生物物理学概述.pdf

生物物理学 Biological Physics 是物理学与生物学相结合 的一门交叉学科 是生命科学的重要分支学科和领域之一 生物物 理学是应用物理学的概念和方法研究生物各层次结构与功能的关系 生命活动的物理 物理化学过程和物质在生命活动过程中表现的物理 特性的生物学分支学科 生物物理学旨在阐明生物在一定的空间 时 间内有关物质 能量与信息的运动规律 17 世纪 A 考伯提到发光生物荧火虫 1786 年 L 伽伐尼研究了肌肉的静电性质 1796 年 T 扬利用光的波动学说 色觉理论研究了眼的几何光学性 质及心脏的液体动力学作用 H von 亥姆霍兹将能量守恒定律应用于 生物系统 认为物质世界包括生命在内都可以归结为运动 他研究了 肌肉收缩时热量的产生和神经脉冲的传导速度 E H 杜布瓦 雷蒙德 第一个制造出电流表并用以研究肌肉神经 1848 年发现了休止电位 及动作电位 1895 年 W C 伦琴发现了 X 射线后 几乎立即应用到医学实践 1899 年 K 皮尔逊在他写的 科学的文法 一书中首次提到 作 为物理定律的特异事例来研究生物现象的生物物理和生物物理 学 并列举了当时研究的血液流体动力学 神经传导的电现象 表面张力和膜电位 发光与生物功能 以及机械应激 弹性 粘度 硬度与生物结构的关系等问题 1910 年 A V 希尔把电技术应用于神经生物学 并显示了神经纤维 传递信息的特征是一连串匀速的电脉冲 脉冲是由膜内外电位差引起 的 19 世纪显微镜的应用导致细胞学说的创立 以后从简单显微镜发 展出紫外 暗视野 荧光等多种特殊用途的显微镜 电子显微镜的发 展则提供了生物超微结构的更多信息 应用 早在 1920 年 X 射线衍射技术就已列入蛋白质结构研究 W T 阿 斯特伯里用 X 射线衍射技术研究毛发 丝和羊毛纤维结构 角蛋 白的结构等 发现了由氨基酸残基链形成的蛋白质主链构象的 螺 旋空间结构 20 世纪 50 年代 J D 沃森及 F H C 克里克提出了遗传 物质 DNA 双螺旋互补的结构模型 1944 年的 医学物理 介绍生物物理内容时 涉及面已相当广泛 包括听觉 色觉 肌肉 神经 皮肤等的结构与功能 电镜 荧光 X 射线衍射 电 光电 电位 温度调节等技术 并报道了应用电子 回旋加速器研究生物对象 物理概念对生物物理发展影响较大的则是 1943 年 E 薛定谔的讲演 生命是什么 和 N 威纳关于生物控制论 的论点 前者用热力学和量子力学理论解释生命的本质引进了 负熵 概念 试图从一些新的途径来说明有机体的物质结构 生命活动的维 持和延续 生物的遗传与变异等问题 见耗散结构和生物有序 后 者认为生物的控制过程 包含着信息的接收 变换 贮存和处理 他 们论述了生命物质同样是物质世界的一个组成部分 既有它的特殊运 动规律 也应该遵循物质运动的共同的一般规律 这就沟通了生物学 和物理学两个领域 现已在生物的各个层次 以量子力学和统计力学 的概念和方法进行微观和宏观的系统分析 生物的物理性质 20 世纪 20 年代开始陆续发现生物分子具有铁电 压电 半导体 液晶态等性质 生命体系在不同层次上的电磁特性 以及生物界普遍 存在的射频通讯方式 但许多物理特性在生命活动过程中的意义和作 用 则远没有搞清楚 比如几乎所有生物 体内的蛋白质都是由 L 型 氨基酸组成 而组成核酸的核糖又总是 D 型 为什么有这样的旋光选 择性 与生命起源和生物进化有何关系 就有待探讨 1980 年发现 两个人工合成 DNA 片段呈左旋双螺旋 人们普遍希望了解自然界有无 左旋 DNA 存在 1981 年人们在两段左旋片段中插入一段 