建立生命数学方法体系 用数学解生命体之密,创人类社会未来
作者:czm109902@126.com       2008/11/22
    福建省将乐第一中学 陈宗淼

    

    摘 要

    建立生命数学方法体系,应用生命数学方法,不只是解决“生物学”的问题,而是人类会拥有一种全新的数学语言、数学工具、数学方法。将会导致人类信息社会时代的空前发展。

    文章第一层次:从“数学语言是人类最通用、最简洁、最优美的语言”承起,认识到:“数学方法使人类的一切活动有了最明确、最具体、最可靠的方法。”“数学工具使人脑不仅有识别可觉察事物的能力,而且对不可觉察事物也有了预测、预知的能力。”

    通过1、“数学与物理学的完美结合,使物理学取得了登峰造极的成就。”2、“生物科学一直发展缓慢、缺少建树,是因为生物学一直未能学好数学语言,一直未能找到合适的数学工具。”的科学事实为依据;

    阐明数学语言、数学方法、数学工具在解决自然科学问题中无以取代的作用。

    第二层次,通过对生物界的界面属性分析,猜想生命体的界面属性应该要有(清晰界面、模糊界面以外的)第三界面属性来表述。在数学方法上,存在(精确数学、模糊数学以外的)第三数学方法--DNA数学方法


    第三层次 理解到:“DNA分子具有现代人的已有智慧所无法理解的信息编码方式、数的运算法则和信息存储能力。生命体的‘造一个特定人的全部信息’,只要存储在46个DNA分子中;‘46个DNA分子’是一个什么样的空间概念呢,只是在细胞核内,只占一个细胞的很小空间;无论以纸册或电子比特形式存储,都是不可思议的。”推测:DNA分子可能是生命数学的理想切入点。

    最后提出了:

    1、生命数学概念:凡是与生命体有关的数学语言、数学方法、数学工具、数学过程的内含命定为生命数学。

    2、建立生命数学方法体系:生命数学科学研究、人才培养、文著编纂与出版、媒介宣传、组织管理、运行应用的系统工程结构体系。

    3、预测:人类社会的后续发展,将取决于“生命数学方法体系”能否成功建立!

    主要贡献点,提出:

    1、生命数学概念。

    2、DNA可能是生命数学理想切入点。

    3、建立生命数学方法体系。

    ⒋预测:人类的后续发展,将取决于“生命数学方法体系"能否成功建立!

    关键词:数学、生命数学、建立生命数学方法体系。

    数学语言的诞生,是动物进化为人类的真正标识。动物只有进化到具有由数学语言、数学逻辑、数学方法所构成的智慧的阶段,才算是真正人类的诞生。

    数学语言是人类语言中最通用、最简洁、最优美的语言,数学拥有最严密的逻辑,最可靠、最有效的方法。数学方法使人类的一切活动有了最明确、最具体、最可靠的方法。数学使人脑不仅能识别视觉、听觉、味觉、嗅觉、触觉感觉器官可觉察事物的能力,而且对不可觉察事物也有了可知、预知、预测的能力。

    人类己经认识到“科学只有成功运用数学的时候才算是一门成熟的科学。”物理学是运用数学最为成功的学科。

    数学魅力与物理学的辉煌

    自然科学最基本的划分是物理学,化学学,生物学。在三大自然学科中,物理学是掌握数学语言、运用数学工具最为成功的典范。

    光的反射定律和折射定律的解读,将可视而不可捕捉、不可留驻的“光”,变成了任“人摆布的木偶”,产生了面镜和透镜的设计、制造与享用,导致光电子器件和光缆的设计制造,发生了光信息技术产品的应用和享受;

    阿基米德定律的创立,孵化出了驰骋江洋湖海的巨轮和强大的战舰编队;

    欧姆定律,将最可怕、最不可驾驭的“电”驯服成了最听人话的能源宠儿,“没有电”反而成了人们最最无法忍受的痛苦;

    力的分解和合成的公式化,人的小手竞能“截断巫山云雨,高峡出平湖。”“一桥飞架南北,天堑变通途。”

    相对论、电磁波、牛顿定律、焦耳·楞茨定律、波义尔·马洛特定律……使得现代人的生活和享受,几乎是全部浸泡在物理学定律所酿造的无与伦比的甜蜜之中。

    物理学与数学的完美结合,使人的视觉器官、听觉器官、运动器官几乎是获得了无限的延长,功能得到了强大的延伸和发展;人,真正具有了古人所幻梦以求的本领:

