物理科学与生命科学的关系.pdf

1992 年 第 2 期 松辽李刊 自然科学版 So n gliao j ournal Natu ral S c ien ee Editio n 嗽 2 1992 物理科学与生命科学的关系 刘秉正 东北师范大学 摘要 物理学与生命科学之问有着十分垂要的联系 过去有许多从事生命科学研究的人 对物理学的发展做出过许多重要的贡献 今天则有越来越多的物理学工作者在生命科学的研 究中做出了出色的贡献 本文就是企图在这方而作一扼要介绍 特别着重介绍在现代分子生 物学的建立和发展过程中物理学家所起的一些重要作用 以便从中看出这两门古老学科之间 的紧密联系 关键词 物理科学生命科学氨基酸 DNA 蛋白质 1 在古代 十五世纪以前 由于生产力和 技术水平所造成的人类认识的限制 自然 科学仅限于人们对 自然现象的直观观察和 描述 大多数可以称得上自然科学家的人 物都是各 种 自然现象的观察记录者 他们 关于自然现象的理论 除了少数外 大都是 一些臆说 因此古代很少有精于某一自然 科学学科的行家 天文数学除外 他们的 著作也多是百科全书式的博物志 如我国 的墨翟 公元前三四世纪 他和他的弟子创 立的学派的代表作是 墨子 淮南王刘安 公元前17 9 至公元前12 2 他和他的门客 们的集体著作是 淮南子 王充 27一约 97 著有 论衡 张华 232一30 0 著有 博 物志 沈括 103 1一1095 著有 梦溪笔 谈 洒方的亚里斯多德 公元前 3 8几一公 元前 32 2 古 希腊哲学家 和达 芬奇 14 52一1519 意大利科学家和艺术家 等 收稿日期 1988 一02一03 等 既然古代没有形成近代自然科学的各 种学科 当然也谈不上物理学与生命科学 之问联系的问题 十五U 上纪末到十六世纪 欧洲发生了 文艺复兴和宗教改 一苹 大大推动 了西方的 学术研究 达 芬奇 奇白尼 1473一1543 和马丁 跻德 14 83一15唾6 宗教改革的倡 导者 等就是这方面的先驱 十六世纪后半 期开始 由于布鲁诺 1548一160 0 宣扬哥 白尼学说 反对宗教统治的哲学家 培根 巧6 1一1626 英画哲学家 宣扬唯物主义 和实验科学 伽利略 156 4一164 2 意大利 物理学家 开 普勒 1571一163 0 德国天文 学家 哈维 1578一1 667 发现血液循环的 英国生理学家 牛顿 16仍一172 7 英国物 理学家 和莱布尼茨 1 642一1716 德国数 学家和哲学家 等人的出色工作 使近代自 然科学开始奠非并逐步形成 至十九世纪 像天文学 地质学 物理学 化学 生物学和 生理学等近代自然科学诸学科都已初具规 模 由于物质运动规律的内在联系 也由 于一些人兴趣广泛 有一些科学家涉猎多 个学科 一个人在几个方面对科学作出贡 献 特别是曾经有许多本来是从事生命科 学的科学家对物理学也做出了重大贡献 我们举出以下几个例子 吉尔伯特 W G i lbert 1540一1603 英国皇家医生 为 了研究哥白尼学说中关 于重体之间的相互引力 曾对磁体的相互 作用进行了大量的实验研究 写成了一本 题为 磁 磁 体和地球作为一个巨大磁体 的专著 在书中吉尔伯特对磁体的相互作 用作了较详细的描述并指出其与带电体相 互作用之间的异同 他首先提出了地球是 一个大磁体 可以说 吉尔伯特是西方磁学 研究的奠基人 虎克 R obe rt H o oke 1635一1702 英 国物理学家 在力学等方面做出了许多贡 献 如提出著名的虎克定律 他也是显微镜 的创制者之一 并用显微镜对许多物体进 行了观察 166 5 年虎克发表题为 放大镜 下微小物体的显微术或某些生理学的描 述 简称 显微术 在该书中他描述 了他 对软木组织的观察 