| 词条 | 生物物理学 |
| 释义 | 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。 研究内容(生物的物理性质 生命活动的物理及物理化学过程 物理及物理化学技术的发展和应用 意义) 书籍摘要(生物物理学的定义 生物物理学的形成与发展 生物物理学的研究内容和现状 物理学和生物学交叉的必要性和必然性 生物物理学的任务) 发展简史发展历程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、α-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α-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。 研究内容生物的物理性质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（见生物膜）。 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：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。 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。 关键词：生物物理学；交叉学科；描述性方法 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（Schrödinger）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，中国已于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。中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：①晶体结构的研究；②溶液中生物分子构象的研究；③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：①离子通道；②感受器生物物理；③神经递质及其受体；④神经通路和神经回路研究；⑤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：①光合作用；②视觉；③嗜盐菌的光能转换；④植物光形态建成：⑤光动力学作用；③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：①自由基；②电离辐射的生物物理研究；③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：①生物流体力学；②生物固体力学；③其它生物力学问题；④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，这种培训应该包括更多的数学、物理学和化学。 4.2物理学进军生物学领域的必然性 19世纪末，很多物理学家认为，物理学的大厦已经建成，仅剩下一些缝缝补补的工作。经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了。在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。我们能不能说，现代物理学的大厦已经建成了呢？ 物理学理论能够去解释宇观、宏观和微观的几乎所有非生命物质的运动，但是在复杂的生命物质和生命现象的对象面前却显得极其力不从心。所以它现在还远远不是一个完善的科学。可以仿照打个比方：现在的物理学家或许正为新的物理学大厦的建成而欣喜若狂，但当他们低下头，有没有看到地基里的生命呢？说不定地基里的生命蚂蚁正在啃噬大厦的地基，造成物理学大厦的又一次崩塌。于是他们又尝试重新建立起一个适合生命现象的物理学大厦。 生物物理学是物理学派生出来的，到一定发展阶段去研究更复杂的生命现象的学科。物理学是自然科学的主力军，它在解释复杂的生命体和化合物面前无能为力，于是它避开精锐，先向非生命物质进军。而把研究很多复杂的物质运动和生物体的任务交给了留给化学家和生物学家暂时主要去描述性地研究。现在它已发展到一定时期，非生命物质的堡垒即将被攻破，是它的大部队大反攻的时候了。它可以从宏观和微观两面夹 击，来研究生命现象了。构成生物体的物质与非生命物质是统一的，支配着无生命世界的物理定律同样也适用于生命世界。所以生命物质和生命现象必然成为物理学研究的重要对象。 生物物理学的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： （1）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 （2）从理论上解释进化和个体发育的现象。 （3）解释自身调节和自我复制的现象（自组织现象）。 （4）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。 （5）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。 （6）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。 （7）解释怎样由物质形成了意识。 图书信息作/译者：丘冠英 彭银祥出版社：武汉大学出版社 出版日期：2000年07月 ISBN：9787307029163 [十位：7307029162] 页数：335重约：0.510KG 定价：￥23.00 内容提要本书具有普通生物物理学教学用书或生物笔理学引论折性质。全书共9章，内容包括：分子生物物理、生物膜及其物理物性、光生物物理、自由基生物学、生物电学与生物磁学、感官与神经生物物理、生物分子电子学及生物传感器的基本知识，后两章是一类教科书中较少涉及的。 本书以介绍基本理论为主，也注意介绍有关研究技术。本书涉及落围较广但篇幅适中，注意理论联系实际、文字叙述深入浅出，各章后均附有参考文献，适宜于高等院校大学生及研究生作为生物物理课程的教科书或参考书，也可供从事生物物理学及相关专业工作者参考。 