运筹学与生命科学

生命科学的迅猛发展和对运筹学理论和方法的巨大需求,吸引了大量的运筹学家加入了运筹学与生命科学交叉领域的研究。运筹学理论和方法在生命科学的研究中越来越普遍和重要,而运筹学本身也从中得到了发展的动力。这里所指的生命科学包括生物学、医学和药物学等。传统的生命科学和其他自然科学如物理学相比,更多地关注于定性的研究,而不是定量的研究。但是这种现象正在迅速改变。20世纪中期,随着蛋白质空间结构的解析和DNA双螺旋结构的发现,形成了以遗传信息载体核酸和生命功能执行者蛋白质为主要研究对象的分子生物学。而21世纪初人类基因组计划的完成,标志着生命科学研究进入了一个崭新的后基因组时代,其特征和标志包括:高通量生物技术的成熟应用、大型生物数据库的建立、从单个的组学到系统生物学的研究方法等。

运筹学是一门“优化的科学”,而生命的进化过程本身就是一个自然选择和遗传优化的过程,所以许多生命科学问题的数学模型都与优化有关。而且这些模型大多是NP-难的,所以近似算法和启发式算法的研究在这方面起到重要的作用。生命科学被称为二十一世纪的科学,从过去十年的发展可以预见,未来的十年将是生命科学飞速发展的时期。在日新月异的现代生物实验和医学技术的帮助下,生物学家和医学工作者对生命和疾病的过程和机制的了解将越来越深刻,生命科学领域的数据和数学模型也会越来越多。运筹学工作者应该抓住这个难得的机会,使运筹学成为未来十年中生命科学研究的主要工具之一。

与运筹学发展早期的工业生产、经济管理等领域类似,未来三十年生命科学领域与运筹学的联系将越来越紧密。运筹学不仅可以帮助生命科学研究人员建立从微观(基因、蛋白、细胞)到宏观(组织、器官、物种)的数学模型,帮助生命科学研究人员更好、更合理地设计实验和改进技术,还可以通过模型优化来更好地探寻生命科学中的规律和机制,更好地为人类健康服务。

运筹学与生命科学的交叉研究将更加全面和深入。首先,除了已经在生命科学中得到广泛应用的分支将继续得到重视,运筹学的其他分支将找到用武之地。例如随机优化模型可能用于研究细胞内部的调控策略和信号传导机制;博弈论可能帮助分子遗传进化研究找到新的突破。其次,运筹学与生命科学的交叉研究将扩展到更多的生命科学分支领域,例如,生命起源的研究、个性化医疗中的最优医疗策略等。

最重要的是,与生命科学的交叉研究可能促进新的运筹学理论和方法的出现,甚至产生新的运筹学分支。可能对运筹学发展产生促进作用的因素有很多,例如,生命科学的海量数据对计算复杂性的挑战、现有运筹学模型在描述复杂生命系统时的不足、生命系统和其他物理系统的显著差异、生命过程和生命现象的不确定性和随机性等。

运筹学已经逐步应用到生物信息学和系统生物学等诸多新兴的生命科学研究领域,发挥着重要的作用。目前,在生命科学中得到广泛应用的运筹学分支有:图论与组合数学、动态规划、人工神经网络、线性规划、非线性规划、整数规划等。例如,基于动态规划的序列比对算法是目前最重要的生物信息学基本工具之一。一方面,线性规划、非线性规划和整数规划在蛋白质结构比对和结构预测中作为重要工具经常使用。另一方面,现代生命科学对运筹学理论和方法提出了新的需求和巨大的挑战。例如,基因组学和蛋白质组学中的数学模型大多涉及求解总体极值和大规模变量的问题,促进了启发式算法和近似算法的研究。

当然,系统生物学尚处在起步阶段。它要成为一门独立的分支学问,在未来的十年内,需要建立自己的“公理系统”、“基本理论”、以及实验和算法体系,运筹学将在这一过程中起到其独特的作用。

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