系统生物学应用精选(九篇)
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第1篇：系统生物学应用范文
关键词：B/S架构；学生信息管理；数据库
中图分类号：TP315文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)30-0578-03
The Design and Realize of Students Information Management System Based on Web
JIANG Wen-Xiu
(Yangzhou Vocational College of Environment and Resources, Yangzhou 225000,China)
Abstract: This paper mainly describes the realization scheme of the student's information management system, which is based on Web structure and Asp technology. For example backstage supporter's database, system log-in, user's management, the concrete designs. In this paper systematic safety has been fully considered, and systematic operation environment is carried out on IIS safe management installation, user identification accessing database are encrypted With ADO technical visiting OLE DB directly joins makes data accessing process simply, and efficiently, so that the entire information management system could run highly effective and steadily, and it has high rate of flow.
Key words: B/S builds up；the information management；database
1 引言
如何提高学生信息管理的水平，建立适合自己院校的学生信息管理系统，已成为学校信息化建设过程中堕特解决的重要问题。从实用性和经济性考虑，构建基于Web技术的网络管理平台是当前大多数院校教学管理的一个重要任务和发展方向[1-4]。运用Web技术，建设学校学生信息管理平台，旨在探索一种以互联网为基础的教学管理模式。通过这种新的管理模式，为学院营造一种新的教学管理环境，使管理突破时空限制，提高工作效率和管理水平，使学校管理者、教师和学生可以在任何时候、任何地点通过网络进行学习与交流。
2 学生信息管理系统设计
本系统开发的基本要求与功能是实现学生信息数据包括与学生有关的数据的管理与操作处理，基于Microsoft SQL Server 2000数据库系统的数据管理使该软件有更优异的性能。系统的基本数据流动为用户数据的输入、学生档案信息、课程信息、班级信息、学生成绩信息的输入，以及用户提出的对学生信息的查询和其它要求所产生的数据输出。数据的输入与输出处理流程都依靠数据库的支持。图1是系统的程序功能图。
整个系统只要一个管理员登录入口，所以只要在数据库里建一个管理员表即可，根据不同的管理权限进入不同的后台管理系统对其中的数据进行操作。表1~表4是本系统涉及到数据表。
3 数据库的完整性和安全性
本系统中定义了表与表之间的联系有助于实现完整性规则，一般在程序中实现具体的完整性控制。
3.1 使用数据库完整性约束
为了防止终端用户输入错误的数据，以保证所有数据库中的数据是合法的、完整的。在设计数据库表时采用数据库完整性约束，它是数据库完整性的一种机制，这种约束是一系列预先定义好的数据完整性规则和业务规则，这些数据规则存放于数据库中，具体来说，数据库的完整性约束有以下几种：非空约束(NOTN ULL)：缺省值约束(DEFAULT VALUE)：唯一性约束(UNIQUE)；主键约束(PRIMARYKEY)：外部键约束(FOREIGN KEY)；规则约束(CHECK)。由于这种约束是加在数据库的表的定义上的，它与应用程序中维护数据库的完整性不同，它不用额外地书写代码，所以代价小而且性能高。以定义系统用户信息表为例：
CREATE TABLE user_Infor(
Username char(20) PRIMARY KEY
Password char(20) NOT NULL
Confine char(10) NOT NULL
其中主键PRIMARY KEY来约束列username不能重复，而且不能为空，密码字段password不能为空(NOT NULL)，权限Confine不能为空。
3.2 使用数据库存储过程
在多用户的Internet/Intranet里，在对多表进行插入、删除、更新等操作时，可能会出现多客户同时操作数据库时带来的“死锁”和破坏数据一致性的问题。为此在设计时采用调用存储过程的方法来解决上述问题。存储过程是由流程控制和SQL语句书写的过程，它是一组经编译和优化后存储在数据库服务器的SQL语句，使用时用户只要调用即可。这种己经编译好的过程可以极大地改善SQL的性能，而且执行速度快，可以大大减少网络通信流量，提高应用系统的性能。由于它是模块化程序，可减少操作出错，从而有效地保证数据的一致性和完整性。
CREATE Procedure[owner.]procedure name[;number]
[(parameterl[,parameter2]…[parameter255])]
[{FOR REPLICATION}|{WITH RECOMPILE}
[{[WITH]|{,}ENCRYPTION}]
AS sql_statements
其中proceddure_name为过程名称；number用于在过程名称重复时进行编号；[(parameterl[，parameter2]... [parameter255])]为参数序列。
WHTH RECOMPILE执行计划不保存的高速缓存中，每次执行过程需要重新编译ENCRYPTION加密syscomments表的内容，syscomments表中包含CREATE ROCedure的文本，保证无论何时都不删除syscomments表FOR REPLICATION过程在前台执行，不在服务器上执行。
本系统包括数据库的安全和服务器的安全。采用管理员表示和鉴定的方法实现数据库的安全，此安全管理措施并不在前台开发工具中实现，而是在后台数据库中实现。在登录数据库时，系统让管理员户表示自己的身份，不同的管理员权限不同，系统进行核实，鉴别此管理员是否为合法用户，若是，系统进一步核实用户，通常要求用户输入口令，系统和对用户口令以鉴别用户身份。服务器的安全也是通过用户在登录服务器时输入合法的用户名和密码来实现的。这是一种简单可行的方法，实现起来比较方便。没有采用更加复杂的系统安全管理措施是因为本管理系统一般是应用在校园网中，采用安全管理措施主要是为了防止没有修改权限的用户无意间修改了数据，因此采用用户标识和鉴定的安全管理措施就能够保障数据库的安全性。
4 学生信息管理系统的程序实现
系统开发与运行环境确定如下：
体系结构：Brower/Server结构，编程语言：ASP，网络操作系统Windows2000 server、Windows2003 server，数据库操作系统：Microsoft SQL2000，客户端：Windows98/Windows2000/windowsXP。
4.1 成绩管理模块实现
学生成绩查询模块提供了两种查询方式：按考试查询和按科目查询。按考试查询可以在选定考试后，查询某一科或几科的成绩、目标分、是否达标、合格人数、优秀人数、合格率、优秀率等信息。此种方式便于班主任掌握相应考试的考试情况。按科目查询可以在选定科目后，查询某一次或几次考试的成绩、目标分、是否达标、优秀人数、合格率、优秀率等信息。此种方式便于任科老师掌握学生的学习情况。学生成绩修改/删除模块:管理员首先选择查询条件，筛选出符合条件的记录，再进行选择是修改/删除一条记录还是多条记录，并在删除前提示确认信息，以防操作失误造成的数据丢失。计算总分与排名模块：非常实用的一个模块。当各位科任老师将各科成绩录入后，班主任轻点几下鼠标，即可计算出总分、平均分、班级排名与全级排名。学生成绩录入页面如图2所示。
4.2 信息管理模块实现
本模块主要实现对学生信息的录入、查询、修改、删除、打印和班级的设置，下面是这一功能的实现，如图3。
4.3 用户管理模块实现
用户管理(如图4所示)主要是对系统的管理员级别的用户（包括系统管理员、区域管理员和学校管理员)进行管理。
本模块在进行保存用户名和密码时对用户密码进行MD5加密。MD5的全称是Message-Digest Algorithm 5，在90年代初由MIT的计算机科学实验室和RSA Data Security Inc发明，经MD2, MD3和MD4发展而来。Message-Digest泛指字节串(Message)的Hash变换，就是把一个任意长度的字节串变换成一定长的大整数。请注意我使用了字节串而不是字符串这个词，是因为这种变换只与字节的值有关，与字符集或编码方式无关。MD5将任意长度的字节串变换成一个128bit的大整数，并且它是一个不可逆的字符串变换算法，换句话说就是，即使你看到源程序和算法描述，也无法将一个MD5的值变换回原始的字符串，从数学原理上说，是因为原始的字符串有无穷多个，这有点象不存在反函数的数学函数。MD5的典型应用是对一段Message(字节串)产生fingerprint(指纹)，以防止被，篡改。举个例子，你将一段话写在一个叫readme.txt文件中，并对这个readme.txt产生一个MD5的值并记录在案，然后你可以传播这个文件给别人，别人如果修改了文件中的任何内容，你对这个文件重新计算MD5时就会发现。如果再有一个第三方的认证机构，用MD5还可以防止文件作者的，抵赖，这就是所谓的数字签名应用。MD5还广泛用于加密和解密技术上，在很多操作系统中，用户的密码是以MD5值(或类似的其它算法)的方式保存的，用户Login的时候，系统是把用户输入的密码计算成MD5值，然后再去和系统中保存的MD5值进行比较，而系统并不知道用户的密码是什么。
当用户注册成功，正式建立一个账号的时候，数据库中就必须为这个用户增加一条记录。以下的程序代码实现了建立一个账号的功能，在页面中，程序要求用户输入账号、密码等信息，然后，将这些信息作为账号信息存入名为UserCount的数据表，在这个表中，用户密码是使用MD5加密保存的。
5 结论
本文的基于Web服务的学生信息管理系统具有如下特点：
采用Browser/Server三层体系结构，使系统具有很好的可维护性和重用性。在本系统的开发过程中采用的是ASP+IIS+SQL Server模式，此模式将明显的把显示和逻辑分离，使代码容易管理，适合于大型项目的开发。中间层使用数据库连接池技术加快与数据库服务器之间的数据处理速度，也加快对客户端响应速度。后台数据库采用的SQL，它功能比较强大，除了可以处理包含在各种平台上运行的数据库管理系统内核之外，还包括了数据复制、数据库系统管理、Internet网关支持、在线分析处理、多媒体支持和各种并行处理能力。
参考文献：
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[3] 董彦霞, 陈志刚. 基于B/S模式的成人教学管理系统的设计与实现[J]. 电脑与信息技术, 2005,13(4):37-40.
