什么是生物物理學

1、什么是生物物理學第1頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日目錄 1. 物理學、生物學和生物物理學 2. 現(xiàn)代生物物理學的研究內(nèi)容 3. 生物物理學的產(chǎn)生與發(fā)展 4. 生物物理學之我見第2頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日1. 物理學、生物學和生物物理學第3頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日什么是物理學 物理學是研究物質(zhì)運動最一般規(guī)律及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學說。 具體地說，按所研究的物質(zhì)運動形態(tài)和具體對象，它涉及的范圍包括:力學、聲學、熱學和分子物理學、電磁學、光學、原子和原子核物理學、基本粒子物理學、固體物理學以及對氣體和液體的研究

2、等. 第4頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日什么是生命科學 生命科學是研究生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能、生命活動現(xiàn)象以及生物之間和生物與環(huán)境之間的關(guān)系的科學。 它是由多個基礎(chǔ)學科、應(yīng)用學科及交叉學科協(xié)同發(fā)展構(gòu)成的前沿科學群。其基礎(chǔ)是從分子、細胞、個體、種群、群落等不同層次研究生命現(xiàn)象的一些學科，如分子生物學、分子遺傳學、細胞生物學、神經(jīng)生物學、發(fā)育生物學、生態(tài)學等，并可包括遺傳工程、生態(tài)工程學、資源生物學、生物醫(yī)學工程學等重要技術(shù)科學學科。 第5頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日 物理學和生物學互相促進，共同發(fā)展。物理學和生物學在兩方面有聯(lián)系：一方面，生

3、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。 生命科學是系統(tǒng)地闡述與生命特性有關(guān)的重大課題的科學。支配著無生命世界的物理定律同樣也適用于生命世界，無須賦于生活物質(zhì)一種神秘的活力。對于生命科學的深入了解，無疑也能促進物理、化學等人類其它知識領(lǐng)域的發(fā)展。 生命科學研究不僅依賴物理知識、它所提供的儀器，也依靠它所提供的思想方法。生命科學學家也是由各個學科匯聚而來。學科間的交叉滲透造成了許多前景無限的生長點與新興學科。 物理學VS生物學第6頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日什么是生物物理學定義一： 生物物理學是由物理學與生物學相互結(jié)合而形成的

4、一門交叉學科。它應(yīng)用物理學的基本理論、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規(guī)律，以及物理因素對機體的作用。定義二： 生物物理學是生物學和物理學之間的邊緣學科，它用物理學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過程.第7頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日定義三：生物物理學是物理學與生物學相結(jié)合的一門邊緣學科，是生命科學的重要分支學科和領(lǐng)域之一.生物物理學是應(yīng)用物理學的概念和方法研究生物各層次結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、生命活動的物理、物理化學過程和物質(zhì)在生命活動過程中表現(xiàn)的物理特性的生物學分支學科。生物物理學旨在闡明生物在

5、一定的空間、時間內(nèi)有關(guān)物質(zhì)、能量與信息的運動規(guī)律。 定義四：生物物理學是運用物理學的理論、技術(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規(guī)律，以及物理因素對生物系統(tǒng)作用機制的科學。第8頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日What is biophysicsBiophysics (also biological physics) is an interdisciplinary science that applies the theories and methods of physics, to questions of biology.Biophysics

6、research today comprises a number of specific biological studies, which do not share a unique identifying factor, nor subject themselves to clear and concise definitions. The studies included under the umbrella of biophysics range from sequence analysis to neural networks. In the recent past, biophy

7、sics included creating mechanical limbs and nanomachines to regulate biological functions. Nowadays, these are more commonly referred to as belonging to the fields of bioengineering and nanotechnology respectively.第9頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日 生物物理學的定義是生物物理學領(lǐng)域幾乎每一本教科書都無法回答的問題許多課本中對什么是生物物理學幾乎都只能含糊其

8、詞的而沒有給出正面的回答：生物物理學是那么一個領(lǐng)域沒有明確的內(nèi)容范圍；生物物理學還不是一個成熟學科；它的主要內(nèi)容還不定型；生物物理學只是個別生物物理學家按照他們自己的設(shè)想來規(guī)定的，等等。因此與其去討論他的定義或者是強調(diào)它的定義，還不如用討論物理科學與生物科學之間的關(guān)系來明確生物物理學的概念。M.V.伏爾更斯坦，現(xiàn)代物理學與生物學概論第10頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日What is physics?What is biophysics?Physics is what physicists do!Biophysics is what biophysicists do!