A T 对 整 个螺旋立即向右旋转 能否说明自然界不存在左旋 DNA 呢 这种特定 的旋光性对生命活动的意义现仍无答案 根据生物的物理特性可以测 出各种物理参数 但是由于生命物质比较复杂 在不同的环境条件下 参量也要改变 已有的测试手段往往不适用 尚待技术上的突破 才 有可能进一步阐明生命的奥秘 生命活动的物理及物理化学过程 活跃在生物体内的基本粒子 目前研究到电子和质子 的研究 也是探索生命活动的物理及物理化学过程的一个主体部分 生物都是 含水的 研究水溶液中电子的行为 对了解生命活动的理化过程极为 重要 人们已经发现了生物的质子态 质子非定域化和质子隧道效应 等现象 因此需进一步开展量子生物学的研究 探索这些基本粒子在 活体内的行为 光合作用中叶绿素最初吸收光子只在 10 15 秒瞬间完 成 视觉过程和高能电离辐射最初始的能量吸收也都是瞬间完成的 这些能量在体内最初的去向和行为 从吸收到物理化学过程的出现 究竟发生了什么物理作用 这就需要既灵敏又快速的测试技术 生命 活动过程中过去不被注意的组分 包括甲基 酰基这样的基团 水分 子和金属离子 它们恰恰活跃地作用于大分子之间 在生物大分子相 互作用时 不仅是搭桥牵线以引发大分子的构象变化 而且它们自身 就参与结构和功能变化 如甲基化与神经传导 生物信号传递 基因 开关等均有密切关系 酰化作用 金属离子如钙 镁等的作用也早被 注意 在膜通道研究过程中 发现了钙和钙调素的作用 生物体内的 游离子 自由水 可以由氢键缔合成水化层 它不是结合水 但对生 物结构有关并参与生命活动 生物水既是质子供体 也是质子受体 因此水在生物体内决不是简单的介质 蛋白质在 56 左右变性 但 我们能在 70 以上的温泉中找到生物 人工培养的细胞保存在 190 解冻后细胞仍与正常态一样 这些生物体内水的结构状态是 怎样 如果能把这些极端状态的水的结构与性质阐明 将有助于对生 命规律的理解 生物在亿万年进化过程中 最终选择了膜作为最基本的结构形式 从通透 识别 通讯 到能量转换等各种生命活动几乎都在膜上进行 膜不仅提供场所 它本身也积极参与了活动 物理及物理化学技术的发展和应用 对生物大分子及大分子体系结构分析的有 近红外显微镜 反差大 生物材料无需染色即可观察 由于近 红外能量极小 因此基本上不损伤生物样品 对光敏系统如暗适应的 感受器细胞的观察就十分有利 有人预计有可能用来观察生活状态的 活样品 闪光 X 射线显微镜 每个脉冲为 60 毫秒 打在聚甲基异丁 烯酸甲酯薄膜窗口 由于所射出的是软 X 射线 23 44 埃 正是水透 明区 因此提供了可以进行水湿样品研究的条件 同步辐射中的软 X 射线对生物学研究将带来极大的好处 光散射显微镜 能测定细胞 的大小与形状 绝对灵敏度高达 0 01 0 1 微米 并且不怕杂质干扰 不需要样品制备直接提供信息 利用吸收超声能量后引起温度瞬间 变化来进行超声回声图象术进行诊断 用声学显微镜显示人染色体 样品在 188 液氮中由透镜记录到超声信号再转换成像 低角 X 射 线衍射研究活细胞 用钕玻璃激光光源 50 600ps 脉冲 聚集在 100 微米有机玻璃靶上 由于主要来自 15Cl 离子的 4 45 埃激光源 因此 有利于活细胞观察 核磁共振 研究生物大分子结合重金属离子后 结构变化 二价阳离子在膜结构与功能关系中的作用 盐菌紫膜光照 后内膜酸碱度变化等等 除了常用的 13C 31P 1H 等外还用 19F 测 定酶与底物的相互作用 用 2D 测定膜中的分子动力学 另一方面 二维核磁已可用来测定溶液中大分子内氢原子之间的距离 核磁成像 作为无损伤成像技术 