设和维护需要的设备器件有充足的市场保障；绝大部分高性能计算应用在集群架构上开发和调试，应用支持程度高，可以确保高性能计算平台的建设成功。
正是因为具有的这些优势，集群在高性能计算领域发展迅猛，目前已经成为高性能计算的主流架构。从2012年起，TOP500榜单中关于体系架构就只剩下Cluster和MPP两位角色，其中Cluster一直占据超过80％的装机份额，在中小规模高性能计算系统中更是占统治地位。
图：TOP500中体系架构份额历史统计
1.1.5.2处理器
处理器是高性能计算机的核心，很大程度上决定了高性能计算机的计算性能。随着x86处理器在PC消费级市场的繁荣，其触角逐渐延伸到高性能计算领域。另一方面，随着开放式集群架构在高性能计算领域的统治地位确立，市场占有率大、性价比高的x86处理器也成为自然合理的选择。自2000年开始，Intel和AMD的x86处理器在高性能计算市场占有率迅速扩大，逐渐蚕食掉了Alpha、MIPS、Power、SPARC、PA-RISC等RISC处理器的市场。
2015年6月发布的TOP500榜单中，共有427台系统（占比85.4％）采用Intel处理器，
其中仅Intel Xeon处理器E5家族就贡献了80％，令其他厂商望尘莫及。IBM Power处理器的份额稳定在35台，占比7％；AMD Opteron家族的占有量是20台（占比4％）。
从处理器多核角度来看，目前有96％的系统采用6核及以上核心，85％的系统采用8核及以上核心，39％的系统采用10核及以上核心。从趋势来看，虽然8核仍是HPC系统的主流配置但应用逐步收窄，而10核和12核处理器的市场份额将会进一步扩大。
图：TOP500中处理器份额历史统计
此外，随着GPU、Intel MIC、FPGA等加速器/协处理器的出现，CPU不再是高性能计算领域计算单元的唯一选择。相比于CPU，这些协处理器的浮点运算能力更强、任务处理模式更简单，非常适合部分高性能计算应用。使用协处理器可以大大提升高性能计算机的计算性能，分担CPU的处理负载。全球HPC TOP500中协处理器的使用越来越多，其中包括2015年6月连续四次蝉联TOP500第一的天河二号，2012年11月TOP500全球第一的Titan，2010年11月全球第一的天河-1A，以及2010年6月全球第二的曙光星云系统。在协处理器的市场份额中，Nvidia GPU占据主导，AMD ATI GPU也有一定市场，Intel MIC（Xeon Phi）增长迅速，以PEZY-SC为代表的其它类型协处理器在高性能计算中崭露头角。另外，以FPGA 为代表的可定制化的SOC具有浮点计算能力强、整体功耗低的特点，未来会快速增长。
图：TOP500中使用协处理器的系统越来越多
1.1.5.3并行编程模型
现代高性能计算机都是并行计算机，通过并行计算，降低单个任务的计算时间、提高任务的求解精度、或者扩大问题的处理规模，这些都是高性能计算机的根本目标，也是高性能计算技术发展的驱动力。
高性能计算机上的并行编程模型与计算机体系架构紧密相关。当前主流的并行编程模型与主流的高性能计算集群架构相匹配。从进程或线程的交互方式角度划分，并行编程模型主要有共享内存编程模型（Share Memory）和消息传递编程模型（Message Passing）。
共享内存编程模型一般应用在共享内存体系结构上，比如SMP、DSM、NUMA。它具有单地址空间，线程级并行，主要实现有OpenMP和Pthreads。共享内存编程模型具有并行效率高、编程容易（特别是采用编译制导的OpenMP模型）等优点，但它的可移植性和可扩展性不好。当前高性能计算集群架构的计算节点通常都是采用多路多核架构，计算节点本身为SMP或NUMA结构。因此，共享内存编程模型可以在单个集群计算节点内实现并行计算。
消息传递编程模型是分布式内存编程模型的一种，主要应用在分布式内存体系结构下，以早期的PVM（Parallel Virtual Machine）和目前主流的MPI（Message Passing Interface）为代表。传递编程模型的特点是多地址空间、进程级并行、编程相对困难、可移植性好、可扩展性好。可以广泛应用在高性能集群体系架构上，可以实现集群跨节点并行计算。
当前高性能集群的多层次结构，使得集群系统同时具备了共享内存和分布式共享内存两种体系结构的特点。根据现代集群多级并行结构的特点，很自然地考虑到可以将共享内存编程模型与分布式内存编程模型相结合。因此，MPI+OpenMP的混合编程模型得到了广泛的
应用。混合编程模型提供了节点间和节点内的两级并行机制，它的优势在于结合了进程级的粗粒度并行（例如区域分解）和线程级的细粒度并行（如循环并行）的优点。实践证明，在很多情况下，其执行效率和可扩展性高于纯MPI和OpenMP程序。
1.1.5.4互联网络
高性能计算集群是一个通过内部互联网络将松散的计算节点有效整合起来的系统架构，内部互联网络是高性能计算集群的核心技术之一。
集群系统内部互联网络主要用于以MPI为代表的并行计算程序节点间的数据网络通信，即作为计算网络使用。不同计算方法和计算程序的数据通信特征不尽相同，从类型看，有的数据交换以小数据包为主，有的大数据包交换较多。小数据包交换较多时，计算性能和效率对计算网络的延迟非常敏感，大数据包交换较多时，计算网络的带宽有关键性影响；从数据通信的频率看，有的计算方法和程序数据通信不频繁，对计算网络的性能要求不高，有的数据通信密集，对计算网络的性能要求很高。
总的来说，高性能计算机计算网络的性能对并行计算程序的并行加速比和并行扩展性有重要的影响。计算网络需要有高带宽、低延迟的特点。
与MPP等体系架构一般使用高度定制化的私有内部网络不同，高性能计算集群系统一般采用标准通用的网络技术和设备，比如以太网络、Quadrics、Myrinet、InfiniBand。其中，千兆/万兆以太网络技术发展成熟、通用性好，目前仍占有一部分市场份额；Quadrics和Myrinet在与InfiniBand的竞争中败下阵来，目前已基本在市场上消失，而InfiniBand已经成为通用高速网络的代名词，在高性能计算领域的市场份额逐年扩大，已经成为市场主流，特别是在大型、高端计算系统，InfiniBand几乎成为标配。
2015年6月发布的TOP500榜单中，就系统内部互联网络而言，InfiniBand技术已被TOP500中的249台系统所采用（占比49.8％），是TOP500中使用最广的内部网络互联技术。
图：TOP500中互联网络份额历史统计
1.1.5.5操作系统
早期高性能计算机硬件体系架构主要以MPP等封闭系统为主，操作系统一般为配套专用的Unix操作系统。随着开放标准的集群架构逐渐兴起，以及同样开放的Linux操作系统逐渐成熟，Linux操作系统被逐渐成为高性能计算机的主流。Linux的操作系统的稳定、安全、可靠、高效率、多用户、开源等特征，尤其其多用户的特征，非常适合高性能计算机的使用模式。
2015年6月发布的TOP500榜单中，各种Linux操作系统装载在多达472台HPC系统上，占比高达94.4％，走向没落的Unix此次仍顽强地维持着2％的份额。
图：TOP500中操作系统份额历史统计
1.2高性能计算在生命科学中的应用