图书目录前言 绪论 参考文献 第一章 分子生物物理学 1.1 分子生物物理学的物理基础 1.2 生物大分子的结构与功能 1.3 测定生物大分子结构的物理方法 1.4 分子动力学 1.5 蛋白质的折叠与蛋白质工程 1.6 核酸与蛋白质的相互作用 参考文献 第二章 生物膜及其物理特性 2.1 生物膜的组成 2.2 生物膜的分子膜型 2.3 生物膜分子的运动物性 2.4 脂质子的液晶性制及膜脂多型性结构 参考文献 第三章 光生物物理学基础 3.1 引言 3.2 激发与激发态 图书信息书名：生物物理学(21世纪高等院校教材) ISBN:703017043 作者：袁观宇 出版社：科学出版社 定价：26.5 页数：269 出版日期：2006-4-1 版次： 1 开本：16开 包装：平装 简介：本书是21世纪高等院校教材。生物物理学包含的内容十分丰富，其研究领域还在不断延伸和拓展，新理论、新技术不断涌现，要在有限的篇幅完整介绍学科的全部内容几乎是不可能。本书根据作者多年来为本科生、研究生讲授该课程的经验和学时实际，对原用讲义(教材)作了篡增和修改，选编了学生容易接受和对学生有实际意义的内容，每部分内容在介绍基础理论的基础上，尽可能地介绍该分支领域的新理论、新技术，对其深人研究未作过多的探讨。本书可作为医学、生物学、物理学本科生、研究生教材，也可供物理学科、生物学科和医学工作者参考。 目录： 第一章 分子生物物理 1.1蛋白质分子的结构和功能 1.1.1蛋白质的化学组成 1.1.2蛋白质的基本结构单位——氨基酸 1.1.3蛋白质的性质 1.1.4蛋白质的空间构象 1.1.5蛋白质结构与功能的关系 1.2核酸分子的结构及其空间构象 1.2.1核酸的基本化学组成 1.2.2核酸的基本结构单元——核苷酸 1.2.3核酸的空间构象 1.2.4核酸的性质 1.3生物大分子的相互作用 1.3.1强相互作用 1.3.2弱相互作用 1.3.3稳定生物大分子三维结构的作用力 1.4生物大分子的能态和能量的转移 思考题 参考文献 第二章 膜生物物理 2.1生物膜的组成及其性质 2.2生物膜的分子结构和功能 2.2.1生物膜的结构模型 2.2.2生物膜的流动性 2.2.3生物膜的功能 2.2.4脂质体 2.3物质的跨膜运输 2.3.1被动运输 2.3.2主动运输 2.3.3协同运输 2.3.4内吞作用与外排作用 思考题 参考文献 第三章 电磁生物物理- 3.1生物物质的导电特性 3.1.1物质导电性的基本概念 3.1.2细胞电学模型 3.1.3并联电导模型 3.1.4中心导体模型 3.1.5生物组织的阻抗特性 3.2生物物质的介电特性 3.2.1生物大分子的介电特性 3.2.2生物水的介电特性 3.2.3生物组织的介电特性 3.3生物组织的电特性测量 3.3.1微电极技术 3.3.2电压钳技术 3.3.3膜片钳技术 3.3.4传输线测量术 3.4静息电位与Goldman方程 3.4.1Nemst平衡电位 3.4.2膜电位的GoIdman方程 3.屯3静息电位的离子机制 3.5动作电位与Hodgkin-Huxley方程 3.5.1动作电位的特征 3.5.2离子电导和H0dgknHuxley方程 3.5.3动作电位的离子机制 3.6生物磁场和磁场生物效应 3.6.1生物磁性与生物磁性材料 3.6.2生物和人体磁场 3.6.3磁场的生物效应 3.6.4地磁场与生命活动 思考题 参考文献 第四章 神经生物物理 4.1神经元与神经元之间的相互作用 4.1.1神经元的结构与功能 4.1.2突触 4.1.3神经递质 4.1.4神经元的营养性作用 4.2受体与离子通道 4.2.1受体 4.2.2离子通道 4.3视觉生物物理 4.3.1视网膜的结构与功能 4.3.2感受器电位 4.3.3视觉信息初步 4.3.4视觉计算理论 4.4听觉生物物理 4.4.1耳的结构与功能 4.4.2耳蜗电位 4.4.3听觉的神经机制 思考题 参考文献 第五章 辐射生物物理 5.1辐射的物理基础 5.1.1辐射的基本概念 5.1.2辐射源 5.1.3辐射量的概念和单位 5.2射线与物质的相互作用 5.2.l粒子与物质的相互作用 5.2.2射线与物质相互作用 5.3电离辐射生物学作用机制 5.3.1靶学说 5.3.2直接作用和间接作用 5.3.3辐射作用的原初过程 5.3.4辐射作用的时间进程 5.4电离辐射的生物学效应 5.4.1躯体效应和遗传效应 5.4.2随机性效应和确定性效应 5.4.3影响辐射生物学作用的、因素 5.5电离辐射的损伤与防护 5.5.1辐射损伤方式 5.5.2辐射损伤效应 5.5.3辐射防护 5.6重离子辐射对生物体的作用 5.6.1重离子束的物理学与生物学特性 5.6.2重离子辐射对生物体的作用基础 5.6.3重离子束在生物医学中的应用 5.7小剂量电离辐射对生物体的作用 思考题 参考文献 第六章 液流变物理 6.1流变物理的基本概念 6.1.1牛顿黏滞定律 6.1.2牛顿型流体与非牛顿型流体 6.1.3圆管内的定常流动 6.1.4层流与湍流 6.2血液的流变性质 6.2.1血液的非牛顿性 6.2.2血液的黏度 6.2.3 Casson方程与屈服应力 6.2.4 Fahraeus—Lindqvist效应 6.2.5血液的触变性和黏弹性 6.3红细胞的流变性质 6.3.1红细胞的形态结构 6.3.2红细胞的变形性 6.3.3红细胞的聚集性 6.3.4红细胞变形性与聚集性的关系 6.3.5红细胞变形的力学行为 6.4临床血液流变学 思考题 参考文献 第七章 生物物理技术 7.1流体力学技术 7.1.1离心法 7.1.2渗透压法 7.1.3黏度法 7.2光谱分析技术 7.2.1光谱分析的基本概念 7.2.2紫外一可见吸收光谱术 7.2.3荧光光谱术 7.2.4红外和拉曼光谱分析技术 7.2.5旋光色散及圆二色技术 7.3磁共振技术 7.3.1磁共振的基本原理 7.3.2磁共振的几个主要参数 7.3.3磁共振仪 7.3.4磁共振在生物学上的应用 7.3.5磁共振成像 7.3.6电子自旋共振 7.4纳米技术 7.4.1扫描隧道显微术 7.4.2扫描力显微术 7.4.3光镊技术 思考题 参考文献 |