将远优于超声的应用 在某些方面优于 X 射线 断层成像技术 此外如利用全反射衰减红外光谱观察水溶液中膜蛋白 及红细胞结构 拉曼差光谱测定肌红蛋白三级及四级结构 X 射线散 射研究溶液构像测定原子间短程涨落状态 如蛋白质 螺旋 510 埃 区域的动态变化 利用磁圆二色研究生物分子可以和荧光偏振 线性 圆二色互补测定高粘度下或非荧光分子样品 有时一种技术的出现将 使生物物理问题的研究大大改观 如 X 射线衍射技术导致了分子生 物物理学的出现 因此虽然技术本身并不一定就代表生物物理 但它 对生物物理学的发展是非常关键的 意义 农业方面 为防止环境污染 取代农药和化肥除考虑生物途径 主 要是微生物 外 更重要的是寻找作物生长的内在规律 根据作物本 身的物理或物理化学规律 来控制作物生长和能量的合理利用 例如 中国利用线粒体互补方法来揭示杂交品种是否有杂种优势 这就是利 用科学规律提出节省时间的育种方法 有些中国科学家提出线粒体中 电子传递途径的改变和调节有可能是多种方式的 这就为使更多的 C3 型植物能转化到代谢更有效的 C4 型开辟了道路 提高光合作用的 效率关键之一是如何控制暗反应中关键酶的活力 用物理方法暂时性 的抑制酶活力显然要比化学方法有利得多 细胞利用环境中饱和和不 饱和脂肪酸与温度有关 在 15 20 时利用油酸 而在 20 25 时 则主要利用亚油酸 从而提供了不同温度条件下控制作物能量转换途 径来提高作物的营养价值 70 年代末全球耗地为 1 5 109 公顷土地 其中盐碱地占 4 108 公顷 能否利用某些好盐菌来改良土壤 尤其 是具有视紫红质的好盐菌 借助它能将光能直接转换成化学能 是值 得考虑的 辐射育种 激光育种由于没有掌握生物物理规律 工作盲 目性较大 急待改进 以期获得更好效果 医学方面 X 射线断层照相 CT 超声 核磁成象能精确地进行肿 瘤定位等 电子成像 如利用同位素标记的脱氧葡萄糖 可以清晰地 显示出在休息 学习 听音乐 边学习边听音乐等情况下脑活动的不 同状态 表明脑在不同情况下代谢活动是完全不同的 这就是神经性 障碍的病患者的理想诊断方法 人工脏器或假肢等领域 如果不能首 先从生物体引出固有信号 然后使信号转换 再进行模拟是无法完成 的 工业方面 为实现工业改造中高灵敏度条件下小型化自动化 生物 原型 模板 是取之不尽的源泉 生物是个十分复杂的化工厂 无需加 温加压即以无比短暂的速度 全部自动化地合成与分解 几乎没有三 废需要处理 生物又是最精密的电子工厂 厂里零部件之小 灵敏度 精确度之高无与伦比 不仅全部都是自动控制 而且代偿性强 例如 螳螂的测速绝技 在 0 05 秒内测准掠过它眼前小虫的大小 方向 与飞行速度 的装置只是它的一对大复眼和颈部的本体感受器 生 物物理学把原型加以研究 然后进行数学模拟和电子模拟 先后制成 了电子蛙眼跟踪器 跟踪移动目标 水母风暴预报装置 高清晰度 的电视 仿鲎眼侧抑制原理 等 目前人们已开始探索以分子为元件 的计算机的可能性 一方面物理及物理化学技术的应用促进了 生物物理学的发展 另一方面技术在应用于生物对象时必须有所改 进 比如最早电子顺磁共振波谱仪 ESR 应用于生物材料 首先碰 到含水 恒温等问题 一般研究活物质的技术都要求满足 低能量 无损伤 小样品 短时间 最迫近生活状态等条件 这些条件难度都 较高 因此 生物物理学对技术的发展也有很大的促进 生物物理学 是研究活物质的物理学 尽管生命是自然界的高级运动形式 也仍然 是自然界 3 个量 质量 能量和信息 综合运动的表现 只是在生理 体内这种运动变化既复杂又迅速 而且随着生物物质结构的复杂化 