生命科学做为21世纪最重要的科学分支之一，高性能计算在生命科学的研究和发展中起来非常重要的作用。由于测序技术的飞速发展，人类发现的基因序列数目按照指数级增长，那么对于如此数量庞大的基因进行同源性搜寻、比对、分析和遗传发育分析等等，往往伴随着巨大的数据处理量和并行计算量。同时，由于生命科学的研究对象往往是蛋白质和DNA 的大分子，对这些分子的三维结构的预测，动力学特性、热力学特性、在生命过程中如何发生作用，这些科学问题也要借助于高性能计算机。所以高性能计算机在生命科学研究中，应用非常广泛，扮演着及其重要的角色。
1.2.1基因测序数据处理
近20年来，随着人类基因组计划的相继完成和各种模式生物的基因组计划的顺利实施，以及基因测序技术的不断进步，生命科学研究得到了巨大的发展。同时，海量的有关生物序列的数据不断涌现。这些数据具有丰富的内涵，其中蕴含着大量的人类尚且不知道的生物学奥秘。
生物信息学是研究生物信息的采集、处理、存储、传播、分析和解释等各方面的一门学科，与以观察和实验为主的传统生物学研究不同，它通过综合利用生物学、计算机科学和信息技术而揭示大量而复杂的生物数据所蕴含的生物学奥秘。生物信息学把DNA序列、蛋白质序列以及其它相关生物数据作为分析对象，力求揭示DNA编码区、蛋白质、RNA基因以及其基因组中非编码序列的信息实质。
1.2.1.1测序技术介绍
DNA测序技术是现代分子生物学研究中最常用的技术。自1977年第一代测序技术问世以来，经过三十多年的发展，DNA 测序技术取得重大进展，以高通量为特点的第二代测序技术逐渐成为市场主流，以单分子测序为特点的第三代测序技术也有了明显的提升，其分别在测序特点上占有不同的优势和缺点。测序技术的快速发展，使小型化/台式高通量测序仪成为现实，这意味着大规模基因组测序将不再是大型实验室或科研中心的专利，中小型实验室、公司、临床检验中心都将能够利用高通量测序技术快速高效的获取大量信息，进行科研或开发应用。
(一)第一代测序技术
在第一台全自动测序仪出现之前，使用最为广泛的测序方法就是Sanger在20 世纪70 年代中期发明的末端终止法测序技术。Sanger也因此获得1980 年的诺贝尔化学奖。他的发明第一次为科研人员开启了深入研究生命遗传密码的大门。
原来的方法主要依靠手工操作，难以自动化。例如，它利用放射性同位素标记引物来进行DNA 梯状成像，操作十分不方便。要使用双脱氧核苷酸分别做4 个末端终止反应，然后采用平板凝胶电泳技术，用4条电泳道来分离4个反应所得产物，费时费力，试剂消耗也大，这些都严重限制了测序的通量。因此，对于开发非放射性的第一代测序技术势在必行。
最早版本的第1代测序仪是20世纪80年代中期在Cal Tech的Leroy Hood 实验室发明的。这一测序仪通过修改Sanger法得以实现。最关键的改变是采用具有颜色的荧光染料代替同位素标记。4种双脱氧核苷酸终止子被标记上不同颜色的荧光基团。另外，与最初的Sanger 法不同，荧光基团是标记在终止子上，而不是在引物上。这种不同颜色标记的方案可以实现一个反应管中同时进行 4 个末端终止反应。采用聚丙烯酰胺凝胶分离，并通过计算机荧光检测系统分析梯状反应产物。这些改进极大地提高了测序速度，减少了测序过程中的人为干扰。
次年，利用Leroy Hood实验室的技术，ABI推出了第一款半自动DNA测序仪ABI 370。在随后的20 年中，测序仪的性能得到了极大的提升。但基本工作原理直到最近才有所改变。
第1代测序仪的第2个版本出现在20 世纪末。这一版本的测序仪，其测序速度与质量得到了进一步的提高。这主要归功于两方面的工作: 第一，平板电泳分离技术被毛细管电泳所取代；第二，通过更高程度的并行化使得同时进行测序的样本数量增加。使用毛细管替代平板凝胶取消了手工上样，降低了试剂的消耗，提升了分析的速度。另外，紧凑的毛细管电泳设备的形式更易于实现并行化，可以获得更高的通量。ABI 3730 测序仪和Amersham Mega-BACE分别可以在一次运行中分析96个或384个样本。这一代测序仪在人类基因组计划DNA测序的后期阶段起到了关键的作用，加速了人类基因组计划的完成。而且由于其在原始数据质量以及序列读长方面具有的优势，这些测序仪今天还在使用之中。
通过几十年的逐步改进，第1代测序仪的读长可以超过1000 bp，原始数据的准确率可以高达99.999%，测定每千碱基序列的成本是0.5 美元，每天的数据通量可以达到600000碱基。不论这些数字如何令人印象深刻，第1代测序技术在速度和成本方面都已达到了极限。由于其对电泳分离技术的依赖，使其难以进一步提升分析的速度和提高并行化程度，并且难以通过微型化降低测序成本。因此，需要开发全新的技术来突破这些局限。
尽管如此，第1代技术是不会很快消失，它将与新的若干代测序平台并存。这些久经考验的方法可靠、准确，且已形成规模化，特别是在PCR产物测序、质粒和细菌人工染色体的末端测序、以及STR 基因分型方面，将继续发挥重要作用。
(二)第二代测序技术
随着人类基因组计划的完成，传统的测序方法已经不能满足深度测序和重复测序等大规模基因组测序的需求，这促使了以高通量为显著特征的第二代测序技术的诞生。第二代测序技术主要包括454公司的GS FLX测序平台、Illumina公司的Solexa Genome Analyzer测序平台和ABI公司的SOLiD测序平台。
454测序技术利用了焦磷酸测序原理。454测序系统是第二代测序技术中第一个商业化运营的测序平台。其在2005年最早推出了第二代测序平台Genome Sequence 20，完成支原体Mycoplasm a genitalium基因组测序。并在2007年推出性能更优的测序平台GS FLX。2010年秋，该公司自行研制的GS Junior测序仪上市，其在系统性能方面均得到提升。目前，GS Junior测序仪平均读取长度长达400bp，每次运行得到超过35MB高质量过滤后的数据，准确率达99%，平均运行时间为10小时，更适合规模较小的实验室。与第二代测序平台相比，454技术最大的优势在于较长的读取长度，使得后继的序列拼接工作更加高效、准确。但是，454技术无法准确测量同聚物的长度，其技术的主要错误主要来源于核苷酸的插入或缺失。
Solexa测序技术主要采用边合成边测序的方法(SBS)。2009 年，Solex推出了对读测序的方法，使得在技术层面上取得了进步。目前，新一代的Illumina HiSeq 2000测序仪的读取长度长达2×100bp，每次运行能够得到大约200Gbp 的数据，精确度达99.5%以上，使得在后续的序列拼接工作的计算量和难度上均有所增加。Solexa技术在合成中每次只能添加一个dNTP，很好的解决了同聚物长度的问题，其技术的主要错误主要来源是核苷酸的替换，其错误率大约在1%-1.5%之间。
SOLiD技术利用了DNA连接酶测序的方法，通过连接反应进行测序。其基本原理是以四色荧光标记的寡核苷酸进行多次连接合成，取代传统的聚合酶连接反应。SOLiD是ABI 公司于2007年底推出的全新测序技术，目前已发展到SOLiD 4 Plus，其读长达到50bp，每次运行能够得到80-100Gbp的数据量。（sdarticle）最新研发出来的5500xl solid系统（SOLiD4hp）每次运行能够得到240Gbp数据量，其准确率达到99.94%。然而，尽管新一代测序技术优势多，其局限性也不容忽视，测序速度提高了，但是测序产生的海量数据却为后续的分析与存储带来了巨大的挑战。
