系統生物學應用精選(九篇)

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第1篇：系統生物學應用范文

關鍵詞：B/S架構；學生信息管理；數據庫

中圖分類號：TP315文獻標識碼：A文章編號：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

如何提高學生信息管理的水平，建立適合自己院校的學生信息管理系統，已成為學校信息化建設過程中墮特解決的重要問題。從實用性和經濟性考慮，構建基于Web技術的網絡管理平臺是當前大多數院校教學管理的一個重要任務和發展方向[1-4]。運用Web技術，建設學校學生信息管理平臺，旨在探索一種以互聯網為基礎的教學管理模式。通過這種新的管理模式，為學院營造一種新的教學管理環境，使管理突破時空限制，提高工作效率和管理水平，使學校管理者、教師和學生可以在任何時候、任何地點通過網絡進行學習與交流。

2 學生信息管理系統設計

本系統開發的基本要求與功能是實現學生信息數據包括與學生有關的數據的管理與操作處理，基于Microsoft SQL Server 2000數據庫系統的數據管理使該軟件有更優異的性能。系統的基本數據流動為用戶數據的輸入、學生檔案信息、課程信息、班級信息、學生成績信息的輸入，以及用戶提出的對學生信息的查詢和其它要求所產生的數據輸出。數據的輸入與輸出處理流程都依靠數據庫的支持。圖1是系統的程序功能圖。

整個系統只要一個管理員登錄入口，所以只要在數據庫里建一個管理員表即可，根據不同的管理權限進入不同的后臺管理系統對其中的數據進行操作。表1~表4是本系統涉及到數據表。

3 數據庫的完整性和安全性

本系統中定義了表與表之間的聯系有助于實現完整性規則，一般在程序中實現具體的完整性控制。

3.1 使用數據庫完整性約束

為了防止終端用戶輸入錯誤的數據，以保證所有數據庫中的數據是合法的、完整的。在設計數據庫表時采用數據庫完整性約束，它是數據庫完整性的一種機制，這種約束是一系列預先定義好的數據完整性規則和業務規則，這些數據規則存放于數據庫中，具體來說，數據庫的完整性約束有以下幾種：非空約束(NOTN ULL)：缺省值約束(DEFAULT VALUE)：唯一性約束(UNIQUE)；主鍵約束(PRIMARYKEY)：外部鍵約束(FOREIGN KEY)；規則約束(CHECK)。由于這種約束是加在數據庫的表的定義上的，它與應用程序中維護數據庫的完整性不同，它不用額外地書寫代碼，所以代價小而且性能高。以定義系統用戶信息表為例：

CREATE TABLE user_Infor(

Username char(20) PRIMARY KEY

Password char(20) NOT NULL

Confine char(10) NOT NULL

其中主鍵PRIMARY KEY來約束列username不能重復，而且不能為空，密碼字段password不能為空(NOT NULL)，權限Confine不能為空。

3.2 使用數據庫存儲過程

在多用戶的Internet/Intranet里，在對多表進行插入、刪除、更新等操作時，可能會出現多客戶同時操作數據庫時帶來的“死鎖”和破壞數據一致性的問題。為此在設計時采用調用存儲過程的方法來解決上述問題。存儲過程是由流程控制和SQL語句書寫的過程，它是一組經編譯和優化后存儲在數據庫服務器的SQL語句，使用時用戶只要調用即可。這種己經編譯好的過程可以極大地改善SQL的性能，而且執行速度快，可以大大減少網絡通信流量，提高應用系統的性能。由于它是模塊化程序，可減少操作出錯，從而有效地保證數據的一致性和完整性。

CREATE Procedure[owner.]procedure name[;number]

[(parameterl[,parameter2]…[parameter255])]

[{FOR REPLICATION}|{WITH RECOMPILE}

[{[WITH]|{,}ENCRYPTION}]

AS sql_statements

其中proceddure_name為過程名稱；number用于在過程名稱重復時進行編號；[(parameterl[，parameter2]... [parameter255])]為參數序列。

WHTH RECOMPILE執行計劃不保存的高速緩存中，每次執行過程需要重新編譯ENCRYPTION加密syscomments表的內容，syscomments表中包含CREATE ROCedure的文本，保證無論何時都不刪除syscomments表FOR REPLICATION過程在前臺執行，不在服務器上執行。

本系統包括數據庫的安全和服務器的安全。采用管理員表示和鑒定的方法實現數據庫的安全，此安全管理措施并不在前臺開發工具中實現，而是在后臺數據庫中實現。在登錄數據庫時，系統讓管理員戶表示自己的身份，不同的管理員權限不同，系統進行核實，鑒別此管理員是否為合法用戶，若是，系統進一步核實用戶，通常要求用戶輸入口令，系統和對用戶口令以鑒別用戶身份。服務器的安全也是通過用戶在登錄服務器時輸入合法的用戶名和密碼來實現的。這是一種簡單可行的方法，實現起來比較方便。沒有采用更加復雜的系統安全管理措施是因為本管理系統一般是應用在校園網中，采用安全管理措施主要是為了防止沒有修改權限的用戶無意間修改了數據，因此采用用戶標識和鑒定的安全管理措施就能夠保障數據庫的安全性。

4 學生信息管理系統的程序實現

系統開發與運行環境確定如下：

體系結構：Brower/Server結構，編程語言：ASP，網絡操作系統Windows2000 server、Windows2003 server，數據庫操作系統：Microsoft SQL2000，客戶端：Windows98/Windows2000/windowsXP。

4.1 成績管理模塊實現

學生成績查詢模塊提供了兩種查詢方式：按考試查詢和按科目查詢。按考試查詢可以在選定考試后，查詢某一科或幾科的成績、目標分、是否達標、合格人數、優秀人數、合格率、優秀率等信息。此種方式便于班主任掌握相應考試的考試情況。按科目查詢可以在選定科目后，查詢某一次或幾次考試的成績、目標分、是否達標、優秀人數、合格率、優秀率等信息。此種方式便于任科老師掌握學生的學習情況。學生成績修改/刪除模塊:管理員首先選擇查詢條件，篩選出符合條件的記錄，再進行選擇是修改/刪除一條記錄還是多條記錄，并在刪除前提示確認信息，以防操作失誤造成的數據丟失。計算總分與排名模塊：非常實用的一個模塊。當各位科任老師將各科成績錄入后，班主任輕點幾下鼠標，即可計算出總分、平均分、班級排名與全級排名。學生成績錄入頁面如圖2所示。

4.2 信息管理模塊實現

本模塊主要實現對學生信息的錄入、查詢、修改、刪除、打印和班級的設置，下面是這一功能的實現，如圖3。

4.3 用戶管理模塊實現

用戶管理(如圖4所示)主要是對系統的管理員級別的用戶（包括系統管理員、區域管理員和學校管理員)進行管理。

本模塊在進行保存用戶名和密碼時對用戶密碼進行MD5加密。MD5的全稱是Message-Digest Algorithm 5，在90年代初由MIT的計算機科學實驗室和RSA Data Security Inc發明，經MD2, MD3和MD4發展而來。Message-Digest泛指字節串(Message)的Hash變換，就是把一個任意長度的字節串變換成一定長的大整數。請注意我使用了字節串而不是字符串這個詞，是因為這種變換只與字節的值有關，與字符集或編碼方式無關。MD5將任意長度的字節串變換成一個128bit的大整數，并且它是一個不可逆的字符串變換算法，換句話說就是，即使你看到源程序和算法描述，也無法將一個MD5的值變換回原始的字符串，從數學原理上說，是因為原始的字符串有無窮多個，這有點象不存在反函數的數學函數。MD5的典型應用是對一段Message(字節串)產生fingerprint(指紋)，以防止被，篡改。舉個例子，你將一段話寫在一個叫readme.txt文件中，并對這個readme.txt產生一個MD5的值并記錄在案，然后你可以傳播這個文件給別人，別人如果修改了文件中的任何內容，你對這個文件重新計算MD5時就會發現。如果再有一個第三方的認證機構，用MD5還可以防止文件作者的，抵賴，這就是所謂的數字簽名應用。MD5還廣泛用于加密和解密技術上，在很多操作系統中，用戶的密碼是以MD5值(或類似的其它算法)的方式保存的，用戶Login的時候，系統是把用戶輸入的密碼計算成MD5值，然后再去和系統中保存的MD5值進行比較，而系統并不知道用戶的密碼是什么。

當用戶注冊成功，正式建立一個賬號的時候，數據庫中就必須為這個用戶增加一條記錄。以下的程序代碼實現了建立一個賬號的功能，在頁面中，程序要求用戶輸入賬號、密碼等信息，然后，將這些信息作為賬號信息存入名為UserCount的數據表，在這個表中，用戶密碼是使用MD5加密保存的。

5 結論

本文的基于Web服務的學生信息管理系統具有如下特點：

采用Browser/Server三層體系結構，使系統具有很好的可維護性和重用性。在本系統的開發過程中采用的是ASP+IIS+SQL Server模式，此模式將明顯的把顯示和邏輯分離，使代碼容易管理，適合于大型項目的開發。中間層使用數據庫連接池技術加快與數據庫服務器之間的數據處理速度，也加快對客戶端響應速度。后臺數據庫采用的SQL，它功能比較強大，除了可以處理包含在各種平臺上運行的數據庫管理系統內核之外，還包括了數據復制、數據庫系統管理、Internet網關支持、在線分析處理、多媒體支持和各種并行處理能力。

參考文獻：

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第2篇：系統生物學應用范文

關鍵詞：Android；高校學生信息服務系統；應用

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0057-01

1 Android平臺特點及優勢

Android一詞在漢語中被翻譯成“機器人”，其在本文的意思是美國谷歌公司在2007年時所推出的一個開源性手機操作系統，由底層Linux操作系統、核心應用程序和中間件這三部分組成。Android平臺同其他操作平臺相比，之所以具有更強的競爭力是由于其結構特點所造成的，是其他平臺所不可比擬的。

1）其應用程序的框架中，組件可以被替換或者重用；2）手機是可以移動的，因此，其應用的虛擬機具有占用內存空間小，運行速度快的特點；3）其采用的瀏覽器引擎是公開源代碼的；4）其采用更先進的圖形庫，定制2D和3D的圖形庫，并且使3D圖形功能標準化；5）應用SQLite（輕量級數據庫管理軟件）來進行數據儲存，其占用資源空間極低，支持事務處理等應用功能；6）支持多媒體功能，支持圖像及音視頻格式較多，例如：MP3、MPEG4、GIF、PNG、AAC等；7）支持2G移動通信技術；8）支持藍牙、3G以及無線網技術；9）支持衛星定位系統、照相等功能應用；10）其具有較大的開發環境，開發插件強大，便于開發新的應用系統。

2 高校學生信息服務系統主要需求

當下，數字化校園理念一經提出，就受到了高校廣大師生的熱烈追捧，該系統主要是為教師、學生以及家長之間搭建一個有效溝通交流的平臺，而該平臺正是將利用Android平臺來實現。

1）高校學生信息服務系統中的功能性需求。高校學生信息服務系統的應用用戶主要為教師、學生以及家長，而這三種用戶對該系統的需求各有不同。教師應用該系統主要是信息、記錄相關信息、與學生、家長相互交流以及共享資料等；學生應用該系統主要是查看信息、信息、記錄相關的信息、與教師、家長相互交流，與教師所應用有不同之處；而家長應用該系統主要是用來查詢信息、與教師和學生相互交流記憶對學校建設、教師管理等方面提出建議和意見等。