能量利用愈趋精密 信息量愈来愈大 虽然难度很大 但从另一方面 看 研究活物质的物理规律 不仅能进一步阐明生物的本质 更重要 的是能使人们对自然界整个物质运动规律的认识达到新的高度 书籍摘要 介绍了生物物理学的定义 产生和发展的简史 研究内容 并指 出了物理学和生物学交叉的必要性和必然性 学科交叉是当前最富活 力的领域之一 科学的协同作用及相互激励作用逐渐被人们所认识 生命科学与医用生物物理学 物理学的交叉所形成的一门新的学科 生物物理学 日益受到 人们的关注 一方面 物理学在以往的年代对简单系统的研究已经积 累了十分丰富的经验 成熟的理论和先进的技术 生物是物 生物有 理 为了真正揭示生命过程的本质 深入掌握生命过程的基本规律 从而达到控制生物 改造生物的目的 生物学的发展离不开物理学的 理论和技术 另一方面 物理学研究宏观物质世界的核心问题 是从 基本的物质结构和相互作用出发 阐明种种复杂现象的由来和机理 人类所知的最复杂的物质存在和运动形式 莫过于地球上经过几十亿 年进化而形成的生命现象 生命物质和生命现象必定是 21 世纪物理 学研究的重要对象 生物物理学的定义 生物物理学的定义是生物物理学领域几乎每一本教科书都无法回 答的问题 许多课本中对什么是生物物理学几乎都只能含糊其词的而 没有给出正面的回答 生物物理学是那么一个领域没有明确的内容范 围 生物物理学还不是一个成熟学科 它的主要内容还不定型 生物 物理学只是个别生物物理学家按照他们自己的设想来规定的 等等 因此与其去讨论他的定义或者是强调它的定义 还不如用讨论物理科 学与生物科学之间的关系来明确生物物理学的概念 1 1 生物学和物理学 物理学和生物学互相促进 共同发展 物理学和生物学在两方面 有联系 一方面 生物为物理提供了具有物理性质的生物系统 另一 方面 物理为生物提供了解决问题的工具 生命科学是系统地阐述与 生命特性有关的重大课题的科学 支配着无生命世界的物理定律同样 也适用于生命世界 无须赋予生活物质一种神秘的活力 对于生命科 学的深入了解 无疑也能促进物理 化学等人类其它知识领域的发展 生命科学研究不仅依赖物理知识 它所提供的仪器 也依靠它所 提供的思想方法 生命科学学家也是由各个学科汇聚而来 学科间的 交叉渗透造成了许多前景无限的生长点与新兴学科 1 2 各种生物物理学的定义 关于生物物理学的定义 有许多不同的看法 现列举文献中或网 络上出现的四种定义 定义一 生物物理学是由物理学与生物 学相互结合而形成的一门交叉学科 它应用物理学的基本理论 方法 与技术研究生命物质的物理性质 生命活动的物理与物理化学规律 以及物理因素对机体的作用 定义二 生物物理学是生物学和 物理学之间的边缘学科 它用物理学的概念和方法研究生物各层次的 结构与功能的关系 以及生命活动的物理过程和物理化学过 程 定义三 生物物理学是物理学与生物学相结合的一门边缘 学科 是生命科学的重要分支学科和领域之一 生物物理学是应用物 理学的概念和方法研究生物各层次结构与功能的关系 生命活动的物 理 物理化学过程和物质在生命活动过程中表现的物理特性的生物学 分支学科 生物物理学旨在阐明生物在一定的空间 时间内有关物质 能量与信息的运动规律 定义四 生物物理学是运用物理学的 理论 技术和方法 研究生命物质的物理性质 生命过程的物理和物 理化学规律 以及物理因素对生物系统作用机制的科学 上面 的四个定义表述方法虽各有不同 但都认为生物物理学是一门生物学 和物理学相互作用的学科 也都是从生物物理学的研究对象上来阐述 其定义的 关于生物物理学属于生物学的分支还是物理学的分 支 一些生物学家认为他们研究生命现象时只是引入了物理学的理论 