第2篇：系统生物学应用范文
关键词：Android；高校学生信息服务系统；应用
中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0057-01
1 Android平台特点及优势
Android一词在汉语中被翻译成“机器人”，其在本文的意思是美国谷歌公司在2007年时所推出的一个开源性手机操作系统，由底层Linux操作系统、核心应用程序和中间件这三部分组成。Android平台同其他操作平台相比，之所以具有更强的竞争力是由于其结构特点所造成的，是其他平台所不可比拟的。
1）其应用程序的框架中，组件可以被替换或者重用；2）手机是可以移动的，因此，其应用的虚拟机具有占用内存空间小，运行速度快的特点；3）其采用的浏览器引擎是公开源代码的；4）其采用更先进的图形库，定制2D和3D的图形库，并且使3D图形功能标准化；5）应用SQLite（轻量级数据库管理软件）来进行数据储存，其占用资源空间极低，支持事务处理等应用功能；6）支持多媒体功能，支持图像及音视频格式较多，例如：MP3、MPEG4、GIF、PNG、AAC等；7）支持2G移动通信技术；8）支持蓝牙、3G以及无线网技术；9）支持卫星定位系统、照相等功能应用；10）其具有较大的开发环境，开发插件强大，便于开发新的应用系统。
2 高校学生信息服务系统主要需求
当下，数字化校园理念一经提出，就受到了高校广大师生的热烈追捧，该系统主要是为教师、学生以及家长之间搭建一个有效沟通交流的平台，而该平台正是将利用Android平台来实现。
1）高校学生信息服务系统中的功能性需求。高校学生信息服务系统的应用用户主要为教师、学生以及家长，而这三种用户对该系统的需求各有不同。教师应用该系统主要是信息、记录相关信息、与学生、家长相互交流以及共享资料等；学生应用该系统主要是查看信息、信息、记录相关的信息、与教师、家长相互交流，与教师所应用有不同之处；而家长应用该系统主要是用来查询信息、与教师和学生相互交流记忆对学校建设、教师管理等方面提出建议和意见等。
2）高校学生信息服务系统中的特殊性能需求。由于高校学生信息服务系统是为教师、学生以及家长这三类用户所提供信息服务，所以相对来说要对智能手机其操作系统、应用界面、数据传输及存储和通信网络技术等的要求更为严格。一是应用的手机操作系统要有自己的用户规模，让教师、学生以及家长能够利用该系统查询自己所需信息，并且操作要更为简单，能够随时使用3G网络；二是对应用界面的要求，设计应便于访问，同样要求操作简单；三是对数据传输及存储的要求较为严格，要具有安全性，确保在提取数据时高效、准确；四是通信网络技术方面依据系统的要求，可以实现在公共互联网上进行正常通信，能够实现数据的传输和接收。
3 基于Android系统开发的高校学生信息服务系统的实现
1）开发环境的搭建。 开发所用操作系统为：Windows XP SP3；所用开发语言版本为：Java 1.6；所用开发工具为：Myeclipse 9.0；开源服务器为：Tomcat 6.0；数据库为：MySQL。
开发环境的重点在于Android系统开发环境的搭建。首先需要下载相应的JDK，然后是配置Android针对Myeclipse开发工具的相关插件，即Android Development Tools，最后是Tomcat的安装，并与Myeclipse的集成。当上述工具均配置完成后，Android系统的开发环境便搭建完成，接下来就可以进行基于Android系统应用的开发工作了。
开发Android应用程序的一般步骤为：①创建工程；②对工程进行启动配置；③编写相关代码；④启动工程进行调试。
2）开发工具简介。选择优秀的开发工具是开发Android应用程序的必要条件。在Android SDK的一系列工具当中，包括硬件虚拟设备与模拟器、Android资源打包辅助工具、Dalvik监视服务以及Android调试桥工具等。
AVD是运行Android系统的虚拟设备。开发的Android应用程序必须通过AVD才能运行。其内容包括：照相机、内存和键盘等硬件相关配置、系统版本的选择、硬件外观和屏幕尺寸大小、扩展卡大小以及AVD相关文件的位置等。
Android设备模拟器是运行Dalvik虚拟机的工具。它可以让开发者开发的Android应用程序像运行在手机一样运行在开发环境中，无需将其安装在真实的手机环境中进行测试，大大提高了开发调试效率。
资源打包辅助工具，即AATP，是可对应用程序进行打包的辅助工具。可将各种资源文件以及相关代码文件一并打包成可安装运行的.apk文件。
调试监视服务，即DDMS，是可视化的调试以及监视工具。它主要监视应用程序的运行、内存分配、堆栈的使用等情况。
调试桥及DX工具，是将Java的.class文件转换成虚拟机可执行的.dex文件。
3）应用程序开发的关键点。首先是Android界面的设计与实现。主要是利用Java语言实现相关业务逻辑，利用XML语言描述界面布局。借用Java语言中的UI设计理念，利用事件响应机制与布局的管理，每个XML可以嵌套多个View，这样可以丰富用户界面的设计。其次是数据的交互操作。采用MySQL来存储数据，客户端必须通过网络与服务器端进行数据的交互。实现此方法需满足两个必要条件，即两端网络的相互访问以及数据库对于服务端的开通连接。当这两个条件满足后，两端才可进行数据的操作。操作包括用户客户端提出查询请求时，会向相关服务器端提出请求，服务器端会返回客户端的查询信息；用户客户端提出写入请求时，服务器端将写入数据，并返回是否写入成功的信息。
4 结束语
综上所述，由于智能手机在高校校园中的广泛应用，将Android平台应用到高校学生信息服务系统中，能够有效的解决随时应用电脑的不便捷问题，教师、学生和家长为该信息服务系统的应用者，为其搭建一个良好的沟通交流平台是非常有必要的。本文针对如何将Android平台应用到高校学生信息服务系统中做出了一定的介绍和建议，希望能给高校相关人士一些实用性参考，使校园的信息服务功能更强大。
参考文献
[1]温敏，艾丽蓉，王志国.Android智能手机系统中文件实时监控的研究与实现[J].科学技术与工程，2009（07）.
第3篇：系统生物学应用范文
[关键词] 系统生物学；基因组学；蛋白质组学；计算生物学
近代生物学研究主要是以分子生物学和细胞生物学研究为主。研究方法皆采用典型的还原论方法。目前为止，还原论的研究已经取得了大量的成就，在细胞甚至在分子层次对生物体都有了很具体的了解，但对生物体整体的行为却很难给出系统、圆满的解释。生物科学还停留在实验科学的阶段，没有形成一套完整的理论来描述生物体如何在整体上实现其功能行为，这实际上是还停留在牛顿力学思想体系的简单系统的研究阶段。但是生物体系统具有纷繁的复杂性[1，2]。尽管对一个复杂的生物系统来说，研究基因和蛋白质是非常重要的，而且它将是我们系统生物学的基础，但是仅仅这些尚不能充分揭示一个生物系统的全部信息。这种研究结果只限于解释生物系统的微观或局部现象，并不能解释系统整体整合功能的来源，不能充分揭示一个生物系统的信息，且忽略了系统中各个层面的交互、支持、整合等作用，限制了生物学研究的发展。在这种现状下，20世纪末人类基因组计划完成后，生物学领域的科学家都在考虑一个问题：未来生物学研究的方向在哪里？为此学术界也不乏辩论。得出的共识是：生物学的发展未来主要面对如下问题：(1)如何弄清楚单一生物反应网络，包括反应分子之间的关系、反应方式等；(2)如何研究生物反应网络之间的关系，包括量化生物学反应及生物反应网络；(3)如何利用计算机信息及生物工程技术进行生物反应，生物反应网络，乃至器官及生物体的重建。
早在1969年，Bertalanfy LV就提出了一般系统理论(general systems theory)，他在文章中指出生物体是一个开放系统，对其组成及生物学功能的深入研究最终需要借助于计算机和工程学等其他分支学科才能完成[3]。1999年，由Leroy Hood创立的系统生物学(systems biology)则是在以还原论为主流的现代生物学中反其道而行之，把这种以整体为研究对象的概念重新提出。他给系统生物学赋予了这样的定义，系统生物学(systems biology)是研究一个生物系统中所有组成成分(基因、mRNA、蛋白质等)的构成，以及在特定条件下这些组分间的相互关系的学科。换言之，以往的实验生物学仅关心基因和蛋白质的个案，而系统生物学则要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。显然，系统生物学是以整体性研究为特征的一种大科学，是生物学领域革命性的方法论。以胡德的观点，基因、蛋白质以及环境之间不同层次的交互作用共同架构了整个系统的完整功能。因此，用系统的方法来理解一个生物系统应当成为并正在成为生物学研究方法的主流。利用系统的方法对其进行解析，综合分析观察实验的数据来进行系统分析。具体通过建立一定的数学模型，并利用其对真实生物系统进行预测来验证模型的有效性，从而揭示出生物体系所蕴涵的奥秘，这正是生物学研究方法的关键所在。
1 系统生物学的主要研究内容
系统生物学主要研究实体系统(如生物个体、器官、组织和细胞)的建模与仿真、生化代谢途径的动态分析、各种信号转导途径的相互作用、基因调控网络以及疾病机制等[4，5]。
系统生物学的首要任务是对系统状态和结构进行描述，即致力于对系统的分析与模式识别，包括对系统的元素与系统所处环境的定义，以及对系统元素之间的相互作用关系和环境与系统之间的相互作用的深入分析。具体如生物反应中反应成分之间的量的关系，空间位置，时间次序，反应成分之间的因果关系，特别是反馈调节和变量控制等有关整个反应体系的问题等。其次要对系统的演化进行动态分析，包括对系统的稳态特征、分岔行为、相图等的分析。掌握了系统的基本演化机制，使系统具有目标性和可操作性，使之按照我们所期望的方向演化，也有助于我们重新构建或修复系统，为组织工程学的组织设计提供指导。另外，系统科学对生物系统状态的描述是分层次的，对不同层次进行的描述可能是完全不同的；系统科学对系统演化机制的分析更强调整体与局部的关系，要分析子系统之间的作用如何形成系统整体的表现、功能，而且对系统整体的每一行为都要找出其与微观层次的联系。
系统生物学的研究包括两方面的内容。首先是实验数据的取得，这主要包括提供生物数据的各种组学技术平台，其次是利用计算生物学建立生物模型。因此科学家把系统生物学分为“湿”的实验部分（实验室内的研究)和“干”的实验部分（计算机模拟和理论分析)。“湿”、“干”实验的完美整合才是真正的系统生物学。
系统生物学的技术平台主要为各种组学研究。这些高通量的组学实验构成了系统生物学的技术平台。提供建立模型所需的数据，并辨识出系统的结构。其中包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学和表型组学计算生物学通过建模和理论探索。可以为生物系统的阐明和定量预测提供强有力的基础。计算生物学包括数据开采和模拟分析。数据开采是从各实验平台产生的大量数据和信息中抽取隐含其内的规律并形成假说。模拟分析是用计算机验证所形成的假说，并对拟进行的体内、体外生物学实验进行预测，最终形成可用于各种生物学研究和预测的虚拟系统。计算生物学涉及一些新的数学原理和运算规则，需要物理和数学来研究生物学的最基本的原理，也需要计算科学、信息学、工程学等进行生物工程重建和生物信息传递的研究。
2 系统生物学的研究思路及特点