2）高校學生信息服務系統中的特殊性能需求。由于高校學生信息服務系統是為教師、學生以及家長這三類用戶所提供信息服務，所以相對來說要對智能手機其操作系統、應用界面、數據傳輸及存儲和通信網絡技術等的要求更為嚴格。一是應用的手機操作系統要有自己的用戶規模，讓教師、學生以及家長能夠利用該系統查詢自己所需信息，并且操作要更為簡單，能夠隨時使用3G網絡；二是對應用界面的要求，設計應便于訪問，同樣要求操作簡單；三是對數據傳輸及存儲的要求較為嚴格，要具有安全性，確保在提取數據時高效、準確；四是通信網絡技術方面依據系統的要求，可以實現在公共互聯網上進行正常通信，能夠實現數據的傳輸和接收。

3 基于Android系統開發的高校學生信息服務系統的實現

1）開發環境的搭建。 開發所用操作系統為：Windows XP SP3；所用開發語言版本為：Java 1.6；所用開發工具為：Myeclipse 9.0；開源服務器為：Tomcat 6.0；數據庫為：MySQL。

開發環境的重點在于Android系統開發環境的搭建。首先需要下載相應的JDK，然后是配置Android針對Myeclipse開發工具的相關插件，即Android Development Tools，最后是Tomcat的安裝，并與Myeclipse的集成。當上述工具均配置完成后，Android系統的開發環境便搭建完成，接下來就可以進行基于Android系統應用的開發工作了。

開發Android應用程序的一般步驟為：①創建工程；②對工程進行啟動配置；③編寫相關代碼；④啟動工程進行調試。

2）開發工具簡介。選擇優秀的開發工具是開發Android應用程序的必要條件。在Android SDK的一系列工具當中，包括硬件虛擬設備與模擬器、Android資源打包輔助工具、Dalvik監視服務以及Android調試橋工具等。

AVD是運行Android系統的虛擬設備。開發的Android應用程序必須通過AVD才能運行。其內容包括：照相機、內存和鍵盤等硬件相關配置、系統版本的選擇、硬件外觀和屏幕尺寸大小、擴展卡大小以及AVD相關文件的位置等。

Android設備模擬器是運行Dalvik虛擬機的工具。它可以讓開發者開發的Android應用程序像運行在手機一樣運行在開發環境中，無需將其安裝在真實的手機環境中進行測試，大大提高了開發調試效率。

資源打包輔助工具，即AATP，是可對應用程序進行打包的輔助工具。可將各種資源文件以及相關代碼文件一并打包成可安裝運行的.apk文件。

調試監視服務，即DDMS，是可視化的調試以及監視工具。它主要監視應用程序的運行、內存分配、堆棧的使用等情況。

調試橋及DX工具，是將Java的.class文件轉換成虛擬機可執行的.dex文件。

3）應用程序開發的關鍵點。首先是Android界面的設計與實現。主要是利用Java語言實現相關業務邏輯，利用XML語言描述界面布局。借用Java語言中的UI設計理念，利用事件響應機制與布局的管理，每個XML可以嵌套多個View，這樣可以豐富用戶界面的設計。其次是數據的交互操作。采用MySQL來存儲數據，客戶端必須通過網絡與服務器端進行數據的交互。實現此方法需滿足兩個必要條件，即兩端網絡的相互訪問以及數據庫對于服務端的開通連接。當這兩個條件滿足后，兩端才可進行數據的操作。操作包括用戶客戶端提出查詢請求時，會向相關服務器端提出請求，服務器端會返回客戶端的查詢信息；用戶客戶端提出寫入請求時，服務器端將寫入數據，并返回是否寫入成功的信息。

4 結束語

綜上所述，由于智能手機在高校校園中的廣泛應用，將Android平臺應用到高校學生信息服務系統中，能夠有效的解決隨時應用電腦的不便捷問題，教師、學生和家長為該信息服務系統的應用者，為其搭建一個良好的溝通交流平臺是非常有必要的。本文針對如何將Android平臺應用到高校學生信息服務系統中做出了一定的介紹和建議，希望能給高校相關人士一些實用性參考，使校園的信息服務功能更強大。

參考文獻

[1]溫敏，艾麗蓉，王志國.Android智能手機系統中文件實時監控的研究與實現[J].科學技術與工程，2009（07）.

第3篇：系統生物學應用范文

[關鍵詞] 系統生物學；基因組學；蛋白質組學；計算生物學

近代生物學研究主要是以分子生物學和細胞生物學研究為主。研究方法皆采用典型的還原論方法。目前為止，還原論的研究已經取得了大量的成就，在細胞甚至在分子層次對生物體都有了很具體的了解，但對生物體整體的行為卻很難給出系統、圓滿的解釋。生物科學還停留在實驗科學的階段，沒有形成一套完整的理論來描述生物體如何在整體上實現其功能行為，這實際上是還停留在牛頓力學思想體系的簡單系統的研究階段。但是生物體系統具有紛繁的復雜性[1，2]。盡管對一個復雜的生物系統來說，研究基因和蛋白質是非常重要的，而且它將是我們系統生物學的基礎，但是僅僅這些尚不能充分揭示一個生物系統的全部信息。這種研究結果只限于解釋生物系統的微觀或局部現象，并不能解釋系統整體整合功能的來源，不能充分揭示一個生物系統的信息，且忽略了系統中各個層面的交互、支持、整合等作用，限制了生物學研究的發展。在這種現狀下，20世紀末人類基因組計劃完成后，生物學領域的科學家都在考慮一個問題：未來生物學研究的方向在哪里？為此學術界也不乏辯論。得出的共識是：生物學的發展未來主要面對如下問題：(1)如何弄清楚單一生物反應網絡，包括反應分子之間的關系、反應方式等；(2)如何研究生物反應網絡之間的關系，包括量化生物學反應及生物反應網絡；(3)如何利用計算機信息及生物工程技術進行生物反應，生物反應網絡，乃至器官及生物體的重建。

早在1969年，Bertalanfy LV就提出了一般系統理論(general systems theory)，他在文章中指出生物體是一個開放系統，對其組成及生物學功能的深入研究最終需要借助于計算機和工程學等其他分支學科才能完成[3]。1999年，由Leroy Hood創立的系統生物學(systems biology)則是在以還原論為主流的現代生物學中反其道而行之，把這種以整體為研究對象的概念重新提出。他給系統生物學賦予了這樣的定義，系統生物學(systems biology)是研究一個生物系統中所有組成成分(基因、mRNA、蛋白質等)的構成，以及在特定條件下這些組分間的相互關系的學科。換言之，以往的實驗生物學僅關心基因和蛋白質的個案，而系統生物學則要研究所有的基因、所有的蛋白質、組分間的所有相互關系。顯然，系統生物學是以整體性研究為特征的一種大科學，是生物學領域革命性的方法論。以胡德的觀點，基因、蛋白質以及環境之間不同層次的交互作用共同架構了整個系統的完整功能。因此，用系統的方法來理解一個生物系統應當成為并正在成為生物學研究方法的主流。利用系統的方法對其進行解析，綜合分析觀察實驗的數據來進行系統分析。具體通過建立一定的數學模型，并利用其對真實生物系統進行預測來驗證模型的有效性，從而揭示出生物體系所蘊涵的奧秘，這正是生物學研究方法的關鍵所在。

1 系統生物學的主要研究內容

系統生物學主要研究實體系統(如生物個體、器官、組織和細胞)的建模與仿真、生化代謝途徑的動態分析、各種信號轉導途徑的相互作用、基因調控網絡以及疾病機制等[4，5]。

系統生物學的首要任務是對系統狀態和結構進行描述，即致力于對系統的分析與模式識別，包括對系統的元素與系統所處環境的定義，以及對系統元素之間的相互作用關系和環境與系統之間的相互作用的深入分析。具體如生物反應中反應成分之間的量的關系，空間位置，時間次序，反應成分之間的因果關系，特別是反饋調節和變量控制等有關整個反應體系的問題等。其次要對系統的演化進行動態分析，包括對系統的穩態特征、分岔行為、相圖等的分析。掌握了系統的基本演化機制，使系統具有目標性和可操作性，使之按照我們所期望的方向演化，也有助于我們重新構建或修復系統，為組織工程學的組織設計提供指導。另外，系統科學對生物系統狀態的描述是分層次的，對不同層次進行的描述可能是完全不同的；系統科學對系統演化機制的分析更強調整體與局部的關系，要分析子系統之間的作用如何形成系統整體的表現、功能，而且對系統整體的每一行為都要找出其與微觀層次的聯系。

系統生物學的研究包括兩方面的內容。首先是實驗數據的取得，這主要包括提供生物數據的各種組學技術平臺，其次是利用計算生物學建立生物模型。因此科學家把系統生物學分為“濕”的實驗部分（實驗室內的研究)和“干”的實驗部分（計算機模擬和理論分析)。“濕”、“干”實驗的完美整合才是真正的系統生物學。

系統生物學的技術平臺主要為各種組學研究。這些高通量的組學實驗構成了系統生物學的技術平臺。提供建立模型所需的數據，并辨識出系統的結構。其中包括基因組學、轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學、相互作用組學和表型組學計算生物學通過建模和理論探索。可以為生物系統的闡明和定量預測提供強有力的基礎。計算生物學包括數據開采和模擬分析。數據開采是從各實驗平臺產生的大量數據和信息中抽取隱含其內的規律并形成假說。模擬分析是用計算機驗證所形成的假說，并對擬進行的體內、體外生物學實驗進行預測，最終形成可用于各種生物學研究和預測的虛擬系統。計算生物學涉及一些新的數學原理和運算規則，需要物理和數學來研究生物學的最基本的原理，也需要計算科學、信息學、工程學等進行生物工程重建和生物信息傳遞的研究。

2 系統生物學的研究思路及特點

系統生物學識別目標生物系統中的各種因素，然后構架一個系統模型，在其中賦予這個生物系統能動性。在此模型中研究細胞、組織、器官和生物體整體水平，研究結構和功能各異的各種分子及其相互作用，并通過計算生物學來定量描述和預測生物功能、表型和行為。系統生物學最大的特點即整合。這里的整合主要包括三重含義。首先，把系統內不同性質的構成要素(DNA、mRNA、蛋白質、生物小分子等)整合在一起進行研究；其次，對于多細胞生物，系統生物學要實現從基因到細胞、到器官、到組織甚至是個體的各個層次的整合。第三，研究思路和方法的整合。經典的分子生物學研究是一種垂直型的研究，即采用多種手段研究個別的基因和蛋白質。而基因組學、蛋白質組學和其他各種“組學”則是水平型研究，即以單一的手段同時研究成千上萬個基因或蛋白質。而系統生物學的特點，則是要把水平型研究和垂直型研究整合起來，成為一種“三維”的研究[6]。

3 系統生物學的研究方法

系統生物學最重要的研究手段是干涉(perturbation)。系統生物學的發展正是由于對生物系統的干擾手段不斷進步促成的。干涉主要分為從上到下(top-down)或從下到上(bottom-up)兩種。從上到下，即由外至里，主要指在系統內添加新的元素，觀察系統變化。例如，在系統中增加一個新的分子以阻斷某一反應通路。而從下到上，即由內到外，主要是改變系統內部結構的某些特征，從而改變整個系統，如利用基因敲除，改變在信號傳導通路中起重要作用的蛋白質的轉錄和翻譯水平[7]。