9、Well then ,What do biophysicists do?第11頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日2.現(xiàn)代生物物學的研究內(nèi)容第12頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日生物物理學研究內(nèi)容 生物物理學研究的內(nèi)容十分廣泛，一般分為量子生物物理、分子生物物理、細胞生物物理和復雜體系的生物物理等幾部分；涉及的問題則幾乎包括生物學的所有基本問題。由于生物物理學是一門正在成長著的邊緣學科，其具體內(nèi)容和發(fā)展方向也在不斷變化和完善，它和一些關(guān)系特別密切的學科（生化、生理等）的界限也不是很明確。下面只對生物物理的主要內(nèi)容做些簡要介紹。第13頁，共64頁，

10、2022年，5月20日，20點37分，星期日現(xiàn)代生物物理學的主要內(nèi)容分子生物物理學膜與細胞生物物理學感官與神經(jīng)生物物理學生物控制論與生物信息論理論生物物理學光生物物理學自由基與環(huán)境輻射的生物物理學生物力學與生物流變學生物物理學技術(shù)第14頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日一.分子生物物理 分子生物物理是本學科中最基本、最重要的一個分支。它運用物理學的基本理論與技術(shù)研究生物大分子、小分子及分子聚集體的結(jié)構(gòu)、動力學，相互作用和其生物學性質(zhì)在功能過程中的變化，目的在于從分子水平闡述生命的基本過程，進而通過修飾、重建和改造生物分子，為實踐服務(wù)。 生物大分子及其復合物的空間結(jié)構(gòu)與功

11、能的關(guān)系是分子生物物理的核心問題。自從50年代X射線衍射晶體分析法應(yīng)用于核酸與蛋白質(zhì)獲得成功，奠定了分子生物學發(fā)展的基礎(chǔ)，至今已有40余年歷史。在這段時期中，有關(guān)結(jié)構(gòu)的研究大體上經(jīng)歷了3個主要階段：晶體結(jié)構(gòu)的研究；溶液中生物分子構(gòu)象的研究；分子動力學的研究。分子構(gòu)象隨時間變化的動力學，分子問的特異相互作用，生物水的確切作用等是分子生物物理今后的重要課題。我國人工結(jié)晶牛胰島素第15頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日二.膜與細胞生物物理 膜及細胞生物物理是僅次于分子生物物理的一個重要部分。主要研究膜的結(jié)構(gòu)與功能，細胞各種活動的分子機制；膜的動態(tài)認識，膜中脂類的作用，通道的結(jié)

12、構(gòu)及其啟閉過程，受體結(jié)構(gòu)及其與配體的特異作用，信息傳遞機制，電子傳遞鏈的組分結(jié)構(gòu)及其運動與能量轉(zhuǎn)換機制都是膜生物物理的重要課題。細胞生物物理目前研究的深度還不夠，隨著分子與膜生物物理的進展，細胞各種活動的分子機制也必將逐步闡明。第16頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日三.感官與神經(jīng)生物物理 生命進化的漫長歷程中出現(xiàn)了能對內(nèi)、外環(huán)境作出反應(yīng)的神經(jīng)系統(tǒng)。神經(jīng)系統(tǒng)連同有關(guān)的感覺器官在高等動物特別是在人體內(nèi)已發(fā)展到了高度復雜的程度，其結(jié)構(gòu)上的標志是出現(xiàn)了大腦皮層，功能上大腦是最有效的信息處理、存貯和決策機構(gòu)。因此感官和腦的問題已經(jīng)成為神經(jīng)生物學注意的中心。研究的主要問題有：離子

