第三讲现代科学技术的前沿和边缘本讲的某些内容由学生准备和介绍(编辑修改稿)

第三讲现代科学技术的前沿和边缘本讲的某些内容由学生准备和介绍(编辑修改稿)内容摘要：

里，薛定格第一次引入了负熵的概念。 按照热力学第二定律，一个孤立系统的熵永远向着增大的方向发展以至系统越来越无序，但是生命体却是向着有组织、有序的方向发展的。 薛定格正是抓住了生命的这一重要特征，把负熵和生命活动连在了一起。 系统论的创始人贝塔 朗菲在《生命问题》一书中称：“一个活的有机体是个开放的阶序系统，它借助于自身的条件，在交换成分中保持自身。 ” 运用现代物理及系统的思想研究生命现象有着深远的意义，是探索物理学与生物学统一的先驱。 事实上，澳森和克里克正是在读了《生命是什么》后，才立志投身于分子生物学的研究。 日本遗传学家近藤原平把《生命是什么》这本书的出版看成是生物学界革命的象征。 当然，把生命现象和生命运动完全还原为物理化学现象和物理化学运动是不足取的。 在生命本质的认识上，上节讨论过的复杂性科学将提供新的说明。 圣达菲研究院的斯图亚特 考夫曼在他的《宇宙为家》一书中写道：“简言之，裸 RNA和裸核糖体多聚物假说，对于我们观察到的所有自由细胞的最低限度复杂性没有给出一个深刻的描述。 我坚持认为，我在第三章里描述的有序起源的原理还是说得通的。 那个原理阐明，物质为什么必须达到某一特定的复杂性水平才能一跃而成为活物。 这个临界值并不是随机变异和自然选择的事故；我坚持认为，它是生命本质的题中应有之义。 ”（第 55页） 总之，在生命科学中运用还原方法的同时必须考虑生命现象的复杂性。 因为，生命现象和生命运动确实有其自己的特点。 首先，地球上的生命都是由 核酸和蛋白质大分子为基础构成的。 核酸（ DNA和 RNA）在生命整体和个体的延续中起信息载体的作用，蛋白质则起信息识别和功能表达的作用。 其次，生命体总是不停地与环境发生着物质和能量的交换，这种交换及产生这种交换的机制就是新陈代谢，而且，如果交换物质和能量过程中得以降低自身的熵值（即从外界汲取负熵），生命就获得肯定性的发展，反之为否定性发展。 第三，生命体具有遗传和变异的特性。 第四，生命体是一个具有高度组织的开放系统，能接受并处理外界信息以及产生信息。 第五，能自我调节，对环境具有适应性反应。 最后，生命体是发生和死亡的统一，正是因为生命个体有生有死，才有生命整体的永恒不绝。 这样，关于生命本质的目前认识可归结为：生命本质上是一个由核酸和蛋白质组合而成、具有自我更新能力的高度有序的对物质、能量、信息进行加工、处理、贮存的复杂多分子体系，它有自我调节、自我复制和对体内外环境作出选择性反应的属性。 意识的本质 关于意识的本质和对大脑的研究是生命科学中又一重要课题。 大脑是产生意识的器官，意识的复杂性很大程度上是因为大脑的高度复杂性。 人的大脑仅 34磅重，但却包含着大约1000亿个神经原，这是一个与银河系中恒星总数在数量级上相同 的天文数字。 那么大脑的复杂性是否就因为有着如此多的神经原的缘故呢。 当然不是这样。 肝脏几乎同样有 1000亿个细胞，但是，再多的肝脏合在一起也不能替代大脑丰富多彩的生命活动。 脑的高度复杂性部分原因在于组成大脑的神经细胞的多样性。 神经细胞分为神经元和神经胶质细胞。 其中神经元，按照形态的差异有大锥体细胞、小锥体细胞、颗粒细胞、短轴突神经元及普顷野细胞等多种，按照其功能的不同又可区分为传入神经元、传出神经元和中间神经元。 神经胶质细胞也有许多种类，如纤维星形胶质细胞、原浆星状胶质细胞、小胶质细胞、少突胶质细胞和室管膜细胞等。 对于神经元来说，除了有不同的形态外还存在着分子的差异。 