目前國際上系統生物學的研究方法根據所使用研究工具的不同可分為兩類：一類是實驗性方法，一類是數學建模方法。實驗性方法主要是通過進行控制性的反復實驗來理解系統[8，9]。首先明確要研究的系統以及所關注的系統現象或功能，鑒別系統中的所有主要元素，如DNA、mRNA、蛋白質等，并收集所有可用的實驗數據，建立一個描述性的初級模型(比如圖形的)，用以解釋系統是如何通過這些元素及其之間的相互作用實現自身功能的。其次在控制其他條件不變的情況下，干擾系統中的某個元素，由此得到這種干擾情況下系統各種層次水平的一些數據，同時收集系統狀態隨時變化的數據，整合這些數據并與初級模型進行比較，對模型與實際之間的不符之處通過提出各種假設來進行解釋，同時修正模型。再設計不同的干擾，重復上面的步驟，直到實驗數據與模型相一致為止。

數學建模[10，11]方法在根據系統內在機制對系統建立動力學模型，來定量描述系統各元素之間的相互作用，進而預測系統的動態演化結果。首先選定要研究的系統，確定描述系統狀態的主要變量，以及系統內部和外部環境中所有影響這些變量的重要因素。然后深入分析這些因素與狀態變量之間的因果關系，以及變量之間的相互作用方式，建立狀態變量的動態演化模型。再利用數學工具對模型進行求解或者定性定量分析，充分挖掘數學模型所反映系統的動態演化性質，給出可能的演化結果，從而對系統行為進行預測。

4 當代系統生物學研究熱點

基因表達、基因轉換開關、信號轉導途徑，以及系統出現疾病的機制分析等四個方面是目前系統生物學研究的主要陣地。

基因組醫學(genomic medicine)是以人類基因組為基礎的生命科學和臨床醫學的革命。生命科學和臨床醫學結合，將人類基因組研究成果轉化應用到臨床實踐中，是后基因組時代最重要的研究方向之一。人類基因組計劃從完成和多種疾病相關的基因研究發現，迅速進入到蛋白質組學、染色體組和人類疾病基因的研究，通過單基因或復雜多基因疾病的相關基因研究和疾病易感因素分析，達到揭示基因與疾病的關系之目的；遺傳背景與環境因素綜合作用對疾病發生發展的影響；為疾病的診斷、預防和治療、預后和風險預測提供依據。基因組醫學將大大提高我們對健康和疾病狀態的分子基礎的認識，增強研制有效干預方法的能力。

后基因組(post-genome)的交叉學科研究是目前生命科學研究的前沿。交叉學科是一個新的研究領域，范圍非常廣闊，如基因組、蛋白質組、轉錄組等等，從而出現許多新的交叉學科。

細胞信號轉導(signal transduction)的研究是當前細胞生命活動研究的重要課題。細胞信號轉導蛋白質組學是功能蛋白質組學的重要組成部分。系統地研究多條信號轉導通路中蛋白質及蛋白質間相互關系及其作用規律，細胞信號轉導通路網絡化，其作用模式、通路、功能機制、調控多樣化，細胞信號轉導結構、功能、途徑的異常在癌癥、心血管疾病、糖尿病和大多數疾病中起重要作用。對細胞信號轉導機制的了解，已成為創新藥物、防病治病的關鍵。細胞信號轉導不是一門單一學科，而是多種學科，如細胞學、生物化學、生物物理學和藥理學等多學科的交叉學科。

5 現階段系統生物學存在的問題

目前的系統生物學研究還只是初步使用動力學建模方法來定量描述系統的動態演化行為，這種方法對簡單巨系統是適用的，但是在運用到復雜適應性系統時就會表現出很多的局限性，有很多問題就不能解決。生物體系統的復雜程度超乎我們的想象，現階段不宜研究整個生物體系統，可以從研究“小系統”(生物體中具有一定功能、相對獨立的部分，將其看成一個“系統”)開始，當然如何正確地分析這個小系統本身也不是件易事。

5.1現有技術水平的限制

著眼于整體的系統生物學對技術、儀器的依賴性大大超過傳統的分子生物學。高通量、大規模的基因組及蛋白質組等的發展都是建立于新技術、新儀器出現基礎之上。就目前的技術水平來講，距系統生物學所要求達到的理想水平還相差很遠。由于技術發展的不均衡造成了系統中各個水平上的研究不均衡。基因組和基因表達方面的研究已經比較成熟，而在其他水平如蛋白質、小分子代謝物等的研究仍處于起步階段。各種蛋白質在數量上的巨大差異是全面分析低豐度蛋白質的一大障礙。而低豐度蛋白往往是最重要的生物調節分子，如何加強對低豐度蛋白的高通量研究，將是對蛋白質組應用前景的重要保障。同樣，如何研究系統內存在的非遺傳性分子即細胞中存在的成百上千的獨立的代謝底物及其他各種類型的大小分子，它們在基因表達、酶的構象形成等方面有著重要作用。建立適當的方法來系統檢測這些分子的變化是系統生物學能否發展的關鍵。

5.2分析水平的限制

系統的復雜性決定了全面分析的復雜性。人類基因組計劃的實施提供了龐大的信息資源，已讓人眼花繚亂，而對于較核苷酸復雜得多的蛋白質及代謝物等的分析將是更大的挑戰。如何系統而詳盡地為公共數據庫中的信息加上注解，對這些復雜數據進行儲存和分析將成為系統生物學發展的瓶頸。

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第4篇：系統生物學應用范文

一、合成生物學：新千年的科學技術

新的研究格局在世紀之交已經呈現，其中生物科學的地位日益凸顯，數十年前還不敢想象的技術現在似乎可以實現。但是，新世紀面臨著新挑戰。世界人口日益增加，氣候變化、糧食和能源需求增加、疾病傳播等一系列新的問題隨之出現。許多科學家和工程師認為，可以通過合成生物學這一新興而又具有變革潛力的學科應對新世紀面臨的部分挑戰。

合成生物學是一門將科學和工程方法相結合進行生物學研究和操控的新興學科。雖然合成生物學還處在“幼年期”――其核心研究內容主要局限于尋找和提煉可執行具體基因功能或生物化學功能的生物元件，并改善DNA合成和構建的方法――但目標遠大。合成生物學家們希望設計并構建人工合成的生物系統，最終用于工業制造、糧食生產，并提高全球健康水平。

一般而言，合成生物學是指運用工程學原理，設計和構建新的生物元器件和系統，并重新設計現有的、天然的生物系統，用于有益目的。它源于生物學及相關領域一個世紀的研究成果，但離不開工程學、計算科學、信息技術等領域的重大突破。

合成生物學具有以下重要特點：（1）它是生物學研究的新穎方法。與傳統的生命機制探索方法完全相反，合成生物學注重生產定制化的細胞、有機體和生命體。（2）應用工程學方法生產生命體。合成生物學通常應用工程學原理設計執行特定功能的簡化的生物元素。（3）依賴于非等級化的科研和商業化網絡。合成生物學向著橫向的、全球化的研究方式發展，通過社交網絡，它吸引了世界各地的年輕科學家。（4）需要響應社會關切。合成生物學是新興的學科和技術，需要充分考慮該技術的倫理、法律和社會影響，以及人們對其生物安全、監管和知識產權問題的關切。

二、合成生物學發展戰略

1.中國。中國認為合成生物學將帶來技術推動的新一輪經濟增長，因此努力成為該領域的國際領先者。目前，中國每年對合成生物學的研發投資達到2.6億元，每年發表合成生物學論文400余篇，約占世界總量的10%，論文被引次數居全球第7。中國已經制訂了合成生物學戰略路線圖，規劃了技術、工業應用、醫學和農業等方面的中長期目標。未來5年，將建立標準元件數據庫，形成設計生物元器件的計算能力；形成化學品和生物材料的模塊化設計和生產能力；對可增強植物耐旱性和耐堿性的生物元件進行驗證設計。未來10年，將擴大標準元器件數據庫，形成設計生物系統的計算能力；商業化生產某些化學品和生物材料；對合成固氮器件進行驗證設計。未來20年，將形成生物系統設計、建模和驗證一體化平臺；商業化生產眾多自然化合物、藥品、化學品和生物燃料；臨床應用生物元件和系統，用于檢測、控制和治療主要疾病；創造人工微生物。

2.英國。英國政府把合成生物學視為非常有商業前景的革命性平臺，熱切期望在合成生物學領域占據世界領先地位。英國政府決定成立合成生物學領導委員會，促進各領域的討論與公私合作，由部長和資深業界人士擔任聯合主席。英國計劃開展合成生物學投資如下：公共投資5000萬英鎊，其中多達650萬英鎊用于鼓勵產業投資；英國工程與自然科學研究理事會投資600萬英鎊，鼓勵大學探索新產品商業化；將合成生物學研發和相關的倫理、法律及社會影響研究的資助整合起來；生物技術與生物科學研究理事會支持16個機構從事5個跨國研究項目；撥款1億英鎊，用于未來3-5年對10萬名患者進行全基因組測序。

3.美國。美國很早就是合成生物學領跑者。美國政府每年向合成生物學研究投入約1.4億美元，其中美國國家科學基金會投入約7200萬美元。2008年美國國家科學基金會投入1600萬美元資助合成生物學工程研究中心。美國國防部力圖將合成生物學提升為一種制造平臺，美國能源部也圍繞合成生物學啟動了一些行動。不過，美國聯邦政府還沒有制訂合成生物學投資或管理的整體規劃。本屆政府的《國家生物經濟藍圖》雖然提到了合成生物學，但沒有提出具體的行動計劃。2010年，美國總統奧巴馬指示總統生物倫理問題研究委員會對合成生物學進行評估，并制定倫理指南，意在使風險最小化的同時實現公共利益最大化。

三、合成生物學帶來的機遇

合成生物學會帶來新一輪產業發展浪潮。產業界大量投資合成生物學，認為伴隨著基因組學和系統生物學的不斷進步，合成生物學將通過生物制造給產品和物質開發帶來革命性影響。到21世紀頭十年的中葉，全球就約有3000家生物技術公司，其中基因合成公司遍及五大洲，每年生產約5萬條基因。生物產品在經濟上舉足輕重。2010年，美國的生物經濟（包括轉基因作物、生物產品和工業生物技術）產值約為3000多億美元，超過美國GDP的2% 。據市場研究公司BBC Research估計，2011年合成生物學（包括支撐技術、生物元件及其組合產品）全球市場價值為16億美元，2016年將達到108億美元。

企業紛紛投資頗具前景的人工改造的生物產品，包括微生物、植物橡膠、生物基丙烯酸樹脂、產于生物廢料的綠色化學品、維生素以及用可再生碳水化合物生產的生物柴油。美國安倫捷科技公司副總裁達琳?所羅門認為，合成生物學是產業發展的新一輪浪潮，生物制造將以可持續原料取代傳統原料，從而改變所有產品的生產工藝，使全球經濟更為可持續。

合成生物學的大規模應用及市場推廣要耗費數十年時間，不過DNA測序、計算技術等相關技術的齊頭并進會縮短這一進程。專家們預計：未來5年，將會形成數個全球性的合成生物學研究平臺；未來10年，合成生物產品產值將達200億美元，生產細胞以制造大宗化學品和精細化學品將成為常態；未來20-30年，將理性地合成多細胞組織或器官，細胞計算系統將得到廣泛應用，新穎的生物制造工藝將被應用于生產非生物產品。