他发现有许多由壁包 围的小室 并把这些小室命名为细胞 所以 虎克既是物理学家 也是发现细胞的人 伽凡尼 L u igi G a l v an i 1737一1798 意大利生理学家 178 0 年解 剖青蛙时 发 现用铜钩钩住青蛙腰部挂在铁栏杆上 每 当蛙腿与栏杆接触时 腿就收缩 伽凡尼由 此得出结论 动物电引起肌肉收缩 这种电 电流 与摩擦产生的静电不同 伽凡尼这 一发现引导伏打发明了电池 使人类开始 了对电流的研究 杨 T h o z n a s Y o u ng 2773一182 9 英 国医生 但在许多方面均有造诣 17 93 年 发表的 对视觉过程的观察 中首先正确指 2 出 眼睛对不同距离物体的调节 是靠改变 水品体的曲率实现的 从此他对光的本质 及其他物理问题有 了兴趣 著名的杨氏双 缝实验 首先为光的波动说提供了实验证 明 杨对固体的形变也很有研究 所谓杨氏 模量就是因他而得名 布朗 R o be rt Brow n 1773一1858 英国植物学家 18 27 年布朗在研究菌类抱 子在水中的运动时 发现了它们的不规则 运动 在排除了这是由于粒子可能的的生 命过程和本身热运动后 布朗得出结论 微 粒的不规则运动是由于液体分子碰撞的结 果 从而这种运动便被取名为布朗运动 它 可算是分子运动的最早的实验根据之一 泊肃叶 J Poise ul l e 1778一1869 法 国内科医生 在研究血的粘滞性时 建立了 粘滞流体中有名的泊肃叶公式 迈尔 J L lit 5 R obert Maye r 18 14一 1878 德国医生 据其本人称 184 年他 在一艘船上当医生航行到印尼时 他发现 病人的静脉血在热带比在较冷地方要红些 此现象确否仍待考 迈尔认为这是由于 新陈代谢快慢的不同 而新陈代谢维持人 的体温和活动又靠食物的摄取 迈尔推论 热 功和能 之间存在一定的关系 1842 年 他明确指出 能量是 不可灭的可转化的实 体 因此一般普遍认为迈尔是能量守恒定 律这一自然科学中最重要的普遍规律的建 立者之一 赫 姆 霍兹 H e rma n n V o n Hel m o holtz 1821一189魂 原是 德国的 生理 学 家 后又任物理学教授 由于赫姆霍兹在生 理解剖方面特别是在耳和眼的生理解剖和 工作机理方面的成就 以及他在物理学的 许多成就 使他成 为既是一位伟大的生理 学家 又是一位伟大的物理学家 赫姆霍兹 的重要成就有 1 发明共鸣器并对声音进 行频谱分析 指出声音具有强度 音调和音 色诸要素和乐音与噪音的区别 指出耳的 听觉机理 等等 可以说 赫姆霍兹是物理 声学和生理声学的奠基人 2 关于 眼的视 觉原理的分析和发明检眼镜 3 成功地测 出蛙神经冲动的 电传导速率为2 7一3 0米 秒 4 参与能量守恒定律 的建立并最先研 究了各种形式的能量表述形式 1848年 此外 赫姆霍兹在热力学 如提出赫姆霍兹 自由能 和电磁学等方面也都有许多建树 2 十九世纪后期开始 科学技术发生了许 多新的飞速进展 物理学发现了放射性和 电子 逐步搞清楚了原子结构并建立了以 相对论和量子论为理论基础的近代物理 物理学的这场革命也 推动了其他 自然科 学 如在化学方面使得元 素周期表得以日 臻完善 化学热力学 电化学和量子化学等 得以建立 从而使人们对分子结构和物质 的性质了解得更透彻 物理学和化学的进 展又为生命科学的发展和它的进入分子水 平创造了条件 另一方面 伴随着自然科学 发展而发展建立起来的辩证唯物主义思想 自觉不自觉地对一些科学家起 着指导作 用 使人们越来越认识到物质世界是一个 统一整体 物质的各种运动形态是互相联 系互相影响的 生物体中各种复杂运动包 含着大量的物理和化学过程 这样就使许 多有真知卓见的生命科学家重视了用物理 