定量生物學(系統生物學 計算生物學 理論生物學)是否將成為未來生命科學研究的熱點?

時間 2021-05-10 17:28:36

1樓:

私以為,火不火很難預料,但是這些研究方向有很多懸而未決的問題,從形而上的角度來說,如果想要理解生物系統,這些問題是必須要理解的,從實用的角度上來說,如果這些問題解決了,會導致生物技術上有非常大的進展。

我傾向於認為會成為研究的主流方向。不然也不會選擇進入這些領域。

2樓:microball

先定義一下我心目中的定量生物學。我個人認為,定量生物學包含了系統生物學跟一部分計算生物學,還有已經很成熟的生物統計。理論生物學則是遠遠超出這個範圍了,我後面會解釋。

生物學越來越走向定量是明顯的事實,至少在基礎研究方面。過去十年來,頂尖研究使用的統計跟數學模型明顯變多了。但這並不代表,定量生物學就會理所當然的會成為未來的主角。

以過去幾年來說,大多的實驗生物學家,還是把定量生物學當作一種工具在使用。重點是,這種工具本身並不是生物學的一部分。生物領域看重的,還是定性上 1.

難以解釋的複雜現象 2. 新奇的新現象。對於已經了解的舊現象,在數學上定量的去刻劃,並不受到重視。

舉幾個例子: 以前分析多變數資料會用 PCA,現在會用 tSNE 。以前細胞影像會用邊緣偵測,現在用深度學習。

但整體上來說,生物學家對這些工具的理解多半只是表面意涵。就算工具翻新了幾代,如果不懂工具的原理,仍然不會加深對生物學的理解。

不客氣的說,生物學長期使用其他領域 (數學,物理,化學,工程,計算科學) 的工具,就像大清想要師夷長技以制夷,依然只停留在治標的層面。生物學者再怎麼學習他人的工具,也很難比其他領域訓練出來的學者佔優。如果掌握工具研發的源頭還是在外部,那麼定量生物領域就不會多熱門。

最關鍵的是,理論生物學的訓練,從來就不在生物系大學/研究所的課表裡面。換句話說,理論生物學是否實際能獨立存在? 在大多數研究單位都是個問題。

比起其他定量生物學,理論生物學揹負的責任是不同層級的。理論生物學的最終目的,不只是分析或預測實驗資料,而是要探討所有化學層級以上的自催化系統,存在哪些一般性的原則? 這不僅通用在地球上的生物,也要能用在未來的人造細胞,以及可能存在的其他外星生命體。

如果沒達到這種層級的視野,不能稱為理論生物學。

目前理論生物學既不在傳統課表內,科研體制內也很少資源,訓練過程又長,沒有適當的業界。這種領域我認為是不可能熱門的。

3. 回到定量生物學的未來潛力。我認為最可能的突破點,在於合成生物學跟代謝工程。

合成生物學已經能重塑基因體跟一些代謝途徑,加上 liposome 相關技術越來越成熟,從改造細胞,到未來的人造細胞,有無窮的可能性。

逐漸的,實驗學家會需要一套理論基礎,來推估如何改造細胞。這套理論基礎,也只有定量生物學能提供了。過去的建模主要是以代謝網路為主,但到細胞層級,多細胞層級的建模還未成熟。

若是系統生物學的理論/演演算法在這方面取得成功,那麼有朝一日就可能成為獨立自主,甚至熱門的領域 (類似計算化學的發展)。

最後談一點自己的感想: 以理論生物學/定量生物學界來說,不缺資料,也不缺哲思,缺的是切合生物學本質的數學系統。而現今的定量生物學家,連現成的數學理論都無法內化,要建立新數學就更難了。

務實來說,定量生物學界應該更重視數學教育。

3樓:David

默默關注系統生物學/生物資訊學小半年,當今時代最火熱的技術——大資料與人工智慧,如果能根據生物學開發出一套合適的方法或演算法,將推動生物學和醫療診斷的發展。

先來講講現在生物檢測的一些手段。現在單細胞測序,三代,四代都已經很發達,目前主要的問題還是成本,效率,精準度。所以,隨著技術的進步和一些商業化的應用,這些問題會逐步解決。

轉錄組,蛋白組,微生物組,代謝組,這些組學的檢測手段,除轉錄組以外,其他組學的檢測手段也需要提高,當然,轉錄組的精準性和效率也有待進步。

如果能將這些資料和臨床的醫療診斷,以及"患者"的日常行為相結合,建立乙個動態資料庫,包涵至少10萬人、若干年的醫學資料和生物學資料,並用人工智慧的演算法加以分析,相信這才是定量生物學的未來。

4樓:Marcus

非常同意直心的觀點,理論生物學永遠取代不了實驗生物學的地位。實驗是解決最根本問題的關鍵,建模只是讓這個框架更加細緻,並不是建立新的東西。

5樓:田魯亦

我覺得這個還是要取決於實驗手段的進步,脫離資料講故事是很難走的遠的。

生物在相當長的一段時間內,還會是一門基於實驗和試錯的學科。但是由於技術手段的進步,資料數量和維度的不斷積累,是可以給理論提供足夠的養料以及生長空間的,但是現在還是差的很遠。至少現在在我所知的範圍內,理論上漂亮的功能模型,要麼就是太寬泛,對具體現象缺乏建模能力,比如複雜系統;要麼就是太過於具體,缺乏泛化能力,難以大規模應用在不同層面,例如ODE。

畢竟生物系統在不同層次上湧現不同規律,難以均一的進行描述。

所以暫時我還是看好高通量,先把資料堆起來再說,當然高通量也有自己的一堆問題,就不在這裡詳述了。

6樓:直心

不會。作為做過實驗生物學和你說的理論生物學這兩者的的研究者,可以明確的告訴你,你說的理論生物學只能給實驗生物學打雜。生物學中的大部分最重要的問題,只能由實驗生物學解決。

剩下的問題,基本上實驗生物學做主角,理論生物學做輔助。

具體細節懶得說了。結論就是這個。

7樓:數學建模老司機

自問自答一下,說一下個人的看法(繼續編輯問題介紹擔心產生誤導)。

個人認為,生物學引入理論的最困難一點在於,以往研究自然科學(物理、化學)等的理論都是研究一些簡化模型,將自然現象納入乙個理論框架當中,尋找共有規律。即使有的時候用到的數學工具比較複雜,但框架和思路都是清晰簡單的。

生命體的高度複雜性,決定了不可能使用過分理想或簡化的數學模型對其進行描述。也就是說,之前物理學的很多研究方法在研究生命體時或多或少會失效。研究生命科學的理論若想突破,必須要建立全新的理論體系,開發新的研究方法。

8樓:

以普通人視角來說,或者以數學系視角看待生物學這個新生「嬰兒」,題主定義的定量生物學是必然的生物學科的發展路徑。只是現階段由於基礎資料的缺乏【相對於現世界中的所有生物物質構成】,所以定量生物學沒有丁點「起色」(作用),所以如果說是未來的話,在收集到了足夠的資料後,定量生物學將會是生物學中的熱門學科。

沒有前人的奉獻,也就不會有收穫的果實。

畢竟參天大樹,也需要先根繁葉茂。

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