13、通道；感受器生物物理；神經(jīng)遞質(zhì)及其受體；神經(jīng)通路和神經(jīng)回路研究；行為神經(jīng)科學。這是生物物理最早發(fā)展，但仍很活躍的一個領(lǐng)域，特別應(yīng)該指出的是目前“神經(jīng)生物物理”受到極大重視，因為這是揭開人類認識、學習、記憶以至創(chuàng)造性活動的基礎(chǔ)。第17頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日四.生物控制論與生物信息論 主要用控制論的理論與方法研究生物系統(tǒng)中信息的加工、處理，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制機制。它從綜合的、整體的角度出發(fā)，研究不同水平的生物系統(tǒng)各部分之間的相互作用，或整個系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用，神經(jīng)控制論和生物控制系統(tǒng)的分析和模擬是其兩個重點。第18頁，共64頁，2022年，5月20日，20點

14、37分，星期日五.理論生物物理是運用數(shù)學和理論物理學研究生命現(xiàn)象的一個領(lǐng)域，既包括量子生物學和分子動力學等微觀研究，也包括對進化、遺傳、生命起源、腦功能活動及生物系統(tǒng)復雜性等宏觀研究。目前已從藥物、毒物等簡單分子逐步向復雜體系過渡，試圖從電子水平說明生命現(xiàn)象的本質(zhì)，涉及各種生命活動的基礎(chǔ)。但在方法上還必須不斷發(fā)展以適應(yīng)需要。第19頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日六.光生物物理光生物物理是研究光生物學中的光物理與原初光化學過程，即研究光的原初過程的學科。主要研究問題有：光合作用；視覺；嗜鹽菌的光能轉(zhuǎn)換；植物光形態(tài)建成：光動力學作用，生物發(fā)光與化學發(fā)光。第20頁，共64頁

15、，2022年，5月20日，20點37分，星期日七.自由基與環(huán)境輻射生物物理研究各種波長電磁波（包括電離輻射）對機體和生物分子的作用機制及其產(chǎn)生效應(yīng)的利用與防護基礎(chǔ)研究。主要內(nèi)容有：自由基；電離輻射的生物物理研究；生物磁學與生物電磁學。第21頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日八.生物力學與生物流變學 它的興起是由于人們對認識生命運動規(guī)律、保護人類健康、生物醫(yī)學工程和生物化學工程的需要。主要內(nèi)容有：生物流體力學；生物固體力學；其它生物力學問題；生物流變學。其中血液流變學占主導地位，這是因為它與臨床密切結(jié)合，所以發(fā)展特別迅速。第22頁，共64頁，2022年，5月20日，20點

16、37分，星期日九.生物物理技術(shù)生物物理技術(shù)在生物物理中占有特殊的地位，以致成為該學科中不可缺少的一個重要組成部分。這是因為每一項重要技術(shù)的出現(xiàn)常常使生物物理的研究進到一個新的水平，推動學科迅速發(fā)展。X射線衍射分析、核磁共振技術(shù)及常規(guī)波譜分析都是很典型的例子。生物物理技術(shù)和儀器的另一重要任務(wù)就是根據(jù)研究課題的需要設(shè)計新的儀器。如為了研究細胞膜上脂和蛋白分子的側(cè)向擴散運動而設(shè)計的熒光漂白恢復技術(shù)(FPR)等。第23頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日生物物理學發(fā)展的主要特征（1）分子生物物理學是整個生物物理學的基礎(chǔ)，也是當前研究的重點，占主導地位（占1/3）（2）膜與細胞生物

17、物理學是把分子生物物理學原理應(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）對更高的復雜層次的研究，如對視覺、腦和神經(jīng)活動的研究。第24頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日3.生物物理學的產(chǎn)生與發(fā)展 第25頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日早期的生物物理學 從16世紀末開始，人們就開展了生物物理現(xiàn)象的研究，直到20世紀40年代Schrdinger在都柏林大學關(guān)于生命是什么？的講演之前，可以算是 生物物理學發(fā)展的早期。這一期間生物物理學發(fā)展中的重要事件有： 1

18、7世紀克爾肖(Kircher) 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。 19世紀，麥爾(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。 第26頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日一.伽伐尼（1737-1798）的研究:1780年他與學生解剖青蛙，發(fā)現(xiàn)電火花會使蛙腿抽搐，后來他又發(fā)現(xiàn)當用銅鉤倒掛蛙腿，再用鐵梁橫挑，蛙腿也會痙攣。1791年發(fā)表了論文論肌肉運動中的電力。 他是發(fā)現(xiàn)電流的第一