而且，尽管所有的细胞都有相同的基因，但是在不同组织中的细胞对于基因的表达有不同的选择，目前已在视网膜的无长突细胞、小脑的普金基（ Purkinje）氏细胞以及脊椎的运动神经元中见到了这类有选择表达的基因。 除了结构和分子的差异外，神经元还有输入和投射的不同。 在研究神经元的复杂性的同时，还发现了神经元具有同一性。 同一性表现在功能相似的神经元都集合成柱状或板状而穿过皮层并且所有的神经元都以极为相似的方式传导信息。 信息沿着轴突以动作电位的短促电脉冲形式在神 经细胞内传递。 动作电位是速率和频率小而恒定的电信号，快速的思维要通过由轴突形成的数以千计的连接。 但是动作电位不能从一个神经细胞跳到另一个神经细胞，神经元之间的信息传递由化学递质介导。 当一个动作电位到达轴突末端时，递质就从突触前的囊泡中释放出来。 现在已经鉴定出的化学递质有氨基酸、肽类和单胺类等。 大脑中轴突、突触、动作电位和化学递质的发现，充分说明大脑的活动过程是神经元的活动过程，是电的、化学的过程，是物质的过程。 但是，我们不能认为意识就是这些过程的总和。 因为，意识的产生不只在于人具有高度完善的神经系统，还在 于大脑不断地接受周围环境的作用。 现代脑科学研究证实，人在婴儿期，如果没有外界的良性刺激，不但会影响大脑的正常发育，而且也不可能产生意识。 不过，关于环境刺激与大脑内信息流的产生、传递之间的精密关系，尚有待进一步研究。 当前已经知道感觉系统是分层排列的，随着距离的增加，神经元对复杂刺激的越来越抽象方面起反应；还知道，信息并不是沿单一通道传输的，即使是单一感觉，它的不同特性也是沿多通道被平行处理的。 四、技术前沿 信息技术的前沿 信息技术是当代高技术的前导，是高技术的主体。 从技术的本质意义 ( 扩展或延长人的器官能力 )上，我们可认为信息技术是能够扩展人的信息器官功能的技术，是能够完成信息的获取、传递、加工、再生和施用等功能的一类技术。 信息技术一般可分成感测技术 (感觉器官的延长 )、通信技术 (传导神经功能的延长 )、智能技术 ( 思维器官功能的延长 )和控制技术 (效应器官功能的延长 )四个基元。 其中感测技术包括传 感技术、测量技术、遥感遥测技术，通信技术包括卫星技术、光缆技术、电讯技术等，智能技术包括计算机技术、人工智能专家系统和人工神经网络技术，控制技术包括自动机械，伺服等技术。 信息技术和其他高技术有着极为密切的联系，新材料和新能源技术是信息技术的物质基础，而微电子技术、激光技术、生物技术、机械技术是信息技术的支撑技术。 计算机技术和通信技术是信息技术中发展最快的两大领域。 电子计算机从 1945年第一台问世以来，已经历了四个阶段 (或称四代 )。 第一代 (19461958年 )，其主要元件是电子管，这一代计算机体积大、 耗电量多、 速度不大，如第一台电子计算机共有 18000多只电子管，重量达 130吨，占了一间 170M2 的大厅，每小时耗电 140度每秒钟只能作 5000次加法运算；第二代 (19591963年 )硬件用晶体管，体积缩小，功能提高；第三代 (19641970年 )硬件用中、 小规模集成电路；第四代 (七十年代初以后 )：硬件用大规模集成电路，体积大大缩小。 微型电子计算机出现。 1975年起，“个人计算机”推向市场。 微机型号已从 808 808 80288038 8048 80586发展到“奔腾Ⅳ”，速度越来越快， 功能越来越多。 目前，电子计算机的运算速度已超过每秒万亿次。 2020年，美国 Cray公司开发出世界最高速的超级计算机X1，其计算速度达每秒 52万亿次。 在信息贮存技术上，英日科学家在 1993 年发明了单电子存贮元件， 1比特信息只需一个电子。 除了电子计算机，运算速度更快的光学计算机、生物计算机和量子计算机正在研制之中。 光子计算机是利用光来传递和处理信息的计算机。 