系统生物学识别目标生物系统中的各种因素，然后构架一个系统模型，在其中赋予这个生物系统能动性。在此模型中研究细胞、组织、器官和生物体整体水平，研究结构和功能各异的各种分子及其相互作用，并通过计算生物学来定量描述和预测生物功能、表型和行为。系统生物学最大的特点即整合。这里的整合主要包括三重含义。首先，把系统内不同性质的构成要素(DNA、mRNA、蛋白质、生物小分子等)整合在一起进行研究；其次，对于多细胞生物，系统生物学要实现从基因到细胞、到器官、到组织甚至是个体的各个层次的整合。第三，研究思路和方法的整合。经典的分子生物学研究是一种垂直型的研究，即采用多种手段研究个别的基因和蛋白质。而基因组学、蛋白质组学和其他各种“组学”则是水平型研究，即以单一的手段同时研究成千上万个基因或蛋白质。而系统生物学的特点，则是要把水平型研究和垂直型研究整合起来，成为一种“三维”的研究[6]。
3 系统生物学的研究方法
系统生物学最重要的研究手段是干涉(perturbation)。系统生物学的发展正是由于对生物系统的干扰手段不断进步促成的。干涉主要分为从上到下(top-down)或从下到上(bottom-up)两种。从上到下，即由外至里，主要指在系统内添加新的元素，观察系统变化。例如，在系统中增加一个新的分子以阻断某一反应通路。而从下到上，即由内到外，主要是改变系统内部结构的某些特征，从而改变整个系统，如利用基因敲除，改变在信号传导通路中起重要作用的蛋白质的转录和翻译水平[7]。
目前国际上系统生物学的研究方法根据所使用研究工具的不同可分为两类：一类是实验性方法，一类是数学建模方法。实验性方法主要是通过进行控制性的反复实验来理解系统[8，9]。首先明确要研究的系统以及所关注的系统现象或功能，鉴别系统中的所有主要元素，如DNA、mRNA、蛋白质等，并收集所有可用的实验数据，建立一个描述性的初级模型(比如图形的)，用以解释系统是如何通过这些元素及其之间的相互作用实现自身功能的。其次在控制其他条件不变的情况下，干扰系统中的某个元素，由此得到这种干扰情况下系统各种层次水平的一些数据，同时收集系统状态随时变化的数据，整合这些数据并与初级模型进行比较，对模型与实际之间的不符之处通过提出各种假设来进行解释，同时修正模型。再设计不同的干扰，重复上面的步骤，直到实验数据与模型相一致为止。
数学建模[10，11]方法在根据系统内在机制对系统建立动力学模型，来定量描述系统各元素之间的相互作用，进而预测系统的动态演化结果。首先选定要研究的系统，确定描述系统状态的主要变量，以及系统内部和外部环境中所有影响这些变量的重要因素。然后深入分析这些因素与状态变量之间的因果关系，以及变量之间的相互作用方式，建立状态变量的动态演化模型。再利用数学工具对模型进行求解或者定性定量分析，充分挖掘数学模型所反映系统的动态演化性质，给出可能的演化结果，从而对系统行为进行预测。
4 当代系统生物学研究热点
基因表达、基因转换开关、信号转导途径，以及系统出现疾病的机制分析等四个方面是目前系统生物学研究的主要阵地。
基因组医学(genomic medicine)是以人类基因组为基础的生命科学和临床医学的革命。生命科学和临床医学结合，将人类基因组研究成果转化应用到临床实践中，是后基因组时代最重要的研究方向之一。人类基因组计划从完成和多种疾病相关的基因研究发现，迅速进入到蛋白质组学、染色体组和人类疾病基因的研究，通过单基因或复杂多基因疾病的相关基因研究和疾病易感因素分析，达到揭示基因与疾病的关系之目的；遗传背景与环境因素综合作用对疾病发生发展的影响；为疾病的诊断、预防和治疗、预后和风险预测提供依据。基因组医学将大大提高我们对健康和疾病状态的分子基础的认识，增强研制有效干预方法的能力。
后基因组(post-genome)的交叉学科研究是目前生命科学研究的前沿。交叉学科是一个新的研究领域，范围非常广阔，如基因组、蛋白质组、转录组等等，从而出现许多新的交叉学科。
细胞信号转导(signal transduction)的研究是当前细胞生命活动研究的重要课题。细胞信号转导蛋白质组学是功能蛋白质组学的重要组成部分。系统地研究多条信号转导通路中蛋白质及蛋白质间相互关系及其作用规律，细胞信号转导通路网络化，其作用模式、通路、功能机制、调控多样化，细胞信号转导结构、功能、途径的异常在癌症、心血管疾病、糖尿病和大多数疾病中起重要作用。对细胞信号转导机制的了解，已成为创新药物、防病治病的关键。细胞信号转导不是一门单一学科，而是多种学科，如细胞学、生物化学、生物物理学和药理学等多学科的交叉学科。
5 现阶段系统生物学存在的问题
目前的系统生物学研究还只是初步使用动力学建模方法来定量描述系统的动态演化行为，这种方法对简单巨系统是适用的，但是在运用到复杂适应性系统时就会表现出很多的局限性，有很多问题就不能解决。生物体系统的复杂程度超乎我们的想象，现阶段不宜研究整个生物体系统，可以从研究“小系统”(生物体中具有一定功能、相对独立的部分，将其看成一个“系统”)开始，当然如何正确地分析这个小系统本身也不是件易事。
5.1现有技术水平的限制
着眼于整体的系统生物学对技术、仪器的依赖性大大超过传统的分子生物学。高通量、大规模的基因组及蛋白质组等的发展都是建立于新技术、新仪器出现基础之上。就目前的技术水平来讲，距系统生物学所要求达到的理想水平还相差很远。由于技术发展的不均衡造成了系统中各个水平上的研究不均衡。基因组和基因表达方面的研究已经比较成熟，而在其他水平如蛋白质、小分子代谢物等的研究仍处于起步阶段。各种蛋白质在数量上的巨大差异是全面分析低丰度蛋白质的一大障碍。而低丰度蛋白往往是最重要的生物调节分子，如何加强对低丰度蛋白的高通量研究，将是对蛋白质组应用前景的重要保障。同样，如何研究系统内存在的非遗传性分子即细胞中存在的成百上千的独立的代谢底物及其他各种类型的大小分子，它们在基因表达、酶的构象形成等方面有着重要作用。建立适当的方法来系统检测这些分子的变化是系统生物学能否发展的关键。
5.2分析水平的限制
系统的复杂性决定了全面分析的复杂性。人类基因组计划的实施提供了庞大的信息资源，已让人眼花缭乱，而对于较核苷酸复杂得多的蛋白质及代谢物等的分析将是更大的挑战。如何系统而详尽地为公共数据库中的信息加上注解，对这些复杂数据进行储存和分析将成为系统生物学发展的瓶颈。
[参考文献]
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第4篇：系统生物学应用范文
一、合成生物学：新千年的科学技术
新的研究格局在世纪之交已经呈现，其中生物科学的地位日益凸显，数十年前还不敢想象的技术现在似乎可以实现。但是，新世纪面临着新挑战。世界人口日益增加，气候变化、粮食和能源需求增加、疾病传播等一系列新的问题随之出现。许多科学家和工程师认为，可以通过合成生物学这一新兴而又具有变革潜力的学科应对新世纪面临的部分挑战。
合成生物学是一门将科学和工程方法相结合进行生物学研究和操控的新兴学科。虽然合成生物学还处在“幼年期”――其核心研究内容主要局限于寻找和提炼可执行具体基因功能或生物化学功能的生物元件，并改善DNA合成和构建的方法――但目标远大。合成生物学家们希望设计并构建人工合成的生物系统，最终用于工业制造、粮食生产，并提高全球健康水平。
一般而言，合成生物学是指运用工程学原理，设计和构建新的生物元器件和系统，并重新设计现有的、天然的生物系统，用于有益目的。它源于生物学及相关领域一个世纪的研究成果，但离不开工程学、计算科学、信息技术等领域的重大突破。
合成生物学具有以下重要特点：（1）它是生物学研究的新颖方法。与传统的生命机制探索方法完全相反，合成生物学注重生产定制化的细胞、有机体和生命体。（2）应用工程学方法生产生命体。合成生物学通常应用工程学原理设计执行特定功能的简化的生物元素。（3）依赖于非等级化的科研和商业化网络。合成生物学向着横向的、全球化的研究方式发展，通过社交网络，它吸引了世界各地的年轻科学家。（4）需要响应社会关切。合成生物学是新兴的学科和技术，需要充分考虑该技术的伦理、法律和社会影响，以及人们对其生物安全、监管和知识产权问题的关切。
二、合成生物学发展战略
1.中国。中国认为合成生物学将带来技术推动的新一轮经济增长，因此努力成为该领域的国际领先者。目前，中国每年对合成生物学的研发投资达到2.6亿元，每年发表合成生物学论文400余篇，约占世界总量的10%，论文被引次数居全球第7。中国已经制订了合成生物学战略路线图，规划了技术、工业应用、医学和农业等方面的中长期目标。未来5年，将建立标准元件数据库，形成设计生物元器件的计算能力；形成化学品和生物材料的模块化设计和生产能力；对可增强植物耐旱性和耐碱性的生物元件进行验证设计。未来10年，将扩大标准元器件数据库，形成设计生物系统的计算能力；商业化生产某些化学品和生物材料；对合成固氮器件进行验证设计。未来20年，将形成生物系统设计、建模和验证一体化平台；商业化生产众多自然化合物、药品、化学品和生物燃料；临床应用生物元件和系统，用于检测、控制和治疗主要疾病；创造人工微生物。
2.英国。英国政府把合成生物学视为非常有商业前景的革命性平台，热切期望在合成生物学领域占据世界领先地位。英国政府决定成立合成生物学领导委员会，促进各领域的讨论与公私合作，由部长和资深业界人士担任联合主席。英国计划开展合成生物学投资如下：公共投资5000万英镑，其中多达650万英镑用于鼓励产业投资；英国工程与自然科学研究理事会投资600万英镑，鼓励大学探索新产品商业化；将合成生物学研发和相关的伦理、法律及社会影响研究的资助整合起来；生物技术与生物科学研究理事会支持16个机构从事5个跨国研究项目；拨款1亿英镑，用于未来3-5年对10万名患者进行全基因组测序。
3.美国。美国很早就是合成生物学领跑者。美国政府每年向合成生物学研究投入约1.4亿美元，其中美国国家科学基金会投入约7200万美元。2008年美国国家科学基金会投入1600万美元资助合成生物学工程研究中心。美国国防部力图将合成生物学提升为一种制造平台，美国能源部也围绕合成生物学启动了一些行动。不过，美国联邦政府还没有制订合成生物学投资或管理的整体规划。本届政府的《国家生物经济蓝图》虽然提到了合成生物学，但没有提出具体的行动计划。2010年，美国总统奥巴马指示总统生物伦理问题研究委员会对合成生物学进行评估，并制定伦理指南，意在使风险最小化的同时实现公共利益最大化。
三、合成生物学带来的机遇
合成生物学会带来新一轮产业发展浪潮。产业界大量投资合成生物学，认为伴随着基因组学和系统生物学的不断进步，合成生物学将通过生物制造给产品和物质开发带来革命性影响。到21世纪头十年的中叶，全球就约有3000家生物技术公司，其中基因合成公司遍及五大洲，每年生产约5万条基因。生物产品在经济上举足轻重。2010年，美国的生物经济（包括转基因作物、生物产品和工业生物技术）产值约为3000多亿美元，超过美国GDP的2% 。据市场研究公司BBC Research估计，2011年合成生物学（包括支撑技术、生物元件及其组合产品）全球市场价值为16亿美元，2016年将达到108亿美元。
企业纷纷投资颇具前景的人工改造的生物产品，包括微生物、植物橡胶、生物基丙烯酸树脂、产于生物废料的绿色化学品、维生素以及用可再生碳水化合物生产的生物柴油。美国安伦捷科技公司副总裁达琳・所罗门认为，合成生物学是产业发展的新一轮浪潮，生物制造将以可持续原料取代传统原料，从而改变所有产品的生产工艺，使全球经济更为可持续。
合成生物学的大规模应用及市场推广要耗费数十年时间，不过DNA测序、计算技术等相关技术的齐头并进会缩短这一进程。专家们预计：未来5年，将会形成数个全球性的合成生物学研究平台；未来10年，合成生物产品产值将达200亿美元，生产细胞以制造大宗化学品和精细化学品将成为常态；未来20-30年，将理性地合成多细胞组织或器官，细胞计算系统将得到广泛应用，新颖的生物制造工艺将被应用于生产非生物产品。