四、合成生物學發展面臨的挑戰

要充分釋放合成生物學的潛力，需要克服技術、監管、知識產權等諸多挑戰。

1.技術挑戰。發展合成生物學在元件及應用、互操作、度量、量產成本控制、工具及軟件等方面面臨挑戰。在元件及應用方面，開發一大批標準化、模塊化、行為可預測、可廣泛應用的生物元器件是近在眼前的挑戰。盡管有數以千計的生物元件已編目，但可重復且可靠的生物元件并非廣泛可用。在互操作方面，合成生物學發展的關鍵之一是開發出標準化的生物元件，像模塊一樣可靠地組裝，視情調整。為了得到普遍認可和應用，生物器件和系統的每個元件以及數據庫、度量單位和可擴充系統在不同尺度和水平上都要兼容。在度量方面，準確度量系統性能是合成生物學面臨的迫切挑戰，有必要形成能支持多種度量類型的基礎設施，而且未來全球統一的度量單位與度量本身一樣重要。在量產成本控制方面，經濟合算地生產工業化學品需要工程化生產高效微生物株，然而，現在開發含有合成生物元件的可行產品仍是一項艱巨的任務。在工具和軟件方面，改進數據收集工具、軟件和硬件對于合成生物學發展也很重要。除了可降低合成生物元件成本的自動化工藝外，專業化計算工具（如計算機輔助設計和建模工具）的缺乏也阻礙了合成生物學的發展。

2.監管問題。科學進展往往快于政策制定，同時合成生物學的界限也在不斷變化，因此在早期就應關注與合成生物學治理和監管相關的問題。

3.知識產權問題。構建新的生物元件帶來了一系列問題：對生物元件的權利是否應私有？如何進行生物元件登記？是否應對其申請專利？不同的知識產權和分享安排如何影響合成生物學的進步與創新？目前各國專利法規定不一。合成生物學在現有或新的知識產權體系下能否蓬勃發展是研究人員關注的一個重大問題。鑒于已經開發的合成生物元件數量巨大，并且企業對商業化產品開發有濃厚的興趣，解決知識產權問題異常重要。

4.包容問題。合成生物學是交叉性學科，既產生于多個學科，又回饋于這些學科。持續包容對于合成生物學的持續發展十分重要。一方面，要與產業界、監管和政策制定機構交流合作，使技術推動與市場拉動相結合。另一方面，還要使更多的公眾參與合成生物學對話，了解其可能存在的內在風險，討論有關的生物安全和倫理問題。

（作者：賈 偉，中國科學技術信息研究所副研究員，主要研究方向為國外科技政策與發展戰略。

劉潤生，中國科學技術信息研究所助理研究員，科技參考研究室負責人，主要從事科技戰略與政策研究。）

鏈接：

合成生物學（synthetic biology），最初由Hobom B.于1980年提出來表述基因重組技術，隨著分子系統生物學的發展，2000年E. Kool在美國化學年會上重新提出來，2003年國際上定義為基于系統生物學的遺傳工程和工程方法的人工生物系統研究。

“合成生物學”更早可追蹤到波蘭科學家Waclaw Szybalski采用“合成生物學”術語，以及目睹分子生物學進展、限制性內切酶發現等可能導致合成生物體的預測。“系統生物學”則可追蹤到貝塔朗菲的“有機生物學”及定義“有機”為“整體或系統”概念，以及闡述采用開放系統論、數學模型與計算機方法研究生物學。

第5篇：系統生物學應用范文

Statistical and Machine

Learning Approaches for

Network Analysis

2012，344p

Hardcover

ISBN9783527331833

M·德默等編

圖形結構被用于計算機可以識別的結構信息時，對圖形信息進行統計分析就成為可能。生物信息學、分子與系統生物學、理論物理、計算機科學、化學、工程等多個領域都在利用這一特點充分發揮計算機在分析和統計方面的優勢。本書的一個重要特點就是將諸如圖論、機器學習及統計數據分析之類的理論相互結合，形成一個新領域，以交叉學科的方式探索復雜網絡。基因組、蛋白質，信號以及代謝組學數據的大規模生成使得復雜網絡的構建成為可能，它為理解生理學以及病理學狀態的分子基礎提供了一個嶄新的框架。網絡和基于網絡的方法用于生物學中以便表征基因組、遺傳機理以及蛋白質信號。疾病被看作關鍵細胞網絡的異常干擾。如今，在對諸如癌癥、糖尿病等的復雜疾病的干預中，就使用網絡理論來分析。

本書共有11章：1.重構及劃分生物網絡計算方法概論； 2.復雜網絡入門：度量、統計性質及模型； 3.進化中的生物網絡建模； 4.內含動力學的生物網絡的模塊性配置； 5.統計概算機對管理網絡大規模因果推理的影響； 6.加權頻譜分布：網絡結構分析的度量； 7.進化中的隨機二部圖的結構； 8.圖形內核； 9.用于早老性癡呆病的基于網絡的信息協同分析； 10.結構化數據中基于密度的集合枚舉； 11.采用加權圖形內核的下位詞析取。

本書第1主編是奧地利健康與生命大學生物信息學和轉化研究所所長，他在生物信息學、系統生物學和應用離散數學領域130篇。他是Wiley出版的《復雜疾病醫學生物統計學》《復雜網絡分析》和《微陣列數據分析》等書的合作編者。

本書可用作應用離散數學、生物信息學、模式識別、計算機科學專業跨學科研究生課程的補充讀物，對于這些領域的研究人員和專業人員，也是一本有價值的參考書。

胡光華，退休高工

（原中國科學院物理學研究所）

第6篇：系統生物學應用范文

關鍵詞：高中生物課程；“穩態與環境”模塊；知識結構；科學方法

《普通高中生物課程標準（實驗）》（以下簡稱為《標準》）在課程結構上發生了比較大的變化，其中包括設置了“穩態與環境”這個必修模塊。對這種新穎的設計，有許多教師不理解，也有一些教師從科學性和合理性方面提出了質疑。本文就此談一下個人的看法。

一、生物課程內容結構體系的建構

1959年，布魯納（Jerome S.Bruner）在《教育過程》中提出了他的結構主義課程的思想，他主張：“不論我們選教什么學科，務必使學生理解該學科的基本結構，學習結構就是學習事物是怎樣相互關聯的。”自此以后，課程內容要結構化，成為課程專家的普遍追求。

（一）生物課程內容體系改革的必要性

傳統的高中生物課程以生命的基本特征來組織內容，這也是傳統的普通生物學的學科結構。但是，我們現在必須考慮兩個問題。一是現代課程論認為課程體系要反映學科體系，但不等同于學科體系。它除了考慮學科體系，還要考慮學生的認知發展和社會需求。生物學科的內容包括由事實、概念、原理和規律組成的理論體系，及其隱含的學科思想和方法。因此，生物課程的內容既可以根據知識理論體系建構，也可以根據學科思想和方法建構，兩者各有其合理性。二是20世紀后半期發生的“生物學革命”，使生物學的“范式”發生了改變。庫恩（T.S.Kuhn）在《科學革命的結構》一書中說：“科學革命以后，教科書和它們提出的歷史傳統必須重寫。”例如，已故陳閱增先生主編的《普通生物學》，就打破了傳統的普通生物學學科體系，根據當代生命科學從微觀到宏觀的發展，“按生命的主要結構層次，從低層到高層安排。”[1]

（二）構建生物課程內容結構體系的思路

課程內容結構體系構建的依據，是課程內容之間的邏輯關系和心理學方面的關系。邏輯關系指學科知識之間內在的聯系，心理學方面的關系指按照編者所理解的學生認識發展，把課程內容加以組織的關系。對科學課程而言，一般的傾向是在高年級采取邏輯結構的體系，在低年級以心理學結構的體系為主。我國的課程向來關注知識體系，構建高中生物課程的思路，按我國的國情只能取前者。

按邏輯關系構建課程體系，又可以有不同的方法。例如，1.可以按形式邏輯的方法，將若干科學事實或概念作為邏輯起點，通過演繹推理構建一個公理化的體系。這種方法在物理、化學中用得較多，對生物課程，《標準》首次將概念列入了課程目標，《標準》中“遺傳與進化”模塊的內容，也主要以類似的方法構建；但由于生命系統的復雜性和生命現象的不確定性，以形式邏輯構建知識體系只能適用于生物科學的少數領域。2.進化論無疑是生命科學中最大的一個統一理論，研究生物進化的機制不僅要追溯漫長的生命歷史，覆蓋各種生物進化現象，并與生命起源承接，還要能對現今全部的生命現象給出說明。我國在20世紀50年代，曾在普通高中開設“達爾文主義基礎”課程，希望以進化論為框架構建生物課程體系；但由于進化論遠未成熟，結果使生物課程受哲學的支配而走上非科學的道路。3.當代生物學的發展，形成了系統生物學（Systems Biology）。對生命的本質，生物學界長期存在活力論和還原論之爭。20世紀30年代后，科學界對生命的本質提出了新的認識，就是機體系統論。1952年，美籍奧地利生物學家、系統論創始人貝塔朗菲（L.V.Bartalanffy）出版了英文版的《生命問題──現代生物學思想評價》，提出了機體系統論的基本原理：整體原理（組織原理）、動態原理、自主原理。這些原理表明：生物有機體是一個獨特的組織系統，其個別部分和個別事件受整體條件的制約，遵循系統規律；生命有機體結構產生于連續流動的過程，具有調整和適應能力；生命有機體是一個具有自主活動能力的系統。[2]1968年，貝塔朗菲又在此書的基礎上，進一步寫成《一般系統論──基礎、發展、應用》，創立了系統論，生物學也由此發展出“系統生物學”。系統生物學的一個重要方面，就是利用系統概念、系統思想和系統方法來理解生物學知識，重新整合原有的生物科學知識體系。這已成為“生物學革命”的內容之一，國際上稱為“利用系統方法進行生物學革命”。“穩態與環境”模塊的知識結構就是以系統生物學的思想構建的。

二、“穩態與環境”模塊的知識結構

（一）關于穩態、調節和環境

穩態的概念最初來自生理學。生理學把維持內環境理化性質相對恒定的狀態叫做穩態。穩態是一種復雜的、由體內各種調節機制所維持的動態平衡，一方面是代謝過程使內環境理化性質的相對恒定遭到破壞，另一方面是通過調節使平衡恢復。整個機體的生命活動正是在穩態不斷受到破壞而又同時得到恢復的過程中得以維持和進行。后來，穩態的概念逐步擴展，它不僅被用來說明內環境理化特性的動態平衡，而且人們發現細胞、群落和生態系統在沒有受到激烈的外界環境因素影響時，也都處于類似的狀態，都可以用穩態這個概念來說明它們相對穩定狀態的維持和調節。

穩態調節的概念原來也來自個體水平的生理學，例如，哺乳動物體內的溫度、滲透壓、pH以及各種電解質和營養物的濃度都保持在一個穩定的范圍內，這是在其自身神經體液系統調節下，隨時進行反饋調節而實現的。生態系統雖然沒有與此類似的調節機制，但也具有一定的抵御環境壓力、保持平衡狀態的能力。特別是成熟的生態系統，每年的能量收支大致相等，營養物質循環近于“封閉式”，流失極少，系統能相當長久地保持一定的外觀和結構，這些都是穩態調節的結果。

