第八十八章番外26

生物物理学

物理分支学科

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审阅专家 胡芳碧

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，是生命科学和物理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。

中文名

生物物理学

外文名

Biological Physics

概述

物理学与生物学相结合的交叉学科

发展简史

17世纪A.考伯提到发光生物萤火虫

生命活动过程

发展和应用 意义

快速

导航

研究内容发展和应用意义定义任务研究领域

发展简史

17世纪A.考伯提到发光生物萤火虫。

贝时璋，中国生物物理学奠基人

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。

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。[1]

研究内容

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。

活跃在生物体内的基本粒子（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（见生物膜）。[2]

发展和应用

对生物大分子及大分子体系结构分析的有：

①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；

②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；

③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；

④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；

⑤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；

⑥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α-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。[1]

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。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。[1]

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。[2]

任务

生物物理学的不断发展和完善，一定会极大地促进生命科学的发展，并将带来对于生命现象的本质新的突破。二十一世纪是生命科学的世纪，更是学科交叉、科学走向统一的世纪。新的世纪留给生物物理学的任务有：

⑴发掘非平衡开放系统特性的主要规律，也就是找出生命的热力学基础

⑵从理论上解释进化和个体发育的现象。

⑶解释自身调节和自我复制的现象（自组织现象）。

⑷从原子、分子水平上揭露生物过程的本质也就是找到活跃在细胞内的蛋白质、核酸及其他物质的结构和生物功能的联系；此外，还要在研究生命体在更高的超分子水平上、在细胞的水平上及在构成细胞的细胞器的水平上的物理现象。当然，这些都需要化学的帮助与支持。

⑸设计出研究生物功能物质及由这类物质构成的超分子结构的物理方法和物理化学方法，并对利用这种方法所得到的结果提供理论解释。

⑹对神经脉冲的发生和传播、肌肉收缩、感觉器官对外部信号的接收及光合作用等高度复杂的生理现象，提供物理的解释。

⑺解释怎样由物质形成了意识。[1]

研究领域

生物物理学研究 Biophysics 是一本关注生物物理学领域最新进展的国际中文期刊，由汉斯出版社发行。主要刊登生物物理学领域最新技术及成果展示的相关学术论文。支持思想创新、学术创新，倡导科学，繁荣学术，集学术性、思想性为一体，旨在为了给世界范围内的科学家、学者、科研人员提供一个传播、分享和讨论生物物理学领域内不同方向问题与发展的交流平台。[2][2]

研究领域：

生物物理学

生物信息论与生物控制论

理论生物物理学

感官与神经生物物理学

生物声学与声生物物理学

生物光学与光生物物理学

生物电磁学

生物能量学

低温生物物理学

分子生物物理学与结构生物学

空间生物物理学

理论生物物理

理论生物物理（theoretical biophysics）是理论物理和生物学的交叉学科。生物物理学是运用物理学的原理与方法研究生物问题的交叉学科。包括分子生物物理、细胞和膜生物物理、感觉和神经生物物理及理论生物物理等分支。各个分支都有其特有的理论部分，但理论生物物理并不是它们的简单总和，而是更加强调用理论物理学的基本原理去为生物学提供新的思想、概念，从而诞生新的生物学理论。[1]

中文名

理论生物物理

外文名

theoretical biophysics

特征

理论物理和生物学的交叉学科

快速

导航

系统的自组织液晶生物膜蛋白质折叠核酸与量子生物学生命起源与进化新世纪的理论

历史

20世纪20年代创立的量子力学，解决了经典物理解决不了的能量分立现象。这个突破激发一些量子力学的创立者转向思考由德·弗里斯1901年发现的生物遗传性质变化的不连续性，即基因突变问题。N.玻尔在1933年发表的《光与生命》演讲就是用他创立的波与粒子互补原理去探讨这个难题，并预示生命想象存在着可克服生机论困难的新的互补原理。这个预示顿时激发一些青年物理学家纷纷转向研究生命现象。德国青年物理学家M.德布吕克于1935年与到访的俄国遗传学者N.铁木菲瑞索夫斯基以及实验物理学家K.齐默尔合作发表了著名论文《遗传子突变与遗传子的构造本质》，说明从X射线如何影响基因突变实验推知基因所含原子仅约上千个而已。为解释高度稳定性遗传机制，这上千个原子必定由化学键形成分子，否则在热扰动下基因就不稳定。德布吕克等提出的“一个基因一个分子”的模型激发了奥地利理论物理学家E.薛定谔，他于1943年发表了《生命是什么？》的著名演说，翌年为英国剑桥大学出版社出版发行成书。在这本影响生物学发展的名著中，薛定谔讨论了三个基本问题：①论述生命的热力学基础，提出生命靠负熵维持的概念；②论述生命的分子基础，提出生命大分子组成“非周期晶体”是储存遗传基因的物质基础；③强调生物过程和物理定律（特别是刚创立不久的量子力学）相协调的观点。现代理论生物物理就是遵循着这3个观点发展开来的新学科。这本小册子出版时正逢分子生物学起步的时候，不少分子生物学的创始者都表示曾受这本书影响很深，其中包括DNA双螺旋结构发现者J.沃森和F.克里克。[1]

