电子信息工程与生物学的融合

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1、电子信息工程与生物学的融合生物技术与信息的应用信息工程学院：电子信息工程 任课老师：司万童姓名：李庆慧 上课时间：星期二、四学号：1067118206一、中文摘要 现代生物技术与电子信息工程方面的联系。例如：纳米技术、基因芯片、微生物摄像等领域的开发与应用。生物技术，有时也称生物工程，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，采用先进的科学技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。生物技术是人们利用微生物、动植物体对物质原料进行加工，以提供产品来为社会服务的技术。它主要包括发酵技术和现代生物技术。信息技术还有助于加强生物技术领域的各种

2、数据库管理、信息传递、检索和资源共享等。另一个仅次于基因排序器、在生物技术领域引起关注的硬件是基因芯片，它的研制也非常依赖于信息技术。在显微镜载片或硅片等基片上把基因片段排列、固定，这就是基因芯片。把这个芯片上的基因片段和检体的基因片段放到基因芯片读出器（也是一种破译装置）上，就能迅速比较和破译检体信息。 基因排序器是从零入手破译检体的遗传信息的装置，而基因芯片和其读出器则是与已经有的遗传信息相对照破译信息的装置。生物技术发展需要特定软件技术的支持。生物技术及其产业的发展对于生物技术类软件的需求将进一步增加，软件技术将成为支撑生物技术及其产业发展的关键力量之一。在生物技术各领域中均需要相应的专

3、业软件来支撑：1) 各类生物技术数据库的构建需要性能优良、更新换代迅速的软件技术；2) 核酸低级结构分析、引物设计、质粒绘图、序列分析、蛋白质低级结构分析、生化反应模拟等等也需要相应的软件及其技术支撑；3) 加强生物安全管理与生物信息安全管理也离不开软件及其技术发展的支持。二、关键字：生物学三、正文通过十六个课时的学习，对现代生物技术导论课多多少少有些了解，“生物”这个名词对很多人来说并不陌生，生物时时刻刻与我们相关联，无论在学习，工作，生活中，我们都在接触它。我对现代生物技术导论的理解：树立正确的生物学观点：树立正确的生物学观点是学习生物的重要目标之一，正确的生物学观点又是学习研究生物学的有

4、力武器，有了正确的生物学观点，就可以更迅速更准确地学习到生物学知识。所以在生物学学习中，要注意要树立生命物质性，结构域功能相统一，生物的整体性，生命活动对立统一，可持续高效发展，生物进化和生态学等观点。 1、生命物质性观点生物是有物质组成，一切生命活动都有其物质基础。从万物之灵的人类到单细胞的细菌，以及无细胞结构的病毒等，所有生物都是由碳、氢、氧、硫、磷、钙、铁、铜等几十种化学元素组成的，并且这几十种化学元素在无机自然界都是可以找到的。生物体能够完成各种各样的生命活动，而一切生命活动都是通过一定的生命物质来实现的，如果没有生命物质也就没有生命活动。2、结构与动能相统一结构与功能相统一的观点包括

5、两层意思：一是有一定的结构就必然有与之相对应功能的存在；二是任何功能都需要一定的结构来完成。例如叶的表皮是五色透明的，表皮细胞排列紧密，向外一面的细胞壁上有透明而不易透水的角质层。表皮的这种结构的存在，就既利于阳光透过，又能防止水分过多散失，保护叶内组织，有需要一定的结构来完成，这就是表皮3、生物的整体性观点系统论有一个重要的思想，就是整体大于各部分之和，这一思想也完全适合生物领域。不论是细胞水平、组织水平、器官水平，还是个体水平，甚至包括种群水平和群落破水平，都能体现出整体性的特点。例如，细胞膜、线粒体、内质网、核糖体、高尔基体、中心体、质体、液泡等细胞器都有其特有的功能，但是只有它们组成一

6、个整体细胞的时候才能完成新陈代谢的功能，如果离开了细胞的整体，单独的一个细胞是无法完成它的功能的。4、生命活动对立统一的观点生物的诸多生命活动之间，都有一定的关系，有的甚至有对立统一的关系，例如，植物的光合作用和呼吸作用就是对立统一的一对生命活动，光合作用的实质是合成有机物，储存能量；呼吸作用的实质是分解有机物，释放能量。很明显，两者之间是相互对立的呼吸作用所分解的有机物正是光合作用的产物，可以说，如果没有光合作用，呼吸作用就无法进行；另一方面，光合作用过程中，原料和产物的运输所需要的能量，也正是呼吸作用释放出的，如果没有呼吸作用，光合作用也就无法进行。因此说，光合作用和呼吸作用又是相互依存的