（二）“穩態與環境”模塊概念體系的建立

任何一門科學，都是一個相對完整的理論體系，都是一個知識系統。從一般形式上看，都是由科學事實、基本概念、特定方法、相應理論以及應用范例等構成的。以生命的基本特征為框架來整理和概括生物科學事實，雖然容易被理解，而且從科學發展過程來看，分門別類地劃分和組織材料，確實是一切科學的一項必不可少的任務，但是科學事實本身和若干科學事實的簡單堆砌畢竟還不等于科學。事實只有以系統的概括的形式表現出來，并且成為概念和規律的根據和驗證時，才能夠變成科學知識的組成部分。

以這樣的觀點來看《標準》中“穩態與環境”模塊的內容，“3.1植物的激素調節”和“3.2動物生命活動的調節”兩個單元，提供的是經過整理的科學事實，它們是建立科學理論的基礎和前提。在后續單元中，“說明穩態的生理意義”和“闡明生態系統的穩定性”等知識點，提出了“穩態”的概念；“舉例說明神經、體液調節在維持穩態中的作用”“概述人體免疫系統在維持穩態中的作用”“舉例說出生態系統中的信息傳遞”等知識點，提出了“調節”和“環境”的概念。科學概念是由大量科學事實和經驗材料經過理性加工和提煉而形成的，科學概念一旦獲得，就會使人們的認識發生飛躍，使已有的知識系統化、理論化。然而，概念雖然重要，但僅有概念還不能形成科學理論，概念只是理論的邏輯起點。在穩態、調節和環境概念的后面，還有一個更核心的概念，就是“系統”。因為穩態是系統的狀態，調節是系統的行為，環境是系統的存在。這樣，“穩態與環境”模塊就以“系統”這個本體論概念作為核心概念，以“穩態”“環境”和“調節”三個科學通用概念把生物個體水平和生態系統水平的要素、行為、穩定和發展等問題統一起來，并以“描述體溫調節、水鹽調節、血糖調節”“描述群落的結構特征”“闡明群落的演替”“討論某一生態系統的結構”等作為這個理論體系的應用范例。

需要明確的是，這個概念體系是隱性而不是顯性的，是運用系統生物學的思想建立的。教材如何編寫，教學如何進行，則需按具體情況而定。

三、“穩態與環境”模塊的科學方法

一個科學的理論體系，除了科學事實、基本概念、相應理論和應用范例，還有一個重要的方面是特定方法。“穩態與環境”模塊的科學方法，主要是系統分析方法以及以模型和數學方法為主的邏輯方法。

（一）系統分析的思想和方法

《標準》在“穩態與環境”模塊的前言中指出：“本模塊選取有關生命活動的調節與穩態的知識、生物與環境的知識，有助于學生理解生命運動的本質，了解系統分析的思想和方法，提高對生命系統與環境關系的認識。”[3]這就明確提出了“系統分析的思想和方法”。現代生物學的分析性研究已深入到分子、量子水平，但為了揭示生命運動的奧秘，還必須從生命系統的各個組成部分的聯系和相互作用中，從它們和外界環境的相互聯系和相互作用中來了解整體，這就需要進行系統分析。系統分析能力是一種非常重要的綜合實踐能力。例如，植樹造林是中央的號召，但西北一些地區年降水量很小，蒸發量很大，其地下水主要靠地表下的滲透作用（如熔化的雪水）。在這些地區植樹，地下水會因樹木的蒸騰作用而過量散失，導致水位下降甚至枯竭。于是近年來中央指示這樣的地區要多種草。然而，在我國的中、東部地區，卻出現了砍樹種草的熱潮。殊不知在高溫多雨地區，樹的生態效益要遠遠超過草。結果，一些城市政府部門又不得不規定綠化至少要有多少比例的喬木和灌木。導致這些失誤的原因就在于缺乏系統分析的思想。

轉貼于 現代系統分析包括定性分析和定量分析，定量分析是基于數學工具進行的，高中生物學教育一般只能做定性分析。如同美國《國家科學教育標準》所要求的“學會從系統的角度思考和分析問題”，具體說，就是運用系統的概念和系統分析的思想，一方面對生命系統的要素、結構、邊界、環境、性能等系統的基本特征做分析，另一方面對系統的狀態及其調控做分析。以生態系統為例，其要素指組成成分，即生產者、消費者、分解者等生物成分和非生物的物質和能量；結構包括時空結構和營養結構（食物鏈和食物網）；邊界指系統的范圍，生態系統是模糊集合，其邊界是一個模糊概念，根據研究的需要劃定；環境指一個生態系統的外部環境條件，系統與環境之間具有物質、能量和信息的交流，兩者相互聯系、相互影響，并共同組成一個更大的系統；性能指系統整體的特性和功能，系統的整體特性表現為該系統與其他系統的區別，系統的功能則反映了系統與外部環境相互作用的程度，或系統獲取輸入、予以變換而產生輸出的能力。以上這些方面構成了一個生態系統的基本特征。至于系統的狀態，生態系統都是開放系統，系統的穩態就是生態平衡狀態。每個生態系統都具有一定的自動調節能力，在不斷變化的環境條件下，依靠自我調節機制維持其穩態，實現物質循環和能量流動的相對穩定。生態系統狀態的另一個重要指標是它的生產量，包括輸入、輸出、凈生產量和效率。類似的分析在個體水平和群體水平均可進行。“穩態與環境”模塊中的“描述群落的結構特征”“討論某一生態系統的結構”“闡明群落的演替”“分析生態系統中的物質循環和能量流動的基本規律及其應用”“闡明生態系統的穩定性”“探討人口增長對生態環境的影響”“關注全球性環境問題”等知識點，以及“利用計算機輔助教學軟件模擬人體某方面穩態的維持”“調查當地自然群落中若干種生物的生態位”“調查或探討一個農業生態系統中的能量流動”“調查當地生態環境中的主要問題，提出保護建議或行動計劃”等活動建議，都需要滲透和利用系統分析的思想和方法進行教學。

（二）數學和模型方法的運用

20世紀30年代，貝塔朗菲在提出機體系統論概念的同時，主張用數學和模型方法研究生命現象。

1.模型方法

《標準》依據國際科學教育的發展，將模型和模型方法列入了課程目標。所謂“模型”，是指模擬原型（所要研究的系統的結構形態或運動形態）的形式。它不再包括原型的全部特征，但能描述原型的本質特征。[4]模型方法是以研究模型來揭示原型的形態、特征和本質的方法，是邏輯方法的一種特有形式。模型一般可分為物理模型和數學模型兩大類，通常說的模型即指物理模型。物理模型可以模擬客觀事物的某些功能和性質，它包括物質模型和思想模型兩類。在高中生物課程中經常使用的物質模型有實物模型如生物體結構的模式標本，模擬模型如細胞結構模型、各種組織器官的立體結構模型等。思想模型是物質模型在思維中的引申，根據構建模型的思想方法的不同，又可以分為兩類。一類是以形象化方法（或稱為意象思維方法）構建的具象模型，它是人們在思維中通過對生物原型的簡化和純化而構思出來的。具象模型具有一定的形態結構特征，如DNA分子雙螺旋結構模型、生物膜液態鑲嵌模型等。它能使研究對象直觀化，既可以促進研究，又可以簡略描述研究成果，使之便于理解和傳播。另一類是以理想化方法（或稱抽象思維方法）構建的模型，是人們抽象出生物原型某些方面的本質屬性而構思出來的，例如呼吸作用過程圖解、光合作用過程圖解等過程理想模型，食物鏈和食物網等系統理想模型。這類模型使研究對象簡化，在科學研究中用于計算推導，引申觀察和實驗的結論等方面。

在現代生物科學研究中，模型方法被廣泛運用，DNA雙螺旋結構模型的成功就是一個范例。在生物科學學習中，模型提供觀念和印象。認知心理學認為，人的知識經驗既包括概念系統，又包括表象。前者有概念、原理、規律、理論，后者的成分包含觀念和印象。當代不少學者都主張把表象看做一種符號要素，與語言等其他符號要素一樣具有抽象、概括、組合和再組合的功能，因而能構成思維的操作。所以模型提供的觀念和印象，不僅是學生進一步獲取系統知識的條件，而且是學生認知結構的重要組成部分。正因為如此，美國《國家科學教育標準》把模型和科學事實、概念、原理、理論并列為科學主題的重點，并將構建、修改、分析、評價模型作為高中學生的基本科學探究能力。

“穩態與環境”模塊中有兩個活動建議：“探究水族箱（或魚缸）中群落的演替”和“設計并制作生態瓶”，都是運用模型的探究。例如，“設計并制作生態瓶”制作的是一個活體實物模型，運用這個模型進行的是對生態系統運行的模擬實驗。在科學研究中，有時受客觀條件的限制，不能對某些自然現象進行直接實驗，這時就要人為地創造一定的條件和因素，在模擬的條件下進行實驗。利用活體實物模型進行的模擬實驗，在生命科學研究中被廣泛應用，但具有一定的復雜性。因為變量較多，而且變量之間的關系，除因果決定性因素，還存在許多非因果決定性的因素，所以需要做系統分析。就本案例來說，一方面需要對生態瓶的組成成分、結構、環境、性能等做分析，另一方面需要對系統的能量轉換和物質流動狀態及其調控做分析。這對學生深入理解生態系統的結構、生態系統中的物質循環和能量流動的基本規律及其應用、生態系統中的信息傳遞、生態系統的穩定性等，無疑具有重要的教育價值。但也正因為生命系統的復雜，所以活體生物模型與實際事物相比，存在較大差異。這是需要講清楚的。

2.數學方法

數學方法指運用數學語言表述事物的狀態、關系和過程，并加以推導、演算和分析，以形成對問題的解釋、判斷和預測的方法。目前，數學在生物學、醫學等領域正起著越來越重要的作用，甚至醫生做手術之前都可以先進行數學模擬以預知各種方案可能出現的后果，再依據個人的經驗來選擇手術方案。數學方法在科學教育中的價值更是不言而喻，《標準》對數學方法的使用，包括以下4個方面。

（1）定義概念。概念有具體概念和抽象概念之分，具體概念指能通過直接觀察獲得的概念，即實物概念，例如細胞、組織等結構概念，呼吸、遺傳等生理活動概念；抽象概念不能通過觀察習得，只能通過下定義才能習得，例如呼吸作用、新陳代謝等概念。在抽象概念中，有一類是用數學式來定義的。這類定量的概念以數學方法揭示事物的本質及其發展變化規律，為研究工作提供一種簡明精確的形式語言，具有重要的科學認識論價值和方法論價值。“穩態與環境”模塊沒有明確要求用數學式定義概念，但“列舉種群的特征”這個知識點，如果涉及種群密度，年齡結構和性別結構，出生率和死亡率等，那就是用數學式定義的概念。

