x第八講生物物理學(xué)

第八講生物物理學(xué)

物理與生命系統(tǒng)間的思考心血管心血管系統(tǒng)像亞瑪遜河?蜿蜒而流細(xì)細(xì)綿長還是比較像一個(gè)輸配電系統(tǒng)電線到那兒開關(guān)就有電?心血管像河流般流動

如果以動量為傳輸之原動力，則血管之分支不宜有突然之彎曲。循環(huán)系統(tǒng)最好像一顆倒置的樹一樣，而心臟在樹根的位置，而且樹枝與樹幹間的相關(guān)位置不可移動。流量理論:(1)為何有心舒壓?為了流量之增大，主動脈之心舒壓應(yīng)為負(fù)值最好，而所有脊椎哺乳動物之心舒壓皆為正80mmHg左右。流量理論:(2)為何心跳為固定速率?:以流量之觀點(diǎn)，有動量既可。心跳率依生理代謝多寡變動，心跳不必固定速率。流量理理論:(3)主主昇動動脈為為何轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎180°?:心心臟打打出為為衝量量，經(jīng)經(jīng)過180°轉(zhuǎn)彎彎則動動量完完全消消耗。。在左左心室室中，，心臟由由肌肉肉收縮縮將血血液變變成衝衝量射射出。但轉(zhuǎn)彎彎180°以後後只有有2%呈動動能形形態(tài)。。流量理理論:(4)為何何血管管流入入器官官呈90°°?:90°°是將將動量量完全全無分分量之之角度度。但但腎動動脈、、脾動動脈、、氣管管動脈脈、胸胸動脈脈等進(jìn)進(jìn)入器器官之之動脈脈皆與與主動動脈呈呈90°，，表示示進(jìn)入入器官官之血血液，，不是是以動動量為為動力力。生生理上上希望望將動動量之之影響響降到到最低低。流量理理論:(5)為何何大動動物心心跳慢慢，小小動物物心跳跳反快快?:大動動物所所送血血量較較大，，流量量大，，則心心跳應(yīng)應(yīng)較快快，小小動物物體積積小，，所送送血量量亦少少，心心跳應(yīng)應(yīng)較慢慢，更更何況況與(體積積)1/3成反比要如如何解釋?流量理論:(6)動物物如何運(yùn)動動?:這是一個(gè)個(gè)極大的問問題。動物物都有循環(huán)環(huán)系統(tǒng)。如如果輸送血血流靠動量量，"動量量為向量"，我們一一舉手，一一投足都會會嚴(yán)重妨害害血液的循循環(huán)。我們們應(yīng)是不能能動的植物物才行。流量理論:(7)血管管中之動能能只佔(zhàn)2%動脈血管內(nèi)內(nèi)之位能佔(zhàn)佔(zhàn)98%。。如何靠靠僅餘的2%之能量量將血液輸輸送?98%在血血管壁上的的能量在做做甚麼?流量理論:(8)為何何微循環(huán)為為網(wǎng)狀?不論器官、、或穴道，，其小動脈脈皆成網(wǎng)狀狀。以流量量之觀點(diǎn)，，微循應(yīng)為為樹狀，而而不是網(wǎng)狀狀，因?yàn)榫W(wǎng)網(wǎng)狀使阻力力大增。共振理論:(1)為何有心舒舒壓?答:心舒舒壓之目的的至少有三三:1.提高高壓力以增增加彈性位位能，將血血管中之能能量由動能能轉(zhuǎn)換為位位能。2.此壓力充滿滿整個(gè)動脈脈血管網(wǎng)路路中，以維維持血液之之最低供應(yīng)應(yīng)量，充““氣”之情情形如氣球球一樣，在在任何有開開口的地方方，皆可釋釋出血液。。3.維持器官及及血管之彈彈性。以維維持各器官官及血管之之共振頻率率，以達(dá)成成阻抗為最最低之效率率。共振理論:(2)為何心跳為為固定速率率?答:每個(gè)個(gè)大血管皆皆有其共振振頻率，每每個(gè)器官也也有其共振振頻率。心心跳必須與與這些頻率率配合,其其阻力才小小。共振理論:(3)為何主昇昇動脈轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎180°?答:心心臟以收收縮的方方式產(chǎn)生生很大的的瞬間流流量。但但以流量量輸送是是阻力非非常大的的。所以以在主昇昇動脈以以180°之轉(zhuǎn)彎彎，將動動能轉(zhuǎn)化化為血管管壁上的的振動位位能。共振理論論:(4)為何血管管流入器器官前呈呈90°°?答:大動動脈是波波動能量量是輸送送的主幹幹。對分枝器器官而言言，連接接處之大大動脈脈，就像像心臟一一樣將壓壓力波送送進(jìn)器官官來。