7、，相互联系的，共同存在的，才能使植物体的生命活动正常进行5、生物进化的观点辩证法认为，一切事物都是处在不断的运动变化之中，任何事物都有一个产生、发展和灭亡的过程生物界也不例外，也有一个产生和发展的过程，所谓产生就是生命的起源，所谓的发展就是生物的进化。生命的其源经历了从无机小分子物质生成有机小分子物质，再形成有机高分子物质，进而组成多分子体系，最后演变为原始生命的变化过程：生物的进化从简单到复杂，从水生到陆生、从低等到高等的规律。6生态学观点 生态学观点的基本内容是生物与环境之间的互相影响，也是相互依赖、相互制约的。生物与环境是一个不可分割的统一整体。人类社会的发展进程中产生了环境问题，人类与

8、环境的矛盾处于不断变化之中，永无止境。人类必须依靠科技进步和教育发展，逐步更新人口观念，提高人口素质，合理开发资源，高效利用资源，保护生态与发展的新路。电子信息工程与现代生物技术相关：信息技术是现代教学手段中辅助教学的一种工具，对生物学中抽象的、难以用传统教学方式表达的图像、例式更直观形象的表达，充分挖掘思维潜能，加速记忆，有益于培养学生的课堂理解能力，更重要的是还能促成学生知识、能力、情感三维目标的实现。1目的性原则 生物教学利用信息技术也存在一些不足的问题，因此，在教学过程中，为了避免出现“为追求外在的形式而不顾教学效果”的错误现象，必须注意以下两点：第一，要以课程教学大纲及学生接受能力为

9、主。在备课时，一定要遵循适量原则，切不可贪多求快信息量要适当，要利于学生在课堂内完成记录、思考和接受。第二，课件制作一定要适度。课件应主要针对某个教学难点、重点来设计，紧扣教学内容，切忌为追求视听效果而使课件内容华而不实。 2主体性原则 新课标要求在教学中要使学生成为学习的主体，教师成为学生学习的组织者、引导者和合作者。要增强教与学的主动性与互动性，激发学习兴趣和热情，提高教学效率。 3开放性原则 现代生物课堂教学的显著特点是教师教学观念的开放，这是一种相对而有限的开放：在观念上，教师与学生是合作学习的伙伴；在教学内容和学习方式上，不要局限于教材、课堂，不要依赖于教师的传授，途径更多，范围更广

10、。 4互补性原则 任何教学媒介既有长处，又有其局限性。有些内容运用传统媒体就能取得良好效果，如习题解析、原理推导等；而有些内容如动态的、微观的、抽象的生物情景就运用现代媒体去展示。 遵循信息技术与生物学科的整合原则，真正促进学生三维目标的达成：1信息技术与生物学教学的整合有利于知识目标的达成 由于信息技术所具有的科技特点，把信息技术用作辅助教学手段，有利于认识事物、理解知识，有利于促成学生巩固所学知识，有利于生物教学重点、难点的突破。 生物学科教学的重难点，比如人体细胞的呼吸、光合作用、生命活动的调节、生态系统等，其特点是细微、动态、抽象，看不见、摸不着，理解有一定困难。而把信息技术引进课堂教

11、学，通过视听媒体提供通常难以看到或难以看清的一些事物的结构、形态或现象等，就能化难为易、化繁为简、化抽象为具体，可帮助分析特征、寻找规律、加深理解。 2信息技术与生物学教学的整合有利于促成能力目标的实现 第一，利用信息技术手段让学生自主地学习。生物新课程倡导探究性学习，以达到培养学生的观察思维能力和概括能力的目的。这种学习活动有以下特点：（1）围绕一个明确的主题或问题；（2）此类问题可以通过寻求信息而得到解答；（3）答案没有唯一性。一个典型的教学设计包括介绍、任务、资源、过程描述、学习建议、评价和总结生物基因芯片：生物科学正迅速地演变为一门信息科学。最明显的一个例子就是目前正在进行的HGP，最

12、终要搞清人类全部基因组的30亿左右碱基对的序列。除了人的遗传信息以外，还有其它生物尤其是模式生物已经或正在被大规模测序，如大肠杆菌、啤酒酵母、秀丽隐杆线虫以及中国和日本科学家攻关的水稻基因组计划。但单纯知晓生物基因组序列一级结构还远远不够，了解其中基因是怎样组织起来的，每个基因的功能是什么，又是怎样随发育调控和微环境因素的影响而在特定的时空域中展开其表达谱的，即我们正由结构基因组时代迈入功能基因组时代。随着这个功能基因组学问题的提出（后基因组时代，蛋白组学），涌现出许多功能强大的研究方法和研究工具，最突出的就是细胞蛋白质二维凝胶电泳（及相应的质谱法测蛋白分子量）和生物芯片技术。一什么是基因芯片

13、生物芯片，简单地说就是在一块指甲大小的有多聚赖氨酸包被的硅片上或其它固相支持物（如玻璃片、硅片、聚丙烯膜、硝酸纤维素膜、尼龙膜等，但需经特殊处理。作原位合成的支持物在聚合反应前要先使其表面衍生出羟基或氨基（视所要固定的分子为核酸或寡肽而定）并与保护基建立共价连接；作点样用的支持物为使其表面带上正电荷以吸附带负电荷的探针分子，通常需包被以氨基硅烷或多聚赖氨酸等）将生物分子探针（寡核苷酸片段或以大规模阵列的形式排布，形成可与目的分子（如基因）相互作用，交行反应的固相表面，在激光的顺序激发下标记荧光根据实际反应情况分别呈现不同的荧光发射谱征，CCD相机或激光共聚焦显微镜根据其波长及波幅特征收集信号，