（2）對生命現象的空間關系和數量關系進行描述、分析和計算。例如，以條形圖、曲線圖、統計圖等來表現某一生命現象的統計數字大小及其變化，這在生物課程中已廣泛應用。

（3）統計方法的運用。統計是研究隨機現象的統計規律性的方法。統計性規律在生物界廣泛存在，主要包括兩類。一類是大數過程的規律性，即大量隨機事件所組成的系統的規律性，如遺傳性狀傳遞過程中的規律。這類問題可用描述統計方法解決。另一類是某些生命系統行為的規律性，例如，生態系統中某種群數量的變化及其生滅過程、生物個體生態壽命的預期分析等，它們是不同條件下生命系統某種行為潛在可能性的數量估計，而不是實際存在的狀況。這類問題可用選取統計方法解決。描述統計方法和選取統計方法，《標準》都已引入。描述統計方法主要是對觀察、實驗的原始材料進行整理、分類、分析等統計加工，得到統計事實。孟德爾正是使用描述統計方法對豌豆雜交實驗結果進行定量觀察和數據分析，才發現了遺傳性狀的分離現象和自由組合現象。選取統計方法又稱統計推理，是從樣本到總體的推理。例如，對種群數量、密度的研究，要完全獲得某自然種群總體的狀態、特性和變化規律的信息是困難的，甚至是不可能的，實際上也無必要，所以往往根據由樣本（樣方）所獲得的統計事實來推斷總體。“穩態與環境”模塊中有兩個活動建議：“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”和“土壤中動物類群豐富度的研究”。前者是用描述統計方法表達大數過程的規律性，后者是用選取統計方法進行從樣本到總體的推理。

（4）用數學模型來表現生物學現象、特征和狀況。生物數學模型有兩類：一類為確定性模型，它用數學方法描述和研究必然性現象，例如某生物個體的生長曲線、細胞分裂過程中DNA數量變化曲線等；另一類為隨機模型，它用概率論和統計方法描述和研究隨機現象。例如，種群基因頻率的變化沒有確定性，有多種可能的結果，究竟出現什么結果是偶然的、隨機的，但當種群由大量個體組成，并能隨機繁殖傳代時，基因頻率和基因型頻率的變化又表現出統計規律性。1908年，哈迪和溫伯格用遺傳平衡定律（Hardy.Weinberg定律）對此進行了描述，這個隨機性的數學模型為種群遺傳學研究奠定了基礎。對數學模型，“穩態與環境”模塊中安排了一個要求：“嘗試建立數學模型解釋種群的數量變動”。

根據以上對“穩態與環境”模塊知識結構和科學方法的分析，其科學性和合理性應該是沒有問題的。當然，隨之而來的教材編寫和教學實施的問題，仍需要我們認真研究。

參考文獻

［1］陳閱增，等.普通生物學──生命科學通論［M］.北京：高等教育出版社，1997.8.

［2］路德維希·馮·貝塔朗菲.生命問題──現代生物學思想評價［M］.吳曉江，譯.北京：商務印書館，1999.

第7篇：系統生物學應用范文

關鍵詞：中西醫結合療法;腎臟疾病; 體會

【中圖分類號】R692.505 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-3783(2012)05-0086-01

1 中西醫結合治療慢性腎臟病的優勢

1.1 “中西醫結合要源于中醫，而高于中醫;源于西醫，而高于西醫”。這才是中西醫結合的目標，也是中西醫結合的優勢所在。如難治性腎病綜合征在使用潑尼松、細胞毒劑、血管緊張素轉化酶抑制劑、血管緊張素Ⅱ受體阻滯劑等治療的同時，再結合雷公藤多苷、火把花根片或中藥湯劑等中西醫結合療法，其療效較單純中醫或西醫療法顯著提高。中藥還可明顯減輕大劑量激素引起的醫源性柯興綜合征副反應，減輕環磷酰胺引起的消化道反應及骨髓和性腺功能的抑制。中西醫對疾病不同階段的治療，各有優勢和劣勢，中西醫結合能取長補短，使病人得到一體化的治療。如IgA型腎病表現為單純性血尿時，西醫無特異性療法，中醫湯劑加火把花根或雷公藤多苷有比較好的療效;在表現為中等蛋白尿和血尿時，以小劑量激素、ACEI加中藥湯劑或雷公藤多苷有比較好的療效;在大量蛋白尿時，則以大劑量激素、ACEI加中藥湯劑、雷公藤多苷或火把花根治療;出現細胞性新月體時，則以大劑量激素沖擊治療;出現慢性腎衰竭(CRF)1、2期時，以中藥湯劑口服、中藥保留灌腸及中藥熏洗，同時配合減輕腎臟“高灌注、高濾過、高壓”的ACEI和ARB等治療;到尿毒癥期以替代治療為主，中藥配合改善營養等中西醫結合治療為輔。中西醫結合在疾病各個不同階段切入，各施所長才能得到最佳的一體化治療。

1.2 判斷疾病預后，提高治療敏感性。例如，腎病綜合征不同的病理類型都可以表現脾腎陽虛證型，而微小病變的脾腎陽虛證對治療反應好，預后好，局灶節段硬化的脾腎陽虛證對治療反應差，預后差。西醫診斷下的中醫辨證，提高了中醫對腎病預后的認識。中西醫結合治療慢性腎臟病同時也存在的問題和困惑：中藥的成分復雜，經過炮制、配伍、煎煮和體內代謝后，成分的變化更是不得而知。因此，中藥很難用單一指標去考察其療效，作用機制不明。中醫學的特點是辨證論治，其“證”的研究是中醫基礎理論的核心，是中醫現代化的瓶頸。

2 中西醫結合治療慢性腎臟病的前景

2.1 中西醫結合治療腎病的報道很多，療效也比較好，但現在還沒有中西醫結合治療CKD的優化方案出臺。國家“十一五”科技支撐計劃已經開始資助中醫腎病臨床優化方案的研究，另外，建議政府衛生行政部門、科技部門以及企業以各種形式支持中西醫結合腎病優化方案的研究，為編寫中西醫結合防治腎病指南提供證據，為政府和衛生行政部門的決策提供依據，為行業診治CKD提供最有效的方法，提高腎病的診療水平。研究優化方案時，需注意以下問題。為使臨床試驗信息透明化，提高研究的社會公信度，請在臨床試驗開始前，在世界衛生組織的國際臨床試驗注冊平臺認證的臨床試驗注冊中心注冊;為優化出最佳的方案，請在做優化方案時，先將專家的經驗在協作組內討論，并在協作組外征求中醫腎病專家、西醫腎病專家、腎臟病理專家、免疫學專家、藥理學專家、統計學專家、醫學經濟學專家、倫理委員會以及護理學專家的意見。

2.2 優化方案制定后，進行多中心、大樣本、隨機盲法對照臨床試驗，客觀評價其方案的療效和安全性。第一次臨床試驗結果出來后，針對臨床試驗存在的問題，將方案再優化再試驗直至優化出滿意的方案;CRF應按原發病進行單病種優化研究。CRF是多種病因引起的臨床綜合征，病因不同，其進展的機制和速度不一樣，臨床療效和預后也存在差異。因此，CRF應按其原發病分類進行優化研究。另外，原發性腎病綜合征和慢性腎小球腎炎也要按病理類型進行單病種優化方案的研究。利用系統生物學的方法，探索中醫腎本質的研究 。

2.3 系統生物學是由基因組學、蛋白質組學、代謝組學、相互作用組學、表型組學及生物信息學等組成，通過生物信息學把基因、蛋白質、代謝產物及表型等橫向的研究結果整合起來，采用系統綜合的思路和手段從整體水平上動態地對一個集合體的存在特征、活動規律和相互聯系加以描述。中醫傳統理論最具特色的就是整體觀和辨證觀，與現代的系統生物學思路不謀而合。以功能基因組學和蛋白質組學為核心的系統生物學方法，將為中醫腎虛證本質的研究提供科學的手段。

3 結論

中華醫學會腎臟病分會已經在媒體開展宣傳，舉行講座，組織普查，但還有待其他相關學會及政府部門積極行動起來，加大宣傳，引起社會的廣泛重視，并組織專業人士參與大規模尿常規普查。建議及早建立我國在臨床廣泛應用檢測腎小球濾過率的方法，對可能引起慢性腎臟病的住院病人和體檢者進行GFR評價;對高血壓病、糖尿病、痛風等引起繼發性腎臟病的因素及早進行預防;對已有腎臟病要積極干預治療，防止腎損害的進展。

第8篇：系統生物學應用范文

中醫認為“證”是病的某一階段的主要矛盾的概括，它受病的基本矛盾的干擾，兩者之間存在不可分割的聯系。因此，證候診斷離不開具體疾病的診斷，證候診斷的規范化研究應采用病證結合的研究思路，這樣才能對疾病過程中各個發展階段的證候作出正確的診斷，才能將中醫的證候演變規律更清晰地凸現出來。由于相對于中醫學病名而言，西醫學病名往往診斷明確，機制比較清晰，所以應選擇西醫診斷明確，而中醫治療有優勢，又嚴重威脅人類健康的臨床常見病和多發病，采用西醫辨病，中醫辨證，以病為經，以證為緯，病證結合的研究思路。“方”與“證”密切相關，方由證立，證隨方名，方能測證，證能驗方。很多有效的經方、名方是結合了中醫理論精華和長期臨床實踐經驗配伍而成，與其特定的證候有較明確的對應關系。而且，臨床療效是臨床醫學的核心和關鍵問題，證候分類在一定程度上應建立在方劑療效觀察的基礎上，通過以方測證還可以對“證”進行動態的研究。所以，有課題組提出“以候為證，以象為素，病證結合，方證相應，是建立辨證方法新體系的依據”［2］;也有學者提出“圍繞證候病機及其與疾病和方劑的相關性這一中醫證候研究的重要科學問題，突出中醫學思維特征與現代科學設計融合的研究思路，以方劑干預治療效果作為比較參照系統，基于中醫以方測證的逆向思維的認‘證''''方法，不斷積累、完善，由此構建出具有堅實臨床科學基礎的證候標準，應該是病證結合研究的重要發展方向之一”［3］。但是，近10多年來，由于對“方證相對”的理解存在歧見，故有學者提出“以方測證”作為一種證候研究的方法并不可行。有的認為:每個湯方都有相對應的證，只要有此證即可用此湯方，常稱為“湯證”，湯證（方劑辨證）不同于八綱、病因和臟腑辨證，是指以湯辨證，相符即可應用，其實質是找出湯方的適應證［4］。有的引用柯韻伯《傷寒來蘇集》的話說:“合是證便用是方”，即某證只能用某方，某方只能治某證，處方用藥必須與病證對應，才能取得最佳的臨床效果［5］。這種觀點后來被研究《傷寒論》的學者們繼承下來，被概括為“有是證用是方”。持有這種觀點的學者們認為“方證相對”及“以方測證”不能對“同證異方、同方異證”的現象作出合理的解釋，應改稱為“方證相關”。還有學者認為“方證相對”應理解為“對癥治療”、“方病相對”等等。朱邦賢教授在分析上述觀點后則提出，中醫所講的“方證相對”是指方劑的藥物組成與配伍，與其主治病證所內寓的基本病機具有高度的針對性或相關性［6］。應當明確的是，“方證相對”中的方證或湯證，是指某方與某一特定病證間所存在的直接對應的主治關系，這一關系是建在該方內涵的“理”（該組方所針對的基本病機）和“法”（根據基本病機所確立的治療大法或具體治則）之上的。筆者是這樣認為的:“方”與“證”密切相關，如朱教授所述兩者是通過理與法相關聯，但由于關聯的程度不同，可以是多方對應于一證，也可以是一方與多證對應，其對應的程度取決于臨床療效，所以，根據臨床療效可以求得最佳對應的方證，以最佳對應的“方”來測最佳對應的“證”，這是目前證候診斷規范化研究的主要思路。