此90°°之轉(zhuǎn)彎彎，可將將流量之之影響降降到最小小，僅有有壓力波波可由大大動脈連連接處順順利傳入入。共振理論論:(5)為何大動動物心跳跳慢,小小動物心心跳反快快?答:大器器官之共共振頻率率低，小小器官官之共振振頻率高高。人的器官官是如此此，不同同動物也也一樣。大動物器器官也大大所以心心跳必須須慢，才才能維持持共振，，提高運(yùn)運(yùn)送效率率。共振理論論:(6)動物如何何運(yùn)動?答:在血血管壁上上的振動動是以位位能存在在的。位能不是是向量。而且此振振動方向向與血管管走向垂垂直，不不論血管管方向如如何改變變，血液液永遠(yuǎn)由由近心端端向遠(yuǎn)心心端輸送送。血壓波為為長波，，看不見見各處之之細(xì)節(jié)，，因而手手臂彎曲曲、彎腰腰等，都都只有輕輕微之影影響，不不致造成成血流中中止。共振理論論:(7)為為何微微循環(huán)為為網(wǎng)狀?答:網(wǎng)狀狀的血管管，相當(dāng)當(dāng)於大電電容(電電路)。配電器、、電壓穩(wěn)穩(wěn)定器都都要大電電容以吸吸引電壓壓波過來來。因?yàn)殡妷簤翰ㄒ彩鞘情L波，，看不到到細(xì)節(jié)，，必須以以大電容容，好讓讓電壓波波看到。。所以器器官及穴穴道，皆皆成網(wǎng)狀狀以吸引引血壓波波過來。共振理論論:(8)為何血管管中之動動能僅佔(zhàn)佔(zhàn)2%,位能佔(zhàn)佔(zhàn)98%?答:像在在高壓輸輸送線中中之能量量一樣，，位能佔(zhàn)佔(zhàn)多數(shù)，，電流佔(zhàn)佔(zhàn)少數(shù),以減少少阻力之之消耗。生物物理理學(xué)是應(yīng)應(yīng)用物理理學(xué)的概概念和方方法研究究生物各各層次結(jié)結(jié)構(gòu)與功功能的關(guān)關(guān)系，生生命活動動的物理理、物理理化學(xué)過過程，和和物質(zhì)在在生命活活動過程程中表現(xiàn)現(xiàn)的物理理特性的的生物學(xué)學(xué)分支學(xué)學(xué)科。生生物物理理學(xué)旨在在闡明生生物在一一定的空空間、時(shí)時(shí)間內(nèi)有有關(guān)物質(zhì)質(zhì)、能量量與信息息的運(yùn)動動規(guī)律。。17世紀(jì)紀(jì)考伯提提到發(fā)光光生物熒熒火蟲；；1786年伽伽伐尼研研究了肌肌肉的靜靜電性質(zhì)質(zhì)；1796年年揚(yáng)利用用光的波波動學(xué)說說、色覺覺理論，，研究了了眼的幾幾何光學(xué)學(xué)性質(zhì)及及心臟的的液體動動力學(xué)作作用；亥亥姆霍茲茲將能量量守恒定定律應(yīng)用用于生物物系統(tǒng)，，認(rèn)為物物質(zhì)世界界包括生生命在內(nèi)內(nèi)都可以以歸結(jié)為為運(yùn)動。。他研究究了肌肉肉收縮時(shí)時(shí)熱量的的產(chǎn)生和和神經(jīng)脈脈沖的傳傳導(dǎo)速度度；杜布布瓦-雷雷蒙德第第一個(gè)制制造出電電流表并并用以研研究肌肉肉神經(jīng)，，1848年發(fā)發(fā)現(xiàn)了休休止電位位及動作作電位。。1896年倫倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線后，，幾乎立即應(yīng)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)實(shí)實(shí)踐，1899年皮爾遜遜在《科學(xué)的的文法》一書書中首次提到到：“作為物物理定律的特特異事例來研研究生物現(xiàn)象象的生物物理理學(xué)……”，，并列舉了當(dāng)當(dāng)時(shí)研究的血血液流體動力力學(xué)、神經(jīng)傳傳導(dǎo)的電現(xiàn)象象、表面張力力和膜電位、、發(fā)光與生物物功能、以及及機(jī)械應(yīng)激、、彈性、粘度度、硬度與生生物結(jié)構(gòu)的關(guān)關(guān)系等問題。。