    航天航空--上天揽月;

    潜水舰艇--下海捉鳖;

    隧道钻探--入地千丈;

    视频音频--延长耳目;

    交通工具--延长下肢;

    遥控遥感--延长上肢及其他感觉器官;

    物理学辉煌成就的时代,关公、李逵的“力”,对现代人己经没有意义;神行太保戴宗日行一千、夜行八百,己经不再是神话;铁扇公主钻悟空肚子之术,在现代人面前只是小巫见大巫;马拉松勇士,己永远失去再立功的机会。

    物理学是一门成功运用数学的科学,在自然界中所有的物理现象:物质形态结构,形态结构的改变、位移、组合与分切;大至宇宙,小至夸克粒子;无论是自然属性的山川流水、日月天星、雾雨水冰、光电磁热;还是人工物态的摩天大楼、桥梁大坝、卫星飞船、电子产品……都采用了数学方法,用数学语言表述,用数学工具进行拆分与组合。谁人不为之感叹!此法谁可不知、不哓、不学、不通、不用!

    物理学是成功运用数学的“天之骄子”,生物学则是一名学习数学的“后进生”。

    生物学与数学--相识太晚、相交太浅

    生物学虽然是最古老、与人自身关系最为密切的科学,与物理学相比,似乎有数学天赋先天不足、后天不力之蔽,学习数学可没那么聪颖,或者说没那么用功。生物学至今没能学会数学语言,生物学的数学语言能力充其量也只有婴幼儿的语言能力阶段;生物学还象婴幼儿不会使用筷子一样,不会使用数学工具;致使生物学到了20世纪中叶,仍然停留在描述性阶段。除了有一个孤单单的孟德尔定律之外,翻箱倒柜也找不出第二个能称为定律的定律,造致了生物科学成为自然科学中发展最为缓慢、最缺乏建树的学科。

    人类在孟德尔定律创立和被运用之前,人们只知道“龙生龙,凤生凤,老鼠生儿打地洞。”为什么会龙生龙、凤生凤、老鼠生儿打地洞,能不能生出老鼠儿“不打地洞”,没有人去想过,更没有人去尝试做过;倘若有人做过,会象一个不知道光的反射定律、折射定律的人,去造望远镜、显微镜一样、不会有结果。

    孟德尔先生用数学语言解读了基因遗传规律之后,在孟德尔定律指引下,使生物基因传递成了可预知性和可操作性。人类己经知道了龙生龙凤生凤是基因决定的。基因是有遗传效应的DNA分子片段,基因是生物遗传的结构和功能单位,基因是可变和可操作单位。科学家们正在为生出“不打地洞的老鼠儿”进行着不懈努力。

    有了孟德尔定律,龙生龙、凤生凤、老鼠生儿“不打地洞”,成了可知、可预知和可操作。

    例如,用云南发现的一只♂白化弥猴,培育出弥猴白化系,成为可预知和可操作。图解如下:

    设:普通弥猴有色基因为B,白化基因为b,♀性基因型为XX,♂性基因型为XY。

    方案1:P (亲本 ) × BBXX

    ↓ (有色♀)

    F 1 BbXY × BbXX

    (有色 ♂) ( 有色♀)

    1 ∶ 1

    ↓(自交 )

    F2 BBXX : BbXX : bbXX ∶ BBXY ∶ BbXY ∶ bbXY

    (有色♀)( 有色♀ )( 白化♀)(有色 ♂)(有色♂)( 白化♂)

    1 : 2 : 1 : 1 : 2 : 1

    取自交后代中 bbXX × bbXY

    ↓

    bbXX × bbXY

    ↓……

    方案2:F1 回交,取F1♀弥猴与亲本中的白化弥猴交配∶

    ( F1)BbXX × ( P)bbXY

    ( 有色 ♀ ) ↓ ( 白化♂)

    回交后代 BbXX : bbXX : BbXY ∶ bbXY

    (有色♀)(白化♀) (有色♂) ( 白化♂)