浅谈对生命科学进展的认识 生命科学对于我们来说既熟悉又陌生。当我们说到基因、细胞、组织、器官等的时候，我们觉得好熟悉，这就是生命科学；但当我们更深入的了解基因，了解细胞的时候，我们感觉真的好陌生，感觉我们并没有真正的了解生命科学。 当代的生命科学涉及和覆盖的范围很广，面面俱到的讲解对它的认识，做到的只能是面面都不俱到。因此，我打算只挑肿瘤这方面的内容，来“侃侃而谈”一番。 一．什么是肿瘤 肿瘤（tumour）是指机体在各种致瘤因子作用下，局部组织细胞增生所形成的新生物。根据新生物的细胞特性及对机体的危害性程度，又将肿瘤分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类，而癌症即为恶性肿瘤的总称。良性肿瘤和恶性肿瘤的区别，如下图 二．引起肿瘤的原因 肿瘤在本质上是基因病。各种环境的和遗传的致癌因素以协同或序贯的方式引起DNA损害，从而激活原癌基因和（或）灭活肿瘤抑制基因，加上凋亡调节基因和（或）DNA修复基因的改变，继而引起表达水平的异常，使靶细胞发生转化。被转化的细胞先多呈克隆性的增生，经过一个漫长的多阶段的演进过程，其中一个克隆相对无限制的扩增，通过附加突变，选择性地形成具有不同特点的亚克隆（异质化），从而获得浸润和转移的能力（恶性转化），形成恶性肿瘤。 1.内因 如果机体内部的某些条件或状况适合外界环境中致癌物质的作用，这些人群就具备了癌症发病的内因。包括精神因素、内分泌失调、免疫缺陷与遗传因素等。约有60％的癌症患者在发病前有明显的精神创伤史。内分泌紊乱可能与乳腺癌、
前列腺癌发病有关。先天性免疫缺陷或长期应用免疫抑制药的人群中，肿瘤的发病率较高。遗传因素与癌的发病有密切关系，如患有错构瘤病综合征、遗传性皮肤病、染色体脆弱综合征等遗传病者，约10％发生恶性肿瘤，一些致癌外因诱发肿瘤时也都通过遗传因素起作用。 2.外因 外界致癌因素是引起癌症的重要刺激因素，大约80％～90％的癌症是由环境因素引起的。已知致癌因素有化学、物理、生物、营养等几种，较重要的有以下几项： ①吸烟与被动吸烟。肺癌病人中吸烟者是不吸烟者的10倍；吸烟者肺癌、喉癌、食管癌、膀胱癌、口咽癌的发病率也比不吸烟寄生虫引发人类肿瘤者高。吸烟量与癌症发病关系尚不明确，即使接触烟草的烟雾量不大也会发生癌症。近年来还发现，经常生活在嗜烟者烟雾环境中的不吸烟者，发生癌症的机会也多。 ②职业因素。因长期接触煤焦油、芳香胺或偶氮染料、亚硝胺类化合物等而致的职业性癌，可占全部癌症的2％～8％。职业性癌一般有相当长的潜伏期，发生在皮肤、泌尿道、呼吸道等部位的职业性癌较常见。 ③放射线及紫外线。电离辐射（X射线、γ射线）所诱发的癌症约占全部癌症的3％，紫外线照射可诱发皮肤癌或恶性黑色素瘤。 ④膳食。人类的饮食结构和习惯与消化道癌关系密切。膳食中脂肪过多易诱发乳癌、大肠癌；水果和蔬菜可降低大肠癌的发病；有些食品添加剂具有致癌作用；腌、熏食品和一些蔬菜、肉类、火腿、啤酒中可能含有致癌的亚硝酸盐和硝酸盐；含有黄曲霉毒素的食品与肝癌发病可能有关。 ⑤药物。治疗癌症的各种抗肿瘤药特别是烷化剂，本身也具有致癌作用；此外，某些解热镇痛药、抗癫痫药、抗组胺药、激素类等与癌症的病因有关。 ⑥寄生虫与病毒。血吸虫病可引起膀胱癌；中华分枝睾吸虫可引起胆管癌。迁延性乙型肝炎所致的肝硬变患者容易发生肝癌；单纯疱疹病毒与宫颈癌的发病有关。许多病毒可以诱发动物肿瘤，但在人类尚缺乏直接证据。 三．肿瘤的治疗方法 （1）手术治疗 理论依据：肿瘤是一类以"局部肿块病变"为主的"全身性"疾病，因此，从理论上讲，手术切除局部肿块可以起到治疗肿瘤的作用，也应作为治疗肿瘤的主要手段。临床实践也证明了这两点：对于大多数肿瘤来说，手术常是目前的主要治疗手段；手术确能治愈部分病例。 适应证：早期、中期和局限性肿瘤的根治性治疗，晚期肿瘤的姑息治疗。 优缺点：手术是一种机械手段，局部病变治疗彻底，不存在化疗耐药、放
谈谈你对分子生物学未来发展的看法？ 21世纪是生命科学世纪，生物经济时代，分子生物学的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类认识论上的重大飞跃。生命活动的一致性，决定了二十一世纪的生物学将是真正的系统生物学，是生物学范围内所有学科在分子水平上的统一。 分子生物学是目前自然学科中进展最迅速、最具活力和生气的领域，也是新世纪的带头学科。 分子生物学的研究将带动生物科学全面迅速地发展，生物科学的众多分支学科，将在更高层次上实现理论的大综合。 5、比较原核、真核基因组的特点（上海第二军医大硕士研究生入学考试试题） 一、原核生物基因组结构特点 1、基因组很小，大多只有一条染色体 2、原核生物基因主要是单拷贝基因 3、结构简炼 4、存在转录单元(trnascriptional operon)、多顺反子(polycistron) 5、有重叠基因 二、真核生物基因组结构特点 1、真核基因组结构庞大 2、含有大量重复序列 3、非编码序列多 4、转录产物为单顺反子 5、基因不连续性 6、存在大量的顺式作用元件。 7、存在大量的DNA多态性 8、端粒结构 2、简述RNA转录的基本概念基本过程？ 转录(transcription)：DNA分子中的遗传信息转移到RNA分子中的过程称为转录。转录产物有mRNA ，tRNA和rRNA。 转录的基本过程：
1）无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程都包括：模板识别、转录起始、通过启动子及转录的延伸和终止。 2）全酶上的因子辨认DNA模板上的起始位点，使全酶结合在起始位点上形成全酶-DNA复合物，从而开始“起始反应”； 3）转录开始后，因子立即从复合物上脱落，由核心酶催化RNA的合成； 4）当转录到一定长度时，终止因子识别模板上的终止信号，终止转录，释放转录产物。 简述因子的作用 启动子的识别要靠因子来完成。 10.真核生物的原始转录产物必须经过哪些加工才能成为成熟mRNA，以用作蛋白质合成的模板？ 答：内含子的剪接、编辑、在编码及化学修饰。 简述原核和真核生物mRNA的区别？ 原核生物mRNA的特征: A、半衰期短 B、多以多顺反子的形式存在 C、单顺反子mRNA：只编码一个蛋白质的mRNA。 D、多顺反子mRNA：编码多个蛋白质的mRNA E、5’端无“帽子”结构，3’端没有或只有较短的poly（A ）结构 F、SD序列：mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。 真核生物mRNA的特征: a、5’端存在“帽子”结构 b、多数mRNA 3’端具有poly（A ）尾巴（组蛋白除外） C、以单顺反子的形式存在 什么是Pribnow box？它的保守序列是什么？
