QB期刊-Profile | 罗辽复先生：一位纯粹的理论生物物理学家

罗辽复教授

罗辽复教授，1935年9月出生于上海，是中国理论生物物理学研究的开拓者之一。1958年，罗先生以优异的成绩从北京大学物理系毕业，响应党和国家支援边疆建设的号召，来到了内蒙古大学。自此，罗先生就扎根内蒙古，坚持教学和科研，为国家和内蒙古自治区培养了一批又一批的人才。时至今日，耄耋之年的罗先生仍然活跃在科学研究的最前沿。

罗辽复教授早期主要从事粒子物理方面的研究，在弱作用理论和高能天体物理学领域发表过多篇研究论文，得到了海内外同行的高度评价，学术成果获得了1978年全国科学大会奖。1982年，罗先生转向理论生物学研究，成为中国理论生物物理学研究的开拓者之一。他把理论物理学的概念和方法成功地运用到生命科学中，提出了以信息的存储和表达为核心的“密码-序列-结构-功能”的定量生物学研究路线。几十年来，罗先生带领着他的研究团队不懈努力，在遗传密码与基因组进化、基因组序列信息分析和量子生物学理论等方面获得了很多重要的研究成果。2020年9月中国生物信息学会授予罗辽复教授“中国生物信息学终身成就奖”。

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罗辽复教授是一个纯粹的科学家。他淡泊名利，专心学问，待人坦诚，生活朴素，关心教育，具有很强的敬业精神和奉献精神。2009年，罗先生和他的夫人把积攒多年的10万元捐赠到内蒙古自治区慈善总会，通过慈善总会的工作人员捐到了希望小学，以资助那些因为贫困上不起学的孩子。

罗先生成就卓著，先后共发表了400多篇研究论文，主要开展了以下三个方面的研究。

首先是遗传密码的适应性和进化稳定性。1988年，罗先生提出了突变危险性概念，证明了密码的简并规则和氨基酸在密码表上的排布都具有突变危险性极小的最具抗干扰的性质，进而阐明了遗传密码所遵循的特有逻辑，证明了普适的标准密码表是在20种氨基酸的简并度约束以及和氨基酸合成途径有关的早期编码约束下的最优编码。这些研究为标准密码表进化稳定性的问题提供了一个更好的解决方案，启示未来的基因工程可通过改变氨基酸和终止密码的简并度，以及增加氨基酸来扩展遗传密码。罗先生在遗传密码研究方面的成功，说明在生物学研究中将传统的实验方法与理性的定量分析方法相结合可以更好地揭示和理解生命的规律。

其次是遗传语言的统计特征和基因组进化规律。基因组序列蕴藏着大量的信息，具有重要的科学价值。早在1986年，罗先生独辟蹊径，将DNA序列看作为一种遗传语言，综合运用信息统计理论、寡核苷酸（k-mer）搜索、谱分析、马尔科夫链和DNA序列的图形表示等方法，研究了核酸序列的碱基组成及关联，发现DNA序列在强噪声背景下存在普适的以短程为主性的碱基关联。罗先生提出了描写近邻碱基关联的信息参数（即互信息），发现编码序列的近邻碱基关联有较好的进化相关性，并在粗粒化平均意义下随进化增加。罗先生基于基因表达增强网络位点搜索研究了基因的表达，基于氨基酸序列统计分析发现了二肽相关性是蛋白质二级结构决定的重要因素。另外，罗先生研究组还计算了不同物种DNA行走（DNA walk）的分形维数，统计了基因组中寡核苷联体k-mer特征，发现了片段重复在序列进化中具有重要作用。罗先生提出用Haken最大信息原理能很好地概括核苷酸序列的进化机制，并研究了在突变选择和片段重复下的DNA序列进化方程，这些工作加深了人们对基因组进化机制的了解。以上这些研究结果在1988到1997年间发表。之后，罗先生研究组又对蛋白质框架结构、蛋白质结构中mRNA的折叠信息、DNA弯曲和柔性等问题进行了系列研究。在序列特征和进化研究的基础上，罗先生研究组提出和发展了识别基因和相关功能域的基于多样性增量的二次判定算法，非均匀性指数算法等，成功解决了剪接位点、启动子、转录起始位点、蛋白质二级结构等分类问题的精确识别。

第三是蛋白质的量子折叠。1987年，罗先生认识到生物大分子构象和前沿电子是生命进程中最主要的微观变数，提出了生物大分子的构象动力学理论，从量子跃迁的观点研究了生物大分子的构象改变。罗先生说：“相比于其他的动力学变量，如活性电子运动、化学健的拉伸和弯曲振动，分子扭转具有更低的能量，可以看作是大分子系统的慢变量。”然后，利用扭转势的多重极小化很好地定义了局域分子构象态。基于慢变量支配快变量的观念，利用固体物理中的非绝热算子方法，罗先生推导出描述构象跃迁的哈密顿量，同时证明了快变量对大分子的影响已经吸收在慢变量波函数的相位因子中。从构象跃迁哈密顿量出发，罗先生推导出了蛋白质折叠速率的一般公式，首次较好地推断出折叠基元过程时标为毫秒量级，得到了准确的蛋白质折叠速率的温度依赖关系，解释了令人奇怪的非阿伦尼乌斯反常温度依赖，为研究生物构象改变这类问题提供了统一的方法，相关的综述论文收录于《量子化学进展》的第六章《蛋白质的量子折叠》。

除了以上研究工作外，罗先生和他的研究组还研究了分子进化树；分析了某些特殊基因和蛋白质的功能关系；将热力学方法引入癌症研究计算了细胞熵产生；根据宇称不守恒弱相互作用引发生物分子手性的想法提出了手性起源的理论；以及最近提出的DNA双螺旋结构的量子理论和基因组进化的量子理论，等等。

罗先生具有崇高的科学理念和信仰。21世纪，现代科学的发展对科研人员的思维方式提出了更大的挑战。亚里士多德曾经说过，科学的产生需要具备三个条件：惊异、闲暇和自由。爱因斯坦提出科学进步需要两种自由，即外在的自由和内心的自由，与亚氏三条件竟如此一致。罗先生指出：亚里士多德的科学三条件对于今日中国学术界颇有振聋发聩针砭时弊之作用。根据他自己的经验，罗先生认为对科学本身内在的、坚持不懈的热情是理论科学发展的最重要因素。罗先生强调：根植于每一个科学工作者心中强烈而持久的内在动力是发展我国基础科学研究的根本保证。

罗先生说：“生命具有随机性、多样性和突发性，但本质是理性的。我们不能迷惑于大数据的堆积，要驾驭数据，显示生命信息内在的逻辑之美。”罗先生认为，这一逻辑就是“密码-序列-结构-功能”。他为学生写了一个从事生物物理和生物信息学研究的“经验公式”：

课题选择+机理探索+定量研究 = 成功

课题选择是指必须精心选择本质创新意义明确的生物学课题。机理探索是指不要停留于现象，要探索内在的机理。这个机理往往建立在一定物理规律的基础之上，且必须和物理规律相协调。定量研究是指不应停留于生物学现象的描述，要有定量的数据和计算。这一公式中所提出的三要素正在引导着他的学生们进入科学研究的大门。

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QB期刊介绍

Quantitative Biology （QB）期刊是由清华大学、北京大学、高教出版社联合创办的全英文学术期刊。QB主要刊登生物信息学、计算生物学、系统生物学、理论生物学和合成生物学的最新研究成果和前沿进展，并为生命科学与计算机、数学、物理等交叉研究领域打造一个学术水平高、可读性强、具有全球影响力的交叉学科期刊品牌。

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