系统的自组织

薛定谔关于生命靠负熵维生的观点是理解与研究生物系统复杂性的基础。1952年，数学家A.图灵用一个反应扩散模型研究了生物体表面图纹（如斑马身上的图纹）的生成机理，带动发育生物学多细胞系统生理学的兴起。如正在发育的胚胎里的细胞的分立式机械模型显示个体细胞在化学反应扩散模型控制下，细胞骨架收缩的胚胎生长的自组织模式。从20世纪60年代末起，I.普里戈金为图灵斑图注入理论物理学的概念，他证明一个远离热力学平衡的开放系统，体系的自组织行为是可能的，形成的斑图被称为耗散结构。斑图理论后来发展成跨学科的非线性科学，由非线性科学提炼出来混沌、分形、布鲁塞尔吸引子等概念曾被用于研究脑电波、心电图乃至睡眠等复杂的生命现象。非线性动力学数学理论尤其适用于解释以极限周期振荡为基础的许多生物过程。生物钟可归因于酶振荡过程。肠的蠕动是由胰腺细胞释放胰岛素的突发不规律性控制。人脑活动涉及10个神经细胞的合作振荡，理论物理学家J.霍普费尔德就据此于1982年提出一个神经网络模型来研究脑信息加工过程，促进了新一代计算机——神经网络计算机的诞生。1994年，DNA大分子的自我复制过程也被L.阿德尔曼用于发明DNA计算机。而跨膜信号或配位体内部细胞表面受体－配位体反应动力学也与细胞内外离子浓度振荡（所谓第二信使）有关。免疫学、趋化性和有丝分裂都与细胞水平分子反应与输运动力学乃至细胞组织水平上的联合动力学有关，都可归结于这类非线性系统而予以理论分析。理论生物物理学这部分的研究内容将是细胞生物物理学的发展领域。[1]

液晶生物膜

液晶生物膜即脂类分子自组织。生物各个层次，即生物大分子、细胞、整体、群落都在一定时间尺度内出现有序结构和有序运动，各个层次都贯穿自组织、自修复的“生命”特征。从细胞分裂到重建过程，细胞基本是一个三相系统的自组织过程的产物。所谓的三相是指基质相、各种细胞器腔中内含物相以及膜相。膜相占整个细胞的很大比重，其自组织过程也是被了解最清楚的。由于其骨干组成——脂类双亲分子，一头亲水，一头疏水，在含水环境中可借疏水力自组装成连续的双分子层膜，形成的泡可包容各种生物大分子，膜本身可作为表面载体有序组装蛋白质与糖分子。因此，生物学家认为只有膜结构出现以后，才有生命形态在古老的海洋中形成。其次，双分子膜处于液晶相也是维持生命的一个要素。如若这个膜是晶体相，则蛋白质、核酸以及粒子都不可能穿透它，细胞成了封闭系统，负熵就不可能维持，这样的组装就不可能有生命。1973年液晶物理学家W.赫尔费里斯正是根据膜是液晶而提出膜的曲率弹性自由能的概念，解决了人红血球为什么是双凹碟状的生理难题。中国理论物理学家据此推导出生物膜的曲面方程，正确描述了膜泡的各种形状。[1]

