生物物理學(xué)介紹

1、生物物理學(xué)是生物學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科,研究 生物的物理特 性。它的研究范圍有時會與生理學(xué)、生物化學(xué)或細胞生物學(xué)重疊。物理學(xué)和生物學(xué)在兩方面有聯(lián)系：一方面，生物為物理提供了具 有物理性質(zhì)的生物系統(tǒng)，另一方面，物理為生物提供了解決問題的工 具。生物物理學(xué)包括： 結(jié)構(gòu)生物學(xué) k、 生物物理技術(shù) 生物能學(xué) 膜生物物理學(xué) 細胞生物物理學(xué) 細胞信號傳導(dǎo)和受體 電牛理學(xué) 神經(jīng)牛物物理學(xué) 生物力學(xué)和生物流變學(xué) 理論生物物理學(xué) 牛物信息學(xué) 系統(tǒng)牛物學(xué) 學(xué)習(xí)和認知等等生物物理學(xué)是物理學(xué)與生物學(xué)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科，是生命科學(xué)的重要分支學(xué)科和領(lǐng)域之一。生物物理學(xué)是應(yīng)用物理學(xué)的概念和方法研究生物各層次結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

2、、生命活動的物理、物理化學(xué)過程和物質(zhì)在生命活動過程中表現(xiàn)的物理特性的生物學(xué)分支學(xué)科。生物物理學(xué)旨在闡明生物在一定的空間、時間內(nèi)有關(guān) 皿、能量與信息的運動規(guī)律。生物物理學(xué)-定義關(guān)于生物物理學(xué)的定義，有許多不同的看法。現(xiàn)列舉三種定義。定義一：生物物理學(xué)是由物理學(xué)與生物學(xué)相互結(jié)合而形成的一門交叉學(xué)科。它應(yīng)用物理學(xué)的基本理論、方法與技術(shù)研究生命物質(zhì)的物理性質(zhì)， 生命活動的物理與物理化學(xué)規(guī)律， 以 及物理因素對機體的作用。定義二：生物物理學(xué)是生物學(xué)和物理學(xué)之間的邊緣學(xué)科，它用物理學(xué)的概念和方法研究生物各層次的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，以及生命活動的物理過程和物理化學(xué)過程.定義三：生物物理學(xué)是運用物理學(xué)的理論、技

3、術(shù)和方法，研究生命物質(zhì)的物理性質(zhì)、生命過程的物理和物理化學(xué)規(guī)律，以及物理因素對生物系統(tǒng)作用機制的科學(xué)。上面的四個定義表述方法雖各有不同，但都認為生物物理學(xué)是一門生物學(xué)和物理學(xué)相互作用的學(xué)科，也都是從生物物理學(xué)的研究對象上來闡述其定義的。關(guān)于生物物理學(xué)屬于生物學(xué)的分支還是物理學(xué)的分支，一些生物學(xué)家認為他們研究生命現(xiàn)象時只是引入了物理學(xué)的理論和方法，屬于生物學(xué)的一個分支。但有些物理學(xué)家認為，研究生命的物質(zhì)運動，只是物理學(xué)研究對象由非生命物質(zhì)擴展到生命物質(zhì)。應(yīng)該屬于物理學(xué)的分支。不同研究領(lǐng)域的學(xué)者處于不同的角度，也就有了不同的定義。生物物理學(xué)-發(fā)展簡史從16世紀末開始，人們就開展了生物物理現(xiàn)象的研究

4、，直到 20世紀40年代薛定謂 (schr?dinger)在都柏林大學(xué)關(guān)于“生命是什么”的講演之前，可以算是生物物理學(xué)發(fā)展的 早期。19世紀末葉，生理學(xué)家開始用物理概念如力基、流體力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)及熱力學(xué)的知識深入到 生理學(xué)領(lǐng)域,這樣就逐漸形成一個新的分支學(xué)科，許多人認為這就是最初的生物物理學(xué)。實際上物理學(xué)與生物學(xué)的結(jié)合很早以前就已經(jīng)開始。例如 克爾肖(kircher)在17世紀 描述過生物發(fā)光的現(xiàn)象；波萊利(borrelli)在其所著動物的運動一書中利用力學(xué)原理分析 了血液循環(huán)和鳥的飛行問題。18世紀伽伐尼(galvani)通過青蛙神經(jīng)由于接觸兩種金屬引起肌肉收縮，從而發(fā)現(xiàn)了 生物電現(xiàn)象。1