的和化学的理论和手段去研究生命科学 如德国生理学家洛伊布 J aec ltLos I Jo ob 18 38一1924 就提出所有生命现象都可以 通过实验分析而还原成物理和化学规律 英国著名生理学家谢灵顿 C 5 S h e rr i n g ton 1857一1952 1922 年诺贝尔生理和医 学奖获得者 用电刺激方法对神经冲动进 行了细致的研究并提出了 神经系统的整 体作用 美国生理学家亨德森 L 工Hc n de r so n 1878一194 2 更明确地认为生命系 统都是按物理和化学规律运动并都具有 自 我调节的能力 他的关于血液研究的名著 的标题 就是 作为物理一化学系统 的血 液 由于用物理和化学方法研究生命科学 逐渐为人们所重视而且取得了巨大成就 所谓生物化学和生物物理这样的边缘学科 也就逐步形成发展起来 它们的建立使生 命科学的面貌为之一新 使人们对生命现 象的了解从过去主要是唯象的观察和描述 深入到机理的探讨和分子水平的认识 所 用的观察测试手段也日臻精确完善 但是正由于物理学在本世纪经历的是 一场革命和不断的飞速发展 一贯埋头于 研究生命现象的科学家即使重视运用物理 学规律研究生命科学 但他们所能掌握的 物理学往往只是比当时早一二十年甚至更 长时问的 内容 这使他们在物理理论和方 法的深入掌握上难免受到或多或少的限 制 只有受过较深入的物理训练或化学训 练的人参加到生命科学研究的行列才推动 了它的现代化 特别是才能深入到分子水 平 分子遗传学和分子生物学就是在许多 杰出的物理学家和化学家参与下建立起来 的 下面我们着重就一些物理学家 其中鲍 林是理论化学家 在这方面的活动作一简 要介绍 玻尔 N i ols B O I r 18 85一1962 这是 大家熟知的丹麦物理学家 他创建了著名 的哥木哈根物理研究所 他所倡导的自由 活跃的学术空气培养薰陶了一大批国际第 一流的物理学家 玻尔对生命科学也很感 兴趣 1932年他发表了著名的 光和生命 的演讲 他强调应该用新的概念和新的方 法研究生命现象 特别是物理学和化学方 法的重要 玻尔正确地指出 这种研究不能 局限于把生命体分解为其各组成部分 而 应把它作为整体来对待 玻尔还试图把量 子力学中的不确定性 测不准关系 和并协 3 原理应用于生命科学 1962年海森堡也作 了类似的分析 德尔布吕克 M ax D olbroek 19 06一 19 81 原德国物理学家 二十年代末曾在 哥本哈根研究所工作 在玻尔的影响下 他 对当时蓬勃 发展 的遗传学很有兴趣 从 1932年起 德尔布吕克与医学工作者齐默 尔和当时在德国的苏联遗传学家戚莫菲也 夫经常在一起探讨遗传学问题 193 5 年他 们首先指出 X 射 线引起 生物的突变是在 十来个原子范围内进行的过程 即作为遗 传物质的基因是分子水平上的实体 而不 是大量分子的组合物 德尔布吕克放弃作 为核物理学家梅特涅助手的机会 于1937 年从 德国到美国加州理工学院 参加了著 名遗传学家摩尔根领导的遗传学研究小 组 但是德尔吕克不满足于 以摩尔 几根 为代 表的经典遗传学派的工作 他认为经典遗 传学只是 围绕着遗传学的边缘细咬 而不 是力 图触及遗传学的靶心 指遗传的分子 本质 笔者注 德尔布吕克开始从事 以 比 已知生物的结构远为简单但 具有自 我复制 遗传 本领而且便于分离处理的噬 菌体 侵袭细菌的病毒 为主要对象的遗传 学 研究 并逐渐 形成以他 卢里亚 5 Lu ria 1912一 和赫尔希 T H orsl y 1908一 三人为首的遗 传学的噬苗体学 派 他 们于 1943年证明病毒的荃因也可以 发生突变并发现了基因重组现象 他 们三 人以此共享了 1969年诺贝尔生理和医学 奖 1952 