蛋白质折叠

蛋白质折叠即生物大分子自组装。蛋白质是由20种氨基酸组成的一维生物大分子，分为结构蛋白与功能蛋白两类。结构蛋白组成胶原、肌肉、皮毛等组织。功能蛋白包括各种动力蛋白、信号（受体）蛋白、物质输运（如离子通道）蛋白以及调控生化反应的酶，是生命活动的主要成分。这类大分子会自组装成相对紧密的三维结构，生物功能与其结构紧密关联。按层次蛋白质可分为：一级结构（无空间概念的氨基酸序列）；二级结构（局部空间结构，主要有螺旋、折叠和无规卷曲）；三级结构（由二级结构组装成完整立体三维结构）。1973年，C.安芬森根据他与合作者完成的一系列蛋白质变性－复性实验，指出三级结构完全由一级结构确定。实际上，中国科学家吴宪在20世纪30年代就提出蛋白质变性问题。安芬森提出的序列决定结构的假设被称为“第二遗传密码”问题。蛋白质折叠的动力主要依靠肽键与水分子及相互间的相互作用。因为20种氨基酸可大致分为亲水与疏水两类，显然疏水的序列倾向于埋在结构内部，所以折叠与序列有关。其他作用，包括静电、氢键、范德瓦耳斯力、疏水力 、配位键、二硫键等也对蛋白质的三级结构有影响。其计算可分为全原子分子动力学模拟和简化模型两类。全原子从头计算模拟代表者是美国的M.卡普鲁斯。用当今最巨型的机器，几个月的时间也只能模拟短链（几十个残基）蛋白质几微秒的折叠过程。因此，计算机技术无重大突破之前，简化模型法至今仍是热门的研究方向。简化模型又分格点模型和非格点模型两种。非格点模型是对全原子分子动力学模拟的进一步简化，计算与后者相通。格点模型显然不能直接逼真地预测折叠结构，但可从抽象层次研究折叠的热力学及结构相变的过程。蛋白质折叠作为一个难题还体现在其折叠动力学。安芬森原理及上述计算都只涉及在寻找蛋白质自由能最低构型，即自然态 。从较高能态如何快速折叠到自然态这是另一个难题。对一条具有N个氨基酸的多肽链，它的组态数M∝KN，其中K=2—6为格点的旋转异构位置数，在计算数学上即所谓的NP问题。因此1968年C.黎文索尔提出一个“黎文索尔佯谬”，即对于一个实际蛋白质，其折叠到自然态与各态历经的热力学过程（对组态空间的全局搜索）是矛盾的 。但实验表明，蛋白质的折叠时间约在微秒到秒左右，这比全局搜索时间小十几个数量级。为解决这个困难问题，P.奥林斯于1995年提出一个能量曲面的漏斗模型：以构型能量对组态空间作出的能量地形面应是一个漏斗（漏斗中心很深的底部对应自然态），因此折叠过程路径发展就像多溪流水从具有复杂地形的山坡流下来一样，既体现多路径的热力学要求，又体现了折叠的快速特点。[1]

核酸与量子生物学

核酸（核糖核酸RNA与脱氧核糖核酸DNA）是制造蛋白质的模型、遗传信息的载体。RNA是由核苷酸组成的单链生物大分子。核苷酸由碱基、核糖及磷酸根三部分组成。RNA中有四种碱基：A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶）。DNA也是核苷酸组成的高分子，与RNA不同之处有三：以脱氧核糖代替核糖，以T（胸腺嘧啶）代替U，以高分子形式存在。分子生物学家最伟大的发现是由沃森和克里克于1953年提出的DNA双螺旋模型：两股走向相反、序列互补的DNA链，通过互补碱基对A－T、G－C间氢键结合在一起。DNA双螺旋实现了薛定谔遗传信息存在于生物大分子组成的“非周期晶体”的预言。RNA单链也会通过A－U、G－C甚至“非沃森－克里克配对”U－U、G－U形成局部发夹，并与不配对内环以及膨胀环（突起）部分形成复杂的二级结构。为从物理角度解释DNA双螺旋结构与RNA二级结构，普曼夫妇1969年创立了计算生物大分子电子结构的量子生物学。他们设计的DNA的相互作用势由两部分组成，平面内互补碱基之间的氢键作用与垂直方向堆积碱基对的相互作用。每部分又分为三种力的相互作用，它们是静电、极化和伦敦色散力。计算显示DNA10种可能的碱基对堆积↑C·G/G·C↓，↑G·C/C·G↓，↑G·C/G·C↓，↑A·T/G·C↓，↑A·T/C·G↓，↑T·A/C·G↓，↑T·A/G·C↓，↑A·T/A·T↓，↑A·T/T·A↓和↑T·A/A·T↓的相互作用能分别是－30.5，－27.7，－26.9，－22.1，－19.4，－19.2，－19.2，－12.9，－11.6和－10.5卡/2克分子碱基。可见相邻碱基对中↑C·G/G·C↓能量最低，最稳定。在DNA复制（双链需要打开）与预测RNA二级结构时，碱基对的氢键能起主要作用，计算结果是A－T，G－C，U－G，U－U和A－U的氢键能分别为－8.4，－22.9，－14.3，－6.1和－5.6千卡/克分子。G－C显然是能量最低，其能量绝对值远大于A－T之能量绝对值，符合沃森-克里克模型（G－C有3个氢键，A－T有两个）。预测RNA二级结构时还要计及单链部分（环或突起）的构型熵的能量，m个碱基被打开的熵变为ΔS=－2.3R[3+lg(m+1)]，其中R为气体常数。I.提诺克与O.乌伦贝克等人于1971年曾据此计算RNA结构。1975年，R.莱因则用量子生物学结果解释DNA复制过程。1999年，碱基对堆积能被中国学者用以计算DNA单分子力学实验发现了B－S结构相变。[1]