    1 ∶ 1 ∶ 1 ∶ 1

    取回交后代 bbXX × bbXY

    ↓

    bbXX × bbXY

    ↓……

    白化弥猴品系建立成功。实际上只要杂交后代出现♀白化弥猴,白化弥猴品系即告建立成功(假定原亲本白化弥猴不死,而且仍有生殖能力)。并且可预知:杂交后代F2出现♀、♂白化弥猴机率各为12.5%,回交后代出现♀、♂白化弥 猴 机 率 各为 25%。

    方案2比方案1具有更高的工作效率。

    孟德尔定律使人类不仅知道龙生龙凤生凤,而且明白了为什么会龙生龙凤生凤,又学会了叫老鼠生儿“不打地洞”。

    纵览生物科学几千年史记,真正用数学语言解读的生物学定律,运用数学工具进行生物科学研究和解决生物科学技术问题的,唯有孟德尔定律,别无他二。中心法则只是法则,而不是用数学语言表述的定律。

    生物学一直未能学好数学语言,生物王国一直未能用数学语言来表述,一直未能找到适合的数学工具,数学工具一直未能成为用于“拆卸或组装生命”的工具。

    人的大脑通过直观的物体(例如手、手指、足、足趾)的观察,建立了数的概念,进而有了二进制、五进制、十进制,及由此发展起来的加减乘除四则运算;从物体运动的时间、距离、速度的联系,建立了数学方程;从物体运动时,点的轨迹,总结出了点线面体的欧几里德几何体系;从最简单的几何平面三角形的三边三角6个变量关系,总结、建立了函数表述体系;从物体的逐次分割和反向迭加的联系和延伸,确立了微积分运算方法……可以说数学与物理学是“指腹为婚”、“青梅竹马”,所以物理学与数学是相互之间“情有独钟”、“互敬互爱”,最有“共同语言”,互相“最了解对方”,他们之间有说不完的“悄悄话”,是最自然不过的事情了。

    人们有理由认定数学与物理学是“天仙配”,但不能认定生物学与数学就是“无缘”或是“姻缘不合”,我们只能说是“姻缘未到”。

    生命和数学,生物学家和数学家若能拉起手来,表述生命体的结构和生命活动之序的数学语言,解决生命科学问题的数学工具,应该是可以找到的。用数学语言表述生命体和生命活动的序,将会变得更加简洁、明了、科学、准确,使学习者和阅读者变得容易理解和便于记忆,大脑里能建立起更加良好和有益的网络式的思维体系。

    生命体的结构和生命活动是具有整体性和不可分割性;但我们对生命活动的已有实验探索、对生命体结构的认知和知识讲解,总是在生命体和生命活动内含被拆解为单一、孤立事件状态下进行,使学习者对生命体结构的认知和生命活动规律的理解总是支离破碎、乱而无序;用数学语言表述生命体的结构和生命活动的序,将会更容易包函生命体结构的整体性和生命活动之序的规律性、完整性、系统性。

    下面用遗传信息表达率数学语言方式说明这个问题:

    遗传信息表达率(D):

    设:L-- 表示生物个体基因型规定的理想性状表现值;

    X--表示生物个体的实际性状表现值;

    D--表示遗传信息表达率;

    则 D= (0≤D<1))

    L是生 物体遗传信息规定的理想环境条件下的理想性状表现值,已知的分子遗传学告诉我们,生物界不可能存在两个L等值的生物体基因型。X是 生物体在实际 生 活环境条件下生长发育的实际性状表现值,由于任何生物体都不可能获得理想生活环境条件,实 际 生活环境条件总是或多或少地偏离理想环境条件,因此X值总是
    D值数学语言表述的遗传信息表达率,人们就很容易理解下面两个生命基本问题:

    老鼠与大象:人们在进行生物产品生产(包括人类自身生产)时,只能尽可能地使D值→1。人无论经过什么样的努力,都不可能使既有的老鼠基因型规定的老鼠种质(老鼠受精卵)养殖成大象。企望具有马铃薯遗传信息规定的马铃薯种质,种植出来的马铃薯块茎能有小山或海岛那么大的奇迹块茎的收获,是何等谎谬、痴心妄想。