浅析高性能计算应用的需求与发展 【摘要】本文阐述了高性能计算的概念，中国高性能计算的现状和发展趋势，随后，本文进一步分析了国内高性能计算应用的需求，针对目前高性能计算的应用，本文最后分析了高性能计算应用需求的展望。 【关键词】高性能计算；应用；需求；发展 一、前言 高性能计算的应用为国内的科技发展做出了诸多的贡献，因此，国内也在致力于拓展高性能计算的应用范围，从而希望进一步的促进高性能计算的发展，为我国的科学技术的不断发展提供技术支持。 二、高性能计算概述 高性能计算(HPC) 指通常使用很多处理器（作为单个机器的一部分）或者某一集群中组织的几台计算机（作为单个计算资源操作）的计算系统和环境。有许多类型的HPC 系统，其范围从标准计算机的大型集群，到高度专用的硬件。大多数基于集群的HPC系统使用高性能网络互连，比如那些来自InfiniBand 或Myrinet 的网络互连。基本的网络拓扑和组织可以使用一个简单的总线拓扑，在性能很高的环境中，网状网络系统在主机之间提供较短的潜伏期，所以可改善总体网络性能和传输速率。 三、中国高性能计算的现状与发展 20 世纪90 年代以来，随着”神威”、”银河”、”曙光”、”深腾”等一批知名产品的出现，我国成为继美国、日本之后的第三个具备高性能计算机系统研制能力的国家，被誉为世界未来高性能计算市场的”第三股力量”。我国在高性能计算机研制方面取得了较好的成绩，掌握了研制高性能计算机的一些关键技术，参与研制的单位也由科研院发展到企业界，有力地推动了高性能计算的发展。目前，我国的高性能计算环境已得到重大改善，总计算能力与发达国家的差距逐步缩小。我国的高性能计算技术拓宽了我国科学技术研究的深度和广度，提高了我国工业的生产效率，同时也节约了很多生产成本。我国的高性能计算技术目前主要在石油行业、天气预报、核能模拟、生物工程等领域得到了广泛的应用。 但是中国高性能计算的应用还不够广、不够深入，应用水平和应用效率都比较低下。我国对高性能计算应用的投入还远远不够，应用研发力量薄弱且分散，缺乏跨学科的综合型人才，从事高端应用软件研发的单位很少，企业界基本未介入，没有良好的相互交流的组织渠道等。高性能应用软件的开发和高效并行算法研究尚不能与高端计算机发展同步，在一定程度上存在为计算机”配”软件的思想。我国高性能计算应用的研究与发明明显滞后于高性能计算机的发展。国外品牌还占领着很多关乎国计民生的关键领域和行业，国产高性能服务器的市场份额仍然偏低。
生命科学对我们日常生活的影响 摘要：现代科学技术发展极大地推进了人类社会的进步，尤其生命科学领域的进展给我们的生活带来了翻天覆地的变化，生命科学可以说已经成为当今世界最为活跃的科技领域之一。而这一领域的研究成果也正广泛应用于人类社会，在人类的衣食住行方面以及减少人类疾病和动植物病害、改善人类的营养状况，减少环境公害、保护自然资源等方面都产生了巨大的效益。 关键字：生命科学人类生活 一、引言 随着人类社会的迅猛发展，能源、资源、人口、粮食、疾病等社会问题也变得越来越严峻，然而用常规的物理化学方法又很难完全解决这些问题，但生命科学却能帮助我们很好的解决这些问题。21世纪可以说是生命科学的世纪，因为生命科学在人类生活的方方面面都产生重要的影响。我们的一举一动、一言一行都离不开生命科学；我们的吃穿住行也离不开生命科学；可以说在人类的生活中生命科学无处不在。 二、生命科学的涵义 简单的说，生命科学就是研究生命现象及其规律的科学。它既研究各种生命活动的现象和本质,又研究生物与生物之间、生物与环境之间的相互关系,以及生命科学原理和技术在人类经济、社会活动中的应用。生命科学是一门很高深的学科，包括了很多的领域，它的历史悠久，发展意义重大。 三、生命科学的发展 自古以来，人类就没有停止过对神秘的生命现象孜孜不倦的探索。17世纪前,由于科学技术水平的限制，人类对生命科学的认知也仅仅停留在好奇和崇拜的阶段，直到18世纪40年代，英国的虎克首次用自制的显微镜观察到了细胞，不久，荷兰的 Leeuwenhoek便清晰的观察了活动的细胞，并证实了细胞是所有生命的结构基础；随后18世纪60年代中期，“现代遗传学之父”---奥地利的传教士孟德尔通过豌豆实验阐明了生物遗传的两个最基本最经典的规律——分离规律和自由组合定律，开创了遗传学研究的新纪元。在19世纪50年代中期，watson 和crick共同发明了DNA的双螺旋结构，并因此获得了诺贝尔奖，DNA双螺旋结构的阐明也标志着现在分子生物学的诞生。20世纪四十至五十年代前后，生物学家们开始积极吸收数学、物理、化学等其他科学最新的研究成果及技术，对生命科学展开了分子层面的研究。进入二十世纪八十年代，生命科学更势不可挡，成为影响当代人生活的四大科学之首。目前，生命科学可以说已经成为21世纪当之无愧的第一科学。国际知名核心期刊与生命科学相关的论文占着越来越多的比例，世界优秀科技成果评选总不会离开生物科学的最新成果，无论从这些还是从对人类生活及思想的影响来看，生命科学都是当今世界科学研究的核心，最为炙手可热的领域。 四、生命科学在人类生活中
生命科学发展在人类社会发展过程中的作用 学院：化学与化工学院 专业：化学工程与工艺 日期：2012-11-3
生命科学的发展及其对人类社会的影响 摘要：本文对生命科学产生和发展过程中的几次重要科学技术革命以及这些科学技术革命对人类社会发展和进步产生的重大影响，以及可能产生的危害进行了综述。回望人类科学发展史，20世纪是人类自然科学发展史上最为辉煌的时代，其中生命科学是自然科学发展中最迅速的学科。基于生命学科与人类生存、健康、社会发展密切相关，它必然成为21世纪初的主导科学。如果说，20世纪主导科学是物理学，那么21世纪主导的将是生命科学。 关键词：生命科学科学技术革命人类社会影响 一、生命科学的产生和发展自从有了人类，就有了生命科学。早期的对生物的观察既是生命科学的开始，也是对生命现象研究的开端。后来人们对生物学的兴趣从简单观察转向了实际应用，例如对动、植物的驯化和饲养，但这些观察和应用的目的都是为了满足人类自身食物和住所的实际需求，而并非有意识的探索。可见，生命科学是在人类的生活实践中自发产生的。早期最为引人瞩目的生物学研究者是希腊哲学家亚里士多德，他对生物体进行了大量的观察，深刻地解释了许多自然现象。他研究了多种水生生物的生命史和自然史以及鸡的胚胎发育，开始了生物科学的第一次飞跃和革命。尽管这些研究还只是代表着生物研究的最初阶段，但这是人类开始有意识地将它作为一门学科来进行的研究的重要标志开始。 二、达尔文的进化论是人类思维历史上的一个转折点19世纪中叶，达尔文和华莱士分别提出自然选择理论来对生物的进化过程进行解释。他们认为遗传变异和自然选择是生物进化的原因和条件，生物在自然选择中适者生存，客观进化。达尔文进化理论的影响已远远超越了生物学界的范畴，它动摇了当时社会体系和宗教信仰的基础，否定了上帝创造人，引发了维多利亚英国社会的稳定和秩序问题。尽管目前发现了在自然界存在着许多用达尔文的进化论还难以解释的现象，达尔文的进化论也因此而受到许多新的挑战。但是，作者认为进化理论能够解释生物进化的普遍现象。另外，随着生物学的发展特别是现代生物化学、分子生物学的发展和深入，许多用达尔文进化论尚未解释的进化现象将会得到分子水平的解释。 三、ＤＮＡ双螺旋模型开创了分子水平生物学研究的新纪元1953年2月28日，沃森和克里克建立了DNA双螺旋结构，并于4月25日，在英国《自然》杂志发表了文章“核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型”。DNA双螺旋结构模型的建立，标志着人类在揭示生命遗传奥秘方面迈出了具有里程碑意义的一步。ＤＮＡ双螺旋模型的提出为现代生物化学和分子生物学的研究奠定了坚实的基础，开创了在分子水平上生物学研究的新纪元，是20世纪生物学最伟大的发现。随后在生命科学领域特别是在分子遗传学、分子生物学、生物化学以及生物工程包括基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程等研究领域产生了很多重大的成果和突破。理论上的突破也使这些学科和领域发生了一系列的技术革命，例如生物制药、动植物组织培养、转基因生物、动植物克隆、基因芯片、新品种培育等等，形成了巨大的生产力和创造力，产生了巨大的社会和经济效益。由于ＤＮＡ双螺旋模型在生命科学研究中的重要意义，沃森和克里克因此而获得1962年诺贝尔医学奖。 四、现代生命科学的研究热点在20世纪生命科学的发展有许多重大突破，提出许多新观念、新思想、新成果和新技术。特别是20世纪50年代以来，随着数理科学广泛而深刻地深入生命科学以及一些先进的仪器设备和研究技术的问世，生命科学已经从基本上是静态的、以形态描述与分析为主的学科演化发展成动态的、以实验为基础的定量的学科。为表达其鲜明的时代特征将其称为生命科学。当今的生命科学正从分析走向综合，其特征是对分子、细胞、组织、器官及整体的全方位的综合研究。如果说，20世纪生命学是分析的世纪，21世纪生命科学将从分析走向综合，将是统一生命学的世纪，并将形成崭新的生命观。新课程的内容标准首先设计了“生命体的结构层次”主题就是从整体观的角度安排的。目前，生命科学正向微观、宏观和应用三个方向纵深发展。