1910年希希爾把電技術(shù)術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)經(jīng)生物學(xué)，并并顯示了神經(jīng)經(jīng)纖維傳遞信信息的特征是是一連串勻速速的電脈沖，，脈沖是由膜膜內(nèi)外電位差差引起的。19世紀(jì)顯微微鏡的應(yīng)用導(dǎo)導(dǎo)致細(xì)胞學(xué)說說的創(chuàng)立，電電子顯微鏡的的發(fā)展則提供供了生物超微微結(jié)構(gòu)的更多多信息。早在1920年，X射線線衍射技術(shù)就就已列入蛋白白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究究。阿斯特伯伯里用X射射線衍射技術(shù)術(shù)研究毛發(fā)、、絲和羊毛纖纖維結(jié)構(gòu)等，，發(fā)現(xiàn)了由氨氨基酸殘基鏈鏈形成的蛋白白質(zhì)主鏈構(gòu)象象；20世紀(jì)紀(jì)50年代沃沃森及克里克克提出了遺傳傳物質(zhì)DNA雙螺旋互補(bǔ)補(bǔ)的結(jié)構(gòu)模型型。1944年的《醫(yī)學(xué)學(xué)物理》介紹紹生物物理內(nèi)內(nèi)容時(shí)，涉及及面已相當(dāng)廣廣泛，包括聽聽覺、色覺、、肌肉、神經(jīng)經(jīng)、皮膚等的的結(jié)構(gòu)與功能能，并報(bào)道了了應(yīng)用電子回回旋加速器研研究生物對象象。物理概念對生生物物理發(fā)展展影響較大的的是1943年薛定諤的的講演：“生生命是什么””和威納關(guān)于于生物控制論論的論點(diǎn)；前前者用熱力學(xué)學(xué)和量子力學(xué)學(xué)理論解釋生生命的本質(zhì)引引進(jìn)了“負(fù)熵熵”概念，試試圖從一些新新的途徑來說說明有機(jī)體的的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、、生命活動的的維持和延續(xù)續(xù)、生物的遺遺傳與變異等等問題；后者者認(rèn)為生物的的控制過程，，包含著信息息的接收、變變換、貯存和和處理。他們認(rèn)為既然然生命物質(zhì)是是物質(zhì)世界的的一個(gè)組成部部分，那么既既有它的特殊殊運(yùn)動規(guī)律，，也應(yīng)該遵循循物質(zhì)運(yùn)動的的共同的一般般規(guī)律。這就就溝通了生物物學(xué)和物理學(xué)學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域。20世紀(jì)20年代開始陸陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生物物分子具有鐵鐵電、壓電、、半導(dǎo)體、液液晶態(tài)等性質(zhì)質(zhì)，發(fā)現(xiàn)生命命體系在不同同層次上的電電磁特性，以以及生物界普普遍存在的射射頻通訊方式式等等。但許許多物理特性性在生命活動動過程中的意意義和作用，，則遠(yuǎn)還沒有有搞清楚。1980年發(fā)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)人工工合成DNA片段呈左旋旋雙螺旋，人人們普遍希望望了解自然界界有無左旋DNA存在；；1981年年人們在兩段段左旋片段中中插入一段A-T對，整整個(gè)螺旋立即即向右旋轉(zhuǎn)，，能否說明自自然界不存在在左旋DNA呢？這種特特定的旋光性性對生命活動動的意義現(xiàn)仍仍無答案。根據(jù)生物的物物理特性可以以測出各種物物理參數(shù)。但但是由于生命命物質(zhì)比較復(fù)復(fù)雜，在不同同的環(huán)境條件件下參量也要要改變。已有有的測試手段段往往不適用用，尚待技術(shù)術(shù)上的突破，，才有可能進(jìn)進(jìn)一步闡明生生命的奧秘。。活躍在生物體體內(nèi)的基本粒粒子(目前研研究到電子和和質(zhì)子)的研研究，也是探探索生命活動動的物理及物物理化學(xué)過程程的一個(gè)主體體部分。生物物都是含水的的，研究水溶溶液中電子的的行為，對了了解生命活動動的理化過程程極為重要。。