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重塑科學史——人腦、紙腦和電腦、科學(49)

4、天文學

電腦的發明和應用對於地球科學的影響主要表現在以下兩個方面:

(1)天文資訊的產出和收集系統

天文學是一門以觀測為基礎的學科,天文學的發展離不開觀測資料的積累。早期天文資料的產出十分有限,隨著觀測裝置和觀測技術的發展,尤其是以電腦和網際網路在基礎的虛擬天文臺的出現,天文觀測的資料的產出和收集能力有了相當大的提高,一些觀測專案的資料日產出數量以十億甚至十萬億的量級來計算,所累積的資料量呈現出爆炸式的增長。天文學的發展呈現出資料密集型和計算密集型的特點。

(2)天文資訊的儲存和檢索系統

在海量天文資訊的產出和收集系統下,電腦強大的儲存、檢索技術為海量天文資料的儲存和管理提供了保障。除了對資料在儲存外,電腦也擅長對資料進行檢索,電腦的檢索技術包括兩種實現方式,一是根據檢索表示式直接在文件中匹配查詢,二是對文件預先建立索引,在檢索時再對索引進行檢索。這些技術都顯著地提高了檢索速度,提高了天文資料的利用效率,使天文學家從繁瑣的事務中擺脫出來,從而將精力集中在自己感興趣的天文學問題上。

電腦發明和普及以後,紙腦並沒有完全退出化學研究領域。紙腦因其書寫、閱讀和攜帶的便利性,仍然在化學研究領域發揮著作用,這一時期的化學成果是在紙腦和電腦的共同作用下取得的。

隨著航天時代的到來,中美俄幾個大國建造的宇宙飛船和現代天文觀測裝置使天文學衝破了地球大氣的禁錮,到大氣層外去探測宇宙,天文學開始成為全波段的宇宙科學,人類正在向宇宙的深度和廣度進軍,現在人類可以考察大到150億光年空間深度的天象。

5、地球科學

電腦的發明和應用對於地球科學的影響主要表現在以下二個方面:

(1)多種變數的複雜計算

電腦的應用可以使地球科學家處理多種變數的複雜計算,對一些空間規律的研究採用新的統計方法和技術手段進行精確的度量,並用數字形式表達人地關係,說明區域差異及其變化。定量計算和系統論思想的引進,使地球科學家開始採用模型來表述所研究的地理現象。

電腦的出現使地理學產生了一場計量革命。公元20世紀50年代,地理學開始採用現代數學方法分析地理問題。

公元1955年,美國華盛頓大學地理系在加里遜主持下開設第一個應用數理統計研究班,推動計量地理學發展。

公元1963年,伯頓提出“計量革命”的口號,使這一趨勢推向歐洲和全球。地理學計量革命的實質是用現代數學方法和電腦,運用模型和模擬,使地理學的理論精確化,計算快速化,從傳統的定性分析向定性和定量分析相結合過渡。

公元20世紀60年代以來,在計量革命的推動下,人們把地理環境和區域看作是一個系統,大量地應用電腦結合遙感、遙測等新方法,對系統及其相互作用進行模式化、公式化,用數字、影象等定量表達人地關係,說明區域差異與變化,從而對地理環境的演化進行科學預測,以期達到人地關係的最最佳化。這就是“地理資訊系統(GIS)”的成功開發與廣泛應用。這樣,使地理學由以前的現象描述發展到科學解釋和定量預測的新階段。

(2)3S技術的綜合應用

3S技術是遙感技術、地理資訊系統和全球定位系統的簡稱,是空間技術、感測技術、衛星定位與導航技術和電腦技術、通訊技術的結合,是多學科整合的對空間資訊進行採集、處理、管理、分析、表達、傳播和應用的現代資訊科技。

隨著3S技術的不斷髮展,將遙感、全球衛星定位系統和地理資訊系統結合起來的3S一體化技術已顯示出更為廣闊的應用前景。以RS、GIS、GPS為基礎,將RS、GIS、GPS三種獨立技術中的有關部分有機整合起來,構成一個強大的技術體系,可實現對各種空間資訊和環境資訊的快、機動、準確、可靠的收集、處理和更新。