浅谈对生命科学的认识 对于生命科学有一个比较全面的概括----------生命科学是研究 生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。用于有效地控制生命活动能动地改造生物界造福人类生命科学与人类生存、人民健康、经济建设和社会发展有着密切关系是当今在全球范围内最受关注的基础自然科学。 生物科学主要涵盖了植物学、动物学、微生物学、神经学、生理学、组织学、解剖学等 生物技术则涉及到基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等内容 信息进行存储、检索和分析的学基因组学、蛋白学和系统生物学等方面而我自身比较感兴趣的是微生物学与植物学的交叉学科下面先以微生物学与植物学的交 2008年度国家自然科学基金项目指南中提到生命科学部一处由微生物学学科与植物学学科组成,主要受理针对微生物和植物开展的生物多样性、形态与结构、系统与进化、生理与代谢、遗传与发育等科学问题的综合研究。微生物学学科主要受理范围微生
病毒学基于微生物学的交 包括次生代谢、植物化学和天然 物学植物等。可见微生物学的研究与植物学是密不可分的同时其也是生命科学中一个重要的研究方向其应用实例有鏈霉菌在植物保護方面的應用。生物防治法是农业生态系中植物病原、昆虫与益菌或天敌等族群间维持均衡的重要策略之一。就植物病害而 下透过一种或多种拮 而达到防治植物病害的效果。链霉菌拮抗植物病原菌的原生物 的效果。 链霉菌拮抗植物病原菌的原理可分为抗生、竞争和超寄生作用。抗生作用是指拮抗菌所分泌 抑制病原菌的生长。竞争作用是拮抗菌与植物病原菌竞争养分、 制病原菌的生长及存活间接保护作物免于被病原危害。超寄生作
受破坏甚至死亡。例如利迪链霉菌WYEC108 腐霉菌菌丝的细胞壁。如果把豌豆种子粉衣以WYEC108 菌株 灰绿链霉菌可产生 霉菌 链霉菌还可产生多种可分解蛋白质、木质素、几丁质及纤维素的 、分子生物学与基因工程方面、发酵工程以及医学上的应用分子生物学与基因工程方 科学在自然科学中的位置起了革命性的变化。20世纪50年代遗传物质DNA生命活动的新纪元。此后遗传信息由DNA通过RNA传向蛋白质这一“中
浅谈生命科学的应用 生工121 徐娜 2012121104 这学期选修了生命科学导论这门课，了解到生命科学是通过分子遗传学为主的研究生 命活动规律、生命的本质、生命的发育规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关 系的科学。最终能够达到治疗诊断遗传病、提高农作物产量、改善人类生活、保护环境等 目的。今天就来谈谈生命科学与我所学专业的联系，我的专业是生物工程，方向主要的是 食品发酵，那么生命科学在食品发酵方面有哪些应用呢？ 一、基因工程技术在食品发酵生产中的应用 基因工程技术是现代生物技术的核心内容,采用类似工程设计的方法,按照人类的特殊 需要将具有遗传性的目的基因在离体条件下进行剪切、组合、拼接,再将人工重组的基因通过载体导入受体细胞,进行无性繁殖,并使目的基因在受体细胞中高速表达,产生出人类所需要的产品或组建成新的生物类型。 (一)改良面包酵母菌的性能 面包酵母是最早采用基因工程改造的食品微生物。将优良酶基因转入面包酵母菌中后,其含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖的含量比普通面包酵母显著提高,面包加工中产生二氧化碳气体量提高,应用改良后的酵母菌种可生产出膨润松软的面包。 (二)改良酿酒酵母菌的性能 利用基因工程技术培育出新的酿酒酵母菌株,用以改进传统的酿酒工艺,并使之多样化。采用基因工程技术将大麦中的淀粉酶基因转入啤酒酵母中后,即可直接利用淀粉发酵,使生 产流程缩短,工序简化,革新啤酒生产工艺。 (三) 改良乳酸菌发酵剂的性能 乳酸菌是一类能代谢产生乳酸,降低发酵产品pH值的一类微生物。乳酸菌基因表达系 统分为组成型表达和受控表达两种类型。通过基因工程得到的乳酸菌发酵剂具有优良的发 酵性能,产双乙酰能力、蛋白水解能力、胞外多糖的稳定形成能力、抗杂菌和病原菌的能力较强。 二、细胞工程技术在食品发酵生产中的应用 细胞工程是生物工程主要组成之一,是在细胞水平上改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。细胞工程主要有细胞培养、细胞融合及细胞代 谢物的生产等。细胞融合是在诱导剂作用下,使两个或两个以上的异源细胞或原生质体相互接触,从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象。细胞融合技术是一种改良微生物发酵菌种的有效方法,主要用于改良微生物菌种特性、提高目的产物的产量、使菌种获得新的性状、合成新产物等。与基因工程技术结合,使对遗传物质进一步修饰提供了多样的可能性。例如日本味之素公司应用细胞融合技术使产生氨基酸的短杆菌杂交,获得比原产量高3倍的赖氨酸产生菌和苏氨酸高产新菌株。酿酒酵母和糖化酵母的种间杂交,分离子后代中个别菌株具有糖化和发酵的双重能力。日本国税厅酿造试验所用该技术获得了优良 的高性能谢利酵母来酿制西班牙谢利白葡萄酒获得了成功。 在细胞培养方面最典型的例子是人参细胞培养成功，还有香料与色素的生产。日本利 用培养草莓细胞生产红色素的技术已成功应用于葡萄酒及食品加工之中。利用香草细胞培 养技术可大量生产香草香精。当今，白酒、果酒、酱类等食品发酵行业以使用酵母为主， 曲菌也适于酒类和酱油生产。这些行业的微生物育种目标是培养出耐乙醇酵母、耐盐酵母、耐高糖酵母、无泡酵母、耐温酵母及谷酰胺酶与蛋白质分解酶活性高的曲菌。具有重要意
浅谈环境科学与生命科学的关系 学院：环境科学与工程学院 班级：环境科学类4班 姓名：刘晓娜 学号：3011214132