5、9世紀，梅亞(mayer)通過熱、功和生理過程關(guān)系的研究建立了能量守恒定律。本世紀40年代，醫(yī)學(xué)物理介紹生物物理內(nèi)容時，涉及面已相當(dāng)廣泛，包括聽覺、色覺、肌肉、神經(jīng)、皮膚等的結(jié)構(gòu)與功能（電鏡、熒光、x射線衍射、電、光電、電位、溫度調(diào)節(jié)等技術(shù)），并報道了應(yīng)用電子回旋加速器研究生物對象。著名的量子 物理學(xué)家薛定渭專門作了“生命是什么”的報告中提出的幾個觀點， 如負嫡與生命現(xiàn)象的有序性、遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)，生命現(xiàn)象與量子論的協(xié)調(diào)性等，以后陸續(xù)都被證明是極有預(yù)見性的觀點，而且均得到證實。這有力地說明了近代物理學(xué)在推動生命科學(xué)發(fā)展中的作用。20世紀50年代，物理學(xué)在各方面取得重大成就之后，物理學(xué)實驗和理

6、論的發(fā)展為生物 物理學(xué)的誕生提供了實驗技術(shù)和理論方法。例如，用 x射線晶體衍射技術(shù) 對核酸和蛋白質(zhì) 空間結(jié)構(gòu)的研究開創(chuàng)了分子生物學(xué)的新紀元，將生命科學(xué)的許多分支都推進到分子水平，同時也把這些成就逐步擴大到細胞、組織、器官等，為生物物理學(xué)的誕生創(chuàng)造了生物學(xué)條件， 成為微觀生物物理學(xué)發(fā)展的一條主干。此外，信息論、控制論、計算機科學(xué)技術(shù)、非線性科 學(xué)的發(fā)展，還為生物物理學(xué)的發(fā)展提供了數(shù)學(xué)工具和信息論基礎(chǔ)。應(yīng)用生物信息論與控制論、非平衡態(tài)熱力學(xué)、非線性與復(fù)雜性等的研究從宏觀角度對生命現(xiàn)象進行了探討，成為宏觀生物物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。這兩方面的結(jié)合使生物物理學(xué)以嶄新的面貌出現(xiàn)在自然科學(xué)，特別是生命科學(xué)的行列

7、之中，成為一門需要較多數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)，研究生命問題的獨立發(fā)展的邊緣學(xué)科。物理概念對生物物理發(fā)展影響較大的除了薛定渭的講演還有n.威納關(guān)于生物控制論的論點；前者用熱力學(xué)和量子力學(xué)理論解釋生命的本質(zhì)引進了“負嫡”概念，試圖從一些新的途徑來說明有機體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命活動的維持和延續(xù)、 生物的遺傳與變異等問題。后者認為生物的控制過程，包含著信息的接收、變換、 貯存和處理。他們論述了生命物質(zhì)同樣是 物質(zhì)世界的一個組成部分， 既有它的特殊運動規(guī)律，也應(yīng)該遵循物質(zhì)運動的共同的一般規(guī)律。 這就溝通了生物學(xué)和物理學(xué)兩個領(lǐng)域?，F(xiàn)已在生物的各個層次， 以量子力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的概念和方法進行微觀和宏觀的系統(tǒng)分析。國際純

8、粹與應(yīng)用生物物理學(xué)聯(lián)合會（簡稱iupab ）于1961年建立，以后每 3年召開1次大會，至今已成為包括40余個國家和地區(qū)的生物物理學(xué)會，我國已于1982年參加了這個組織。從國際生物物理學(xué)會成立到現(xiàn)在，雖然只有30多年的歷史，但生物物理學(xué)作為一門獨立學(xué)科的發(fā)展是十分迅速的。美、英、俄、日等許多國家在高等學(xué)校中設(shè)有生物物理專業(yè)，有的設(shè)在物理系內(nèi)， 有的設(shè)在生物系內(nèi)， 也有的設(shè)在工程技術(shù)類的院校。目前發(fā)達國家均投入很大的力量致力于這門學(xué)科的研究工作。我國開展生物物理科研與教學(xué)工作的歷史更短 些，但發(fā)展較快。盡管許多方面與國外的進展有較大差距，但是由于受到國家和科學(xué)工作者的重視，我們將會迅速地趕上去。