人們已經(jīng)發(fā)發(fā)現(xiàn)了生物的的質(zhì)子態(tài)、質(zhì)質(zhì)子非定域化化和質(zhì)子隧道道效應(yīng)等現(xiàn)象象，因此需進(jìn)進(jìn)一步開展量量子生物學(xué)的的研究，探索索這些基本粒粒子在活體內(nèi)內(nèi)的行為。光合作用中葉葉綠素最初吸吸收光子只在在一千萬億分分之一秒瞬間間完成，視覺覺過程和高能能電離輻射最最初始的能量量吸收也都是是瞬間完成的的，這些能量量在生物體內(nèi)內(nèi)最初的去向向和行為，從從吸收到物理理化學(xué)過程的的出現(xiàn)，究竟竟發(fā)生了什么么物理作用，，這就需要既既靈敏又快速速的測試技術(shù)術(shù)。蛋白質(zhì)在56℃左右變性性，但我們在在70℃以上上的溫泉中還還能找到生物物；人工培養(yǎng)養(yǎng)的細(xì)胞保存存在零下190℃，解凍凍后細(xì)胞仍與與正常態(tài)一樣樣，這些生物物體內(nèi)水的結(jié)結(jié)構(gòu)狀態(tài)是怎怎樣？如果能能把這些極端端狀態(tài)的水的的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)質(zhì)闡明，將有有助于對生命命規(guī)律的理解解。生物在億萬年年進(jìn)化過程中中，最終選擇擇了膜作為最最基本的結(jié)構(gòu)構(gòu)形式。從通通透、識別、、通訊，到能能量轉(zhuǎn)換等各各種生命活動動幾乎都在膜膜上進(jìn)行，膜膜不僅提供場場所，它本身身也積極參與與了活動。有時(shí)一種技術(shù)術(shù)的出現(xiàn)將使使生物物理問問題的研究大大大改觀。如如X射線衍衍射技術(shù)導(dǎo)致致了分子生物物物理學(xué)的出出現(xiàn)。因此雖雖然技術(shù)本身身并不一定就就代表生物物物理，但它對對生物物理學(xué)學(xué)的發(fā)展是非非常關(guān)鍵的。。生物物理學(xué)是是研究活物質(zhì)質(zhì)的物理學(xué)。。盡管生命是是自然界的高高級運(yùn)動形式式，也仍然是是自然界三個(gè)個(gè)量(質(zhì)量、、能量和信息息)綜合運(yùn)動動的表現(xiàn)。只只是在生理體體內(nèi)這種運(yùn)動動變化既復(fù)雜雜又迅速，而而且隨著生物物物質(zhì)結(jié)構(gòu)的的復(fù)雜化，能能量利用愈趨趨精密，信息息量愈來愈大大，使得研究究的難度很高高。但從另一一方面看，研研究活物質(zhì)的的物理規(guī)律，，不僅能進(jìn)一一步闡明生物物的本質(zhì)，更更重要的是能能使人們對自自然界整個(gè)物物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律律的認(rèn)識達(dá)到到新的高度。。生物物理學(xué)的的研究內(nèi)容主主要包括5個(gè)個(gè)方面。①①生命命物質(zhì)的物理理性質(zhì)。研究究發(fā)現(xiàn)，生物物分子具有鐵鐵電、壓電、、半導(dǎo)體、液液晶態(tài)等性質(zhì)質(zhì)，生命體系系存在不同層層次的電磁特特性，而且，，生物界普遍遍存在射頻通通訊方式。但但這些物理特特性在生命活活動過程中的的意義和作用用還在探索之之中。②生命活動的的物理及物理理化學(xué)過程。。研究生物體體內(nèi)的基本粒粒子（電子和和質(zhì)子）在水水溶液中的行行為，生物的的質(zhì)子態(tài)、質(zhì)質(zhì)子非定域化化和質(zhì)子隧道道效應(yīng)等現(xiàn)象象?；緦儆谟诹孔由飳W(xué)學(xué)范疇。生物物體內(nèi)的小分分子如甲基、、?；⑺址肿?、金屬離離子等活躍地地作用于大分分子之間，，不僅自身身參與結(jié)構(gòu)功功能變化，而而且引發(fā)大分分子構(gòu)象變化化。③生物大分子結(jié)結(jié)構(gòu)、構(gòu)象和和大分子間的的相互作用。。生物大分子子都是由小單單元聚合而成成，蛋白質(zhì)由20種氨基酸連接縮合而成成多肽，核酸則由5種堿基、戊糖糖和磷酸聚合合成單鏈或雙雙鏈。