所谓环境科学，就是一门研究环境的物理、化学、生物三个部分的学科。环境科学所研究的环境，是以人类为主体的外部世界，即人类赖以生存和发展的物质条件的综合体，包括自然环境和社会环境。自然环境是直接或间接影响到人类的，一切自然形成的物质及其能量的总体。而社会环境是人类在自然环境的基础上，通过长期有意识的社会劳动所创造的人工环境。 环境科学在宏观上研究人类同环境之间的相互作用、相互促进、相互制约的对立统一关系，揭示社会经济发展和环境保护协调发展的基本规律；在微观上研究环境中的物质，尤其是人类活动排放的污染物的分子、原子等微小粒子在生物体内迁移、转化和蓄积的过程及其运动规律，探索它们对生命的影响及其作用机理等。而生命科学是研究生命现象和生物活动规律的科学。是研究生物各个层次的种类、结构、功能、行为、发育和起源进化以及生物与周围环境的关系等的科学。 由定义可得知，环境科学作为生命科学的一个应用领域，与生命科学息息相关，环境科学的发展需要生命科学，生命科学的发展也需要环境科学。理论指导应用，应用检验理论，二者的关系是密不可分的。 我们已经了解到，环境科学研究的环境包括自然环境和社会环境。自然环境是直接或间接影响到生物的，一切自然形成的物质及其能量的总体。自然环境的研究显然离不开生命科学的理论支持，只有了解了生命现象和生物活动的规律，我们才能更好地研究环境科学。而社会环境是人类通过社会劳动所创造的人工环境。人工环境里，例如人工湖，人工河，绿化的设计就必须遵循生命科学。一旦违背了生物活动规律，就会产生严重的后果。例如：天津市民一直都很关注的卫津河历久而不改其臭的现象。卫津河位于天津市中心的位置，河边就坐落着天津大学,南开大学等高等学府。这条河,经过了多次治理,但其"臭气熏天"的现象历久未变。冬天会好一点，河上冻了，臭气出不来。到了夏季，就是"臭气熏天"的状态。这就是因为其最初的设计没有考虑到人工河流与生物的之间的有机结合，致使卫津河生态自净能力过低。目前，只能通过修建两处拦河橡胶坝，定期更换河水的办法来保证卫津河的清澈。 从环境科学的主要任务来看，我们也可以得出二者是相互作用、息息相关的。：环境科学的第一任务是探索全球范围内环境演化的规律。环境总是不断地演化，环境变异也随时随地发生。在人类改造自然的过程中，为使环境向有利于人类的方向发展，避免向不利于人类的方向发展，就必须了解环境变化的过程（包括环境的基本特性、
浅谈细胞生物学的发展 岳增海 著名科学家E.B.Wilson早在1952年就说过，“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻找”。悠悠300余年，关于细胞的研究硕果累累；近50年来更进入了分子水平，老树又绽新花。许多研究成果已经或将要走进我们的生活：植物细胞在培养瓶中悄然长成幼苗；动物体细胞核移植诞生了克隆动物；不同生物细胞间DNA的转移创造出新的生物类型及其产品；病危的生命期盼着干细胞移植的救助…… 1665年英国学者胡克用自制的显微镜第一次开启了细胞的世界，至此拉开了对细胞探索的序幕。谈起细胞生物学，不得不提的是建立于19世纪的《细胞学说》。《细胞学说》的建立可谓是自然科学史上的一座丰碑。《细胞学说》的两位建立者——德国科学家施莱登和施旺。经过长时间不断的探索和研究，分别从结构、功能和分裂三个方面对细胞进行了探究，并从中提炼出了三个要点，构成了《细胞学说》的主体。《细胞学说》的建立，不仅为达尔文的《进化论》奠定了基础，更为后人对细胞生物学的研究，做出了巨大贡献。 但是仅限从显微镜下的观察对于细胞的研究远远不够，在细胞学说创立的100年间，人们对细胞的研究基本停留在简单观察和形态描述的水平，细胞在生物学家的眼中多多少少还像一团胶状物，里面杂乱地散布着一些含混不清的东西。此时出现了一名科学家——美国的细胞生物学科学家克劳德，他决心把细胞内部的组分分离开，探索细胞内组分的结构和功能。当时分离细胞器所遇到的困难是今天的人们难以想象的。许多人对他冷嘲热讽，认为把好好的细胞弄碎是毫无意义的。但是克劳德坚信，要深入了解细胞的秘密，就必须将细胞内的组分分离出来。经过艰苦的努力，他终于摸索出采用不同的转速对破碎的细胞进行离心的方法，将细胞内的不同组分分开。这就是一直沿用至今的“转速离心法”。 如果说《细胞学说》是通往细胞生物学的一扇门，那么我认为克劳德的“转速离心法”便是这扇门的钥匙。这种方法的发现，使人类对细胞内部的进一步探究，有着非常重要的意义。 由于分子生物学概念、方法与技术的引入，细胞生物学在近三十年取得了重大突破性的进展，随着对细胞内更深入的探究，人类发现了细胞中一个新的世界。细胞中每个组分如此精巧，一个个小小的细胞器，在细胞中都起到了非常关键的作用。霍中和院士在《细胞生物学》中写到：“我确信哪怕最简单的一个细胞，也比迄今为止设计出的任何只能电脑更精巧。”人类也曾经试图组装出一个细胞。1990年，科学家发现人体生殖道支原体可能是最小、最简单的细胞。1995年，美国科学见文特尔领导的研究小组，对这种支原体的基因组进行了测序，发现它仅有480个基因。如果在480个基因中辨认出对细胞生活必不可少的“基本基因”，那么就有希望人工合成这些基因——一段不很长的DNA分子。
浅谈细胞生物学未来情况 11生科111003015 康明辉 摘要：著名生物学家威尔逊早在20世纪20年代就提出“一切生物学关键问题必须在细胞中找寻”。细胞是一切生命活动结构与功能的基本单位，细胞生物学是研究细胞生命活动基本规律的科学。细胞生物学的研究范围广泛，其核心可归结为遗传和发育问题。遗传是在发育中实现的，而发育又要以遗传为基础。当前细胞生物学的主要发展趋势是用分子生物学及物理、化学方法，深入研究真核细胞基因组的结构及其表达的调节和控制，以期从根本上揭示遗传和发育的关系，以及细胞衰老、死亡和癌变的原因等基本生物问题，并为把遗传工程技术应用到高等生物，改变其遗传性提供理论依据。20世纪90年代以来，分子生物学取得很大进展，这些进展促进了细胞结构和功能调控在分子水平上的研究 关键词：细胞遗传生物学发育 细胞生物学的研究范围广泛，其核心可归结为遗传和发育问题。遗传是在发育中实现的，而发育又要以遗传为基础。当前细胞生物学的主要发展趋势是用分子生物学及物理、化学方法，深入研究真核细胞基因组的结构及其表达的调节和控制，以期从根本上揭示遗传和发育的关系，以及细胞衰老、死亡和癌变的原因等基本生物问题，并为把遗传工程技术应用到高等生物，改变其遗传性提供理论依据。20世纪90年代以来，分子生物学取得很大进展，这些进展促进了细胞结构和功能调控在分子水平上的研究。 目前对细胞研究在方法学上的特点是高度综合性，使用分子遗传学手段，对新的结构成分、信号或调节因子的基因分离、克隆和测序，经改造和重组后，将基因（或蛋白质产物）导入细胞内，再用细胞生物学方法，如激光共聚焦显微镜、电镜、免疫细胞化学和原位杂交等，研究这些基因表达情况或蛋白质在活细胞或离体系统内的作用。分子遗传学方法和细胞生物学的形态定位方法紧密结合，已成为当代细胞生物学研究方法学上的特点。另一方面，用分子遗传学和基因工程方法，如重组DNA技术、PCR、同源重组和转基因动植物等，对高等生物发育的研究也取得出乎意料的惊人进展。对高等动物发育过程，从卵子发生、成熟、模式形成和形态发生等方面，在基因水平的研究正全面展开并取得巨大进展。自从“人类基因组计划”实施以来，取得了出乎意料的迅速进展。2000年6月，国际人类基因组计划发布了“人类基因组工作框架图”，可称之为“人类基因草图”，这个草图实际上涵盖了人类基因组97％以上的信息。从“人类基因组工作框架图”中我们可以知道这部“天书”是怎样写的和用什么符号写的。2001年2月，包括中国在内的六国科学家发布人类基因组图谱的“基本信息”，这说明人类现在不仅知道这部“天书”是用什么符号写的，而且已经基本读懂了这部“天书”。其他典型生物的基因组研究有的已经完成，有的正在进行。在对从低等到高等的不同生物门类的基因组、调控基因群，以及发育调控模式比较研究的基础上，已开始对发育和进化的关系进行探索。在基因和细胞水平，对遗传、发育和进化关系的探索已展现出乐观的前景。“后基因组时代”的生物学任务是基因组功能的研究，即对细胞的基因表达谱和蛋白质谱的研究，这些都将从根本上影响未来细胞生物学的发展趋向。正如过去各种生命现象的奥秘都要从细胞的结构和功能活动中寻求解答一样，目前对细胞的结构和功能，也要从基因组的结构和功能活动中寻求解答。基因、细胞和发育将是贯穿细胞生物学研究的主