和方法 属于生物学的一个分支 但有些物理学家认为 研究生命的 物质运动 只是物理学研究对象由非生命物质扩展到生命物质 应该 属于物理学的分支 不同研究领域的学者处于不同的角度 也就有了 不同的定义 生物物理学的形成与发展 从 16 世纪末开始 人们就开展了生物物理现象的研究 直到 20 世纪 40 年代薛定谔 Schrdinger 在都柏林大学关于 生命 是什么 的讲演之前 可以算是生物物理学发展的早期 19 世纪末叶 生理学家开始用物理概念如力学 流体力学 光学 电学及热力学的知识深入到生理学领域 这样就逐渐形成一个新的分 支学科 许多人认为这就是最初的生物物理学 实际上物理学与生物 学的结合很早以前就已经开始 例如克尔肖 Kircher 在 17 世纪描述 过生物发光的现象 波莱利 Borrelli 在其所著 动物的运动 一书 中利用力学原理分析了血液循环和鸟的飞行问题 18 世纪伽伐尼 Galvani 通过青蛙神经由于接触两种金属引起肌 肉收缩 从而发现了生物电现象 19 世纪 梅那 Mayer 通过热 功和生理过程关系的研究建立了 能量守恒定律 本世纪 40 年代 医学物理 介绍生物物理内容时 涉及面已相当广泛 包括听觉 色觉 肌肉 神经 皮肤等的结构与 功能 电镜 荧光 X 射线衍射 电 光电 电位 温度调节等技术 并报道了应用电子回旋加速器研究生物对象 著名的量子物理学家薛 定谔专门作了 生命是什么 的报人体的生物物理学效应告中提出的 几个观点 如负熵与生命现象的有序性 遗传物质的分子基础 生命 现象与量子论的协调性等 以后陆续都被证明是极有预见性的观点 而且均得到证实 这有力地说明了近代物理学在推动生命科学发展中 的作用 20 世纪 50 年代 物理学在各方面取得重大成就之后 物理学实 验和理论的发展为生物物理学的诞生提供了实验技术和理论方法 例 如 用 X 射线晶体衍射技术对核酸和蛋白质空间结构的研究开创了分 子生物学的新纪元 将生命科学的许多分支都推进到分子水平 同时 也把这些成就逐步扩大到细胞 组织 器官等 为生物物理学的诞生 创造了生物学条件 成为微观生物物理学发展的一条主干 此外 信 息论 控制论 计算机科学技术 非线性科学的发展 还为生物物理 学的发展提供了数学工具和信息论基础 应用生物信息论与控制论 非平衡态热力学 非线性与复杂性等的研究从宏观角度对生命现象进 行了探讨 成为宏观生物物理学发展的基础 这两方面的结合使生物 物理学以崭新的面貌出现在自然科学 特别是生命科学的行列之中 成为一门需要较多数学与物理基础 研究生命问题的独立发展的边缘 学科 物理概念对生物物理发展影响较大的除了薛定谔的讲演还有N 威 纳关于生物控制论的论点 前者用热力学和量子力学理论解释生命的 本质引进了 负熵 概念 试图从一些新的途径来说明有机体的物质 结构 生命活动的维持和延续 生物的遗传与变异等问题 后者认为 生物的控制过程 包含着信息的接收 变换 贮存和处理 他们论述 了生命物质同样是物质世界的一个组成部分 既有它的特殊运动规 律 也应该遵循物质运动的共同的一般规律 这就沟通了生物学和物 理学两个领域 现已在生物的各个层次 以量子力学和统计力学的概 念和方法进行微观和宏观的系统分析 国际纯粹与应用生物物理学联合会 简称 IUPAB 于 1961 年建立 以后每 3 年召开 1 次大会 至今已成为包括 40 余个国家和地区的生 物物理学会 我国已于 1982 年参加了这个组织 从国际生物物理学 会成立到现在 虽然只有 30 多年的历史 但生物物理学作为一门独 立学科的发展是十分迅速的 美 