四、合成生物学发展面临的挑战
要充分释放合成生物学的潜力，需要克服技术、监管、知识产权等诸多挑战。
1.技术挑战。发展合成生物学在元件及应用、互操作、度量、量产成本控制、工具及软件等方面面临挑战。在元件及应用方面，开发一大批标准化、模块化、行为可预测、可广泛应用的生物元器件是近在眼前的挑战。尽管有数以千计的生物元件已编目，但可重复且可靠的生物元件并非广泛可用。在互操作方面，合成生物学发展的关键之一是开发出标准化的生物元件，像模块一样可靠地组装，视情调整。为了得到普遍认可和应用，生物器件和系统的每个元件以及数据库、度量单位和可扩充系统在不同尺度和水平上都要兼容。在度量方面，准确度量系统性能是合成生物学面临的迫切挑战，有必要形成能支持多种度量类型的基础设施，而且未来全球统一的度量单位与度量本身一样重要。在量产成本控制方面，经济合算地生产工业化学品需要工程化生产高效微生物株，然而，现在开发含有合成生物元件的可行产品仍是一项艰巨的任务。在工具和软件方面，改进数据收集工具、软件和硬件对于合成生物学发展也很重要。除了可降低合成生物元件成本的自动化工艺外，专业化计算工具（如计算机辅助设计和建模工具）的缺乏也阻碍了合成生物学的发展。
2.监管问题。科学进展往往快于政策制定，同时合成生物学的界限也在不断变化，因此在早期就应关注与合成生物学治理和监管相关的问题。
3.知识产权问题。构建新的生物元件带来了一系列问题：对生物元件的权利是否应私有？如何进行生物元件登记？是否应对其申请专利？不同的知识产权和分享安排如何影响合成生物学的进步与创新？目前各国专利法规定不一。合成生物学在现有或新的知识产权体系下能否蓬勃发展是研究人员关注的一个重大问题。鉴于已经开发的合成生物元件数量巨大，并且企业对商业化产品开发有浓厚的兴趣，解决知识产权问题异常重要。
4.包容问题。合成生物学是交叉性学科，既产生于多个学科，又回馈于这些学科。持续包容对于合成生物学的持续发展十分重要。一方面，要与产业界、监管和政策制定机构交流合作，使技术推动与市场拉动相结合。另一方面，还要使更多的公众参与合成生物学对话，了解其可能存在的内在风险，讨论有关的生物安全和伦理问题。
（作者：贾 伟，中国科学技术信息研究所副研究员，主要研究方向为国外科技政策与发展战略。
刘润生，中国科学技术信息研究所助理研究员，科技参考研究室负责人，主要从事科技战略与政策研究。）
链接：
合成生物学（synthetic biology），最初由Hobom B.于1980年提出来表述基因重组技术，随着分子系统生物学的发展，2000年E. Kool在美国化学年会上重新提出来，2003年国际上定义为基于系统生物学的遗传工程和工程方法的人工生物系统研究。
“合成生物学”更早可追踪到波兰科学家Waclaw Szybalski采用“合成生物学”术语，以及目睹分子生物学进展、限制性内切酶发现等可能导致合成生物体的预测。“系统生物学”则可追踪到贝塔朗菲的“有机生物学”及定义“有机”为“整体或系统”概念，以及阐述采用开放系统论、数学模型与计算机方法研究生物学。
第5篇：系统生物学应用范文
Statistical and Machine
Learning Approaches for
Network Analysis
2012，344p
Hardcover
ISBN9783527331833
M·德默等编
图形结构被用于计算机可以识别的结构信息时，对图形信息进行统计分析就成为可能。生物信息学、分子与系统生物学、理论物理、计算机科学、化学、工程等多个领域都在利用这一特点充分发挥计算机在分析和统计方面的优势。本书的一个重要特点就是将诸如图论、机器学习及统计数据分析之类的理论相互结合，形成一个新领域，以交叉学科的方式探索复杂网络。基因组、蛋白质，信号以及代谢组学数据的大规模生成使得复杂网络的构建成为可能，它为理解生理学以及病理学状态的分子基础提供了一个崭新的框架。网络和基于网络的方法用于生物学中以便表征基因组、遗传机理以及蛋白质信号。疾病被看作关键细胞网络的异常干扰。如今，在对诸如癌症、糖尿病等的复杂疾病的干预中，就使用网络理论来分析。
本书共有11章：1.重构及划分生物网络计算方法概论； 2.复杂网络入门：度量、统计性质及模型； 3.进化中的生物网络建模； 4.内含动力学的生物网络的模块性配置； 5.统计概算机对管理网络大规模因果推理的影响； 6.加权频谱分布：网络结构分析的度量； 7.进化中的随机二部图的结构； 8.图形内核； 9.用于早老性痴呆病的基于网络的信息协同分析； 10.结构化数据中基于密度的集合枚举； 11.采用加权图形内核的下位词析取。
本书第1主编是奥地利健康与生命大学生物信息学和转化研究所所长，他在生物信息学、系统生物学和应用离散数学领域130篇。他是Wiley出版的《复杂疾病医学生物统计学》《复杂网络分析》和《微阵列数据分析》等书的合作编者。
本书可用作应用离散数学、生物信息学、模式识别、计算机科学专业跨学科研究生课程的补充读物，对于这些领域的研究人员和专业人员，也是一本有价值的参考书。
胡光华，退休高工
（原中国科学院物理学研究所）
第6篇：系统生物学应用范文
关键词：高中生物课程；“稳态与环境”模块；知识结构；科学方法
《普通高中生物课程标准（实验）》（以下简称为《标准》）在课程结构上发生了比较大的变化，其中包括设置了“稳态与环境”这个必修模块。对这种新颖的设计，有许多教师不理解，也有一些教师从科学性和合理性方面提出了质疑。本文就此谈一下个人的看法。
一、生物课程内容结构体系的建构
1959年，布鲁纳（Jerome S.Bruner）在《教育过程》中提出了他的结构主义课程的思想，他主张：“不论我们选教什么学科，务必使学生理解该学科的基本结构，学习结构就是学习事物是怎样相互关联的。”自此以后，课程内容要结构化，成为课程专家的普遍追求。
（一）生物课程内容体系改革的必要性
传统的高中生物课程以生命的基本特征来组织内容，这也是传统的普通生物学的学科结构。但是，我们现在必须考虑两个问题。一是现代课程论认为课程体系要反映学科体系，但不等同于学科体系。它除了考虑学科体系，还要考虑学生的认知发展和社会需求。生物学科的内容包括由事实、概念、原理和规律组成的理论体系，及其隐含的学科思想和方法。因此，生物课程的内容既可以根据知识理论体系建构，也可以根据学科思想和方法建构，两者各有其合理性。二是20世纪后半期发生的“生物学革命”，使生物学的“范式”发生了改变。库恩（T.S.Kuhn）在《科学革命的结构》一书中说：“科学革命以后，教科书和它们提出的历史传统必须重写。”例如，已故陈阅增先生主编的《普通生物学》，就打破了传统的普通生物学学科体系，根据当代生命科学从微观到宏观的发展，“按生命的主要结构层次，从低层到高层安排。”[1]
（二）构建生物课程内容结构体系的思路
课程内容结构体系构建的依据，是课程内容之间的逻辑关系和心理学方面的关系。逻辑关系指学科知识之间内在的联系，心理学方面的关系指按照编者所理解的学生认识发展，把课程内容加以组织的关系。对科学课程而言，一般的倾向是在高年级采取逻辑结构的体系，在低年级以心理学结构的体系为主。我国的课程向来关注知识体系，构建高中生物课程的思路，按我国的国情只能取前者。
按逻辑关系构建课程体系，又可以有不同的方法。例如，1.可以按形式逻辑的方法，将若干科学事实或概念作为逻辑起点，通过演绎推理构建一个公理化的体系。这种方法在物理、化学中用得较多，对生物课程，《标准》首次将概念列入了课程目标，《标准》中“遗传与进化”模块的内容，也主要以类似的方法构建；但由于生命系统的复杂性和生命现象的不确定性，以形式逻辑构建知识体系只能适用于生物科学的少数领域。2.进化论无疑是生命科学中最大的一个统一理论，研究生物进化的机制不仅要追溯漫长的生命历史，覆盖各种生物进化现象，并与生命起源承接，还要能对现今全部的生命现象给出说明。我国在20世纪50年代，曾在普通高中开设“达尔文主义基础”课程，希望以进化论为框架构建生物课程体系；但由于进化论远未成熟，结果使生物课程受哲学的支配而走上非科学的道路。3.当代生物学的发展，形成了系统生物学（Systems Biology）。对生命的本质，生物学界长期存在活力论和还原论之争。20世纪30年代后，科学界对生命的本质提出了新的认识，就是机体系统论。1952年，美籍奥地利生物学家、系统论创始人贝塔朗菲（L.V.Bartalanffy）出版了英文版的《生命问题──现代生物学思想评价》，提出了机体系统论的基本原理：整体原理（组织原理）、动态原理、自主原理。这些原理表明：生物有机体是一个独特的组织系统，其个别部分和个别事件受整体条件的制约，遵循系统规律；生命有机体结构产生于连续流动的过程，具有调整和适应能力；生命有机体是一个具有自主活动能力的系统。[2]1968年，贝塔朗菲又在此书的基础上，进一步写成《一般系统论──基础、发展、应用》，创立了系统论，生物学也由此发展出“系统生物学”。系统生物学的一个重要方面，就是利用系统概念、系统思想和系统方法来理解生物学知识，重新整合原有的生物科学知识体系。这已成为“生物学革命”的内容之一，国际上称为“利用系统方法进行生物学革命”。“稳态与环境”模块的知识结构就是以系统生物学的思想构建的。
二、“稳态与环境”模块的知识结构
（一）关于稳态、调节和环境
稳态的概念最初来自生理学。生理学把维持内环境理化性质相对恒定的状态叫做稳态。稳态是一种复杂的、由体内各种调节机制所维持的动态平衡，一方面是代谢过程使内环境理化性质的相对恒定遭到破坏，另一方面是通过调节使平衡恢复。整个机体的生命活动正是在稳态不断受到破坏而又同时得到恢复的过程中得以维持和进行。后来，稳态的概念逐步扩展，它不仅被用来说明内环境理化特性的动态平衡，而且人们发现细胞、群落和生态系统在没有受到激烈的外界环境因素影响时，也都处于类似的状态，都可以用稳态这个概念来说明它们相对稳定状态的维持和调节。
稳态调节的概念原来也来自个体水平的生理学，例如，哺乳动物体内的温度、渗透压、pH以及各种电解质和营养物的浓度都保持在一个稳定的范围内，这是在其自身神经体液系统调节下，随时进行反馈调节而实现的。生态系统虽然没有与此类似的调节机制，但也具有一定的抵御环境压力、保持平衡状态的能力。特别是成熟的生态系统，每年的能量收支大致相等，营养物质循环近于“封闭式”，流失极少，系统能相当长久地保持一定的外观和结构，这些都是稳态调节的结果。
（二）“稳态与环境”模块概念体系的建立
任何一门科学，都是一个相对完整的理论体系，都是一个知识系统。从一般形式上看，都是由科学事实、基本概念、特定方法、相应理论以及应用范例等构成的。以生命的基本特征为框架来整理和概括生物科学事实，虽然容易被理解，而且从科学发展过程来看，分门别类地划分和组织材料，确实是一切科学的一项必不可少的任务，但是科学事实本身和若干科学事实的简单堆砌毕竟还不等于科学。事实只有以系统的概括的形式表现出来，并且成为概念和规律的根据和验证时，才能够变成科学知识的组成部分。