    大脑标准件 :在人的教育理念中,教育运作只能尽可能地创造适合不同个体或群体的智力发育所要求的合适环境条件,使每个受教育个体的智力发育实现D值→1。教育不可能生产大脑标准件(作者在《脑质型教育》中有专门论述)。现在学校教育没完没了的按分数给学生排名次,分等级的行为做法,用遗传信息表达率D值数学语言去理解,显然是主观意志强奸客观事物行为。“勤奋就是天才”,“只要勤奋,每个人都可以摘取科学桂冠上的明珠”的古言、古训,是要深思和反省的,是必须审度和修正的。从科学概念上讲,“只要勤奋,每个人都可以摘取科学桂冠上的明珠”显然是一种十分幼稚的思维。提倡和勉励勤奋是应当的,但D值语言会明明白白告诉我们:

    智力没有等高点

    勤 奋≠天 才

    天才需要勤奋,但是勤奋未必天才;古今中外事实,总是勤奋众聚,天才寡有。教育只能将“天才”基因规定转化为“天才”性状表现,教育不能制造天才。

    教育只能“循规而育”,不能“任意而育”。

    生物体的基因型规定,基因型与表现型的先决后从关系是不可违背的。

    建立生命数学方法体系

    现在的基本问题是:生命数学语言体系还没有建立,适合用于“拆卸和组装”、“加工和制造”生命体的专用数学工具还没有打造出来,还谈不上有什么解决生物学问题的有效数学方法,生命的数学奥秘到底在哪里?

    常洁、葛莹等诸位专家学者早有高知、高见、高论,“科学只有成功运用数学的时候才算是一门成熟的科学”,“生物形态结构没能成功定量化的重要原因是缺乏合适的数学工具。”著名物理学家周光召先生在《面向科技大发展的21世纪》(中国科学报,1995,5,29,3版)中论述过这个问题。

    生命科学与数学的四个基本问题:

    ㈠生命数学概念:凡是与生命体有关的数学语言、数学方法、数学工具、数学过程的内含命定为生命数学。

    在事物界面上认识数学工具应用,清晰界面事件用精确数学方法更有效,模糊界面事件用模糊数学方法更合适。生命体的大量事件是模糊界面事件。表述生命体结构和生命活动的序,模糊数学可能更合适。

    (二)生命体界面基本认识。

    1、从生态学上看,生命体与非生命物质在空间构象上是存在清晰界面,每个生命体不论是单细胞、多细胞,还是非细胞结构的病毒,体表都有界膜与周围环境隔开,存在清晰界面;但从物质和能量流动、转化上理解,是模糊界面。H2O、O2、CO2、无机盐、能量在生命体与无机环境之间是互流互动的,CO2和水进入自养型生命体即转化为有机物,有机物不论在生物体内、体外都会分解,产生CO2和水,流入无机环境。

    2、种群之间的界面一般是模糊界面属性。例如,在一个小麦种群分布地域空间里,总是夹杂、穿插分布、生存着其他各种动、植物种群。种群之间从生殖繁育学上讲是相互隔离--有清晰界面;从空间分布、生存交互影响上看,是互相交叠,无清晰界面--模糊界面属性。

    3、生命体个体之间,清晰界面是主导地位,但似乎也有模糊界面的影子,例如,有性生殖、动物交配都要互相进入,生物都以种群的方式过群居生活,单个个体独处总是生活不好,人和动物特别明显,一个人如果从出生(或从受精卵)开始就与人群实行完全隔离,作为一个现代“人”的概念属性就不复存在。这似乎隐含着个体之间总是存在着一种交融不可分割的界面--存在模糊界面。

    4、在组组器官层次上观察和理解,解剖学可以把一个生命体分离出各个具有膜界面的独立器官标本模型,但是解剖学非常粗心地对待下面两个应该表述和理解的问题而掉以轻心、轻描淡写,或不予理会:一、解剖学上分离的有膜界面的独立器官标本,其内部都含有多种其他器官的组织结构,胃总是含有循环系统(血管、血液)和神经系统的结构 ,神经系统的未端几乎是嵌入所有其他的器官 ……二、分离后的独立器官是不能存活、不能完成生命功能的,器官一旦与机体脱离就失去该器官原有的功能。这里就是一个对于清晰界面与模糊界面如何理解的问题。

    5、在细胞层面上观察事物和理解上述问题,也是一样。细胞膜、细胞质、细胞核之间既是有膜结构隔离的相对独立的结构体系和各自的生命功能表达内容;但在物质流动、转换和生命功能表达过程又是在膜、质、核之间循序流转的。