它們都具有有一定的盤曲曲折疊方式形形成空間三維維結(jié)構(gòu)，并且且在時(shí)間上隨隨著功能變化化而有不同的的動力學(xué)反應(yīng)應(yīng)。④大分子能量狀狀態(tài)和能量傳傳遞。能量是是一切生命活活動的原動力力。大分子的的能量狀態(tài)決決定于分子本本身的各種運(yùn)運(yùn)動——電子運(yùn)動、振振動和轉(zhuǎn)動。。分子在吸收收能量后，由由能量較低的的基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闉槟芰枯^高的的激發(fā)態(tài)，其其中的一個(gè)或或幾個(gè)電子由由配對狀態(tài)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)椴慌鋵Φ淖杂苫?。。激發(fā)態(tài)和自自由基都是相相對不穩(wěn)定的的高能狀態(tài)，，因此化學(xué)活活性很高，反反應(yīng)能力很強(qiáng)強(qiáng)，如生物體體內(nèi)的生物氧氧化、酶的催化作用、、光合與視覺覺過程等。關(guān)關(guān)于能量轉(zhuǎn)移移已有多種理理論，如共振振轉(zhuǎn)移、電子子轉(zhuǎn)移、質(zhì)子子轉(zhuǎn)移、激子子轉(zhuǎn)移、電荷荷遷移和絡(luò)合合物形成等，，但都只是假假說。⑤生物聚集態(tài)。。它由幾種生生物大分子形形成。研究較較多的是由核核酸和蛋白質(zhì)質(zhì)相互結(jié)合而而形成的核小小體以及由蛋蛋白質(zhì)和脂類類作為主要成成分的生物膜（片層結(jié)構(gòu)））。核小體是是含140個(gè)堿基對的DNA繞著非極性組組蛋白H3與H4的顆粒轉(zhuǎn)1.7圈的模型。生生物膜是由脂脂雙層鑲嵌著著蛋白組成液液態(tài)鑲嵌模型型，因此產(chǎn)生生膜的有序性性、流動性和和液晶態(tài)性質(zhì)質(zhì)。這些獨(dú)特特的物理性質(zhì)質(zhì)對于說明物物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞、細(xì)胞正常周周期活動和病病態(tài)過程中的的變化具有重重要意義。以上內(nèi)容的研研究都涉及到到分子內(nèi)原子子之間以及分分子之間的相相互作用力，，并且具有高高度特異性，，例如抗體與抗原的作用、藥物物與受體的作用等。作作用力決定大大分子本身的的能態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)及其變化。。作用力本身身又主要取決決于分子外圍圍的電子行為為，在一定程程度上也與原原子核有關(guān)。。生物物理學(xué)研研究離不開物物理及物理化化學(xué)技術(shù)的發(fā)發(fā)展和應(yīng)用。。如近紅外顯顯微鏡、閃光光X射線和光散射射顯微鏡，各各種光譜及波波譜技術(shù)如二二維及三維核核磁共振，X射線衍射（包包括低角、小小角衍射），，這些技術(shù)對對生物物理學(xué)學(xué)的發(fā)展非常常關(guān)鍵。生物物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)技術(shù)1953年DNA雙螺螺旋結(jié)構(gòu)的建建立(1962年諾貝貝爾生理及醫(yī)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng))人人克里克(FrancisHarryComptonCrick)、、沃森(JamesDeweyWatson)和威威爾金斯(MauriceHughFrederickWilkins)三個(gè)人中中,克里克和和威爾金斯是是物理學(xué)出身身,沃森是是研究生物學(xué)學(xué)的，他們的的成功是物理理學(xué)和生物學(xué)學(xué)結(jié)合的成果果。