糯米txt论坛☆+100仿生学-第10章
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人工神经网络反映了人脑功能的若干基本特性；但并非生物系统的逼真描述；只是某种模仿、简化和抽象。
与数字计算机比较；人工神经网络在构成原理和功能特点等方面更加接近人脑；它不是按给定的程序一步一步地执行运算；而是能够自身适应环境、总结规律、完成某种运算、识别或过程控制。
人工神经元的研究起源于脑神经元学说。19世纪末；在生物、生理学领域；Waldeger等人创建了神经元学说。人们认识到复杂的神经系统是由数目繁多的神经元组合而成。大脑皮层包括有100亿个以上的神经元；每立方毫米约有数万个；它们互相联结形成神经网络；通过感觉器官和神经接受来自身体内外的各种信息；传递至中枢神经系统内；经过对信息的分析和综合；再通过运动神经发出控制信息；以此来实现机体与内外环境的联系；协调全身的各种机能活动。
神经元也和其他类型的细胞一样；包括有细胞膜、细胞质和细胞核。但是神经细胞的形态比较特殊；具有许多突起；因此又分为细胞体、轴突和树突三部分。细胞体内有细胞核；突起的作用是传递信息。树突是作为引入输入信号的突起；而轴突是作为输出端的突起；它只有一个。
树突是细胞体的延伸部分；它由细胞体发出后逐渐变细；全长各部位都可与其他神经元的轴突未稍相互联系；形成所谓〃突触〃。在突触处两神经元并未连通；它只是发生信息传递功能的结合部；联系界面之间间隙约为■（15～50）×10－9米。突触可分为兴奋性与抑制性两种类型；它相应于神经元之间耦合的极性。每个神经元的突触数目正常；最高可达105个。各神经元之间的连接强度和极性有所不同；并且都可调整、基于这一特性；人脑具有存储信息的功能。利用大量神经元相互联接组成人工神经网络可显示出人的大脑的某些特征。下面通过人工神经网络与通用的计算机工作特点来对比一下：若从速度的角度出发；人脑神经元之间传递信息的速度要远低于计算机；前者为毫秒量级；而后者的频率往往可达几百兆赫。但是；由于人脑是一个大规模并行与串行组合处理系统；因而；在许多问题上可以作出快速判断、决策和处理；其速度则远高于串行结构的普通计算机。人工神经网络的基本结构模仿人脑；具有并行处理特征；可以大大提高工作速度。
人脑存贮信息的特点为利用突触效能的变化来调整存贮内容；也即信息存贮在神经元之间连接强度的分布上；存贮区与计算机区合为一体。虽然人脑每日有大量神经细胞死亡（平均每小时约一千个）；但不影响大脑的正常思维活动。
普通计算机是具有相互独立的存贮器和运算器；知识存贮与数据运算互不相关；只有通过人编出的程序使之沟通；这种沟通不能超越程序编制者的预想。元器件的局部损坏及程序中的微小错误都可能引起严重的失常。
人类大脑有很强的自适应与自组织特性；后天的学习与训练可以开发许
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多各具特色的活动功能。如盲人的听觉和触觉非常灵敏；聋哑人善于运用手势；训练有素的运动员可以表现出非凡的运动技巧等等。
普通计算机的功能取决于程序中给出的知识和能力。显然；对于智能活动要通过总结编制程序将十分困难。
人工神经网络也具有初步的自适应与自组织能力。在学习或训练过程中改变突触权重值；以适应周围环境的要求。同一网络因学习方式及内容不同可具有不同的功能。人工神经网络是一个具有学习能力的系统；可以发展知识；以致超过设计者原有的知识水平。通常；它的学习训练方式可分为两种；一种是有监督或称有导师的学习；这时利用给定的样本标准进行分类或模仿；另一种是无监督学习或称无为导师学习；这时；只规定学习方式或某些规则；则具体的学习内容随系统所处环境（即输入信号情况）而异；系统可以自动发现环境特征和规律性；具有更近似人脑的功能。