制造行业中的高性能计算主要应用及其特点 制造行业的高性能计算用户主要分成两类：1) 实际制造企业，如汽车设计制造厂商、航空工业企业、电力企业及消费产品生产商等。这一类用户通过高性能计算技术来提高产品的性能，减低成本，同时缩短产品的设计、生产周期，以使企业在市场上更具竞争力；2）研发单位，如政府、国防和大学中涉及制造行业的部门或专业。这一类用户的目标是利用高性能计算技术改善设计方法，提高设计水平从而为实际生产服务。 下图给出了制造行业中采用计算机进行产品开发的流程，包括建模、前处理（模型修改和网格生成）、计算分析、交叉学科综合及后处理几个部分。其中高性能计算主要应用于计算分析部分，统称为计算机辅助制造工程（MCAE ）。 MCAE 可以分为隐式有限元分析（IFEA ）、显式有限元分析（EFEA ）和计算流体动力学（CFD ）三个子学科，如下图所示。几乎所有的制造企业的高性能计算都依赖于独立软件开发商（ISV ）提供的商业软件，只有计算流体动力学中结构网格计算类型的软件是以用户自己开发为主。因此制造行业中的高性能计算具有与教育科研领域不同的特点，用户在购买硬件平台的同时通常会购买相应的科学计算软件产品，而且在某种程度上往往是应用软件的特性决定了硬件平台的选择。 建模
下表中给出了MCAE常用的应用软件，并列出这些软件的特点、可扩展性及其对系统要求。从表中可以看到，隐式有限元分析（IFEA）软件的可扩展性不好，通常不会高于10个处理器。这是由隐式算法本身决定的，因为采用隐式算法的程序并行通常是细粒度的并行，并行开销要远大于可以采用粗粒度并行的显式算法。针对其可扩展性有限的特点，为这类用户推荐系统时可以考虑p650，p655，及p670这样中档服务器。另外显式有限元分析（EFEA）软件和结构网格计算流体动力学（CFD Structured）软件对CPU的性能要求很高，对I/O的要求较低，同时对带宽和延迟的要求也不高，可以看出这种类型的应用可以较好地运行在MPP结构类型的系统上，尤其是用类似p655或p690这样多CPU服务器作为节点的Cluster1600系统。
浅谈生命科学的发展对人类生活的影响 12310432 王正化学学院12级环境科学 摘要回顾了生命科学的主要发展历程，对20世纪中叶以来生命科学的发展趋势作了简要介绍。20世纪70年代诞生的基因工程及PCR技术、克隆技术和干细胞研究等现代生物技术，使生命科学的发展进入了一个新阶段．这些以创造或改变生物类型及生物机能为目标的现代生物技术已成为新技术革命的三大支柱之一。通过探寻生命本质及生长发育、疾病、衰老等奥秘，揭示生命现象的内在规律。随着生物技术在医药、食品化工、农业、环保以及能源、采矿等工业部门中的广泛应用，它正在对人类经济及社会生活和社会进步产生深刻而广泛的影响。 关键词生命科学生物技术人类生活影响 1 生命科学的概念 简单来说生命科学就是研究生命现象及其规律的科学。它既研究各种生命活动的现象和本质，又研究生物与生物之间、生物与环境之间的相互关系，以及生命科学原理和技术在人类经济、社会活动中的应用。它是由多个基础学科、应用学科及交叉学科协同发展构成的综合学科群。 随着生命科学的发展，人们逐步认识到生命是高度组织化的物质结构，其分子基础是蛋白质和具有自我复制和负载遗传信息功能的核酸等生物大分子。生命具有新陈代谢、生长发育、遗传变异和对刺激反应等特征。这些特征是生命活动的具体反映。生命科学就是研究生命运动及其规律的科学。 2 生命科学的发展历程 生命科学是一门历史悠久的学科。在人类文明的初期，人们就注意到了生命与非生命的区别，并对生物进行观察、描述，收集整理了大量的材料。l7世纪前，由于科学技术水平的限制和神学对人们思想的桎梏，古老的生物学始终停留在观察和描述阶段。到l8世纪，伴随工业革命和自然科学的发展，对生物进行分门别类的研究成为主要课题，林奈(C．Linnaeus)总结了前人的成果，建立了系统分类学。l9世纪，物理学和化学进一步发展，新技术不断地应用于生物研究，使生物学由描述性的学科发展为实验性的学科。1838—1839年，德国的植物学家施莱登(M．J．Schleiden)和动物学家施旺(T．Schwann)分别通过对植物和动物细胞的研究，提出了细胞学说：一切生物的基本构造单位是细胞。英国科学家达尔文
高效液相色谱法在生命科学中的应用 高效液相色谱在生命科学中的应用范围越来越广，高效液相色谱由于具有高选择性、高灵敏度，并可同时用于有关物质检查与含量测定的特点，已成为医药研究的有力工具。如在中草药有效成分的分离和纯度测定、人工合成药物成分的定性和定量测定、新型高效手性药物中手性对映体含量的测定以及药物代谢物的测定等方面都需要用到HPLC的不同测定方法予以解决。而目前高效液相色谱的蒸发现了它在生命科学中的重要地位。光散射检测器的应用更体现了它在生命科学中的重要地位。1天然药物分析 天然药物的来源有动物、植物和矿物之分，其中以植物类为主。由于天然药物的化学成分复杂，其有效成分，可能有一个，也可以有多个，这对于控制药品质量，建立质量标准来说比较困难，HPLC可通过对天然药物的有效成分进行分离鉴定，再测定有效成分的含量；通过指纹图谱建立识别模式，可以判定药材的质量高低。 2 天然药物及复方成药分析 复方制剂、杂质或辅料干扰因素多的品种多采用高效液相色谱法。增免扶正片系由当归、党参、黄芪（图3）等十几味天然药物精制而成，具有益气生津、活血养血、滋补肝肾、健脾开胃之功效，主要用于抗缺氧、抗疲劳、抗衰老，长期服用可扶正祛邪，提高机体免疫功能，健身强体，益寿延年。该药对心、肝、脾、肾虚、纳差、心脑血管疾病、神经衰弱、
慢性肝炎、脂肪肝等都有较好的防治作用。 由于化学药品的开发费用昂贵，而且毒副作用大，近年来人们已把目光转向自然、民族传统医药、草药、植物药等天然药物，据世界卫生组织统计，当前全世界60多亿人口中80％的人使用过天然医药。在全世界药品市场中，天然物质制成的药品已占30％，国际上植物药市场份额已达300亿美元，且每年以20％以上的速度增长。HPLC分析必定能为我国传统中医药实现现代化，走向世界提供强有力的技术支持。 3 抗生素分析 抗生素是由微生物或其他方法产生的化学物质，在高度稀释的情况下仍具有抑制或杀灭其他微生物的性能。抗生素的分离、分析和定量测定是药物分析中较困难的领域。采用较多的方法是微生物法、分光光度法和化学方法，但所需时间较长、专一性较差。 HPLC分析技术近年来在抗生素的质量控制中已广泛应用。对结构、组分等较清楚的药物，HPLC分析将逐步取代传统的生物测定。目前，各国药典中应用HPLC技术对抗生素进行质量控制的项目包括鉴别、组分分析、含量测定和相关物质测定等。 4 在鉴别中的应用 在HPLC法中,保留时间与组分的结构和性质有关,是定性的参数,可用于药物的鉴别.如中国药典收载的药物头孢羟氨苄的鉴别项下规定:在含 量测定项下记录的色谱图中,供试品主峰的保留时间应与对照品主峰的保留时间一致.头抱拉定,头孢噻酚钠等头孢类药物以及地西泮注射液,曲安奈德注射液等多种药物均采用HPLC法进行鉴别.