第八屆全國生生物物理學(xué)學(xué)術(shù)會議1998.5.17-22成都(1)分子生生物物理(2)膜與細(xì)細(xì)胞生物物理理(3)神經(jīng)生生物物理(4)生物物信息論與生生物控制論(5)理論生生物物理(6)環(huán)境和和輻射生物物物理(7)光生物物物理(8)生物力力學(xué)與生物流流變學(xué)(9)生物物物理儀器與實(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)(10)自由由基生物學(xué)與與自由基醫(yī)學(xué)學(xué)第九屆全國生生物物理學(xué)學(xué)術(shù)會議2002.5.29-2002.6.2大連連(1)分子生生物物理(2)膜與細(xì)細(xì)胞生物物理理(3)神經(jīng)生生物物理學(xué)(4)理論生生物物理(5)自由基基生物物理(6)光生物物物理(7)輻射射和環(huán)境生物物物理(8)生物力力學(xué)與生物流流變學(xué)(9)現(xiàn)代生生物物理方法法與技術(shù)生物物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)技術(shù)的內(nèi)容容很廣泛，但但我們這里主主要針對分子生物物理的實(shí)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，特特別是波譜學(xué)學(xué)技術(shù)。其它一些生物物物理方法，，如生物信息息學(xué)、生物控控制論、生物物力學(xué)方法等等，不在此范范圍內(nèi)。生物波譜學(xué)生物波譜學(xué)的的基本概念人從外界獲得得的信息主要要來源是視覺覺，眼睛看到到的是物體對對可見光的反反射透射和散散射等得到的的物體顏色形形狀等有關(guān)信信息?？梢姽夤馐请姶挪ǖ牡囊环N形式，，而其它形式式的電磁波經(jīng)經(jīng)物體的反射射散射和透射射，也能攜帶帶有關(guān)物體性性質(zhì)的信息。。這就是波譜譜學(xué)要研究的的內(nèi)容?？梢砸哉f，波譜學(xué)學(xué)是人眼睛的的擴(kuò)展，是科科學(xué)家觀察微微觀世界的眼眼睛。波譜：：其自自變量量是描描述入入射波波的某某種參參數(shù)(如頻頻率、、波長長、能能量、、波數(shù)數(shù)等)，因因變量量是樣樣品出出射光光的某某個(gè)參參數(shù)。。生物波波譜學(xué)學(xué)是研研究電電磁波波與生生物物物質(zhì)的的相互互作用用以及及如何何從這這種相相互作作用中中提取取有關(guān)關(guān)生物物分子子和細(xì)細(xì)胞的的信息息的學(xué)學(xué)科。。生物物物質(zhì)和和無機(jī)機(jī)物質(zhì)質(zhì)和有有機(jī)物物質(zhì)一一樣，，也是是由分分子組組成的的。分分子又又是各各種原原子組組成的的，原原子又又是由由原子子核和和電子子組成成的。。因此此生物物分子子也和和其它它有機(jī)機(jī)和無無機(jī)分分子一一樣，，可以以用波波譜學(xué)學(xué)方法法來研研究。。不同分分子組組成，，結(jié)構(gòu)構(gòu)不同同，決決定了了它們們不同同的性性質(zhì)和和生物物功能能。生物分分子區(qū)區(qū)別于于無機(jī)機(jī)分子子和有有機(jī)分分子的的顯著著特點(diǎn)點(diǎn)，是是其分分子量量大，，結(jié)構(gòu)構(gòu)復(fù)雜雜。因因此用用波譜譜學(xué)方方法研研究生生物分分子，，必需需注意意到生生物分分子的的特點(diǎn)點(diǎn)。生物波波譜學(xué)學(xué)方法法，包包括原原理、、儀器器和在在生物物學(xué)中中的應(yīng)應(yīng)用等等幾方方面的的內(nèi)容容;我們重點(diǎn)介介紹波波譜學(xué)學(xué)各種種生物物學(xué)應(yīng)應(yīng)用及及其依依據(jù)的的基本本原理理;不作原原理的的數(shù)學(xué)學(xué)推導(dǎo)導(dǎo)。電磁波波與物物質(zhì)的的作用用通常常有以以下幾幾種形形式:散散射，，吸收收，發(fā)發(fā)射和和衍射射(也也可列列入散散射)。光化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)是光光和物物質(zhì)作作用產(chǎn)產(chǎn)生的的化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)，我我們的的課程程不包包括這這部分分內(nèi)容容。