人工神经网络早期的研究工作应追溯至本世纪40年代。下面以时间顺序；以著名的人物或某一方面突出的研究成果为线索；简要介绍人工神经网络的发展历史。
1943年；心理学家W。Mcculloch和数理逻辑学家W。Pitts在分析、总结神经元基本特性的基础上首先提出神经元的数学模型。此模型沿用至今；并且直接影响着这一领域研究的进展。因而；他们两人可称为人工神经网络研究的先驱。
1945年冯。诺依曼领导的设计小组试制成功存储程序式电子计算机；标志着电子计算机时代的开始。1948年；他在研究工作中比较了人脑结构与存储程序式计算机的根本区别；提出了以简单神经元构成的再生自动机网络结构。但是；由于指令存储式计算机技术的发展非常迅速；迫使他放弃了神经网络研究的新途径；继续投身于指令存储式计算机技术的研究；并在此领域作出了巨大贡献。虽然；冯。诺依曼的名字是与普通计算机联系在一起的；但他也是人工神经网络研究的先驱之一。
50年代末；F。Rosenblatt设计制作了〃感知机〃；它是一种多层的神经网络。这项工作首次把人工神经网络的研究从理论探讨付诸工程实践。当时；世界上许多实验室仿效制作感知机；分别应用于文字识别、声音识别、声纳信号识别以及学习记忆问题的研究。然而；这次人工神经网络的研究高潮未能持续很久；许多人陆续放弃了这方面的研究工作；这是因为当时数字计算机的发展处于全盛时期；许多人误以为数字计算机可以解决人工智能、模式识别、专家系统等方面的一切问题；使感知机的工作得不到重视；其次；当时的电子技术工艺水平比较落后；主要的元件是电子管或晶体管；利用它们制作的神经网络体积庞大；价格昂贵；要制作在规模上与真实的神经网络相似是完全不可能的；另外；在1968年一本名为《感知机》的著作中指出线性感知机功能是有限的；它不能解决如异感这样的基本问题；而且多层网络还不能找到有效的计算方法；这些论点促使大批研究人员对于人工神经网络的前景失去信心。60年代末期；人工神经网络的研究进入了低潮。
另外；在60年代初期；Widrow提出了自适应线性元件网络；这是一种连续取值的线性加权求和阈值网络。后来；在此基础上发展了非线性多层自适应网络。当时；这些工作虽未标出神经网络的名称；而实际上就是一种人工神经网络模型。
随着人们对感知机兴趣的衰退；神经网络的研究沉寂了相当长的时间。
80年代初期；模拟与数字混合的超大规模集成电路制作技术提高到新的水平；完全付诸实用化；此外；数字计算机的发展在若干应用领域遇到困难。
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这一背景预示；向人工神经网络寻求出路的时机已经成熟。美国的物理学家Hopfield于1982年和1984年在美国科学院院刊上发表了两篇关于人工神经网络研究的论文；引起了巨大的反响。人们重新认识到神经网络的威力以及付诸应用的现实性。随即；一大批学者和研究人员围绕着Hopfield提出的方法展开了进一步的工作；形成了80年代中期以来人工神经网络的研究热潮。神经网络的研究内容相当广泛；反映了多学科交叉技术领域的特点。目前；主要的研究工作集中在以下几个方面：（1）生物原型研究。从生理学、心理学、解剖学、脑科学、病理学等生物科学方面研究神经细胞、神经网络、神经系统的生物原型结构及其功能机理。（2）建立理论模型。根据生物原型的研究；建立神经元、神经网络的理论模型。其中包括概念模型、知识模型、物理化学模型、数学模型等。
（3）网络模型与算法研究。在理论模型研究的基础上构作具体的神经网络模型；以实现计算机馍拟或准备制作硬件；包括网络学习算法的研究。这方面的工作也称为技术模型研究。