高性能计算在生命科学中的应用
目录 1.1 高性能计算的发展现状 (3) 1.1.1 高性能计算概述 (3) 1.1.2 高性能计算的应用需求 (3) 1.1.3 国外高性能计算发展现状 (4) 1.1.4 国内高性能计算发展现状 (5) 1.1.5 高性能计算机关键技术发展现状 (7) 1.2 高性能计算在生命科学中的应用 (13) 1.2.1 基因测序数据处理 (13) 1.2.2 蛋白质结构研究 (34) 1.2.3 计算机辅助药物设计 (50)
1.1高性能计算的发展现状 1.1.1高性能计算概述 高性能计算（High Performance Computing，简称HPC）是计算机科学的一个分支，研究并行算法和开发相关软件，致力于开发高性能计算机（High Performance Computer），满足科学计算、工程计算、海量数据处理等需要。 自从1946年设计用于导弹弹道计算的世界上第一台现代计算机诞生开始，计算技术应用领域不断扩大，各应用领域对计算机的处理能力需求越来越高，这也促使了高性能计算机和高性能计算技术不断向前发展。随着信息化社会的飞速发展，人类对信息处理能力的要求越来越高，不仅石油勘探、气象预报、航天国防、科学研究等需求高性能计算机，而金融、政府信息化、教育、企业、网络游戏等更广泛的领域对高性能计算的需求也迅猛增长。1.1.2高性能计算的应用需求 应用需求是高性能计算技术发展的根本动力。传统的高性能计算应用领域包括：量子化学、分子模拟、气象预报、天气研究、油气勘探、流体力学、结构力学、核反应等。随着经济发展和社会进步，科学研究、经济建设、国防安全等领域对高性能计算设施及环境提出了越来越高的需求，不仅高性能计算的应用需求急剧增大，而且应用范围从传统领域不断扩大到资源环境、航空航天、新材料、新能源、医疗卫生、金融、互联网、文化产业等经济和社会发展的众多领域。 当前，世界和中国面临诸多重大挑战性问题。比如，全球气候出现快速增温的事实使“应对气候变化”成为各国政治、经济和社会发展的重大课题，为了进一步消减“温室效应”和减少碳排放，实现可持续发展的低碳经济，新材料的发现、设计与应用迫在眉睫；随着化石能源的日益枯竭和环境的日趋恶化，新能源的开发势在必行；随着科技的发展，人类迈向太空的脚步逐渐加快，空间资源的争夺和战略性部署竟然愈发激烈，航空航天领域作为此项重大科研技术活动的基础支撑，投入将持续扩大；为了攻克重大疾病、进一步提高人口健康质量，生命科学与新药制造已成为技术发展和经济投入的重要增长点；随着互联网技术不断发展，借助海量数据与高性能计算的力量使得人工智能研究不断取得新的突破，各大互联网企业对高性能计算的投入将持续增加；在国际竞争的大环境下，基础科研实力是高新技术发展的重要源泉，是未来科学和技术发展的内在动力，也是实现国家经济、社会和环境可持续性发展的重要途径，基础科学研究的投入也将持续增长。
浅谈免疫学在生物学、医学、药学等领域的应用 摘要：免疫学技术在国内外的应用已是日趋广泛。近年来，由于任何有关抗原抗体的研究均可使用免疫技术，使免疫学技术早已超越了医学领域，广泛应用于植物学、动物学、药学、生物学等其他科学领域，免疫学技术本身也在迅速发展。免疫学是生命科学及医学领域中的前沿学科,本文仅就免疫学在某些领域的具体应用做简要的评述。 关键词：免疫酶；免疫检测；免疫和中医药 一、免疫学在分子生物学中的应用 免疫学技术已从早年应用于微生物学发展到应用于分子生物医学研究的许多方面。目前，它已成为兴学科生物学研究的重要工具之一。在此次免疫技术涉及的分子生物学应用中，我们所涉及到免疫电泳技术、放射免疫技术、免疫酶技术、免疫荧光定位技术等等，我们就免疫酶技术做一概述。 免疫酶技术是一项定位，定性和定量的综合性技术，已是将一定的酶通过共价桥而标记抗体，在抗原抗体结合时，酶与底物作用，产生有色物质，对后者可进行定位或定量检测。现已有酶免疫测定法，酶联免疫吸附试验和均向酶免疫测定等方法。后一种方法是利用游离抗原与标记抗原竞争结合抗体，如果游离抗原浓度高，就会抢去抗体，使供氢体得以接触酶而使酶的活性增加。用分光光度记可测出反应前后酶活性的变化。免疫酶技术如与新技术进一步结合，可提高其灵敏度和可靠性。
二、免疫学在医学中的应用 免疫学在医学中广泛应用于传染病预防，疾病治疗，免疫诊断。现代免疫学认为，机体的免疫功能是对抗原刺激的应答，而免疫应答又表现为免疫系统识别自己和排除非己的能力。免疫功能根据免疫识别发挥作用。这种功能大致有对外源性异物(主要是传染性因子)的免疫防御；去除衰退或损伤细胞的免疫，以保持自身稳定；消除突变细胞的免疫监视，即免疫防御，免疫自稳，免疫监视。 免疫学细胞免疫测定。 近代免疫学广泛采用了细胞生物学、免疫血清学、免疫标记、免疫组化等多方面技术，不断发展和完善了一系列细胞免疫检测技术，用于检测各类免疫细胞的表面标志(包括抗原及受体)、细胞的活化、增殖、吞噬、杀伤功能、各种细胞因子的活性或含量等方面。这些技术为深入研究和认识机体免疫系统的生理、病理改变，阐明某些疾病的发病机制和临床诊治提供了有用的手段。随着细胞免疫学的迅猛发展，时有新的细胞免疫检测技术出现。近年来，新发展的项目集中在对有关细胞因子以及细胞受体方面的检测。我们以此为例简述淋巴细胞转化试验。 淋巴细胞转化试验：人类淋巴细胞在体外与特异性抗原(如结核菌素)或非特异性有丝分裂原(如植物血凝素，PHA)等一起孵育，T细胞即被激活而向淋巴母细胞转化。T细胞转化过程可伴随有DNA、RNA、蛋白质的合成增加，最后导致细胞分裂。在光学显微镜下可计数转化后
计算机技术的发展趋势 及实际应用 集团标准化小组：[VVOPPT-JOPP28-JPPTL98-LOPPNN]
计算机技术的发展趋势及实际应用 导言：二十世纪80年代后，计算机技术的发展日新月异，传统计算机技术将持续发展，新的计算机技术、新领域的计算机技术应用，使计算机技术成为当今与人类息息相关的一门重要科学技术。本文对计算机技术发展和应用的相关方面进行了介绍，包括计算机技术的发展和现状、新型计算机系统和计算机技术、计算机智能化发展等，以及计算机技术的实际应用，如在科学技术前沿阵地的电厂中的应用以及电厂的计算机自动化控制发展趋势。 2016年3月，互联网上，各大门户网站的首页，都大篇幅报道“阿尔法人机大战”，最终人工智能以4：1战胜围棋大师李世石，这是google以研发的人工智能挑战人类智能的方式，宣告其计算机技术人工智能化的重大突破和应用。这篇报道，说明计算机技术的发展，已经走进人工智能发展的时代。 从世界上第一台电子计算机ENIAC问世至今已经将近70年，它的问世对人们的生活有着革命性的影响。20世纪后期，计算机技术开始逐步应用到社会的各个角落，计算机的性能也获得了提升。不管是家庭、还是企业、机关，计算机都广泛地发挥着作用，成为人们工作生活中不可获取的一部分。现今的计算机在运算性能、应用领域和生产成本等各方面取得了空前的发展，其未来的发展趋势在很大程度上决定了很多行业的发展速度，也将会是影响整个社会进步的一个重要因素。 计算机的发展趋势将趋向超高速、超小型、平行处理和智能化，量子、光子、分子和纳米计算机将具有感知、思考、判断、学习及一定的自然语言能力，使计算机进入人工智能时代。 1.未来计算机技术的发展趋势 1.1多极化趋势 如今，个人计算机已席卷全球，但由于计算机应用的不断深入，对巨型机、大型机的需求也稳步增长，巨型、大型、小型、微型机各有自己的应用领域，形成了一种多极化的形势。如巨型计算机主要应用于天文、气象、地质、核反应、航天飞机和卫星轨道计算等尖端科学技术领域和国防事业领域，它标志一个国家计算机技术的发展水平。目前运算速度为每秒几百亿次到上万亿次的巨型计算机已经投入运行，并正在研制更高速的巨型计算机。 1.2 网络化趋势 网络化是计算机发展的又一个重要趋势。从单机走向联网是计算机应用发展的必然结果。所谓计算机网络化，是指用现代通信技术和计算机技术把分布在不同地点的计算机互联起来，组成一个规模大、功能强、可以互相通信的网络结构。网络化的目的是使网络中的软件、硬件和数据等资源能被网络上的用户共享。目前，大到世界范围的通信网，小到实验室内部的局域网已经很普及，因特网（Internet）已经连接包括我国在内的150多个国家和地区。由于计算机网络实现了多种资源的共享和处理，提高了资源的使用效率，因而深受广大用户的欢迎，得到了越来越广泛的应用。