以这样的观点来看《标准》中“稳态与环境”模块的内容，“3.1植物的激素调节”和“3.2动物生命活动的调节”两个单元，提供的是经过整理的科学事实，它们是建立科学理论的基础和前提。在后续单元中，“说明稳态的生理意义”和“阐明生态系统的稳定性”等知识点，提出了“稳态”的概念；“举例说明神经、体液调节在维持稳态中的作用”“概述人体免疫系统在维持稳态中的作用”“举例说出生态系统中的信息传递”等知识点，提出了“调节”和“环境”的概念。科学概念是由大量科学事实和经验材料经过理性加工和提炼而形成的，科学概念一旦获得，就会使人们的认识发生飞跃，使已有的知识系统化、理论化。然而，概念虽然重要，但仅有概念还不能形成科学理论，概念只是理论的逻辑起点。在稳态、调节和环境概念的后面，还有一个更核心的概念，就是“系统”。因为稳态是系统的状态，调节是系统的行为，环境是系统的存在。这样，“稳态与环境”模块就以“系统”这个本体论概念作为核心概念，以“稳态”“环境”和“调节”三个科学通用概念把生物个体水平和生态系统水平的要素、行为、稳定和发展等问题统一起来，并以“描述体温调节、水盐调节、血糖调节”“描述群落的结构特征”“阐明群落的演替”“讨论某一生态系统的结构”等作为这个理论体系的应用范例。
需要明确的是，这个概念体系是隐性而不是显性的，是运用系统生物学的思想建立的。教材如何编写，教学如何进行，则需按具体情况而定。
三、“稳态与环境”模块的科学方法
一个科学的理论体系，除了科学事实、基本概念、相应理论和应用范例，还有一个重要的方面是特定方法。“稳态与环境”模块的科学方法，主要是系统分析方法以及以模型和数学方法为主的逻辑方法。
（一）系统分析的思想和方法
《标准》在“稳态与环境”模块的前言中指出：“本模块选取有关生命活动的调节与稳态的知识、生物与环境的知识，有助于学生理解生命运动的本质，了解系统分析的思想和方法，提高对生命系统与环境关系的认识。”[3]这就明确提出了“系统分析的思想和方法”。现代生物学的分析性研究已深入到分子、量子水平，但为了揭示生命运动的奥秘，还必须从生命系统的各个组成部分的联系和相互作用中，从它们和外界环境的相互联系和相互作用中来了解整体，这就需要进行系统分析。系统分析能力是一种非常重要的综合实践能力。例如，植树造林是中央的号召，但西北一些地区年降水量很小，蒸发量很大，其地下水主要靠地表下的渗透作用（如熔化的雪水）。在这些地区植树，地下水会因树木的蒸腾作用而过量散失，导致水位下降甚至枯竭。于是近年来中央指示这样的地区要多种草。然而，在我国的中、东部地区，却出现了砍树种草的热潮。殊不知在高温多雨地区，树的生态效益要远远超过草。结果，一些城市政府部门又不得不规定绿化至少要有多少比例的乔木和灌木。导致这些失误的原因就在于缺乏系统分析的思想。
转贴于 现代系统分析包括定性分析和定量分析，定量分析是基于数学工具进行的，高中生物学教育一般只能做定性分析。如同美国《国家科学教育标准》所要求的“学会从系统的角度思考和分析问题”，具体说，就是运用系统的概念和系统分析的思想，一方面对生命系统的要素、结构、边界、环境、性能等系统的基本特征做分析，另一方面对系统的状态及其调控做分析。以生态系统为例，其要素指组成成分，即生产者、消费者、分解者等生物成分和非生物的物质和能量；结构包括时空结构和营养结构（食物链和食物网）；边界指系统的范围，生态系统是模糊集合，其边界是一个模糊概念，根据研究的需要划定；环境指一个生态系统的外部环境条件，系统与环境之间具有物质、能量和信息的交流，两者相互联系、相互影响，并共同组成一个更大的系统；性能指系统整体的特性和功能，系统的整体特性表现为该系统与其他系统的区别，系统的功能则反映了系统与外部环境相互作用的程度，或系统获取输入、予以变换而产生输出的能力。以上这些方面构成了一个生态系统的基本特征。至于系统的状态，生态系统都是开放系统，系统的稳态就是生态平衡状态。每个生态系统都具有一定的自动调节能力，在不断变化的环境条件下，依靠自我调节机制维持其稳态，实现物质循环和能量流动的相对稳定。生态系统状态的另一个重要指标是它的生产量，包括输入、输出、净生产量和效率。类似的分析在个体水平和群体水平均可进行。“稳态与环境”模块中的“描述群落的结构特征”“讨论某一生态系统的结构”“阐明群落的演替”“分析生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用”“阐明生态系统的稳定性”“探讨人口增长对生态环境的影响”“关注全球性环境问题”等知识点，以及“利用计算机辅助教学软件模拟人体某方面稳态的维持”“调查当地自然群落中若干种生物的生态位”“调查或探讨一个农业生态系统中的能量流动”“调查当地生态环境中的主要问题，提出保护建议或行动计划”等活动建议，都需要渗透和利用系统分析的思想和方法进行教学。
（二）数学和模型方法的运用
20世纪30年代，贝塔朗菲在提出机体系统论概念的同时，主张用数学和模型方法研究生命现象。
1.模型方法
《标准》依据国际科学教育的发展，将模型和模型方法列入了课程目标。所谓“模型”，是指模拟原型（所要研究的系统的结构形态或运动形态）的形式。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本质特征。[4]模型方法是以研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法，是逻辑方法的一种特有形式。模型一般可分为物理模型和数学模型两大类，通常说的模型即指物理模型。物理模型可以模拟客观事物的某些功能和性质，它包括物质模型和思想模型两类。在高中生物课程中经常使用的物质模型有实物模型如生物体结构的模式标本，模拟模型如细胞结构模型、各种组织器官的立体结构模型等。思想模型是物质模型在思维中的引申，根据构建模型的思想方法的不同，又可以分为两类。一类是以形象化方法（或称为意象思维方法）构建的具象模型，它是人们在思维中通过对生物原型的简化和纯化而构思出来的。具象模型具有一定的形态结构特征，如DNA分子双螺旋结构模型、生物膜液态镶嵌模型等。它能使研究对象直观化，既可以促进研究，又可以简略描述研究成果，使之便于理解和传播。另一类是以理想化方法（或称抽象思维方法）构建的模型，是人们抽象出生物原型某些方面的本质属性而构思出来的，例如呼吸作用过程图解、光合作用过程图解等过程理想模型，食物链和食物网等系统理想模型。这类模型使研究对象简化，在科学研究中用于计算推导，引申观察和实验的结论等方面。
在现代生物科学研究中，模型方法被广泛运用，DNA双螺旋结构模型的成功就是一个范例。在生物科学学习中，模型提供观念和印象。认知心理学认为，人的知识经验既包括概念系统，又包括表象。前者有概念、原理、规律、理论，后者的成分包含观念和印象。当代不少学者都主张把表象看做一种符号要素，与语言等其他符号要素一样具有抽象、概括、组合和再组合的功能，因而能构成思维的操作。所以模型提供的观念和印象，不仅是学生进一步获取系统知识的条件，而且是学生认知结构的重要组成部分。正因为如此，美国《国家科学教育标准》把模型和科学事实、概念、原理、理论并列为科学主题的重点，并将构建、修改、分析、评价模型作为高中学生的基本科学探究能力。
“稳态与环境”模块中有两个活动建议：“探究水族箱（或鱼缸）中群落的演替”和“设计并制作生态瓶”，都是运用模型的探究。例如，“设计并制作生态瓶”制作的是一个活体实物模型，运用这个模型进行的是对生态系统运行的模拟实验。在科学研究中，有时受客观条件的限制，不能对某些自然现象进行直接实验，这时就要人为地创造一定的条件和因素，在模拟的条件下进行实验。利用活体实物模型进行的模拟实验，在生命科学研究中被广泛应用，但具有一定的复杂性。因为变量较多，而且变量之间的关系，除因果决定性因素，还存在许多非因果决定性的因素，所以需要做系统分析。就本案例来说，一方面需要对生态瓶的组成成分、结构、环境、性能等做分析，另一方面需要对系统的能量转换和物质流动状态及其调控做分析。这对学生深入理解生态系统的结构、生态系统中的物质循环和能量流动的基本规律及其应用、生态系统中的信息传递、生态系统的稳定性等，无疑具有重要的教育价值。但也正因为生命系统的复杂，所以活体生物模型与实际事物相比，存在较大差异。这是需要讲清楚的。
2.数学方法
数学方法指运用数学语言表述事物的状态、关系和过程，并加以推导、演算和分析，以形成对问题的解释、判断和预测的方法。目前，数学在生物学、医学等领域正起着越来越重要的作用，甚至医生做手术之前都可以先进行数学模拟以预知各种方案可能出现的后果，再依据个人的经验来选择手术方案。数学方法在科学教育中的价值更是不言而喻，《标准》对数学方法的使用，包括以下4个方面。
（1）定义概念。概念有具体概念和抽象概念之分，具体概念指能通过直接观察获得的概念，即实物概念，例如细胞、组织等结构概念，呼吸、遗传等生理活动概念；抽象概念不能通过观察习得，只能通过下定义才能习得，例如呼吸作用、新陈代谢等概念。在抽象概念中，有一类是用数学式来定义的。这类定量的概念以数学方法揭示事物的本质及其发展变化规律，为研究工作提供一种简明精确的形式语言，具有重要的科学认识论价值和方法论价值。“稳态与环境”模块没有明确要求用数学式定义概念，但“列举种群的特征”这个知识点，如果涉及种群密度，年龄结构和性别结构，出生率和死亡率等，那就是用数学式定义的概念。
（2）对生命现象的空间关系和数量关系进行描述、分析和计算。例如，以条形图、曲线图、统计图等来表现某一生命现象的统计数字大小及其变化，这在生物课程中已广泛应用。
（3）统计方法的运用。统计是研究随机现象的统计规律性的方法。统计性规律在生物界广泛存在，主要包括两类。一类是大数过程的规律性，即大量随机事件所组成的系统的规律性，如遗传性状传递过程中的规律。这类问题可用描述统计方法解决。另一类是某些生命系统行为的规律性，例如，生态系统中某种群数量的变化及其生灭过程、生物个体生态寿命的预期分析等，它们是不同条件下生命系统某种行为潜在可能性的数量估计，而不是实际存在的状况。这类问题可用选取统计方法解决。描述统计方法和选取统计方法，《标准》都已引入。描述统计方法主要是对观察、实验的原始材料进行整理、分类、分析等统计加工，得到统计事实。孟德尔正是使用描述统计方法对豌豆杂交实验结果进行定量观察和数据分析，才发现了遗传性状的分离现象和自由组合现象。选取统计方法又称统计推理，是从样本到总体的推理。例如，对种群数量、密度的研究，要完全获得某自然种群总体的状态、特性和变化规律的信息是困难的，甚至是不可能的，实际上也无必要，所以往往根据由样本（样方）所获得的统计事实来推断总体。“稳态与环境”模块中有两个活动建议：“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”和“土壤中动物类群丰富度的研究”。前者是用描述统计方法表达大数过程的规律性，后者是用选取统计方法进行从样本到总体的推理。
（4）用数学模型来表现生物学现象、特征和状况。生物数学模型有两类：一类为确定性模型，它用数学方法描述和研究必然性现象，例如某生物个体的生长曲线、细胞分裂过程中DNA数量变化曲线等；另一类为随机模型，它用概率论和统计方法描述和研究随机现象。例如，种群基因频率的变化没有确定性，有多种可能的结果，究竟出现什么结果是偶然的、随机的，但当种群由大量个体组成，并能随机繁殖传代时，基因频率和基因型频率的变化又表现出统计规律性。1908年，哈迪和温伯格用遗传平衡定律（Hardy.Weinberg定律）对此进行了描述，这个随机性的数学模型为种群遗传学研究奠定了基础。对数学模型，“稳态与环境”模块中安排了一个要求：“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”。
根据以上对“稳态与环境”模块知识结构和科学方法的分析，其科学性和合理性应该是没有问题的。当然，随之而来的教材编写和教学实施的问题，仍需要我们认真研究。
参考文献
［1］陈阅增，等.普通生物学──生命科学通论［M］.北京：高等教育出版社，1997.8.