研究步步驟和和內(nèi)容容(1)用用某種種電磁磁波與與樣品品相互互作用用。(2)通通過某某些參參數(shù)量量測樣樣品對對電磁磁波的的散射射，吸吸收和和發(fā)射射。熒光NMRX射線線衍射射(3)根根據(jù)測測得的的參數(shù)數(shù)進(jìn)行行解釋釋，得得到所所需的的生物物信息息。從波譜譜學(xué)方方法可可得到到的信信息(1)結(jié)結(jié)構(gòu)信信息:顯微鏡鏡：光光鏡(分辨辨率1左右右)，電電鏡(分辨辨率2nm左右右)，，掃描描隧道道顯微微鏡X射線線晶體體衍射射:優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，缺缺點(diǎn)CD，，熒光光，EPR，Raman，F(xiàn)ITR，，NMR...(2)動動力學(xué)學(xué)信息息:例如:動動態(tài)光光散射射，熒熒光偏偏振，，EPR、、PAT等等可測測膜流流動性性，包包括分分子整整體運(yùn)運(yùn)動和和分子子內(nèi)各各個(gè)部部分運(yùn)運(yùn)動動動力學(xué)學(xué)的信信息；；用波波譜學(xué)學(xué)方法法還可可以得得到生生化反反應(yīng)動動力學(xué)學(xué)的信信息。。(3)能能力學(xué)學(xué)信息息:各種能能力學(xué)學(xué)相關(guān)關(guān)的信信息，，如溫溫度、、配體體濃度度、pH值值、離離子強(qiáng)強(qiáng)度等等環(huán)境境因素素對生生物分分子的的影響響；生生物分分子的的解離離狀態(tài)態(tài)；生生物分分子與與配基基的結(jié)結(jié)合等等；可可用紫紫外/可見見，熒熒光，，CD，NMR等量量測。。(4)分分析信信息:即鑒定定某種種生物物物質(zhì)質(zhì)的化化學(xué)組組成，，濃度度等，，可用用紫外外/可可見，，IR，NMR，熒熒光(測濃濃度)等。。臺灣研研製成成功「「生物物環(huán)境境穿透透式電電子顯顯微鏡鏡」，，並並發(fā)現(xiàn)現(xiàn)物質(zhì)質(zhì)第五五態(tài)-酯膜膜結(jié)構(gòu)構(gòu)膠囊型型非電電池的的消化化器內(nèi)內(nèi)視鏡鏡「NORIKAv3」臺灣物物理學(xué)學(xué)研究究再度度出現(xiàn)現(xiàn)重大大突破破。臺臺大物物理系系副教教授趙趙治宇宇今天天宣佈佈研發(fā)發(fā)出世世界第第一臺臺能觀觀察活活體細(xì)細(xì)胞的的生物環(huán)環(huán)境穿穿透式式電子子顯微微鏡，並藉藉由顯顯微鏡鏡發(fā)現(xiàn)現(xiàn)物質(zhì)質(zhì)第五五態(tài)──酯膜膜結(jié)構(gòu)構(gòu)，推推翻物物理百百年傳傳統(tǒng)理理論，，未來來教科科書將將因此此改寫寫。臺灣研研製成成功「「生物物環(huán)境境穿透透式電電子顯顯微鏡鏡」，，並發(fā)現(xiàn)現(xiàn)物質(zhì)質(zhì)第五五態(tài)-酯膜膜結(jié)構(gòu)構(gòu)趙治治宇宇的的研研究究在在2004年年12月月第第二二期期出出刊刊的的《《物物理理評評論論通通訊訊》》發(fā)發(fā)表表，，不不僅僅被被學(xué)學(xué)者者評評為為很很有有機(jī)機(jī)會會贏贏得得諾諾貝貝爾爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)，，連連美美國國國國家家研研究究室室Argonne都邀邀請請他他前前往往技技術(shù)術(shù)指指導(dǎo)導(dǎo)。。臺臺大大校校長長陳陳維維昭昭表表示示，，未未來來醫(yī)醫(yī)學(xué)學(xué)院院將將與與趙趙治治宇宇合合作作，，利利用用能能看看到到活活體體細(xì)細(xì)胞胞的的顯顯微微鏡鏡，，觀觀察察水水分分子子如如何何滲滲透透入入肺肺部部卻卻出出不不來來的的動動態(tài)態(tài)，，有有助助於於肺肺水水腫腫的的醫(yī)醫(yī)療療研研究究。。