（4）人工神经网络应用系统。在网络模型与算法研究的基础上；利用人工神经网络组成实际的应用系统；例如；完成某种信号处理或模式识别的功能、构作专家系统、制成机器人等等。
纵观当代新兴科学技术的发展历史；人类在征服宇宙空间、基本粒子；生命起源等科学技术领域的进程中历经了崎岖不平的道路。我们也会看到；探索人脑功能和神经网络的研究将伴随着重重困难的克服而日新月异。
人工创造新生物——遗传工程简介
俗话说：〃庄稼一枝花；全靠肥当家。〃在肥料中；氮肥又是最重要的一种。
各种庄稼在生长过程中都需要大量的氮肥。可偏偏大豆、花生等豆科作物却可以少施氮肥；甚至不施氮肥；也会长得很好。这是为什么呢？原来每棵豆科作物自己都有许多〃小化肥厂〃。这些〃小化肥厂〃就是生长在它们根部的大批根瘤菌。根瘤菌有个特殊的本领——固氮。它们能够把空气中的氮气收集起来；制造成氨；不断地供给豆科作物使用。
除了豆科作物；其他农作物像小麦、水稻、玉米、高粱等；都没有这样的〃小化肥厂〃；要想获得高产；就要施大量的氮肥。
有没有一种办法；让这些禾本科的作物自己制造氮肥；自给自足？在出现了〃遗传工程〃这门新科学以后；这种幻想才有了实现的可能。
什么是遗传工程
〃遗传〃；说的是生物方面的事儿：〃工程〃；说的是建筑方面的事儿。
〃遗传〃和〃工程〃怎么连在一起呢？难道人们可以像设计新的建筑物那样；来设计新的生物吗？
不错；正是这样。遗传工程这门新科学；要干的就是这件事。
大家都知道；各种生物都跟它们的上一代基本相同；也能生出和它们基本相同的下一代来。这种现象叫做遗传。但是；下一代跟上一代又不可能完全相同；总会发生一些极细微的差异。这种现象叫做变异。那么；遗传和变
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异是由什么决定的呢？经过科学分析；现在已经断定；这种物质就是核酸。
核酸主要集中在每个细胞核里。生物的下一代接受了上一代的核酸；这些核酸对它们的生长和发育起着决定性的作用。所以只要深入研究核酸的化学结构；就可以揭开遗传和变异的奥秘。
核酸是一种非常复杂的化合物；它有两种：一种是脱氧核糖核酸；通常用DNA代表；另一种是核糖核酸；通常用RNA代表。
我们就以脱氧核糖核酸来说吧；它是一种高分子长链多聚物；一个分子是由几十个到几十亿个以上的核苷酸组成的。核苷酸又可以分成四种类型。
这四种类型的核苷酸的排列次序不同；就决定了各种生物的遗传性。核苷酸好比电报字码；电报字码虽然不多；编排顺序却可以千变万化；每一组不同的字码编排代表一个中文意思。同样的道理；核苷酸虽然只有四种类型；成千上万个核苷酸编排顺序的不同；就成了不同的遗传基因。正因为核苷酸的编排顺序类似电报密码；人们就把它称作〃遗传密码〃。生物就靠脱氧核糖核酸分子长链上的各种不同的〃遗传密码〃；保证遗传性状一代一代传递下去。如果〃遗传密码〃出了一点错误或遗漏；必然会影响下一代的生长发育而发生变异。
既然遗传基因就在脱氧核糖核酸分子长链上；那么；人们如果识别了这些密码；能不能通过增添或除去一些基因；有目的地改造生物呢？
遗传工程就是根据这种设想产生的。它用类似工程设计的办法；先对生物进行设计；把一种生物体内的脱氧核糖核酸分子分离出来；经过人工〃剪切〃；重新组合；再安到另一种生物的细胞里；使这种生物具有某些新的结构和功能。
给细菌做手术
把这种设想变成现实；当然不是一件容易的事情。现在许多国家的科学家都在研究这项技术；并且已经摸出了一些门道。
举个例子来说；我们想使某种细菌能像蚕一样合成丝蛋白；产生出蚕丝来；就可以把蚕的脱氧核糖核酸的分子分离出来；〃剪切〃下来制造丝蛋白的〃基因〃。再从细菌的细胞里提取出一种叫〃质粒〃的脱氧核糖核酸分子；把它和〃剪切〃下来的基因接在一起；再送回到细菌的细胞里去。