［2］路德维希·冯·贝塔朗菲.生命问题──现代生物学思想评价［M］.吴晓江，译.北京：商务印书馆，1999.
第7篇：系统生物学应用范文
关键词：中西医结合疗法;肾脏疾病; 体会
【中图分类号】R692.505 【文献标识码】A 【文章编号】1672-3783(2012)05-0086-01
1 中西医结合治疗慢性肾脏病的优势
1.1 “中西医结合要源于中医，而高于中医;源于西医，而高于西医”。这才是中西医结合的目标，也是中西医结合的优势所在。如难治性肾病综合征在使用泼尼松、细胞毒剂、血管紧张素转化酶抑制剂、血管紧张素Ⅱ受体阻滞剂等治疗的同时，再结合雷公藤多苷、火把花根片或中药汤剂等中西医结合疗法，其疗效较单纯中医或西医疗法显著提高。中药还可明显减轻大剂量激素引起的医源性柯兴综合征副反应，减轻环磷酰胺引起的消化道反应及骨髓和性腺功能的抑制。中西医对疾病不同阶段的治疗，各有优势和劣势，中西医结合能取长补短，使病人得到一体化的治疗。如IgA型肾病表现为单纯性血尿时，西医无特异性疗法，中医汤剂加火把花根或雷公藤多苷有比较好的疗效;在表现为中等蛋白尿和血尿时，以小剂量激素、ACEI加中药汤剂或雷公藤多苷有比较好的疗效;在大量蛋白尿时，则以大剂量激素、ACEI加中药汤剂、雷公藤多苷或火把花根治疗;出现细胞性新月体时，则以大剂量激素冲击治疗;出现慢性肾衰竭(CRF)1、2期时，以中药汤剂口服、中药保留灌肠及中药熏洗，同时配合减轻肾脏“高灌注、高滤过、高压”的ACEI和ARB等治疗;到尿毒症期以替代治疗为主，中药配合改善营养等中西医结合治疗为辅。中西医结合在疾病各个不同阶段切入，各施所长才能得到最佳的一体化治疗。
1.2 判断疾病预后，提高治疗敏感性。例如，肾病综合征不同的病理类型都可以表现脾肾阳虚证型，而微小病变的脾肾阳虚证对治疗反应好，预后好，局灶节段硬化的脾肾阳虚证对治疗反应差，预后差。西医诊断下的中医辨证，提高了中医对肾病预后的认识。中西医结合治疗慢性肾脏病同时也存在的问题和困惑：中药的成分复杂，经过炮制、配伍、煎煮和体内代谢后，成分的变化更是不得而知。因此，中药很难用单一指标去考察其疗效，作用机制不明。中医学的特点是辨证论治，其“证”的研究是中医基础理论的核心，是中医现代化的瓶颈。
2 中西医结合治疗慢性肾脏病的前景
2.1 中西医结合治疗肾病的报道很多，疗效也比较好，但现在还没有中西医结合治疗CKD的优化方案出台。国家“十一五”科技支撑计划已经开始资助中医肾病临床优化方案的研究，另外，建议政府卫生行政部门、科技部门以及企业以各种形式支持中西医结合肾病优化方案的研究，为编写中西医结合防治肾病指南提供证据，为政府和卫生行政部门的决策提供依据，为行业诊治CKD提供最有效的方法，提高肾病的诊疗水平。研究优化方案时，需注意以下问题。为使临床试验信息透明化，提高研究的社会公信度，请在临床试验开始前，在世界卫生组织的国际临床试验注册平台认证的临床试验注册中心注册;为优化出最佳的方案，请在做优化方案时，先将专家的经验在协作组内讨论，并在协作组外征求中医肾病专家、西医肾病专家、肾脏病理专家、免疫学专家、药理学专家、统计学专家、医学经济学专家、伦理委员会以及护理学专家的意见。
2.2 优化方案制定后，进行多中心、大样本、随机盲法对照临床试验，客观评价其方案的疗效和安全性。第一次临床试验结果出来后，针对临床试验存在的问题，将方案再优化再试验直至优化出满意的方案;CRF应按原发病进行单病种优化研究。CRF是多种病因引起的临床综合征，病因不同，其进展的机制和速度不一样，临床疗效和预后也存在差异。因此，CRF应按其原发病分类进行优化研究。另外，原发性肾病综合征和慢性肾小球肾炎也要按病理类型进行单病种优化方案的研究。利用系统生物学的方法，探索中医肾本质的研究 。
2.3 系统生物学是由基因组学、蛋白质组学、代谢组学、相互作用组学、表型组学及生物信息学等组成，通过生物信息学把基因、蛋白质、代谢产物及表型等横向的研究结果整合起来，采用系统综合的思路和手段从整体水平上动态地对一个集合体的存在特征、活动规律和相互联系加以描述。中医传统理论最具特色的就是整体观和辨证观，与现代的系统生物学思路不谋而合。以功能基因组学和蛋白质组学为核心的系统生物学方法，将为中医肾虚证本质的研究提供科学的手段。
3 结论
中华医学会肾脏病分会已经在媒体开展宣传，举行讲座，组织普查，但还有待其他相关学会及政府部门积极行动起来，加大宣传，引起社会的广泛重视，并组织专业人士参与大规模尿常规普查。建议及早建立我国在临床广泛应用检测肾小球滤过率的方法，对可能引起慢性肾脏病的住院病人和体检者进行GFR评价;对高血压病、糖尿病、痛风等引起继发性肾脏病的因素及早进行预防;对已有肾脏病要积极干预治疗，防止肾损害的进展。
第8篇：系统生物学应用范文
中医认为“证”是病的某一阶段的主要矛盾的概括，它受病的基本矛盾的干扰，两者之间存在不可分割的联系。因此，证候诊断离不开具体疾病的诊断，证候诊断的规范化研究应采用病证结合的研究思路，这样才能对疾病过程中各个发展阶段的证候作出正确的诊断，才能将中医的证候演变规律更清晰地凸现出来。由于相对于中医学病名而言，西医学病名往往诊断明确，机制比较清晰，所以应选择西医诊断明确，而中医治疗有优势，又严重威胁人类健康的临床常见病和多发病，采用西医辨病，中医辨证，以病为经，以证为纬，病证结合的研究思路。“方”与“证”密切相关，方由证立，证随方名，方能测证，证能验方。很多有效的经方、名方是结合了中医理论精华和长期临床实践经验配伍而成，与其特定的证候有较明确的对应关系。而且，临床疗效是临床医学的核心和关键问题，证候分类在一定程度上应建立在方剂疗效观察的基础上，通过以方测证还可以对“证”进行动态的研究。所以，有课题组提出“以候为证，以象为素，病证结合，方证相应，是建立辨证方法新体系的依据”［2］;也有学者提出“围绕证候病机及其与疾病和方剂的相关性这一中医证候研究的重要科学问题，突出中医学思维特征与现代科学设计融合的研究思路，以方剂干预治疗效果作为比较参照系统，基于中医以方测证的逆向思维的认‘证''''方法，不断积累、完善，由此构建出具有坚实临床科学基础的证候标准，应该是病证结合研究的重要发展方向之一”［3］。但是，近10多年来，由于对“方证相对”的理解存在歧见，故有学者提出“以方测证”作为一种证候研究的方法并不可行。有的认为:每个汤方都有相对应的证，只要有此证即可用此汤方，常称为“汤证”，汤证（方剂辨证）不同于八纲、病因和脏腑辨证，是指以汤辨证，相符即可应用，其实质是找出汤方的适应证［4］。有的引用柯韵伯《伤寒来苏集》的话说:“合是证便用是方”，即某证只能用某方，某方只能治某证，处方用药必须与病证对应，才能取得最佳的临床效果［5］。这种观点后来被研究《伤寒论》的学者们继承下来，被概括为“有是证用是方”。持有这种观点的学者们认为“方证相对”及“以方测证”不能对“同证异方、同方异证”的现象作出合理的解释，应改称为“方证相关”。还有学者认为“方证相对”应理解为“对症治疗”、“方病相对”等等。朱邦贤教授在分析上述观点后则提出，中医所讲的“方证相对”是指方剂的药物组成与配伍，与其主治病证所内寓的基本病机具有高度的针对性或相关性［6］。应当明确的是，“方证相对”中的方证或汤证，是指某方与某一特定病证间所存在的直接对应的主治关系，这一关系是建在该方内涵的“理”（该组方所针对的基本病机）和“法”（根据基本病机所确立的治疗大法或具体治则）之上的。笔者是这样认为的:“方”与“证”密切相关，如朱教授所述两者是通过理与法相关联，但由于关联的程度不同，可以是多方对应于一证，也可以是一方与多证对应，其对应的程度取决于临床疗效，所以，根据临床疗效可以求得最佳对应的方证，以最佳对应的“方”来测最佳对应的“证”，这是目前证候诊断规范化研究的主要思路。
2在文献调研、专家咨询及病例回顾的基础上，遵循临床流行病学原则，进行多中心、大样本的临床前瞻性研究，运用循证医学的研究方法对证候诊断标准进行系统评价和完善，是证候诊断规范化研究的重要途径
早期的中医证候诊断规范化研究是以文献调研与专家咨询为主要途径。所以，由此而建立的证候诊断标准必然会受到医者水平、学术流派等影响，出现标准之间互不相同的现象。临床流行病学的核心内容是设计、衡量和评价（design，measurement，evaluation，DME）。它把群体作为研究对象，强调在临床医学研究中应用科学的方法学，强化科研设计，排除各种偏倚和干扰因素的影响，确保研究结果的真实性和研究结论的可靠性。所以，为提高证候诊断规范化研究的科学性、客观性和准确性，应在文献调研、专家咨询和病例回顾的基础上，遵循临床流行病学的原则，开展多中心、大样本、前瞻性的临床研究。循证医学（evidence-basedmedicine，EBM）则强调从系统研究中获取证据，并重视临床实践中个人经验与系统研究中获得的科学证据相结合，对患者个体做出合理的临床医疗决策，是临床流行病学和现代信息学与临床医学结合的典范。赖世隆教授［7］评价说:“临床流行病学和循证医学是当今医学界公认的进行临床研究最为科学的方法学。”所以，应该运用循证医学的研究方法对证候诊断标准进行系统评价和完善，包括对证候诊断标准建立方法和研究质量、诊断标准的诊断效能和诊断标准在临床应用中的系统评价［8］。但运用EBM与DME方法时需要克服样本量大，时间周期长等困难，解决出版偏倚（发表偏倚）、伦理和资金等问题。