19、人，但認為是一種動物電。 伏打(1737-1798):意大利帕維大學教授，否定了伽伐尼動物說。他認為，電來自兩種不同金屬的接觸，青蛙只不過是起了驗電器的作用。第27頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日邁爾（Julius Robert Mayer)德國物理學家、醫(yī)生邁爾（Julius Robert Mayer，18141878）1840年2月到1841年2月作為船醫(yī)遠航到印度尼西亞。他從船員靜脈血的顏色的不同，發(fā)現(xiàn)體力和體熱來源于食物中所含的化學能，提出如果動物體能的輸入同支出是平衡的，所有這些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到啟發(fā)，去探索熱和機械功的關(guān)系。他將自己的發(fā)現(xiàn)

20、寫成論力的量和質(zhì)的測定一文，但他的觀點缺少精確的實驗論證，論文沒能發(fā)表（直到1881年他逝世后才發(fā)表）。邁爾很快覺察到了這篇論文的缺陷，并且發(fā)奮進一步學習數(shù)學和物理學。1842年他發(fā)表了論無機性質(zhì)的力的論文，表述了物理、化學過程中各種力（能）的轉(zhuǎn)化和守恒的思想。邁爾是歷史上第一個提出能量守恒定律并計算出熱功當量的人。但1842年發(fā)表的這篇科學杰作當時未受到重視。Julius Robert Mayer第28頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日 16世紀末T.揚利用光的波動學說、色覺理論研究了眼的幾何光學性質(zhì)及心臟的液體動力學作用。 17世紀克爾肖(Kircher) 描述過生

21、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。 1847年H.von亥姆霍茲將能量守恒定律應(yīng)用于生物系統(tǒng)，認為物質(zhì)世界包括生命在內(nèi)都可以歸結(jié)為運動。他研究了肌肉收縮時熱量的產(chǎn)生和神經(jīng)脈沖的傳導速度 1848年E.H.杜布瓦雷蒙德第一個制造出電流表并用以研究肌肉神經(jīng), 發(fā)現(xiàn)了休止電位及動作電位。 生物物理學發(fā)展早期歷史事件簡表第29頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日 1895年W.C.倫琴發(fā)現(xiàn)了 X射線后，幾乎立即應(yīng)

22、用到醫(yī)學實踐。 1899年K.皮爾遜在他寫的科學的文法一書中首次提到：“作為物理定律的特異事例來研究生物現(xiàn)象的生物物理和生物物理學”，并列舉了當時研究的血液流體動力學、神經(jīng)傳導的電現(xiàn)象、表面張力和膜電位、發(fā)光與生物功能、以及機械應(yīng)激、彈性、粘度、硬度與生物結(jié)構(gòu)的關(guān)系等問題。（有人認為這是生物物理學的開端） 第30頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日 1910年A.V.希爾把電技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)生物學，并顯示了神經(jīng)纖維傳遞信息的特征是一連串勻速的電脈沖，脈沖是由膜內(nèi)外電位差引起的。 19世紀顯微鏡的應(yīng)用導致細胞學說的創(chuàng)立。以后從簡單顯微鏡發(fā)展出紫外、暗視野、熒光等多種特殊用途的

23、顯微鏡。電子顯微鏡的發(fā)展則提供了生物超微結(jié)構(gòu)的更多信息。 早在1920年 X射線衍射技術(shù)就已列入蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。W.T.阿斯特伯里用 X射線衍射技術(shù)研究毛發(fā)、絲和羊毛纖維結(jié)構(gòu)、-角蛋白的結(jié)構(gòu)等，發(fā)現(xiàn)了由氨基酸殘基鏈形成的蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象的-螺旋空間結(jié)構(gòu)。 第31頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日近代生物物理學的誕生 到了20世紀,物理學也開始為生物學提供新的思想、理論和概念. 量子力學創(chuàng)始人之一薛定諤 (Schrdinger)1943年在愛爾蘭都伯林發(fā)表的題為生命是什么的講演被認為是現(xiàn)代生物物理學的開端。他指出，生物體是非平衡開放系，負熵導致生命有序，遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)是