9、生物物理學(xué)-研究任務(wù)生物物理學(xué)的不斷發(fā)展和完善，一定會極大地促進生命科學(xué)的發(fā)展， 并將帶來對于生命 現(xiàn)象的本質(zhì)新的突破。 二十一世紀是生命科學(xué)的世紀， 更是學(xué)科交叉、科學(xué)走向統(tǒng)一的世紀。 新的世紀留給生物物理學(xué)的任務(wù)有：(1)發(fā)掘非平衡開放系統(tǒng) 特性的主要規(guī)律,也就是找出生命的熱力學(xué)基礎(chǔ)。(2)從理論上解釋 進化和個體發(fā)育 的現(xiàn)象。(3)解釋自身調(diào)節(jié)和自我復(fù)制的現(xiàn)象(自組織現(xiàn)象)。(4)從原子、分子水平上揭露生物過程的本質(zhì)也就是找到活躍在細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、核酸及其他物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物功能的聯(lián)系； 此外，還要在研究生命體在更高的超分子水平上、 在細 胞的水平上及在構(gòu)成細胞的細胞器的水平上的物理現(xiàn)象。

10、(5)設(shè)計出研究生物功能物質(zhì)及由這類物質(zhì)構(gòu)成的超分子結(jié)構(gòu)的物理方法和物理化學(xué)方法， 并對利用這種方法所得到的結(jié)果提供理論解釋。(6)對神經(jīng)脈沖的發(fā)生和傳播、肌肉收縮、感覺器官對外部信號的接收及光合作用等高度 復(fù)雜的生理現(xiàn)象，提供物理的解釋。(7)解釋怎樣由物質(zhì)形成了意識。 生物物理學(xué)-研究內(nèi)容 生物的物理性質(zhì)20世紀20年代開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生物分子具有鐵電、壓電、半導(dǎo)體、液晶態(tài)等性質(zhì)，生命 體系在不同層次上的電磁特性，以及生物界普遍存在的射頻通訊方式。但許多物理特性在生命活動過程中的意義和作用，則遠沒有搞清楚。比如幾乎所有生物，體內(nèi)的蛋白質(zhì)都是由l型氨基酸組成，而組成核酸的核糖又總是d型。為什么有

11、這樣的旋光選擇性，與生命起源和生 物進化有何關(guān)系,就有待探討。1980年發(fā)現(xiàn)兩個人工合成 dna片段呈左旋雙螺旋，人們普 遍希望了解自然界有無 左旋dna存在。1981年人們在兩段左旋片段中插入一段a-t對，整個螺旋立即向右旋轉(zhuǎn)，能否說明自然界不存在左旋dna呢？這種特定的 旋光性對生命活動的意義現(xiàn)仍無答案。根據(jù)生物的物理特性可以測出各種物理參數(shù)。但是由于生命物質(zhì)比較復(fù)雜，在不同的環(huán)境條件下參量也要改變。已有的測試手段往往不適用，尚待技術(shù)上的突破， 才有可能進一步闡明生命的奧秘。生命活動的物理及物理化學(xué)過程活躍在生物體內(nèi)的基本粒子（目前研究到電子和質(zhì)子）的研究，也是探索生命活動的物理及物理化學(xué)

12、過程的一個主體部分。生物都是含水的， 研究水溶液中電子的行為，對了解生命活動的理化過程極為重要。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了生物的質(zhì)子態(tài)、質(zhì)子非定域化和質(zhì)子隧道效應(yīng)等現(xiàn)象，因此需進一步開展 量子生物學(xué) 的研究,探索這些基本粒子在活體內(nèi)的行為。光合作電中葉綠素最初吸收光子只在 10-15秒瞬間完成，視魚過程和高能電離輻射最初始的能量吸 收也都是瞬間完成的，這些能量在體內(nèi)最初的去向和行為，從吸收到物理化學(xué)過程的出現(xiàn)，究竟發(fā)生了什么物理作用，這就需要既靈敏又快速的測試技術(shù)。生命活動過程中過去不被注意的組分，包括甲基、 ?；@樣的基團，水分子和金屬離子，它們恰恰活躍地作用于大分子之 間，在生物大分子相互作用時，不僅