電腦發明和普及以後,紙腦並沒有完全退出地球科學研究領域。紙腦因其書寫、閱讀和攜帶的便利性,仍然在地球科學研究領域發揮著作用,這一時期的地球科學成果是在紙腦和電腦的共同作用下取得的。

公元20世紀60年代以來,氣象學的革命性變化十分突出。在公元20世紀的前50年,氣象觀測開始由傳統的地面觀測向高空發展,主要以風箏、氣球等為高空觀測工具,其所達到的高度是有限的。

公元20世紀60年代以後,由於觀測系統有了鐳射、雷達、人造衛星等新技術與新手段,大大地推進了氣象學的發展。大規模的綜合遙測、遙感,使得幾小時的短期災害性天氣預報不再是純預報問題,而變成了對實況的跟蹤與真實預報。電腦對大量氣象資訊的處理能力,使得對大氣現象定量地進行數值模擬成為現實,這些研究的進步也大大促進了氣象學基礎理論的發展。

公元1968年,法國地質學家勒皮雄、麥肯齊、摩根等人提出了一種新的大陸漂移說,它是海底擴張說的具體引伸,又叫“大地構造學說”。這種學說認為,大陸曾有過長距離的水平運動,大陸和海洋的相對位置是不斷變化的,由此推動了地質學與地球物理學領域的一場深刻革命。大地構造學說的研究離不開海量資料的收集、整理、計算和分析,而這方面肯定離不開電腦的幫助。

公元20世紀80年代以來,電腦技術結合高溫高壓技術、同位素地質年齡測定技術、電子顯微鏡技術、大陸超深鑽控與深海鑽探技術使地質學獲得了前所未有的全面發展,地質學逐步由定性描述與分析向半定量、定量分析與研究發展。基於電腦技術的研究方法在研究地球及地殼的物質組成、結構構造及運動特徵方面取得了豐碩成果,電腦技術成為推動地質學發展的強大動力。在電腦技術的支援下,石油地質學的發展尤其令人矚目,水文地質、工程地質、地震地質等的研究也發展迅速。

6、生物學

電腦的發明和應用對於生物學的影響主要表現在以下六個方面:

(1)資料庫技術和資料探勘技術

目前大概有115種通用和專用資料庫,包括其詳盡描述和訪問網址。很多資料庫涉及非結構化的資料。利用傳統資料庫對這些非結構化的資料進行管理顯得力不從心,所以必須採用面向物件的資料庫技術來處理複雜結構的生物資訊資料。生物資訊資料庫具有種類繁多的特點,目前各種生物資訊資料庫大概有600種左右,分佈在全球各個資料庫伺服器中。

生物資訊資料庫具有資料結構和組織方式複雜、資料量增長迅速的特點,如何在如此浩渺的資訊海洋中發現潛在的規律成為最急需解決的問題,而資料庫技術為此提供瞭解決方案,這個技術就是資料探勘技術。資料探勘技術一般分為四個基本步驟,即,資料選擇、資料轉換、資料探勘和結果分析。

(2)機器學習和模式識別技術

資料是機器學習的基礎,對於生物學實驗資料也一樣。生物學中的知識和資料用序列的模式和序列的特徵老標識後,電腦透過識別這些特徵,就可以對這些生物資訊進行處理。

模式識別是機器學習的一個主要任務,它利用電腦對生物資訊進行鑑別,並將相同或相似的生物資訊歸入同種類別中。

(3)生物分子的電腦模擬技術

生物分子的電腦模擬技術是從分子或原子水平上的相互作用出發,建立分子體系的數字模型,利用電腦進行模擬實驗,預測生物分子的結構和功能。這種技術可以模擬生物大分子與大分子之間的相互作用、模擬生物大分子與具有活性的小分子之間的相互作用、研究分子之間的識別和分子間的特異性結合。