年赫尔希与其学生蔡斯又通过对 噬菌体的研究明确证实了真正的遗 传物 质 德尔布吕克他们三人不仅自己在遗传 学领域中进行了开创性 的工作 而且 还培 养和影响了一大批 出色的科学家 如诺尔 贝奖获得者沃森等人 为分子遗传学的建 立和发展做出重要贡献 薛定 愕 E rw in Sohroding o r 1887一 4 19 6 1 这也是大家熟知的量子力学奠基人 之一大概是在德尔布吕克工作影响下 他 在四十年代开始对生命科学发生了兴趣 1943 年薛定愕在爱尔兰的都柏林三一学 院发表了著名的 生命是什么 的演讲 1944 年又将它 出版了小册子 正标题是 生命是什么 副标题 是 活细胞的物理 观 中译本 1973 年由上海人民出版社出 版 这本小册子的中心思想是 基本的生 物学问题可以用精确的概念 即用物理学 和化学的概念来考虑 当前物理学和化 学在解释这些事件时明显的无能为力 决 不能成为怀疑这些事件可以用物理学和化 学来解释的理山 薛定愕也确实提出了这 方而的一些创见 比如 1 首先提出了遗传 密码的概念 薛定愕赞同德尔布吕克等提 出的遗传纂因是分子水平的 他认为这种 生物大分子可看成非周期性 晶体 其同分 异钩使决定着不同的遗传密码 这种观点 现现在己被证 明是正确的 即 D NA 中四 种碱荃的不同排列就是遗传密码 2 基因 的相对稳定 产性是由于 作为遗传密码载体的 生物大分子 即D N A 要实现同分异构转 变必需一定的闹能 常温下热运动极难使 生物大分子获得超过此阀值的能量沼 突 变相当于量子跃迁 X 射线等引起突变是 由于它 们在生命体上激发出次级 电子 这 些次级电子再间接使作为遗传基因的大分 子获得超过闹位的能量而实现了同分异构 的转变 量子跃迁 4 生命体处于非平衡 态 它们是靠外界供给负摘 流 而现实有 序的 六 幸定愕的这些创造性分析和论断 以后都得到发展和证实 深刻地影响着许 多科学家的研究工作 如比利时化学家兼 物理学 家普里高津 I P r igo gi n e 1 9 1 7一 1977年诺贝尔化学将获得者 的耗散结构 理论就是薛定愕所 一 说的负嫡引起有序理论 的发展 许多物理学家乃至生命科学家 如 沃森 就是在薛定愕这本小册子思 想启发 下进行工作 而在生物物理特别是分子生 物学方面做出了重要贡献 无怪乎一位遗 传学家称 生命是什么 一书是 唤起生物 学革命的小册子 鲍林 L i nus p auling 190 1一 1954 年 诺贝尔化学奖和 1962年和平奖获得者 杰出的理论化学家 在量子化学和分子生 物学方面都做出了重要贡献 1 三十年代 中期鲍林就开始把化学键理论应用于蛋白 质结构的分析 他和他的合作者证明了蛋 白质大分子是氨基酸用共价键 肤键 连接 而成 的长键 氨基酸侧而又靠氢键互相结 合成环状 这就使整个蛋白质分子具有螺 旋折迭构型 这种构型已为X射线衍射分 析所证实 2 1949年鲍林及其合作者用电 泳法证明一种叫镰细胞贫血症的遗传病患 者的血红蛋 白结构和正常人的有差异 他 们认 为这种差 异是 由于氨墓酸的差别所 致 1957年英格拉姆 V M I n g r Ln 一 i正实 了镰细胞血红蛋白与正常血红蛋白确实兼 一个氨基酸 这一个氨基酸之差就足 以使 血中氧分压低时患者的血红蛋白不能把氧 输送到全身而且影响到下代 3 关于标志 分子生物学正式诞生的 DNA 双螺旋结构 的建立 虽然其主要功绩属于沃森和克里 克 见下面 但鲍林也是在同时进行这一 研究并逐步逼近正确结果 而他关于蛋白 质分子中存在各种不同键 特别是其中氨 键的作用 是引导沃森和克里克分析 DN八 结构的重要启示 此外 沃森和克里克的结 果公布后 鲍林立即纠正了其中个别错误 因此许多科学家普遍认为 虽然沃森 克里 