2在文獻調研、專家咨詢及病例回顧的基礎上，遵循臨床流行病學原則，進行多中心、大樣本的臨床前瞻性研究，運用循證醫學的研究方法對證候診斷標準進行系統評價和完善，是證候診斷規范化研究的重要途徑

早期的中醫證候診斷規范化研究是以文獻調研與專家咨詢為主要途徑。所以，由此而建立的證候診斷標準必然會受到醫者水平、學術流派等影響，出現標準之間互不相同的現象。臨床流行病學的核心內容是設計、衡量和評價（design，measurement，evaluation，DME）。它把群體作為研究對象，強調在臨床醫學研究中應用科學的方法學，強化科研設計，排除各種偏倚和干擾因素的影響，確保研究結果的真實性和研究結論的可靠性。所以，為提高證候診斷規范化研究的科學性、客觀性和準確性，應在文獻調研、專家咨詢和病例回顧的基礎上，遵循臨床流行病學的原則，開展多中心、大樣本、前瞻性的臨床研究。循證醫學（evidence-basedmedicine，EBM）則強調從系統研究中獲取證據，并重視臨床實踐中個人經驗與系統研究中獲得的科學證據相結合，對患者個體做出合理的臨床醫療決策，是臨床流行病學和現代信息學與臨床醫學結合的典范。賴世隆教授［7］評價說:“臨床流行病學和循證醫學是當今醫學界公認的進行臨床研究最為科學的方法學。”所以，應該運用循證醫學的研究方法對證候診斷標準進行系統評價和完善，包括對證候診斷標準建立方法和研究質量、診斷標準的診斷效能和診斷標準在臨床應用中的系統評價［8］。但運用EBM與DME方法時需要克服樣本量大，時間周期長等困難，解決出版偏倚（發表偏倚）、倫理和資金等問題。

3加強四診客觀化研究，在系統生物學的引領下，開展組學研究是證候診斷規范化研究的重要環節

由于受歷史條件的限制，以經驗為基礎的中醫學缺乏還原論的研究方法。所以，它無法解釋系統內部的組成成分和相互作用的關系，不能對信息進行量化。因此，必須將中醫思辨性的經驗描述和宏觀性概括過渡到高層次的分析與綜合相結合，這是中醫學現代化的必由之路，其實質是解決客觀化與定量化問題［9］。

3.1加強四診的客觀化研究中醫“證”是對臨床信息進行全面分析后得出的概括性結論。這個結論能否反映疾病的本質，關鍵在于通過四診所獲得的信息資料是否準確、真實和科學，以及醫生分析、綜合的思維結果是否合乎疾病發展的實際。受古代條件的限制，醫生只能依據感覺器官，通過望、聞、問、切來獲取臨床信息。所以，信息收集過程中主觀性很大，影響了研究結論的真實性和可靠性。為加強四診的客觀化，學者們做了大量的研究工作，如利用內窺鏡、顯微鏡、現代影像技術等擴展醫生望診的范圍和深度;研制了多種舌診、脈診儀器，使人們通過儀器“望舌”、“切脈”時能直接讀數，定性、定量地進行分析;利用先進的化學技術，對氣味進行分離研究;嘗試制定問診方案與步驟，使問診科學化、程序化等等。但研究與臨床實際應用還有很大的差距，如研制的舌診儀、脈診儀獲取的信息量不夠，欠靈敏;有些四診信息，如病人的感覺，本身就是病人的一種主觀體驗，很難利用儀器設備來測定等等。所以，如何借助現有的科學技術來客觀地采集分析中醫臨床信息還需要進一步探討。

3.2在系統生物學的引領下，開展組學研究宏觀辨證是中醫的傳統辨證方法，它是根據“知內揣外”、“有諸內必形諸外”的觀點來認識和診斷疾病的。從理論上說在宏觀辨證的基礎上，慎重地選用一些現代醫學的微觀指標可以使中醫證候診斷由定性轉變為半定量或定量，從而提高其客觀性，并且，拓寬和加深傳統“四診”的視野，豐富辨證論治的內涵，為中醫在“無癥可辨”的情況下提供一定的辨證依據。為此，現在及以往的中醫證候診斷規范化研究是采用西醫還原論的研究方法，從整體、細胞、分子水平，從理化、免疫、代謝、微量元素等方面來篩查與中醫證型相關的微觀指標，分析其內在的相關性;研究同一疾病不同證型的微觀指標的異同，不同疾病同一證型的微觀指標的異同，來尋求中醫“證”的共性與個性指征;對證型的主要癥狀的特征進行現代醫學闡釋等等。但研究結果只發現某些指標與某些病證有某種相關性或提示性，相關的程度及提示的準確與否并不清楚。而且，隨著研究的廣泛深入，很多指標的特異性逐漸被否定，許多觀察指標隨著觀察者的不同而出現矛盾的結果。由此可見，采用西醫的還原論方法來研究中醫，則中醫的整體性和個體化診治的特點就會被破壞，反而阻礙了中醫的發展。因此，今后不宜再把尋求診斷某一證型的特異性指標作為研究重點，而應該從多層次、多角度來研究某證型的指標群。有研究認為參考現代心理學行為功能量化及生命質量量化等評分方法，可以對癥狀、體征進行等級積分，對證候辨證進行半定量化的分析［10］;通過對中醫臨床癥狀、體征分級記分，采用相加計數法、累積記數法、分類記數法等方法進行指征積分的記數，然后根據指征的出現率和指征積分數的高低，并適當考慮臨床實際，對證候進行計量診斷。還有學者在半定量的同時引入統計學權重的概念［10］，經過統計學處理，以不同權重來反映不同癥狀體征的主次，又以不同積分反映癥狀體征的輕重程度變化，對證候進行定性與定量（等級）相結合的計量診斷。但目前的這些研究思路與方法都無法真正實現證候的量化診斷。系統生物學由LeroyHood創立，是研究一個生物系統中所有組成成分（基因、mRNA、蛋白質等）的構成及在特定條件下這些組分之間的相互關系的新興學科。生命科學的研究重點已經開始從還原論研究轉向系統論研究，系統生物學的發展將引領醫學進入新的疾病診治模式，推動醫學進入預測醫學、預防醫學和個體化醫學的新時代［11］。中醫學的整體觀、治未病觀、辨證論治和方劑配伍等理論與系統生物學的意旨具有相通之處。錢學森曾說:“系統論是還原論和整體論的辯證統一。”所以，系統生物學的發展可以彌補中醫的缺陷，中醫證候研究應在系統生物學的理論和方法的引領下，綜合數學、信息科學和生物學等多學科知識，在基因組、mRNA組、蛋白質組和代謝組等各個層面開展組學研究，通過數據的整合，來建立證候的診斷模型，精確、量化地預測證候［12］。

4數據挖掘技術及計算機智能的發展為證候診斷規范化研究提供了強有力的技術支持

數據挖掘就是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數據中提取出潛在的、有價值的知識（模型或規則）的過程，也稱為數據庫中的知識發現。中醫證候和證之間沒有明確的函數關系，只能在大量的文獻資料及臨床資料中進行數據挖掘。數據挖掘所涉及的學科領域和方法很多。

4.1引入復雜性科學理論對證候進行降維升階處理，尋找證素應證組合的演變規律中醫證候涉及復雜生命現象的功能、整體和動態層面，它具有典型的開放性、層次性、涌現性和高維性特征，所以，中醫證候診斷系統是一個非線性的、多維多階的、可以無限組合的復雜巨系統。引進復雜性科學理論，通過證候的降維升階處理則能解決變量間的多重共線性和非線性關系。張志斌等［13］由此而提出建立辨證方法新體系的設想，即通過證候要素的提取，將復雜的證候系統分解為數量相對局限、內容相對清晰的證候要素，然后通過各證候要素間的組合、證候要素與其他傳統辨證方法系統的組合等不同的應證組合方式，使辨證方法體系不再是各種具體證候單純聯系組合的線性平面，而具有復雜的多維多階立體交叉的非線性特征。如1991年列入國家科委科技攻關項目的“中風病證候學與臨床診斷的研究”課題組所建立的“中風病證候診斷標準”，就是一個降維升階工作的較好范例［14］。目前這方面研究還僅僅局限于臨床具體病種，需要加強中醫證候臨床研究與基礎研究的合作。

4.2引入模糊數學與粗糙集理論模糊數學的創始人查德曾指出:當系統的復雜性日益增長時，找出系統特性的精密而有意義的描述的能力將相應降低，直至達到這樣一個界限，即精密和有意義（或適當性）變成兩個互相排斥的特性。中醫作為一個復雜系統，其證候在某一特定時期或階段的表現可以是典型的，但在大多數情況下，證候表現卻是不典型的，具有一定的模糊性。亦有學者認為“證”是一種模糊集合元，主要表現為:證的有些癥狀其性質、狀態是不能精確斷定的，“證”所包含的內容與各個癥狀所包含的內容，不是一個簡單的整體與部分之間的關系，而是一個統一體與個體之間的集元性關系［15］。所以，根據模糊數學的原理，認為“證”是一個模糊概念，可以使用模糊數學中的“隸屬度”來刻劃，進行量化分析，確定“證”的模糊集合中某些癥狀隸屬于某證的程度，從而建立起“證”的數學模型［16］。粗糙集理論是繼模糊數學理論之后的又一種處理不精確和不確定問題的數學方法。它是波蘭學者Z.Pawlak在20世紀80年代初提出來的。近年來，已有學者嘗試將粗糙集理論引入到中醫證候診斷的規范化研究中，如秦中廣等［17］利用粗糙集理論建立了中醫診斷類風濕的模型。他們還將該方法與模糊數學方法進行了比較，發現前者的診斷正確率遠遠高于后者。隨著粗糙集理論的發展，它還可以與諸如模糊識別、神經網絡等技術相結合。

4.3多元統計分析方法多元分析，即多因素分析，它主要是探討高維數據的內在規律。在以往的研究中，研究者通常是通過臨床流行病學的方法收集患者的癥狀，并根據傳統的辨證理論對每個病人進行辨證，確定為“某證”，然后采用判別分析和回歸分析（常用如Fisher判別方法和Bayes判別、逐步線性回歸分析、Logistic回歸分析等）建立函數方程，并進行回代檢驗。但這兩種方法都無法消除獲得應變量（Y）值時的經驗性和主觀性;同時還必須基于各變量的作用與其他變量無關，各變量的作用可以疊加這不甚合理的假定前提下;所建立的證候和證之間的關系只是一種簡單線性描述;二者的Y值都只是簡單的A與非A的類別區分，不可能進行輕重程度的等級劃分等。之后有學者提出將聚類分析、主成分分析及因子分析等多元統計方法應用于證候診斷的規范化研究。聚類分析又稱集群分析，可以將隨機現象進行歸類。主成分分析法和因子分析法可通過尋求少數的幾個變量（或因子）來綜合反映全部變量（因子）的大部分信息。以上幾種統計方法都可以實現證候的降維，有利于疾病證候分類中主、次癥（征）及特征性表現的提取，有利于發現疾病調查群體中各類證候的癥狀、體征的組合及變化規律等等。在因子分析的基礎上，再通過方差最大化正交旋轉則能簡化和明確對因子的解釋。但是聚類分析在定義指標間或樣品間相似性的度量時存在主觀性，根據空間上的“距離”或形狀上的相似性，對對象（指標、樣本）進行剛性分割，它不能把同一個對象在不同的類別中體現出來，而且，它不能對多邊關聯同時進行分析。主成分分析要求資料為計量資料，且各主成分之間互不相關，同樣也不可能有癥狀輕重程度的劃分。因子分析則要求“公因子或共性因子”和所有變量均有關系，且是一種線性關系。另外，如何看待舍去的其他成分及特殊因子還需要作進一步探討。通過以上分析可以發現，單獨使用上述幾種統計方法都會暴露出諸多不能克服的問題。因此，需要將多種統計方法聯合運用以取長補短，提高結果的可靠性。但證候診斷規范化研究到底選用哪些多元統計方法，如何進行聯合應用，還在不斷探索之中。