(4)網路通訊技術

隨著人類進入資訊社會,網路已成為生物學研究的基礎設施。電子郵件和新聞已經灰飛煙滅生物學研究中的最重要交流工具,而且網路提供的各種服務也成為科研人員工作中不可缺少的一部分。

(5)高速計算技術和網路計算技術

生物學研究需要對大量的生物樣本進行分析、計算或統計,這就為高效能計算提供了一個巨大的應用領域。生物學研究中的計算面臨巨大的計算量和海量的資料,例如,利用分子動力學模擬一個蛋白質的摺疊就需要一個巨型電腦幾個星期的運算。這就給高效能計算、平行計算和網路計算提出了挑戰,這個挑戰只有現代的電腦和網路才能完成。

(6)智慧專家系統

智慧專家系統是一種基生物學知識的智慧系統,它將生物學專家的知識放入知識庫中,供推理電腦使用。智慧專家系統利用推理電腦解決那些需要特殊的、重要的生物學專家才能解決的複雜問題。一般的智慧專家系統是由六大部分組成,即,知識庫、資料庫、知識獲取部分、推理電腦、解釋機構和使用介面。

電腦發明和普及以後,紙腦並沒有完全退出生物學研究領域。紙腦因其書寫、閱讀和攜帶的便利性,仍然在生物學研究領域發揮著作用,這一時期的生物學成果是在紙腦和電腦的共同作用下取得的。

基因重組技術是公元20世紀下半葉蓬勃興起的現代生物技術。公元20世紀60年代末至70年代初,瑞士生物學家阿爾伯和美國生物學家史密斯發現細胞中有兩種“工具酶”可以對DNA進行“剪下”和“連線”。美國生物學家內森斯則使用工具酶首次實現了DNA的切割和組合。DNA的重組能創造性地利用生物資源,實現人類改造生物的遺傳特徵、產生人類所需要的生物型別的意願。

公元1972年,美國生物學教授伯格成功完成了人類第一次宏盛了重組DNA生物基因工程。

公元20世紀80年代以來,生物學家已獲得上百種轉基因動植物,這對農業發展具有重要意義。這一時期的轉基因藥物的研製和生產取得了突破性地進展,這為人類的健康帶來了新的福音。

除基因工程外,生物工程還包括細胞工程、酶工程、發酵工程和蛋白質工程等領域。公元1978年,兩位英國生物學家斯蒂託和愛德華茲完成了試管嬰兒的培育試驗,世界上第一例試管嬰兒誕生。公元1996年,英國愛丁堡羅斯林研究所的生物學家維爾穆特領導的科研小組利用克隆技術成功地培育出一隻小母羊多莉。這些都是細胞工程的傑作。加酶洗衣粉和嫩肉粉等則是酶工程的產品,現代發酵工業始於青黴素的生產,現已大規模利用發酵工程生產抗生素等。根據需要對天然蛋白質的基因進行改造,生產出新的、自然界原本不存在的優質蛋白質,更是日益受到重視,被譽為第二代基因工程。

公元1992年,荷蘭培育出植入了人促紅細胞生成素基因的轉基因牛,人促紅細胞生成素能刺激紅細胞的生成,是治療貧血的良藥。轉基因技術標誌著不同種類生物的基因都能透過基因工程技術進行重組,人類可以根據自己的意願定向地改造生物的遺傳特性,創造新的生命型別。同時轉基因技術在藥物生產中有著重要的利用價值。轉基因技術,包括外源基因的克隆、表達載體、受體細胞,以及轉基因途徑等,外源基因的人工合成技術、基因調控網路的人工設計發展,導致了21世紀的轉基因技術將走向轉基因系統生物技術。

公元1999年,美國首次製造出DNA分子。

公元2000年,國際生物學界重新提出合成生物學概念,並定義為基於系統生物學原理的基因工程與轉基因技術。

公元2000年,美、日、法、德、英、中聯合公佈人類基因組草圖。

分類: 娛樂
時間: 2022-01-07

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