克和威尔金斯 M Wilki ns 1916一 与M 富兰克林一道对核酸进行X射线结构分 析 以此共获 1962年诺贝尔生理和医学 奖 但同时不能忘记鲍林和富兰克林 1985 年去逝 在这方面的功绩 克里克 F ra ieis Criek 1916一 原 是物理学研究生 二次大战期间在英国海 军部从事防水雷的研究 战后克里克在 生 命是什么 的影响下决心从事生物大分子 结构分析工作 在剑桥他与沃森相遇 由于 志同道合 两人合作开展了D N A结构的 研究 经过几年努力和其他人的协助配合 他们终于在 195 3 年肯定了DNA的双螺 旋结构 不久他们又提出作为遗传密码载 体的D N A分子复制 1957 年克里克又提 出遗传密码转录过程中的中心法则 因此 克里克也是一位山物理学工作者转变为出 色的分子生物学家的典范 伽莫夫 G oorge G amo w 1904一 196 8 俄国出生的美国物理学家 在核物 理和天体物理力 一面 有 许多杰 出成就 当 D N A双螺旋结构确立后 自然要提出如何 破译遗 传密码的问题 即DNA中四种不 同的碱纂如何决定蛋白质中2 0种不同的 氨越酸 如果征一种碱基决定一种氨基酸 则只可能有四种不同的氨基酸 这显然是 不对的 如果每两个碱基的排列决定一种 氨 墓酸 也只有有16 一4 种氨基酸 还 是比实际数 2 0种 少 如果每三个碱基的 排列决定一种氨荃酸 就会有6 4 4 3 种 氨墓酸 比实际数又多很多 四种碱基的不 同排列数 4 一 256 自然更多 伽莫夫于 1954就首先提出分析解决此问题的途径 他巧妙而简单地把星子力学中简并态的概 念应用到这个遗传密码问题上来 他认为 是三个碱基的排列 三联体 决定一种氨基 酸 但存在着简并密码 即可能有几个不同 的三联体属于同一密码 决定同一种氨基 酸 这样就可以使 64 种三联体决定2 0种 氨酸 尽管山于受当时人盯1对实际了解的 限制 伽莫夫理论中的DNA本身直接就 是 蛋白质合成的模板是错误的 实际是 DN八通过信使核糖核酸m R NA 决定氨基 5 酸 但他的总的思想是正确的 即确实存 在简并密码 使6 4种三联体决定 2 0种氮 基酸 这样的遗传密码表今天都己排定了 因此可以说 作为物理学家的伽莫夫 为遗 传密码的破译立了首功 吉尔伯特 W alte r Gil b e rt 1932一 美国人 原来在哈佛和剑桥攻理论物理 1957 年获物理学博士学位 六十年代转向 与沃森合作研究分子生物学 由于在分析 确定D NA碱基顺序和拼接技术 遗 传工 程 方面的重要贡献获1 98 0年诺贝尔化学 奖 以后又负责组织B ilg e n 基因拼接公司 致力于遗传工程的应用 以上我 们就四 五十年来一些物理学 家在生命科学方面的突出贡献做了介绍 应当指出 这些成就的取得白然都是建立 在大批生命科学家工作基础上 或者是与 许多生命科学家合作才实现的 此外 我们 的介绍是很不全面的 我们主要是介绍一 些指导思想和有关分子生物学方而的工 作 而没有涉及大批物理学家和精通物理 学和化学的生物学家或化学家在生物理方 面的成就 在这里我们也可以注意到学术研究中 这样一个教训 在分子生物学和分子遗传 学研究的初期 三 四十年代 存在着三大 学派 信息学派 以德尔布吕克和薛定愕为 代表 结构学派 著名的品体物理学家布 喇格父子及其周围的阿斯特伯里 佩鲁茨 和肯德鲁等 和生化学派 他们共同努力 互相影响和取长补短而不是互相排斥 才 使得分子生物学取得迅速发展并得以建 立 而且这主要是在美国和英国 部分在法 国 实现的 本来 在二 三十年代苏联在生 物学和遗传学也有很好的基础 出现过一 些杰出的学者 但由于苏联李森科等人的 学阀专制以及政策上的失误 这在四十年 