13、是搭橋牽線以引發(fā)大分子的構(gòu)象變化，而且它們自身就參與結(jié)構(gòu)和功能變化。如甲基化與神經(jīng)傳導(dǎo)、生物信號傳遞、基因開關(guān)等均有密切關(guān)系。噬化作用、金屬離子如鈣、鎂等的作用也早被注意。在膜通道研究過程中，發(fā)現(xiàn)了鈣和 鈣調(diào)素 的作用。生物體內(nèi)的游離子（自由水）可以由氫鍵締合成水化層，它不是結(jié)合水，但對生物 結(jié)構(gòu)有關(guān)并參與生命活動。生物水既是質(zhì)子供體,也是質(zhì)子受體，因此水在生物體內(nèi)決不是 簡單的介質(zhì)。蛋白質(zhì)在56c左右變性，但我們能在 70 c以上的溫泉中找到生物；人工培養(yǎng) 的細胞保存在-190 c,解凍后細胞仍與正常態(tài)一樣，這些生物體內(nèi)水的結(jié)構(gòu)狀態(tài)是怎樣？如果能把這些極端狀態(tài)的水的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)闡明，將有助于對

14、生命規(guī)律的理解。生物在億萬年進化過程中， 最終選擇了膜作為最基本的結(jié)構(gòu)形式。從通透、識別、通訊，到能量轉(zhuǎn)換等各種生命活動幾乎都在膜上進行，膜不僅提供場所，它本身也積極參與了活動（見生物膜）。物理及物理化學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對生物大分子及大分子體系結(jié)構(gòu)分析的有：近紅外顯微鏡。反差大，生物材料無需染色即可觀察。由于近紅外能量極小，因此基本上不損傷生物樣品，對光敏系統(tǒng)如暗適應(yīng)的感受器細胞的觀察就十分有利。有人預(yù)計有可能用來觀察生活狀態(tài)的活樣品； 閃光x射 線顯微鏡。每個脈沖為60毫秒，打在聚甲基異丁烯酸甲酯薄膜窗口，由于所射出的是軟x射線（2344埃）正是水透明區(qū)，因此提供了可以進行水濕樣品研究的條件

15、。同步輻射中的軟x射線對生物學(xué)研究將帶來極大的好處；光散射顯微鏡。能測定細胞的大小與形狀，絕對靈敏度高達0.010.1微米，并且不怕雜質(zhì)干擾，不需要樣品制備直接提供信息；利用吸 收超聲能量后引起溫度瞬間變化來進行超聲回聲圖象術(shù)進行診斷，用聲學(xué)顯微鏡顯示人染色體，樣品在-188c液氮中由透鏡記錄到超聲信號再轉(zhuǎn)換成像；低角 x射線衍射研究活細胞。用被玻璃激光光源 50600ps脈沖,聚集在100微米有機玻璃靶 上。由于主要來自15cl 離子的4.45埃激光源，因此有利于活細胞觀察；核磁共振。研究生物大分子結(jié)合重金屬離子后結(jié)構(gòu)變化，二價陽離子在膜結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系中的作用，鹽菌紫膜光照后內(nèi)膜 酸堿度變化

16、等等。除了常用的13c、31p、1h等外，還用19f測定酶與底物的相互作用。用2d測定膜中的分子動力學(xué)。另一方面，二維核磁已可用來測定溶液中大分子內(nèi)氫原子之間的距離，核磁成像作為無損傷成像技術(shù)，將遠優(yōu)于超聲的應(yīng)用，在某些方面優(yōu)于x射線斷層成像技術(shù)。此外如利用全反射衰減紅外光譜觀察水溶液中膜蛋白及紅細胞結(jié)構(gòu)；拉曼差光譜測定肌紅蛋白三級及四級結(jié)構(gòu)；x射線散射研究溶液構(gòu)像測定原子間短程漲落狀態(tài)，如蛋白質(zhì)“螺旋510埃區(qū)域的動態(tài)變化,利用磁圓二色研究生物分子可以和熒光偏振、線性圓二色互補測定高粘度下或非熒光分子樣品。有時一種技術(shù)的出現(xiàn)將使生物物理問題的研究大大改觀。如x射線衍射技術(shù)導(dǎo)致了分子生物物理學(xué)