英 俄 日等许多国家在高等学校 中设有生物物理专业 有的设在物理系内 有的设在生物系内 也有 的设在工程技术类的院校 目前发达国家均投入很大的力量致力于这 门学科的研究工作 我国开展生物物理科研与教学工作的历史更短 些 但发展较快 尽管许多方面与国外的进展有较大差距 但是由于 受到国家和科学工作者的重视 我们将会迅速地赶上去 生物物理学的研究内容和现状 3 1 生物物理学的研究内容 生物物理学研究的内容十分广 泛 涉及的问题则几乎包括生物学的所有基本问题 由于生物物理学 是一门正在成长着的边缘学科 其具体内容和发展方向也在不断变化 和完善 它和一些关系特别密切的学科 生化 生理等 的界限也不 是很明确 现阶段 生物物理的研究领域主要有以下几个方面 3 1 1 分子生物物理 分子生物物理是本学科中最基本 最重要 的一个分支 它运用物理学的基本理论与技术研究生物大分子 小分 子及分子聚集体的结构 动力学 相互作用和其生物学性质在功能过 程中的变化 目的在于从分子水平阐述生命的基本过程 进而通过修 饰 重建和改造生物分子 为实践服务 生物大分子及其复合物的空间结构与功能的关系是分子生物物理 的核心问题 自从 50 年代 X 射线衍射晶体分析法应用于核酸与蛋白 质获得成功 奠定了分子生物学发展的基础 至今已有 40 余年历史 在这段时期中 有关结构的研究大体上经历了 3 个主要阶段 晶体 结构的研究 溶液中生物分子构象的研究 分子动力学的研究 分子构象随时间变化的动力学 分子问的特异相互作用 生物水的确 切作用等是分子生物物理今后的重要课题 3 1 2膜与 细胞生物物理 膜及细胞生物物理是仅次于分子生物物理的一个重要 部分 要研究膜的结构与功能 细胞各种活动的分子机制 膜的动态 认识 膜中脂类的作用 通道的结构及其启闭过程 受体结构及其与 配体的特异作用 信息传递机制 电子传递链的组分结构及其运动与 能量转换机制都是膜生物物理的重要课题 细胞生物物理目前研究的 深度还不够 随着分子与膜生物物理的进展 细胞各种活动的分子机 制也必将逐步阐明 3 1 3 感官与神经生物物理 生命进化的漫长历程中出现了能对 内 外环境作出反应的神经系统 神经系统连同有关的感觉器官在高 等动物特别是在人体内已发展到了高度复杂的程度 其结构上的标志 是出现了大脑皮层 功能上大脑是最有效的信息处理 存贮和决策机 构 因此感官和脑的问题已经成为神经生物学注意的中心 研究的主 要问题有 离子通道 感受器生物物理 神经递质及其受体 神经通路和神经回路研究 行为神经科学 这是生物物理最早发 展 但仍很活跃的一个领域 特别应该指出的是目前 神经生物物理 受到极大重视 因为这是揭开人类认识 学习 记忆以至创造性活动 的基础 3 1 4 生物控制论与生物信息论 主要用控制论的理论与方法研 究生物系统中信息的加工 处理 从而实现调节控制机制 它从综合 的 整体的角度出发 研究不同水平的生物系统各部分之间的相互作 用 或整个系统与环境之间的相互作用 神经控制论和生物控制系统 的分析和模拟是其两个重点 3 1 5 理论生物物理 是运用数学和理论物理学研究生命现象的 一个领域 既包括量子生物学和分子动力学等微观研究 也包括对进 化 遗传 生命起源 脑功能活动及生物系统复杂性等宏观研究 目 前已从药物 毒物等简单分子逐步向复杂体系过渡 试图从电子水平 说明生命现象的本质 涉及各种生命活动的基础 但在方法上还必须 不断发展以适应需要 3 1 6 光生物物理 光生物物理是研 究光生物学中的光物理与原初光化学过程 即研究光的原初过程的学 科 主要研究问题有 光合作用 视觉 嗜盐菌的光能转换 