14、作出比较和检测，从而迅速得出所要的信息。生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片。而基因芯片中，最成功的是DNA芯片，即将无数预先设计好的寡核苷酸或cDNA在芯片上做成点阵，与样品中同源核酸分子杂交的芯片。二、电子芯片8-10电子芯片是由美国anogen公司开发的，目前国内清华大学和复旦大学也在开发这一技术。这种芯片为带有阳电荷的硅芯片、芯片经热氧化，制成1mm1mm的阵列、每个阵列含多个微电极，整理电极上通过氧化硅沉积和蚀刻制备出样品池。将连接链亲和素的琼脂糖覆盖在电极上，在电场作用下生物素标记的探针即可结合在特定电极上。电子芯片最大特点是杂交速度快，可大大缩短分析时间。制备复杂、成本高是

15、其不足。生物技术为信息技术发展开辟了新的道路：1生物技术推动超级计算机产业的发展。随着人类基因组计划各项任务的完成，有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数增长。面对如此巨大而复杂的数据，只有运用计算机进行数据管理、控制误差、加速分析过程，使得人类最终能够从中受益。然而要完成这些过程，并非一般的计算机力所能及，而需要具有超级计算能力的计算机。因此，生物技术的发展将对信息技术提出更高的需求，从而推动信息产业的发展。比较有说服力的例子是，2002年11月22日出版的自然杂志上，以色列科学家宣布研制出一种由dn分子和酶分子构成的微型“生物计算机”，一万亿个这样的计算机仅一滴水那样大，运算速度达到每秒1

16、0亿次，准确率为99.8%。当然像所有的新技术一样，有的科学家表示怀疑。他们认为，这种试管里的计算机存在致命的缺陷，因为生化反应本身存在一定的随机性，这种运算的结果可能不完全精确；而且，参与运算的dna分子之间的不能像传统计算机一样通信，只能“各自为战”，不足以处理一些大型计算。2生物技术将从根本上突破计算机的物理极限。目前使用的计算机是以硅芯片为基础，由于受到物理空间的限制、面临耗能和散热等问题，将不可避免地遭遇发展极限，要取得大的突破，需要依赖于新材料的革新。2000年美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的科学家根据生物大分子在不同状态下可产生有和无信息的特性，研制出分子开关（molecular

17、switches）。2001年世界首台可自动运行的DNA计算机问世，并被评为当年世界十大科技进展。2002年，DNA计算机研究领域的先驱阿德勒曼教授利用简单的DNA计算机，在实验中为一个有24个变量、100万种可能结果的数学难题找到了答案，DNA计算机的研制迈出了重要一步。生物技术及应用专业：生物技术的显著应用不仅在健康行业，生物技术在其它产业中的研发投入也十分突出。依靠生物技术，农业上用更少的土地生产更多的健康食品；制造业可以减少环境污染、节省能耗；工业可以利用再生资源生产原料，以保护环境。 生物技术产业的成熟除了体现在产品开发方面外，另一个主要标志是行业的现金储量。2000年由于生物技术产

18、业在社会上筹集了大量资本，大多数生物技术企业在2001年的资金情况很好。根据Ernst & Youngs 2001年生物技术报告，美国上市的340家生物技术公司中，超过半数的公司现金储量可维持三年以上的运行，这为该行业今后的快速发展奠定了良好基础。 生物技术产业成熟的另一个标志是合并化。资金雄厚的生物技术企业，如基因公司，正在兼并其它辅助性技术公司，从而形成综合性的生物制药公司，能够开发、生产和销售自己的产品。这种兼并活动，不仅增加企业的产品种类和收入，同时也有助于提高整个行业的竞争力。 生物技术产业是新经济的主要推动力。尽管最近生物技术产业的股值也缩水很大，但其过去所得多于现在所失。在过去的

19、一年中，纳斯达克生物技术指数下降了20%，但与前三年相比，该指数的增长仍接近100%。在目前的熊市状态下，该指数的表现优于纳斯达克综合指数和道琼工业指数。很多分析家认为，2002年生物和医药股将表现平平但健康发展，在今后的12至24个月中，生物股将再次起飞，新的生物技术产品将开始进入市场。结论：现代生物技术的应用益广泛，不但对医学、农业和环境造成影响，而且对其他行业也产生了深远的影响。例如：现代生物技术给传统工业带来了全新的思路，生产环境不需要高温、高压。替而代之的是模拟生命过程的生物反应器。另外利用生物技术可以改良传统工艺，把农副原料加工成发酵或酿造制品；还可以进行食品添加剂和酶制剂的研发，丰富了人们的生活，提高了生活质量等等。四、参考文献1、中华基因网2、新浪网3、分析技术4、生物技术通讯5、科学通报6、实用医学杂志