24、非周期性晶體，生命現(xiàn)象與量子論是協(xié)調(diào)的等重要設(shè)想和猜測。 書中，他預言了生命科學的理論與方法正面臨著重大的突破，生命科學的研究深度將從生命的表面現(xiàn)象和細胞的層次，深入到分子的水平。他還提出將物理學、化學的理論與方法引進生命科學的研究之中。 第32頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日Erwin Schrdinger (18871961)薛定諤 薛定諤，奧地利人，是著名的理論物理學家，量子力學的重要奠基人之一，同時在固體的比熱、統(tǒng)計熱力學、原子光譜及鐳的放射性等方面的研究都有很大成就。薛定諤的波動力學，是在德布羅意提出的物質(zhì)波的基礎(chǔ)上建立起來的。他把物質(zhì)波表示成數(shù)學形式，建立

25、了稱為薛定諤方程的量子力學波動方程。 薛定諤對原子理論的發(fā)展貢獻卓著，因而于1933年同英國物理學家狄拉克共獲諾貝爾物理獎金。 第二次世界大戰(zhàn)期間，薛定諤逃離了德國納粹統(tǒng)治下的祖國，來到愛爾蘭首都都柏林從事教學和研究工作。他經(jīng)常到各高等學府舉辦講座，內(nèi)容并不局限于學術(shù)領(lǐng)域，更多的是具有科普性質(zhì)的內(nèi)容。其中，生命科學的系列講座特別受到聽眾的歡迎。1944年，薛定諤把講稿整理成一本不到100頁的小冊子生命是什么活細胞的物理學觀第33頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日薛定諤寫作這本書的目的是想從復雜的生命物質(zhì)運動中發(fā)現(xiàn)未知的物理學定律。這一目的雖然未能實現(xiàn)，但生命是什么活細胞

26、的物理學觀一書產(chǎn)生了廣泛的影響，一大批年輕的物理學家或物理學專業(yè)的大學生被它吸引到生命科學的學習與研究之中。 其中就有因建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型榮獲1962年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的沃森、克里克和威爾金斯，因發(fā)現(xiàn)噬菌體在細胞內(nèi)增殖過程中的作用榮獲1969年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的盧里亞，因完成世界首次分子水平上的基因重組、創(chuàng)立現(xiàn)代基因工程技術(shù)而榮獲1980年諾貝爾化學獎的伯格，因發(fā)現(xiàn)核糖核酸（RNA）的細胞催化功能而榮獲1989年諾貝爾化學獎的奧爾特曼等人。因而，這本書被人們稱為從思想上“喚起生物學革命的小冊子”。物理學家對生物學發(fā)展所起的重要作用第34頁，共64頁，2022年，5月20日，20點

27、37分，星期日 1932年,N.玻爾在哥本哈根國際光療學會議開幕式上的演講光和生命中提出,要把生物學研究深入到比細胞更深的層次中去.他的學生當時已因?qū)庾由⑸涞难芯慷雒那嗄昀碚撐锢韺W家德耳布呂克聽了他的話,毅然從物理學改行轉(zhuǎn)而研究生物學.1937年他去美國,與盧里亞和赫爾希合作建立了噬菌體(侵害細菌的病毒)研究組,通過噬菌體實驗研究病毒復制機制.由于這項開創(chuàng)性工作,他們獲得1969年諾貝爾生理學醫(yī)學獎.他們的工作是分子生物學的開端.德耳布呂克N.玻爾第35頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日近代生物物理學的發(fā)展1944年的醫(yī)學物理介紹生物物理內(nèi)容時,涉及面已相當廣泛,

28、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。20世紀50年代J.D.沃森及F.H.C.克里克提出了遺傳物質(zhì) DNA雙螺旋互補的結(jié)構(gòu)模型。物理概念對生物物理發(fā)展影響較大的除了薛定諤的講演還有N.威納關(guān)于生物控制論的論點；前者用熱力學和量子力學理論解釋生命的本質(zhì)引進了“負熵”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

29、應(yīng)該遵循物質(zhì)運動的共同的一般規(guī)律。這就溝通了生物學和物理學兩個領(lǐng)域?，F(xiàn)已在生物的各個層次，以量子力學和統(tǒng)計力學的概念和方法進行微觀和宏觀的系統(tǒng)分析。 第36頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日20世紀50年代，物理學實驗和理論的發(fā)展為生物物理學的誕生提供了實驗技術(shù)和理論方法。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)了分子生物學的新紀元，把生物學推進到分子水平，為生物物理學的誕生創(chuàng)造了生物學條件。此外，信息論、控制論、計算機科學技術(shù)、非線性科學的發(fā)展，還為生物物理學的發(fā)展提供了數(shù)學工具和信息論基礎(chǔ)。 第37頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期