3加强四诊客观化研究，在系统生物学的引领下，开展组学研究是证候诊断规范化研究的重要环节
由于受历史条件的限制，以经验为基础的中医学缺乏还原论的研究方法。所以，它无法解释系统内部的组成成分和相互作用的关系，不能对信息进行量化。因此，必须将中医思辨性的经验描述和宏观性概括过渡到高层次的分析与综合相结合，这是中医学现代化的必由之路，其实质是解决客观化与定量化问题［9］。
3.1加强四诊的客观化研究中医“证”是对临床信息进行全面分析后得出的概括性结论。这个结论能否反映疾病的本质，关键在于通过四诊所获得的信息资料是否准确、真实和科学，以及医生分析、综合的思维结果是否合乎疾病发展的实际。受古代条件的限制，医生只能依据感觉器官，通过望、闻、问、切来获取临床信息。所以，信息收集过程中主观性很大，影响了研究结论的真实性和可靠性。为加强四诊的客观化，学者们做了大量的研究工作，如利用内窥镜、显微镜、现代影像技术等扩展医生望诊的范围和深度;研制了多种舌诊、脉诊仪器，使人们通过仪器“望舌”、“切脉”时能直接读数，定性、定量地进行分析;利用先进的化学技术，对气味进行分离研究;尝试制定问诊方案与步骤，使问诊科学化、程序化等等。但研究与临床实际应用还有很大的差距，如研制的舌诊仪、脉诊仪获取的信息量不够，欠灵敏;有些四诊信息，如病人的感觉，本身就是病人的一种主观体验，很难利用仪器设备来测定等等。所以，如何借助现有的科学技术来客观地采集分析中医临床信息还需要进一步探讨。
3.2在系统生物学的引领下，开展组学研究宏观辨证是中医的传统辨证方法，它是根据“知内揣外”、“有诸内必形诸外”的观点来认识和诊断疾病的。从理论上说在宏观辨证的基础上，慎重地选用一些现代医学的微观指标可以使中医证候诊断由定性转变为半定量或定量，从而提高其客观性，并且，拓宽和加深传统“四诊”的视野，丰富辨证论治的内涵，为中医在“无症可辨”的情况下提供一定的辨证依据。为此，现在及以往的中医证候诊断规范化研究是采用西医还原论的研究方法，从整体、细胞、分子水平，从理化、免疫、代谢、微量元素等方面来筛查与中医证型相关的微观指标，分析其内在的相关性;研究同一疾病不同证型的微观指标的异同，不同疾病同一证型的微观指标的异同，来寻求中医“证”的共性与个性指征;对证型的主要症状的特征进行现代医学阐释等等。但研究结果只发现某些指标与某些病证有某种相关性或提示性，相关的程度及提示的准确与否并不清楚。而且，随着研究的广泛深入，很多指标的特异性逐渐被否定，许多观察指标随着观察者的不同而出现矛盾的结果。由此可见，采用西医的还原论方法来研究中医，则中医的整体性和个体化诊治的特点就会被破坏，反而阻碍了中医的发展。因此，今后不宜再把寻求诊断某一证型的特异性指标作为研究重点，而应该从多层次、多角度来研究某证型的指标群。有研究认为参考现代心理学行为功能量化及生命质量量化等评分方法，可以对症状、体征进行等级积分，对证候辨证进行半定量化的分析［10］;通过对中医临床症状、体征分级记分，采用相加计数法、累积记数法、分类记数法等方法进行指征积分的记数，然后根据指征的出现率和指征积分数的高低，并适当考虑临床实际，对证候进行计量诊断。还有学者在半定量的同时引入统计学权重的概念［10］，经过统计学处理，以不同权重来反映不同症状体征的主次，又以不同积分反映症状体征的轻重程度变化，对证候进行定性与定量（等级）相结合的计量诊断。但目前的这些研究思路与方法都无法真正实现证候的量化诊断。系统生物学由LeroyHood创立，是研究一个生物系统中所有组成成分（基因、mRNA、蛋白质等）的构成及在特定条件下这些组分之间的相互关系的新兴学科。生命科学的研究重点已经开始从还原论研究转向系统论研究，系统生物学的发展将引领医学进入新的疾病诊治模式，推动医学进入预测医学、预防医学和个体化医学的新时代［11］。中医学的整体观、治未病观、辨证论治和方剂配伍等理论与系统生物学的意旨具有相通之处。钱学森曾说:“系统论是还原论和整体论的辩证统一。”所以，系统生物学的发展可以弥补中医的缺陷，中医证候研究应在系统生物学的理论和方法的引领下，综合数学、信息科学和生物学等多学科知识，在基因组、mRNA组、蛋白质组和代谢组等各个层面开展组学研究，通过数据的整合，来建立证候的诊断模型，精确、量化地预测证候［12］。
4数据挖掘技术及计算机智能的发展为证候诊断规范化研究提供了强有力的技术支持
数据挖掘就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中提取出潜在的、有价值的知识（模型或规则）的过程，也称为数据库中的知识发现。中医证候和证之间没有明确的函数关系，只能在大量的文献资料及临床资料中进行数据挖掘。数据挖掘所涉及的学科领域和方法很多。
4.1引入复杂性科学理论对证候进行降维升阶处理，寻找证素应证组合的演变规律中医证候涉及复杂生命现象的功能、整体和动态层面，它具有典型的开放性、层次性、涌现性和高维性特征，所以，中医证候诊断系统是一个非线性的、多维多阶的、可以无限组合的复杂巨系统。引进复杂性科学理论，通过证候的降维升阶处理则能解决变量间的多重共线性和非线性关系。张志斌等［13］由此而提出建立辨证方法新体系的设想，即通过证候要素的提取，将复杂的证候系统分解为数量相对局限、内容相对清晰的证候要素，然后通过各证候要素间的组合、证候要素与其他传统辨证方法系统的组合等不同的应证组合方式，使辨证方法体系不再是各种具体证候单纯联系组合的线性平面，而具有复杂的多维多阶立体交叉的非线性特征。如1991年列入国家科委科技攻关项目的“中风病证候学与临床诊断的研究”课题组所建立的“中风病证候诊断标准”，就是一个降维升阶工作的较好范例［14］。目前这方面研究还仅仅局限于临床具体病种，需要加强中医证候临床研究与基础研究的合作。
4.2引入模糊数学与粗糙集理论模糊数学的创始人查德曾指出:当系统的复杂性日益增长时，找出系统特性的精密而有意义的描述的能力将相应降低，直至达到这样一个界限，即精密和有意义（或适当性）变成两个互相排斥的特性。中医作为一个复杂系统，其证候在某一特定时期或阶段的表现可以是典型的，但在大多数情况下，证候表现却是不典型的，具有一定的模糊性。亦有学者认为“证”是一种模糊集合元，主要表现为:证的有些症状其性质、状态是不能精确断定的，“证”所包含的内容与各个症状所包含的内容，不是一个简单的整体与部分之间的关系，而是一个统一体与个体之间的集元性关系［15］。所以，根据模糊数学的原理，认为“证”是一个模糊概念，可以使用模糊数学中的“隶属度”来刻划，进行量化分析，确定“证”的模糊集合中某些症状隶属于某证的程度，从而建立起“证”的数学模型［16］。粗糙集理论是继模糊数学理论之后的又一种处理不精确和不确定问题的数学方法。它是波兰学者Z.Pawlak在20世纪80年代初提出来的。近年来，已有学者尝试将粗糙集理论引入到中医证候诊断的规范化研究中，如秦中广等［17］利用粗糙集理论建立了中医诊断类风湿的模型。他们还将该方法与模糊数学方法进行了比较，发现前者的诊断正确率远远高于后者。随着粗糙集理论的发展，它还可以与诸如模糊识别、神经网络等技术相结合。
4.3多元统计分析方法多元分析，即多因素分析，它主要是探讨高维数据的内在规律。在以往的研究中，研究者通常是通过临床流行病学的方法收集患者的症状，并根据传统的辨证理论对每个病人进行辨证，确定为“某证”，然后采用判别分析和回归分析（常用如Fisher判别方法和Bayes判别、逐步线性回归分析、Logistic回归分析等）建立函数方程，并进行回代检验。但这两种方法都无法消除获得应变量（Y）值时的经验性和主观性;同时还必须基于各变量的作用与其他变量无关，各变量的作用可以叠加这不甚合理的假定前提下;所建立的证候和证之间的关系只是一种简单线性描述;二者的Y值都只是简单的A与非A的类别区分，不可能进行轻重程度的等级划分等。之后有学者提出将聚类分析、主成分分析及因子分析等多元统计方法应用于证候诊断的规范化研究。聚类分析又称集群分析，可以将随机现象进行归类。主成分分析法和因子分析法可通过寻求少数的几个变量（或因子）来综合反映全部变量（因子）的大部分信息。以上几种统计方法都可以实现证候的降维，有利于疾病证候分类中主、次症（征）及特征性表现的提取，有利于发现疾病调查群体中各类证候的症状、体征的组合及变化规律等等。在因子分析的基础上，再通过方差最大化正交旋转则能简化和明确对因子的解释。但是聚类分析在定义指标间或样品间相似性的度量时存在主观性，根据空间上的“距离”或形状上的相似性，对对象（指标、样本）进行刚性分割，它不能把同一个对象在不同的类别中体现出来，而且，它不能对多边关联同时进行分析。主成分分析要求资料为计量资料，且各主成分之间互不相关，同样也不可能有症状轻重程度的划分。因子分析则要求“公因子或共性因子”和所有变量均有关系，且是一种线性关系。另外，如何看待舍去的其他成分及特殊因子还需要作进一步探讨。通过以上分析可以发现，单独使用上述几种统计方法都会暴露出诸多不能克服的问题。因此，需要将多种统计方法联合运用以取长补短，提高结果的可靠性。但证候诊断规范化研究到底选用哪些多元统计方法，如何进行联合应用，还在不断探索之中。