4.4結構方程模型結構方程模型屬于隱變量分析方法，是近年來在統計領域發展十分迅速的一個分支。它主要是運用統計學中的假設檢驗對有關現象的內在結構理論進行分析。即研究者可根據專業理論知識提供變量間存在的內在關系即先驗關系，應用圖形來表示變量間存在的直接或間接作用，然后檢驗所假設的模型與數據資料的擬合程度。如果擬合優度好，則認為變量間所假設的關系是成立的;反之，則拒絕原假設。利用結構方程模型分析方法可以將隱變量和直接測變量一并考慮，并且，可以對變量的測量誤差及其方差作出估計。所以，設想通過結構方程模型可以建立一種比較客觀的、定量的證候診斷標準，目前正處于試驗階段。

4.5計算機智能從復雜系統科學角度來看，證候是建立在廣義癥狀集（包括以四診信息為代表的宏觀子集和以現代生物學特征為代表的微觀子集）上的映射，廣義癥狀之間交互作用，形成了一個復雜的動態演化系統，這類動態系統及其演化過程從理論上說可以通過計算機智能來實現。計算智能（com-putationalintelligence，CI）是利用計算機技術來模仿人類和其他生物對非線性、不完全、不精確和不確定的信息進行智能處理的技術，具有良好的容錯性、魯棒性和高精度等綜合技術優勢。計算智能主要包括:（1）用于模仿生物種群進化過程的演化計算，如遺傳算法、演化策略、演化規劃、遺傳程序設計等;（2）模仿大腦思維的高層次結構的人工神經網絡（artificialneuralnetwork，ANN），近年來在ANN基礎上還提出了用于中醫證候診斷的神經網絡———徑向基函數（radialbasisfunction，RBF）神經網絡及基于聚類分析的RBF神經網絡。已有學者通過對基于聚類分析的RBF神經網絡所建立的中醫證候診斷模型的檢驗，驗證了其用于中醫證候診斷的可行性和有效性［18］;（3）模仿低層次大腦結構的模糊系統。以上這三者都是仿效生物信息處理模式以獲得智能信息處理功能的理論和技術，目標相近而方法各異，將三者交叉組成新系統則能達到取長補短、各顯優勢的效果。如用神經網絡來構造模糊系統，集中了模糊控制技術和人工神經網絡的雙重優點，擴大了系統處理信息的范圍;又如引入遺傳算法構造綜合性的模糊神經網絡計算智能系統（fuzzyneuralnetworkscomputationalintelligencesys-tem，FNNCIS），可以形成與實際問題相吻合的中醫證候診斷決策樹等等。

5從定性到定量的綜合集成方法將是證候診斷規范化研究的發展趨勢

在20世紀80年代末，以錢學森教授為首的一批中國學者在系統科學研究的基礎上，曾提出了“從定性到定量的綜合集成法”［19］。在復雜系統的研究中，通常是科學理論、經驗知識和專家判斷力相結合，形成和提煉出經驗性假設，這些經驗性假設往往難以用嚴謹的科學方式證明，但需要經驗性數據對其確定性進行檢驗，從經驗性假設出發，通過定量方法得到結論，這一過程是一個人機結合綜合集成的過程。中醫學的模糊性、多變性、復雜性及隱匿性決定了中醫證候診斷必須通過多學科的交叉滲透來完成。所以，將綜合集成法運用到中醫證候診斷規范化研究中則能實現把人的“心智”與計算機的高性能結合起來;把人的定性認識，上升到定量認識;把不同層次的知識（科學理論和經驗知識）綜合集成起來;把各種學科結合起來進行研究，把多種領域的科學知識進行綜合集成;根據復雜巨系統的層次結構，把宏觀研究和微觀研究統一起來;充分利用計算機技術、人工智能、信息技術等高新技術。綜上所述，證候診斷的規范化研究包括診斷的標準化、客觀化及定量化研究，它除了必須遵循科學性、實用性、繼承性等原則外，尚應體現辨證的系統性和發展性，證候的特異性和穩定性［20，21］。同時還要加強證候概念及專業術語的規范化研究。所以，這是一項非常復雜的工作，正如沈自尹教授［22］所總結的:“證”的研究難點在于:其一，證是一種功能態的，可以發展，可以轉化;其二，證的概念應用亦較混亂，靈活性大，辨證可因人而異，只有憑醫生的分析概括水平;其三，難以定性、定量，更難以定位。因此，只有通過不斷的探索，完善現有的研究思路與方法，中醫證候診斷的規范化研究才有望取得實質性的突破與進展。

【參考文獻】

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第9篇：系統生物學應用范文

1方法

1．1基于RA熱證的對證中藥定向文本挖掘文本挖掘分為文本數據收集、處理、結構化分析、可視化以及評價5個步驟［6］。首先，登錄中國生物醫學文獻數據庫，檢索關鍵詞“類風濕關節炎OR類風濕性關節炎”。文獻14435篇(檢索日期:2011年9月15日)。將收集來的數據，以ANSI編碼格式保存。利用文本提取工具，對下載的非結構化的TXT文本數據進行信息提取，保存成格式化的、便于數據庫(Access)和大型數據庫(MicrosoftSQLServer，SQL)處理的格式。通過關鍵詞對構造算法［7］進行數據清洗工作。然后結合專業知識進行解析，繼續按關鍵詞對構造算法進行噪音清洗，直到噪音降到滿意為止。然后，結合中醫證候要素特點進行定向文本挖掘，在RA數據集內，按照“熱”為關鍵詞對文獻的主題詞進行檢索，將數據集定義為“熱”子集。然后，針對這個數據子集，分別執行后續的計算［7］。經過計算，可以得到中醫治療RA熱證要素的中藥用藥規律。用可視化軟件Cytoscape2．8．2進行可視化處理，并以網絡圖的形式展現出來。

1．2PubChem數據庫搜索藥物靶蛋白將定向文本挖掘出的對證治療RA熱證的中藥分別輸入PubChem數據庫［8］檢索，找到每種有效成分的人類活性靶蛋白。

1．3基因芯片分析典型RA熱證與正常人外周血CD4+T細胞差異基因中日友好醫院門診病人中，隨機選取符合納入標準的早期RA女性患者，RA證候問卷表采集患者各項證候信息，參照相應標準進行寒、熱證候判斷，篩選出符合納入標準的RA女性熱證患者12名。同時按照排除標準選取中國中醫科學院12名健康志愿者(年齡在18歲至70歲之間)作為對照組。采集RA熱證患者及健康人空腹靜脈血，分離純化得到CD4+T淋巴細胞，用于基因表達譜芯片分析。比較RA熱證與正常人差異基因，選取1．4倍以上的上調及下調的差異基因分析，具體分析步驟見本課題組前期研究報道［9］。

1．4分別構建RA熱證對證中藥靶標網絡及RA熱證生物學網絡并進行對應分析利用IPA(IngenuityPathwayAnalysis)生物分析軟件，在線提交定向文本挖掘出的基于RA熱證對證藥物的靶蛋白列表及RA熱證與正常人差異基因列表。分別構建基于RA熱證對證中藥靶標蛋白的相互作用網絡以及基于RA熱證與正常人比較差異基因的相互作用網絡。利用軟件中的Network、CanonicalPathway、Functions及Comparison等功能模塊進行分析，獲得藥物靶標網絡功能及重要生物學通路。同時，比較藥物靶標網絡和RA熱證分子網絡，尋找和分析二者的生物學通路的異同。

2結果

2．1RA熱證定向文本挖掘結果通過定向文本挖掘，篩選出治療RA熱證的4個常用中藥:黃柏、知母、蒼術及牛膝，將其作為研究的對象，見圖1。

2．2RA熱證對證中藥靶蛋白及靶標網絡通過檢索PubChem數據庫，分別找到RA熱證的對證中藥:黃柏、知母、蒼術及牛膝4味中藥共有靶蛋白123個(略)。通過IPA軟件將這些靶蛋白構建RA熱證的對證中藥靶蛋白的相互作用網絡，見圖2A所示。經IPA分析，該網絡排名前5位的生物學功能見表1。

2．3RA熱證與正常人差異基因生物學網絡及功能RA熱證與正常人CD4+T淋巴細胞的差異基因中，上調基因15個，下調基因6個，詳見本課題組前期研究報道［9］。基于上述差異基因和IPA構建的蛋白質相互作用網絡見圖2B。經IPA分析，該網絡主要生物學功能見表2。

2．4RA熱證差異基因及其對證中藥靶蛋白的共同生物學通路在IPA系統的Comparison功能中，比較RA熱證差異基因及其對證中藥靶蛋白的共同生物學通路，發現在細胞免疫反應相關的信號通路中，二者都參與了共同的生物學通路:GM-CSF信號通路，CTLA4信號通路，T細胞受體信號通路及輔助T細胞中的CD28信號通路，如圖3～4所示。在圖4中，我們可以看到，這4條生物學通路中，RA熱證差異基因及其對證中藥靶蛋白都有參與，但作用的靶點并不盡相同。在GM-CSF信號通路中(圖4，A)，RA熱證與正常人比較，BCL2A1(Bfl-1)基因表達上調，而RA熱證對證藥靶點為GM-CSF信號通路中的AKT和Bcl-xL，這些分子最終共同干預細胞的存活及增殖。在細胞毒性的T淋巴細胞中CTLA4信號通路(圖4，B)、T細胞受體信號通路(圖4，C)及輔助T細胞中的CD28信號通路(圖4，D)中，RA熱證與正常人比較，上調了通路中的CTLA4基因，而對證中藥靶點為AKT和NF-κB，都通過信號通路的網絡影響到整個通路的生物學功能。

3討論

文本挖掘技術能以線性和非線性方式解析數據，且能進行高層次的知識整合，又善于處理模糊和非量化數據［10］。大量的中醫藥臨床報道積累了豐富的文本數據，為文本挖掘提供了充分的數據條件［7，11］。蛋白質相互作用網絡(Protein-proteinInteractionNetwork)是研究生物功能或病理變化分子基礎的新途徑和新方法，也是目前國際上生物信息學研究的熱點之一［12，13］。發現并建立與疾病相關的分子作用網絡，對于認識復雜疾病至關重要，也是現代生物醫學研究所面臨的重大挑戰［14］。網絡藥理學基本思路是理解疾病“表型-基因-靶點-藥物”相互作用網絡特征，通過網絡分析，觀察藥物對疾病網絡的干預與影響，尋找可能的組合藥物靶標，預測最優化的組合藥物［15］。