17、的出現(xiàn)。因此雖然技術(shù)本身并不一定就代表生物物理，但它對生物物理學(xué)的發(fā)展是非常關(guān)鍵的。生物物理學(xué)-研究現(xiàn)狀(1)分子生物物理學(xué)是整個生物物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是當(dāng)前研究的重點，占主導(dǎo)地位(占1/3)。(2)膜與細胞生物物理學(xué)是把分子生物物理學(xué)原理應(yīng)用到生物活體系的第一個目標，即用分子的語言描述膜與細胞的結(jié)構(gòu)與功能(占1/3)。(3)開展動態(tài)的、活體的檢測與研究，發(fā)展相關(guān)檢測技術(shù)。(4)對更高的復(fù)雜層次的研究，如對視覺、腦和神經(jīng)活動 的研究。生命科學(xué)各個領(lǐng)域的研究中，幾乎都需要生物物理學(xué)的參與；與此同時，生物物理學(xué)自身也在不斷發(fā)展，充實新內(nèi)容，開拓新領(lǐng)域。生物物理學(xué)-意義農(nóng)業(yè)方面為防止環(huán)境污染，取代農(nóng)藥

18、和化肥除考慮生物途徑(主要是微生物)外，更重要的是尋找作物生長的內(nèi)在規(guī)律， 根據(jù)作物本身的物理或物理化學(xué)規(guī)律，來控制作物生長和能量的合理利用。例如中國利用 線粒體互補方法來揭示雜交品種是否有雜種優(yōu)勢，這就是利用科學(xué)規(guī)律提出節(jié)省時間的育種方法。有些中國科學(xué)家提出線粒體中電子傳遞途徑的改變和調(diào)節(jié)有可能 是多種方式的。這就為使更多的c3型植物能轉(zhuǎn)化到代謝更有效的 c4型開辟了道路。提高光 合作用的效率關(guān)鍵之一是如何控制暗反應(yīng)中關(guān)鍵酶的活力；用物理方法暫時性的抑制酶活力顯然要比化學(xué)方法有利得多。細胞利用環(huán)境中飽和和不飽和 脂肪酸與溫度有關(guān)。在1520 c時利用油酸，而在2025c時則主要利用亞油酸，從

19、而提供了不同溫度條件下控制作物能量 轉(zhuǎn)換途徑來提高作物的營養(yǎng)價值。70年代末全球耗地為1.5x109公頃土地，其中鹽堿地占4x 108公頃。能否利用某些好鹽菌來改良土壤，尤其是具有視紫紅質(zhì)的好鹽菌，借助它能將 光能直接轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，是值得考慮的。輻射育種、激光育種由于沒有掌握生物物理規(guī)律,工作盲目性較大，急待改進，以期獲得更好效果。醫(yī)學(xué)方面x射線斷層照相（ct）、超聲、核磁成象能精確地進行腫瘤定位等。電子成像，如利用同 位素標記的脫氧葡萄糖， 可以清晰地顯示出在休息、學(xué)習(xí)、聽音樂、邊學(xué)習(xí)邊聽音樂等情況下腦活動的不同狀態(tài)。 表明腦在不同情況下代謝活動是完全不同的。這就是神經(jīng)性障礙的病患者的理想診

20、斷方法。 人工臟器或假肢等領(lǐng)域， 如果不能首先從生物體引出固有信號，然后使信號轉(zhuǎn)換，再進行模擬是無法完成的。工業(yè)方面為實現(xiàn)工業(yè)改造中高靈敏度條件下小型化自動化，生物原型（模板）是取之不盡的源泉。生物是個十分復(fù)雜的化工廠， 無需加溫加壓即以無比短暫的速度，全部自動化地合成與分解。幾乎沒有三廢需要處理。 生物又是最精密的電子工廠，廠里零部件之小、靈敏度、精確度之高無與倫比。不僅全部都是自動控制，而且代償性強。例如螳螂的測速絕技在0.05秒內(nèi)測準掠過它眼前小蟲的大小、方向與飛行速度的裝置只是它的一對大復(fù)眼和頸部的本 體感受器。生物物理學(xué)把原型加以研究，然后進行數(shù)學(xué)模擬和電子模擬，先后制成了電子蛙眼跟蹤器跟蹤移動目標、水母風(fēng)暴預(yù)報裝置、高清晰度的電視（仿賞眼側(cè)抑制原理）等。 目前人們已開始探索以分子為元件的計算機的可能性（見仿生學(xué)）。一方面物理及物理化學(xué)技術(shù)的應(yīng)用促進了生物物理學(xué)的發(fā)展；另一方面技術(shù)在應(yīng)用于生物對象時必須有所改進。比如最早電子順磁共振波譜儀（esr）應(yīng)用于生物材料，首先