4.4结构方程模型结构方程模型属于隐变量分析方法，是近年来在统计领域发展十分迅速的一个分支。它主要是运用统计学中的假设检验对有关现象的内在结构理论进行分析。即研究者可根据专业理论知识提供变量间存在的内在关系即先验关系，应用图形来表示变量间存在的直接或间接作用，然后检验所假设的模型与数据资料的拟合程度。如果拟合优度好，则认为变量间所假设的关系是成立的;反之，则拒绝原假设。利用结构方程模型分析方法可以将隐变量和直接测变量一并考虑，并且，可以对变量的测量误差及其方差作出估计。所以，设想通过结构方程模型可以建立一种比较客观的、定量的证候诊断标准，目前正处于试验阶段。
4.5计算机智能从复杂系统科学角度来看，证候是建立在广义症状集（包括以四诊信息为代表的宏观子集和以现代生物学特征为代表的微观子集）上的映射，广义症状之间交互作用，形成了一个复杂的动态演化系统，这类动态系统及其演化过程从理论上说可以通过计算机智能来实现。计算智能（com-putationalintelligence，CI）是利用计算机技术来模仿人类和其他生物对非线性、不完全、不精确和不确定的信息进行智能处理的技术，具有良好的容错性、鲁棒性和高精度等综合技术优势。计算智能主要包括:（1）用于模仿生物种群进化过程的演化计算，如遗传算法、演化策略、演化规划、遗传程序设计等;（2）模仿大脑思维的高层次结构的人工神经网络（artificialneuralnetwork，ANN），近年来在ANN基础上还提出了用于中医证候诊断的神经网络———径向基函数（radialbasisfunction，RBF）神经网络及基于聚类分析的RBF神经网络。已有学者通过对基于聚类分析的RBF神经网络所建立的中医证候诊断模型的检验，验证了其用于中医证候诊断的可行性和有效性［18］;（3）模仿低层次大脑结构的模糊系统。以上这三者都是仿效生物信息处理模式以获得智能信息处理功能的理论和技术，目标相近而方法各异，将三者交叉组成新系统则能达到取长补短、各显优势的效果。如用神经网络来构造模糊系统，集中了模糊控制技术和人工神经网络的双重优点，扩大了系统处理信息的范围;又如引入遗传算法构造综合性的模糊神经网络计算智能系统（fuzzyneuralnetworkscomputationalintelligencesys-tem，FNNCIS），可以形成与实际问题相吻合的中医证候诊断决策树等等。
5从定性到定量的综合集成方法将是证候诊断规范化研究的发展趋势
在20世纪80年代末，以钱学森教授为首的一批中国学者在系统科学研究的基础上，曾提出了“从定性到定量的综合集成法”［19］。在复杂系统的研究中，通常是科学理论、经验知识和专家判断力相结合，形成和提炼出经验性假设，这些经验性假设往往难以用严谨的科学方式证明，但需要经验性数据对其确定性进行检验，从经验性假设出发，通过定量方法得到结论，这一过程是一个人机结合综合集成的过程。中医学的模糊性、多变性、复杂性及隐匿性决定了中医证候诊断必须通过多学科的交叉渗透来完成。所以，将综合集成法运用到中医证候诊断规范化研究中则能实现把人的“心智”与计算机的高性能结合起来;把人的定性认识，上升到定量认识;把不同层次的知识（科学理论和经验知识）综合集成起来;把各种学科结合起来进行研究，把多种领域的科学知识进行综合集成;根据复杂巨系统的层次结构，把宏观研究和微观研究统一起来;充分利用计算机技术、人工智能、信息技术等高新技术。综上所述，证候诊断的规范化研究包括诊断的标准化、客观化及定量化研究，它除了必须遵循科学性、实用性、继承性等原则外，尚应体现辨证的系统性和发展性，证候的特异性和稳定性［20，21］。同时还要加强证候概念及专业术语的规范化研究。所以，这是一项非常复杂的工作，正如沈自尹教授［22］所总结的:“证”的研究难点在于:其一，证是一种功能态的，可以发展，可以转化;其二，证的概念应用亦较混乱，灵活性大，辨证可因人而异，只有凭医生的分析概括水平;其三，难以定性、定量，更难以定位。因此，只有通过不断的探索，完善现有的研究思路与方法，中医证候诊断的规范化研究才有望取得实质性的突破与进展。
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第9篇：系统生物学应用范文
1方法
1．1基于RA热证的对证中药定向文本挖掘文本挖掘分为文本数据收集、处理、结构化分析、可视化以及评价5个步骤［6］。首先，登录中国生物医学文献数据库，检索关键词“类风湿关节炎OR类风湿性关节炎”。文献14435篇(检索日期:2011年9月15日)。将收集来的数据，以ANSI编码格式保存。利用文本提取工具，对下载的非结构化的TXT文本数据进行信息提取，保存成格式化的、便于数据库(Access)和大型数据库(MicrosoftSQLServer，SQL)处理的格式。通过关键词对构造算法［7］进行数据清洗工作。然后结合专业知识进行解析，继续按关键词对构造算法进行噪音清洗，直到噪音降到满意为止。然后，结合中医证候要素特点进行定向文本挖掘，在RA数据集内，按照“热”为关键词对文献的主题词进行检索，将数据集定义为“热”子集。然后，针对这个数据子集，分别执行后续的计算［7］。经过计算，可以得到中医治疗RA热证要素的中药用药规律。用可视化软件Cytoscape2．8．2进行可视化处理，并以网络图的形式展现出来。
1．2PubChem数据库搜索药物靶蛋白将定向文本挖掘出的对证治疗RA热证的中药分别输入PubChem数据库［8］检索，找到每种有效成分的人类活性靶蛋白。
1．3基因芯片分析典型RA热证与正常人外周血CD4+T细胞差异基因中日友好医院门诊病人中，随机选取符合纳入标准的早期RA女性患者，RA证候问卷表采集患者各项证候信息，参照相应标准进行寒、热证候判断，筛选出符合纳入标准的RA女性热证患者12名。同时按照排除标准选取中国中医科学院12名健康志愿者(年龄在18岁至70岁之间)作为对照组。采集RA热证患者及健康人空腹静脉血，分离纯化得到CD4+T淋巴细胞，用于基因表达谱芯片分析。比较RA热证与正常人差异基因，选取1．4倍以上的上调及下调的差异基因分析，具体分析步骤见本课题组前期研究报道［9］。
1．4分别构建RA热证对证中药靶标网络及RA热证生物学网络并进行对应分析利用IPA(IngenuityPathwayAnalysis)生物分析软件，在线提交定向文本挖掘出的基于RA热证对证药物的靶蛋白列表及RA热证与正常人差异基因列表。分别构建基于RA热证对证中药靶标蛋白的相互作用网络以及基于RA热证与正常人比较差异基因的相互作用网络。利用软件中的Network、CanonicalPathway、Functions及Comparison等功能模块进行分析，获得药物靶标网络功能及重要生物学通路。同时，比较药物靶标网络和RA热证分子网络，寻找和分析二者的生物学通路的异同。
2结果
2．1RA热证定向文本挖掘结果通过定向文本挖掘，筛选出治疗RA热证的4个常用中药:黄柏、知母、苍术及牛膝，将其作为研究的对象，见图1。
2．2RA热证对证中药靶蛋白及靶标网络通过检索PubChem数据库，分别找到RA热证的对证中药:黄柏、知母、苍术及牛膝4味中药共有靶蛋白123个(略)。通过IPA软件将这些靶蛋白构建RA热证的对证中药靶蛋白的相互作用网络，见图2A所示。经IPA分析，该网络排名前5位的生物学功能见表1。
2．3RA热证与正常人差异基因生物学网络及功能RA热证与正常人CD4+T淋巴细胞的差异基因中，上调基因15个，下调基因6个，详见本课题组前期研究报道［9］。基于上述差异基因和IPA构建的蛋白质相互作用网络见图2B。经IPA分析，该网络主要生物学功能见表2。
2．4RA热证差异基因及其对证中药靶蛋白的共同生物学通路在IPA系统的Comparison功能中，比较RA热证差异基因及其对证中药靶蛋白的共同生物学通路，发现在细胞免疫反应相关的信号通路中，二者都参与了共同的生物学通路:GM-CSF信号通路，CTLA4信号通路，T细胞受体信号通路及辅助T细胞中的CD28信号通路，如图3～4所示。在图4中，我们可以看到，这4条生物学通路中，RA热证差异基因及其对证中药靶蛋白都有参与，但作用的靶点并不尽相同。在GM-CSF信号通路中(图4，A)，RA热证与正常人比较，BCL2A1(Bfl-1)基因表达上调，而RA热证对证药靶点为GM-CSF信号通路中的AKT和Bcl-xL，这些分子最终共同干预细胞的存活及增殖。在细胞毒性的T淋巴细胞中CTLA4信号通路(图4，B)、T细胞受体信号通路(图4，C)及辅助T细胞中的CD28信号通路(图4，D)中，RA热证与正常人比较，上调了通路中的CTLA4基因，而对证中药靶点为AKT和NF-κB，都通过信号通路的网络影响到整个通路的生物学功能。
3讨论
文本挖掘技术能以线性和非线性方式解析数据，且能进行高层次的知识整合，又善于处理模糊和非量化数据［10］。大量的中医药临床报道积累了丰富的文本数据，为文本挖掘提供了充分的数据条件［7，11］。蛋白质相互作用网络(Protein-proteinInteractionNetwork)是研究生物功能或病理变化分子基础的新途径和新方法，也是目前国际上生物信息学研究的热点之一［12，13］。发现并建立与疾病相关的分子作用网络，对于认识复杂疾病至关重要，也是现代生物医学研究所面临的重大挑战［14］。网络药理学基本思路是理解疾病“表型-基因-靶点-药物”相互作用网络特征，通过网络分析，观察药物对疾病网络的干预与影响，寻找可能的组合药物靶标，预测最优化的组合药物［15］。