这个办法说起来简单；可是要做到这一点起码要有两种酶。因为脱氧核糖核酸的分子非常小；要用电子显微镜才看得见；要把它链卜的制造丝蛋白的〃基因〃〃剪切〃下来；当然不能用普通的剪刀；而要用一种〃限制性核酸内切酶〃。这是一种蛋白质；它有个特殊的本领；能识别脱氧核糖核酸分子上特定的位点；把它分成长短不一的片断。有时候恰到好处；剪下来的是整个基因；有时候也会把基因剪坏。那也不要紧；因为到目前为止；已经发现了上百种限制性核酸内切酶；等于有了上百种各种各样的剪刀；总能挑选到一种合适的不会把基因剪坏的〃剪刀〃。细菌细胞内的一种叫做〃质粒〃
的脱氧核糖核酸分子；也要用同样的〃剪刀〃来剪；这样才能使两个〃切口〃
正好互相吻合。为了使它们连接得更加牢靠；还要用另一种酶；叫做连接酶；把接缝抹掉。
经过了这样一套手术；细菌将会像蚕那样合成丝蛋白；有了生产丝的本领。到现在为止；这个办法还处在试验阶段；没有实际应用。但是我们相信；沿着这条道路走下去；将来总有一天；可以把动植物的遗传基因移植到细菌
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里去；或是把细菌的遗传基因搬到动植物细胞中来。这样；人们就有可能创造出许多新品种的生物。到了那个时候；遗传工程这套新技术；就会广泛地应用到农业、工业、医学和国防上去；使这些领域发生惊人的变化。
人工创造生物新品种
人家知道；培育优良品种是提高粮食产量和质量的重要途径。目前最有效的育种方法是有性杂交。但是；这种方法只能在同种生物之间或者亲缘关系很近的生物之间才能进行；亲缘关系远的生物；如禾本科作物小麦和豆科作物大豆就不能杂交；因为它们的生殖细胞不能结合。
〃遗传工程〃不受这个限制。目前科学家们想把豆科作物的根瘤菌里能固氮的基因取出来；移植到生活在小麦、水稻、玉米这些庄稼根旁边的细菌里去；使这些细菌也有固氮的本领。这种本领能一代一代传下去；不断地供给植物氮肥。
科学家们还准备采取另外一种办法；干脆不用细菌帮忙；直接把根瘤菌的固氮基因移植到小麦、水稻、玉米这些庄稼的细胞里去；使它们自己就能固氮。如果这个办法成功了；就等于给每棵庄稼办了一个〃小化肥厂〃。现在我国农村每个生产队每年都要买化肥；将来这一大笔钱就可以省下来了。
让细菌给我们制药
遗传工程在工业生产上；也将产生很大的影响。我们也来举一个例子：治疗糖尿病的特效药胰岛素；目前是从猪、牛等牲畜的胰腺中提取出来的。一吨胰腺只能生产半两多一点的胰岛素；远远跟不上糖尿病病人的需要。
如果我们把胰腺细胞里产生胰岛素的基因移植到大肠杆菌里去；就能使大肠杆菌产生胰岛素。大肠杆菌的繁殖比高等生物快得多；在合适的条件下；繁殖一代只要25分钟；最多也超不过两小时。这项试验一旦成功；胰岛素的产量就可以大大增加；成本也可以大大降低。
治疗遗传疾病
遗传工程还能帮助人治疗遗传性疾病。
有的人成了天生的白痴；同由于他们身体的细胞里缺少了一种〃半乳糖酶〃。医生为了治这种病；就可以把细菌产生半乳糖酶的〃基因〃提取出来；移植到病人身体的细胞里去；使病人自己能产生半乳糖酶；这就有可能把白痴治好。这种应用遗传工程的医治办法叫做基因治疗。
据统计；人类的遗传疾病有一两千种之多；目前大多是不治之症。随着遗传工程的发展；将来有可能成为可治之症。这是多么令人高兴的事情啊！
遗传工程是一门新兴的科学；这几年发展很快；许多国家都在研究。但是国外也有些人反对搞遗传工程。他们害怕产生出容易引起癌症的病毒或细菌；使癌症广泛流行；害怕产生出耐抗菌素的新菌种；给治病造成困难；还害怕扰乱和破坏了正常细胞的功能；造