代后期发展到项峰 使得分子生物学和分 子遗传学的研究在苏联基本上无人敢间 津 从而苏联在这方面处于空白状态长达 三十之久 我国在建国初期由于学 习了苏 联这种瞎批判风和盲目崇尚李森科 使我 们在分子生物学方而毫无建树 对西方也 是望尘莫及 六十年代开始情况才有所变 化 由此可见 在学术研究上 百花齐放 百 家争鸣方针和排除学阀的民主精神是等重 要 3 生命现象是极其复杂的现象 生命体绝 不是其各组成部分的化学系统或物理系统 的简单总和 据此 从1 9世纪以来 曾经有 许多学者认为 不能把生命科学还原为物 理学或化学 然而笔者认为 生命体作为一个复杂 的有机的整体 把生命现象简单地全部归 结为物理过程或化学过程固然是错误的 还原论和机械化 但生命体毕竟是由分 子和原子所组成 而原子和分子的结构和 运动必然要服从物理学和化学的规律 因 此用物理学和化学的规律分析生 一 命体活动 规律不仅是可能的 也是完全应该的 间题 在于 1一定要以辩证唯物 主义思想作指 导 充分考虑各方而因素的相互影响和制 约 比如 生命科 学中常用的离体 i n v 沂 实验 可以使人们得到许多关于生命 现象的知识 因为它没有体现活的生命体 各部分之问的相互制约 所以通常应尽可 能地进行一些活体 i n v i v o 实验 还应看 到 生命体作为无数不同类型分子的聚合 休 其内部运动必然存在有随机性 机械决 定论自然往往是不适用的 因此我们既应充分运用物理学和化学 理论分析生命现象 又要注意不把它们绝 对化 还要把近三四十年来发展建立的控 制论 信息论和系统论等诩到生命科学 中 来 2 物理学自身也在经历着不断的进展 和革命 十九世纪还有人怀疑原子的存在 原子结构和运动规律的理论 量子力学 出现在本世纪二十年代 其对分子的正确 分析 量子化学 是在随后的一 二十年 量 子生物学的出现则更晚一些 显然 人们不 可能在没有这些理论时用经典物理理沦能 对生命现象有正确认识 其他物理学 如电 磁学和非平衡态理论等 的进展也都必须 充分考虑 诚如薛定愕所说 我 们不必 因 为物理学的普遍定律难以解释生命而感到 沮丧 因为根据我们对生命物质结构的了 解 这正是预料中的情况 我们必须准备去 发现在生命物质中占支配地位的新的物理 学定律 量子 生物学 统计物理 包括非平 衡态理论 等不正是属于 新的物理学定 律 的范畴吗 如没有量子理论的建立和把 它应用于生命现象 就不会有今天的分子 生物学 也无法搞清楚光合作用的本质 近 一二十年来一些物理学家和化学家把非平 衡态理论中的耗散结构理论和混沌理论用 于分析生物学中的一些问题 使人们对某 些 生命现象逐步有了更深入更本质的了 解 当然 物理学自身还在不断的发展 还 会不断出现分析生命现象的其他 新的物 理学定律 又比如 过去认为神秘的纯生命过程 的遗传规律 用经典的生物学以至经典的 物理化学方法 如摩 尔根的观点和方法 只能了解其一 些唯象规律 这当然也需 要 只有在许多物理学家和化学家直接参 预下 运用布喇格父子发明的X射线衍射 分析和用刚发展起来的量子理沦进行理沦 预测和分析 人们才终于知j亘了遗传物质 的载体是分子 是 DNA 而不是蛋白质 并 测出了其结构 进而掌握了遗传密码的秘 密 目前还要利用这些规律和技术 遗传工 程 为人类服务 再如神经活动 其奥妙复杂及对生命 过程的重要性 被人们认为是现时代与遗 传密码并列的生命科学中又一最重要问 题 现在它的奥密也正在逐渐揭开 首先 英国生物物理学家霍奇金 A L He d gk i n 1914一 二次大 战期 间的雷 达工 作 者 和赫骨黎 A F H x l oy 一917一 于 1952年用当时先进 的电学和化学方法揭 示出神经冲动的电本质 神经冲动是 由于 轴突电位的变化及