30、日沃森（JWatson，1928） 克里克（F.Crick，1916） 威爾金斯（M.Wilkins，1916） 富蘭克林（RFranklin，19201958） 解析DNA結(jié)構(gòu) 第38頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日生物物理學組織的發(fā)展20世紀50年代以來，生物物理學的迅猛發(fā)展，已成為一個內(nèi)容豐富的新興學科。生物物理學的世界性學會的發(fā)展如下1956年，美國成立生物物理學會。1961年，國際純粹與應(yīng)用生物物理學聯(lián)合會（IUPAB）成立，其成員包括40多個國家和地區(qū)的生物物理學會，每3年召開一次大會。中國1958年成立中科院生物物理學研究所，1982年加入IUPAB。第

31、39頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日4.生物物理學之我見（可能是偏見）第40頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日幾個問題4.1 物理學進軍生物學領(lǐng)域的必要性和必然性4.2 科學的統(tǒng)一與交叉學科4.3 運用物理學原理來解釋生命現(xiàn)象的任務(wù)第41頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日4.1 物理學進軍生物學領(lǐng)域的必要性和必然性第42頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日生物學研究需要物理學的提供的技術(shù)這是顯然的生物學的發(fā)展與物理學技術(shù)的發(fā)展是分不開的。第43頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期

32、日生物學同樣需要引入物理學的思想和方法 物理學在生物學領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅包括物理學技術(shù)，實驗方法的應(yīng)用，還包括物理學理論和物理學思維方式的應(yīng)用。是物理學在新的對象（生命體）上的應(yīng)用。 物理學從哥白尼及伽利略以來就逐漸明確它的特點而成為一門精確而系統(tǒng)的科學。他的威力就在于它的精確性系統(tǒng)性，簡練的概括性的給出事物的基本原理和相互關(guān)系，而且能夠從原理來指導實踐。早先人們努力致力于描述性科學，后來才發(fā)展成更精確的科學。第44頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日 現(xiàn)在的生物學更多是一種描述性的科學，它局限于敘述生命運動的現(xiàn)象和事實，沒有很好運用物質(zhì)世界的基本原理，還帶有一些神秘主義色

33、彩。它現(xiàn)在還不是一個完備的科學。 生物學在解釋一些根本的問題上，僅僅依靠描述現(xiàn)象來解釋，而不去應(yīng)用物理學的思想和方法去解釋，將違背科學的方法的。所以生物學有待運用物理學原理來解釋生命的現(xiàn)象和本質(zhì)，進而成為一門精確而系統(tǒng)的科學。第45頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日普林斯頓大學的第一位女校長，人類基因圖譜破譯的功臣雪莉蒂爾曼說：“在生物學界人們越來越感到，我們需要認真考慮如何培養(yǎng)下一代生物學家這一問題?！彼J為，這種培訓應(yīng)該包括更多的數(shù)學、物理學和化學。 人們越來越認識到，要更深刻地理解復雜的生物系統(tǒng)需要有一種與物理學更密切整合在一起的定量生物學。 分子生物學的許多內(nèi)容

34、已經(jīng)依靠物理學家發(fā)明的技術(shù)了，如核磁共振與X射線。但現(xiàn)在生物學的數(shù)據(jù)更豐富了，它越來越需要那種作為物理學特點的分析和計算方法。第46頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日物理學研究對象回歸的必然英文單詞上來看biophysics或者biological physics-研究生物的物理學。照這個定義它應(yīng)該屬于物理學。生物是物,生物有理.而構(gòu)成生物體的物質(zhì)與非生命物質(zhì)是統(tǒng)一的，支配著無生命世界的物理定律同樣也適用于生命世界。所以生命物質(zhì)和生命現(xiàn)象必定物理學研究的重要對象.第47頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日物理學的大廈有沒有建成？19世紀末，很多物理