植物光形态建成 光动力学作用 生物发光与化学发光 3 1 7 自由基与环境辐射生物物理 研究各种波长电磁波 包括 电离辐射 对机体和生物分子的作用机制及其产生效应的利用与防护 基础研究 主要内容有 自由基 电离辐射的生物物理研究 生物磁学与生物电磁学 3 1 8 生物力学与生物流变学 它的兴起是由于人们对认识生命 运动规律 保护人类健康 生物医学工程和生物化学工程的需要 主 要内容有 生物流体力学 生物固体力学 其它生物力学问题 生物流变学 其中血液流变学占主导地位 这是因为它与临床密切 结合 所以发展特别迅速 3 1 9 生物物理技术 生物物理技术在生物物理中占有特殊的地 位 以致成为该学科中不可缺少的一个重要组成部分 这是因为每一 项重要技术的出现常常使生物物理的研究进到一个新的水平 推动学 科迅速发展 X 射线衍射分析 核磁共振技术及常规波谱分析都是很 典型的例子 生物物理技术和仪器的另一重要任务就是根据研究课题 的需要设计新的仪器 如为了研究细胞膜上的脂和蛋白分子的侧向扩 散运动而设计的荧光漂白恢复技术 FPR 等 3 2 生物物理学研 究的现状 1 分子生物物理学是整个生物物理学的基础 也是当前研究的 重点 占主导地位 占 1 3 2 膜与细胞生物物理学是把分子生物物理学原理应用到生物活 体系的第一个目标 即用分子的语言描述膜与细胞的结构与功能 占 1 3 3 开展动态的 活体的检测与研究 发展相关检测技术 4 对更高的复杂层次的研究 如对视觉 脑和神经活动的研究 生命科学各个领域的研究中 几乎都需要生物物理学的参与 与此同 时 生物物理学自身也在不断发展 充实新内容 开拓新领域 物理学和生物学交叉的必要性和必然性 4 1生物学的发展需要引入物理学的思想和方法 物理学在生 物学领域的应用 不仅包括物理学技术 实验方法的应用 还包括物 理学理论和物理学思维方式的应用 是物理学在新的对象 生命体 上的应用 物理学从哥白尼及伽利略以来就逐渐明确它的特点而成为 一门精确而系统的科学 他的威力就在于它的精确性系统性 简练的 概括性的给出事物的基本原理和相互关系 而且能够从原理来指导实 践 早先人们努力致力于描述性科学 例如对于天体运动的描述 后来才发展成更精确的科学 例如牛顿运动定律的发现 现在的生 物学更多是处于描述性科学的阶段 它局限于叙述生命运动的现象和 事实 没有上升到理论指导实践的阶段 它现在还不是一个完备的科 学 它在解释一些根本的问题上 仅仅依靠描述现象来解释 是违背 科学的方法的 所以生物学有待运用物理学基本原理来解释生命的现 象和本质 进而成为一门精确而系统的科学 人们很早就对动植物的形态生理进行了记载和描述 从那时起就 产生了早期的生物学 随着生物学的发展 人们对生物学的研究已经 深入到了细胞和分子阶段 但仍然逃脱不了描述性的研究 他们能够 描述这些生物生理活动的现象 却不能说明产生这些运动变化的最基 本的原因 例如 对于细胞分泌蛋白质的过程 生物学家可以描述在 此过程中各种可能的膜交换途径 但是 是什么控制着膜性细胞器的 定向的流动 现在还没有人确切知道这个答案 这是细胞生理学中尚 未完全了解的奇迹之一 人们越来越认识到 要更深刻地理解复杂的生物系统 需要有一 种与物理学更密切整合在一起的定量生物学 分子生物学的许多内容 已经依靠物理学家发明的技术了 如核磁共振与 X 射线 但现在生物 学的数据更丰富了 它越来越需要那种作为物理学特点的分析和计算 方法 普林斯顿大学的第一位女校长 人类基因图谱破译的功臣雪莉 蒂 尔曼说 在生物学界人们越来越感到 我们需要认真考虑如何培养 下一代生物学家这一问题 她认为