我们知道光速是自然界一切物质运动速度的上限，电子的运动速度与光子相比要慢一两个数量级，而决定元件开关时间的电子在外加电场中的漂移速度要比光速慢得多。 另 外，光子是中性的，它不受计算机内部和外部的电磁干扰，而且光信息处理可以并行完成。 预计光子计算机的运算速度可以达到每秒 1万亿次，比目前以硅为主要材料的电子计算机至少快 1000倍以上。 1993年已经支制成了第一台光学计算机。 生物计算机是根据生物大分子（如 DNA）具有存储和处理信息功能的原理，将生物元件代替电子元件而设计制造的计算机。 在生物计算机领域内目前关注较多的是 DNA计算机。 预计DNA计算机可比普通的电子计算机节能 10亿倍，占用的信息存储空间只相当于普通电子计算机的万亿分之一。 DNA计算机的更为神奇 之处是具有生物活性，可以自我复制、自我组合。 1978年已经制成世界上第一个有机晶体管， 1983年诞生了第一块生物芯片。 量子计算机是把量子力学和计算机结合起来的新型计算机。 1982年美国物理学家费因曼（ ）首次讨论了把量子力学用于计算机的可能性， 1985年英国牛津大学的多茨（ ）初步论述了量子计算机的概念，并且指出量子计算机将比现有的电子计算机具有更大的功能。 量子计算机的计算原理是量子计算，量子计算的最大特点是一次操作能同时处理许多状态，这种特性也称为量子并行性。 正是这种特性使量子计算机的计算速度和能力将大大超过现在的电子计算机。 1998年， IBM公司的科学家（ ）成功地实现了两个量子数据位的量子搜索实验，给出了量子计算的第一个演示实例。 当然，目前的研究状况距离最终目标还远得很，量子计算机的最后实现将建立在量子力学的一系列基本问题 ——如量子相干性及退相干、量子非定域性（ quantum nonlocal）、量子隐形远程传态（ quantun teleportation,或译作“量子离物传态”）等问题 —— 解决的基础之上。 20世纪 70年代以来，通信技术依 靠卫星通信、光纤通信、数据通信、图视通信和移动通信的高度融合以及与计算机技术的结合，逐步实现着通信的数字化、宽带化、综合化、个人化、标准化、智能化和网络化。 20世纪 90年代出现的国家信息基础结构（ NII，又称信息高速公路）是计算机网络技术与通信技术的结合。 现在，国家信息基础结构的建设正方兴未艾，世界各国几乎都制订了自己的“信息高速公路”计划。 美国政府在 1993年 9月 15日第一个宣布实施“ 国家信息基础结构行动计划 (NII)，预计耗资 4000亿美元 ,到 2020年建成 ,历时20年。 1993年 12月，欧共体委员会 公布了德洛尔白皮事，计划在今后五年投资 330亿法朗， 用以开发欧洲信息网基础设施。 1994年，加拿大宣布进行“信息高速公路”首次大测试。 中国、日本、新加坡、韩国、澳大利亚等国家和地区也相继提出了“信息高速公路计划”，日本计划最迟在 2020年通过信息网络把每个家庭与商店、银行等联成一体。 实施信息高速公路计划有 5项技术将会成为它的主要构件， 它们是：网络化的计算机系统、无线通信、文件传输服务、可视通信技术及声音和音频处理技术。 信息高速公路计划的实施，还意味着将由电子信息时代转向光子信息时代，光子信息技术包 括光盘存贮技术、光学信息处理技术 (光学计算机 )、光纤传输信息技术等。 生物工程的前沿 基因工程在当代技术前沿中有着举足轻重的地位，它作为在分子层次上定 向控制遗传的技术，已经发展到可以对包括人类在内的各生物体进行基因组测序。 1990年美国首先提出人类基因组计划，经过包括中国科学家在内的许多科学家的努力，已于 2020年 6月完成人类基因组计划的工作草图，计划在 2020年底前完成全部人类基因组序列的测定 实施人类基因。