35、學家認為，物理學的大廈已經(jīng)建成, 僅剩下一些縫補補的工作。經(jīng)典物理學的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創(chuàng)立了量子力學?，F(xiàn)代物理學誕生了！ 在相對論和量子力學建立起來以后，現(xiàn)代物理學經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達到了成熟的階段。人類對物質(zhì)世界規(guī)律的認識達到了空前的高度，用現(xiàn)有的理論幾乎能夠很好地解釋現(xiàn)在已知的一切物理現(xiàn)象。我們能不能說，現(xiàn)代物理學的大廈已經(jīng)建成了呢？第48頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日物理學大廈還遠遠沒有建成 現(xiàn)在的物理學家或許正為新的物理學大廈的建成而欣喜若狂

36、。但當他們低下頭，有沒有看到地基里的生命呢！說不定地基里的生命螞蟻正在啃噬大廈的地基，造成物理學大廈的又一次崩塌。于是他們又嘗試重新建立起一個適合生命現(xiàn)象的物理學大廈。 物理學理論能夠去解釋宇觀、宏觀和微觀的幾乎所有非生命物質(zhì)的運動，但是在復雜的生命物質(zhì)和生命現(xiàn)象的對象面前卻顯得極其力不從心。所以它現(xiàn)在還遠遠不是一個完善的科學。第49頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日物理學大反攻 生物物理學是物理學派生出來的，到一定發(fā)展階段去研究更復雜的生命現(xiàn)象的學科。物理學是自然科學的主力軍，它在解釋復雜的生命體和化合物面前無能為力，于是它避其精銳，先向非生命物質(zhì)進軍。而把研究很多復

37、雜的物質(zhì)運動和生物體的任務(wù)交給了留給化學家和生物學家（偵查兵和游擊隊）暫時主要去描述性地研究。現(xiàn)在它已發(fā)展到一定時期，非生命物質(zhì)的堡壘即將被攻破，是它的大部隊大反攻的時候了。它可以從宏觀和微觀兩面夾擊，來研究生命現(xiàn)象了。第50頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日4.2.科學的統(tǒng)一與交叉學科 第51頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日物理學和自然哲學物理學在以前稱為自然哲學.物理學涉及自然的某些方面，它們可以通過一種基本的途徑，即依據(jù)一些基本原理和基本定律來加以理解.隨著時間的推移，不同的特殊學科從物理學中分了出來，形成自己的研究領(lǐng)域(典型的分化論).

38、在此過程中，物理學保持著它的本來面目:理解自然界的結(jié)構(gòu)和解釋自然現(xiàn)象。（其中必然包括生命現(xiàn)象） 第52頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日“物理學”(即英語里的“physics”)，最早始見于古希臘亞里士多德的物理學一書，這本“物理學是一門以自然界為特定對象的哲學。它不同于我們現(xiàn)在的物理學，但卻包括了現(xiàn)在的物理學，也包括化學、生物學、天文學、地學等等在內(nèi)，總之，涉及整個自然科學，它只研究自然界的總原理，是自然哲學” 。第53頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日從物理學的定義中，我們無法區(qū)分出化學和生物學。因為物理學所研究的物質(zhì)必然包括化學物質(zhì)和生命體

39、。只是它們的研究方法有所不同。所以我們可以將物理學回歸為自然哲學。第54頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日著名物理學家量子論的創(chuàng)始人普朗克認為：“科學是內(nèi)在的整體，被分解為單獨的部分不是取決于事物的本質(zhì)，而是取決于人類認識能力的局限性實際上存在由物理學到化學，通過生物學和人類學到社會科學的鏈條。這條環(huán)節(jié)在任何地方都不能割裂開來，除非憑個人的主觀臆斷。”科學因人對自然的認識而分化，科學也將因人的認識能力的提高以及人對自身的弱點的超越而達到統(tǒng)一?？茖W的統(tǒng)一普朗克第55頁，共64頁，2022年，5月20日，20點37分，星期日交叉學科在100多年里始終勃興的交叉學科，消除了各學科之間的脫節(jié)現(xiàn)象，填補了各學科之間邊緣地帶的空白，將條分縷析的學科聯(lián)結(jié)了起來，綜合運用多種學科的理論和方法研究復雜的客體，從而才真正能夠?qū)崿F(xiàn)科學的統(tǒng)一。 科學將在交叉學科的作用之下再次統(tǒng)一。