甚甚至至連連AIDS、、SARS病毒毒如如何何入入侵侵細(xì)細(xì)胞胞膜膜，，可可以以藉藉由由動動態(tài)態(tài)觀觀察察產(chǎn)產(chǎn)生生突突破破性性進(jìn)進(jìn)展展。。趙治治宇宇表表示示，，生生物物環(huán)環(huán)境境穿穿透透式式電電子子顯顯微微鏡鏡不不但但能能實(shí)實(shí)際際觀觀察察水水分分子子以以滲滲透透方方式式進(jìn)進(jìn)入入蠕蠕動動的的細(xì)細(xì)胞胞膜膜，，他他更更發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)水水與與細(xì)細(xì)胞胞膜膜呈呈現(xiàn)現(xiàn)動動態(tài)態(tài)平平衡衡時(shí)時(shí)，，細(xì)細(xì)胞胞膜膜自自然然形形成成酯酯膜膜結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，與與傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的固、、液液、、氣氣、、液液晶晶四態(tài)態(tài)明明顯顯不不同同，，改改變變物物理理學(xué)學(xué)百百年年來來的的定定論論。。至於於何何謂謂液液晶晶？？趙趙治治宇宇說說，，液液晶晶是是介介於於液液態(tài)態(tài)與與固固態(tài)態(tài)間間的的第第四四類類，，液液晶晶具具有有柔柔性性排排列列結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，，不不像像固固態(tài)態(tài)分分子子的的排排列列規(guī)規(guī)則則，，也也不不像像液液態(tài)態(tài)分分子子的的雜雜亂亂無無序序，，像像精精液液就就是是液液晶晶。。若若就就分分子子間間位位置置的的相相關(guān)關(guān)係係程程度度，，液液晶晶大大於於液液體體狀狀態(tài)態(tài)，，但但如如不不像像固固態(tài)態(tài)。。趙治治宇宇進(jìn)進(jìn)一一步步表表示示，，研研究究更更發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)水水分分子子進(jìn)進(jìn)出出細(xì)細(xì)胞胞膜膜時(shí)時(shí)會會破破壞壞酯酯膜膜分分子子間間的的交交互互工工作作，，而而水水與與細(xì)細(xì)胞胞膜膜呈呈現(xiàn)現(xiàn)動動態(tài)態(tài)平平衡衡時(shí)時(shí)，，細(xì)細(xì)胞胞膜膜會會形形成成一一種種與與常常規(guī)規(guī)物物質(zhì)質(zhì)三三態(tài)態(tài)明明顯顯不不同同的的「「新新的的物物質(zhì)質(zhì)狀狀態(tài)態(tài)」」。。他他說說，，其其狀狀態(tài)態(tài)具具有有「「部部分分柔柔性性排排列列結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、、但但分分子子間間位位置置相相關(guān)關(guān)係係的的程程度度又又與與液液體體相相同同」」的的「「酯酯膜膜結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)」」，，可可以以說說是是介介於於液液體體與與液液晶晶間間的的新新物物質(zhì)質(zhì)狀狀態(tài)態(tài)。。生物環(huán)境穿透透式電子顯微微鏡是世界第第一臺，技術(shù)術(shù)領(lǐng)先其它地地區(qū)至少十年年。一般的電電子顯微鏡只只能觀察被染染色的切片或或冷凍後的切切片，並非活活體細(xì)胞；新新的顯微鏡則則可以完全呈呈現(xiàn)水分子及及其它病毒進(jìn)進(jìn)出細(xì)胞膜的的動態(tài)，結(jié)果果更正確客觀觀。在觀察活活體細(xì)胞的顯顯微鏡能運(yùn)用用在生活各層層面，未來甚甚至可運(yùn)用在在保養(yǎng)品研發(fā)發(fā)上，經(jīng)由觀觀察保養(yǎng)品如如何滲透入活活體皮膚細(xì)胞胞，更能確實(shí)實(shí)掌握保養(yǎng)品