    综上所述,生物界、生命体的界面,可能不仅仅是人们已有的清晰界面和模糊界面的概念问题,可能需要一个(清晰界面、模糊界面以外的)第三界面属性概念来表述。

    生命数学应当在生命领域的界面观察、分析上,首先给予特别的重视。

    (三)DNA可能是生命数学的理想切入点:DNA分子的规则双螺旋结构应该含有简洁、明了、准确、严密、极其丰富和美妙无比的数学语言。生命体的基本数学模型和数学方程应该就在DNA分子中。

    DNA分子应当有当今人类智慧尚未认知的“数的编码、数的运算”法则。

    生命数学方法应在精确方法、模糊方法概念的基础上有新的思维突破,生命数学方法应当有(精确方法、模糊方法以外的)第三方法--DNA数学方法。

    DNA分子具有现代物理电子芯片概念所无法理解的信息编码、信息存储、信息调用和“不同文件”之间互联互通的能力。如果要将“造一个特定人”的全部信息,不论是纸册形式、还是电子形式存储,都将是不可想象的;但生命体的“造一个特定人的全部信息”,却只要存储在46个DNA分子中。“46个DNA分子”是一个什么样的空间概念呢,只是在细胞核内,只占一个细胞的很小空间。

    一个受精卵细胞内的所有DNA分子,就是一个生命体遗传信息的总信息库,设为集合A,下含四个I 级基本信息子库:

    I①--程序开关信息库:控制生命体发育和生命进程常规程序;例如始于受精卵的细胞分裂、分化的时空序和条件规定的信息。

    I②--常设开关信息库:控制生命体的新陈代谢;

    I③--修复开关信息库:控制生命体受损伤后的修复和衰老破损更新;

    I④--应激系统信息库:接收环境信息和信息处理且发出相应的解决和应变、应激指令;

    一个生命体的遗传信息库则可记为:

    A={Ⅰ① Ⅰ② Ⅰ③ Ⅰ④}

    对Ⅰ① Ⅰ② Ⅰ③ Ⅰ④分录解析,并理解其间的联系。

    I 级信息库下包函着若干级子信息库,例如I②含有与新陈代谢过程的物质转化和能量转換有关的各种酶的合成及其他相关信息。逐次解析。

    这样剖析生命体的结构和功能的序,可能会更趋近事物的客观性。

    (四)建立生命数学方法体系:建立生命数学研究机构、生命数学学术团体、出版生命数学刊物和生命数学专著、编写生命数学教科书、大学设立生命数学专业,支持和奖励在生命数学研究中有成就的学者和有发展前景的青少年学习者;建立生物、数学、物理、化学跨学科研究团队联盟等多层次多方位机制组成的生命数学研究应用运行机制。

    提出生命数学概念、建立生命数学方法体系,应当不会是一个匪夷所思,只是这个问题太大、太难,是人类有史以来无与伦比的艰难事业,同时也是人类有史以来无与伦比的伟大创举!

    此举只有

    科学院和国务院

    的决策机构行为动作,才能启动和运转。

    建立生命数学方法体系,应用生命数学方法,不只是解决“生物学”的问题,而是人类会拥有一种全新的数学语言、数学工具、数学方法。将会导致人类信息社会时代的空前发展。

    人类社会的后续发展,将取决于生命数学方法体系的成功建立。

    若此举能赋于卓有成效的实施,人类遨游生命王国就有可能乘上“光子火箭”奔前程,给未来的人类带来现在人无法想象的乐趣和无限美好享受。

    生命数学确立的明天,现在人奢侈享受的电脑、视频、通汛等电子产品,用DNA芯片取代,将它们全部集合成一体,可能也只需要一粒黄豆、一粒芝麻、一个细胞那么大,只要植入到人体的任意部位即可任意享用,决不会是天方夜谭、痴人说梦。

    生命数学构建的DNA芯片时代看今天,就象手机通汛看过去邮差送信,电灯照明看古代松光火把,万吨巨轮运输看蚂蚁搬家一样!

    作者简历﹕

    1941年生,男,福建省漳平市人,1967年福建农学院农学专业本科毕业,终生任教于将乐第一中学,从事生物学科教学,中学高级教师,1994年福建省人民政府授予特级教师称号。著有《脑质型教育》(分5章25节约25万字)书稿一部。2000年10月退休。