生命起源与进化

根据薛定谔的第三论点，即生物过程和物理定律的协调性。分子生物学创立后开始从分子水平探讨生命起源的大问题。如生物大分子的“手征对称破缺”问题，即为什么生物体内组成蛋白质的氨基酸立体结构是左手性的（L型）而组成DNA和RNA的核酸的五碳糖是右手性（D型）的问题。对此，人们已将这个问题与宇宙起源联系在一起，认为是宇宙“大爆炸”引起的宇称与各种力（尤其是弱相互作用力）“对称破缺”的产物。1971年M.艾根将微观分子结构和宏观理论结合起来，应用统计力学原理建立分子水平的自然选择（达尔文进化论）的物理理论。1983年木村资生提出分子进化中立学说。1982年，M.乡通子曾提出过蛋白质与核酸协同作用的进化能力理论。这些理论已经影响生化专家从实验角度研究进化问题，如1996年E.埃克兰德与D.巴特的RNA试管内进化试验。这是涉及有名的分子生物学的“先有鸡还是先有蛋”的问题。DNA是遗传物质（即“蛋”），蛋白质借由DNA指令被合成产生后去执行生命功能（即“鸡”）。但DNA复制又需要酶（蛋白质）参与催化。到底是先有DNA还是先有蛋白质变成了悖论。如今寄托在RNA上，1982年T.切克与S.奥尔特曼实验发现RNA既可传递遗传信息，也可形成结构发挥催化作用。因此，历史上可能有过只存在RNA的时期，后来才进化出DNA及其与蛋白质协同的编码关系，而RNA至今仍然是前两者的中介关系。这种“RNA世界”是当前分子进化论的研究热门。[1]

新世纪的理论

由于PCR的发明及DNA测序自动化机的诞生，GenBank中DNA碱基数的爆炸性增加（2001年人类基因组计划完成后，已增至170亿），为分析这些数据生物信息学应运而生，开始从理论生物物理独立出去。由于单分子操纵技术在20世纪80年代发展迅速，已经可对单个DNA、单个蛋白质（如分子马达）以及单个RNA进行单分子观察及施以力作用，单分子生物学也正在独立成为一门科学，但其中的单分子生物力学仍是理论物理学的研究范畴。基因组学出现以后，蛋白质组学、转录组学、代谢组学等学科相继出现。为整合这些组学，一门以统计物理方法研究点集关联（即网络）为基础的新领域系统生物学已经建立。在生物信息及定量理论研究成分的突发增加下，许多传统的生物分支都在发生变化，如生物化学→化学生物学、生物数学→数学生物学、生物工程学→计算生物学等。这一表达表明，生命不再是其他科学的应用研究对象，而应该成为其他科学的研究主体

生物物理

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，研究生物的物理特性，是生命科学的重要分支学科和领域之一。

生物物理涵盖各级生物组织，从分子尺度到整个生物体和生态系统。它的研究范围有时会与生理学、生物化学、纳米技术、生物工程、农业物理学、细胞生物学和系统生物学有显著的重叠。

生物物理学被认为是生物学和物理学之间的桥梁。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。

中文名

生物物理学[1]

外文名

Biological Physics

定义

形成与发展 研究内容和现状

快速

导航

学科发展学科内涵

学科定义

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。

学科发展

17世纪考伯提到发光生物荧火虫；1786年伽伐尼研究了肌肉的静电性质；1796年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；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；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。

1896年伦琴发现了 X射线后，几乎立即应用到医学实践，1899年皮尔逊在《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，电子显微镜的发展则提供了生物超微结构的更多信息。

早在1920年，X射线衍射技术就已列入蛋白质结构研究。阿斯特伯里用 X射线衍射技术研究毛发、丝和羊毛纤维结构等，发现了由氨基酸残基链形成的蛋白质主链构象；20世纪50年代沃森及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，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是1943年薛定谔的讲演：“生命是什么”和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。

他们认为既然生命物质是物质世界的一个组成部分，那么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。

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，发现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等等。但许多物理特性在生命活动过程中的意义和作用，则远还没有搞清楚。

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。

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一千万亿分之一秒瞬间完成，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，这些能量在生物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。

蛋白质在56℃左右变性，但我们在70℃以上的温泉中还能找到生物；人工培养的细胞保存在零下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。

学科内涵

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。

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。

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，也仍然是自然界三个量(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，使得研究的难度很高。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

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