生物物理學(xué)

生物物理學(xué)是應(yīng)用物理學(xué)的概念和方法研究生物各層次結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，生命活動(dòng)的物理、物理化學(xué)過程，和物質(zhì)在生命活動(dòng)過程中表現(xiàn)的物理特性的生物學(xué)分支學(xué)科。生物物理學(xué)旨在闡明生物在一定的空間、時(shí)間內(nèi)有關(guān)物質(zhì)、能量與信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

　　17世紀(jì)考伯提到發(fā)光生物熒火蟲；1786年伽伐尼研究了肌肉的靜電性質(zhì)；1796年揚(yáng)利用光的波動(dòng)學(xué)說、色覺理論，研究了眼的幾何光學(xué)性質(zhì)及心臟的液體動(dòng)力學(xué)作用；亥姆霍茲將能量守恒定律應(yīng)用于生物系統(tǒng)，認(rèn)為物質(zhì)世界包括生命在內(nèi)都可以歸結(jié)為運(yùn)動(dòng)。他研究了肌肉收縮時(shí)熱量的產(chǎn)生和神經(jīng)脈沖的傳導(dǎo)速度；杜布瓦-雷蒙德第一個(gè)制造出電流表并用以研究肌肉神經(jīng)，1848年發(fā)現(xiàn)了休止電位及動(dòng)作電位。

　　1896年倫琴發(fā)現(xiàn)了 X射線后，幾乎立即應(yīng)用到醫(yī)學(xué)實(shí)踐，1899年皮爾遜在《科學(xué)的文法》一書中首次提到：“作為物理定律的特異事例來研究生物現(xiàn)象的生物物理學(xué)……”，并列舉了當(dāng)時(shí)研究的血液流體動(dòng)力學(xué)、神經(jīng)傳導(dǎo)的電現(xiàn)象、表面張力和膜電位、發(fā)光與生物功能、以及機(jī)械應(yīng)激、彈性、粘度、硬度與生物結(jié)構(gòu)的關(guān)系等問題。

　　1910年希爾把電技術(shù)應(yīng)用于神經(jīng)生物學(xué)，并顯示了神經(jīng)纖維傳遞信息的特征是一連串勻速的電脈沖，脈沖是由膜內(nèi)外電位差引起的。19世紀(jì)顯微鏡的應(yīng)用導(dǎo)致細(xì)胞學(xué)說的創(chuàng)立，電子顯微鏡的發(fā)展則提供了生物超微結(jié)構(gòu)的更多信息。

　　早在1920年，X射線衍射技術(shù)就已列入蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。阿斯特伯里用 X射線衍射技術(shù)研究毛發(fā)、絲和羊毛纖維結(jié)構(gòu)等，發(fā)現(xiàn)了由氨基酸殘基鏈形成的蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象；20世紀(jì)50年代沃森及克里克提出了遺傳物質(zhì)DNA雙螺旋互補(bǔ)的結(jié)構(gòu)模型。1944年的《醫(yī)學(xué)物理》介紹生物物理內(nèi)容時(shí)，涉及面已相當(dāng)廣泛，包括聽覺、色覺、肌肉、神經(jīng)、皮膚等的結(jié)構(gòu)與功能，并報(bào)道了應(yīng)用電子回旋加速器研究生物對(duì)象。

　　物理概念對(duì)生物物理發(fā)展影響較大的是1943年薛定諤的講演：“生命是什么”和威納關(guān)于生物控制論的論點(diǎn)；前者用熱力學(xué)和量子力學(xué)理論解釋生命的本質(zhì)引進(jìn)了“負(fù)熵”概念，試圖從一些新的途徑來說明有機(jī)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、生命活動(dòng)的維持和延續(xù)、生物的遺傳與變異等問題；后者認(rèn)為生物的控制過程，包含著信息的接收、變換、貯存和處理。

　　他們認(rèn)為既然生命物質(zhì)是物質(zhì)世界的一個(gè)組成部分，那么既有它的特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也應(yīng)該遵循物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的共同的一般規(guī)律。這就溝通了生物學(xué)和物理學(xué)兩個(gè)領(lǐng)域。

　　20世紀(jì)20年代開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生物分子具有鐵電、壓電、半導(dǎo)體、液晶態(tài)等性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)生命體系在不同層次上的電磁特性，以及生物界普遍存在的射頻通訊方式等等。但許多物理特性在生命活動(dòng)過程中的意義和作用，則遠(yuǎn)還沒有搞清楚。

　　1980年發(fā)現(xiàn)兩個(gè)人工合成DNA片段呈左旋雙螺旋，人們普遍希望了解自然界有無左旋DNA存在；1981年人們?cè)趦啥巫笮�片段中插入一段A-T對(duì)，整個(gè)螺旋立即向右旋轉(zhuǎn)，能否說明自然界不存在左旋DNA呢？這種特定的旋光性對(duì)生命活動(dòng)的意義現(xiàn)仍無答案。

　　根據(jù)生物的物理特性可以測(cè)出各種物理參數(shù)。但是由于生命物質(zhì)比較復(fù)雜，在不同的環(huán)境條件下參量也要改變。已有的測(cè)試手段往往不適用，尚待技術(shù)上的突破，才有可能進(jìn)一步闡明生命的奧秘。

　　活躍在生物體內(nèi)的基本粒子(目前研究到電子和質(zhì)子)的研究，也是探索生命活動(dòng)的物理及物理化學(xué)過程的一個(gè)主體部分。生物都是含水的，研究水溶液中電子的行為，對(duì)了解生命活動(dòng)的理化過程極為重要。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了生物的質(zhì)子態(tài)、質(zhì)子非定域化和質(zhì)子隧道效應(yīng)等現(xiàn)象，因此需進(jìn)一步開展量子生物學(xué)的研究，探索這些基本粒子在活體內(nèi)的行為。

　　光合作用中葉綠素最初吸收光子只在一千萬億分之一秒瞬間完成，視覺過程和高能電離輻射最初始的能量吸收也都是瞬間完成的，這些能量在生物體內(nèi)最初的去向和行為，從吸收到物理化學(xué)過程的出現(xiàn)，究竟發(fā)生了什么物理作用，這就需要既靈敏又快速的測(cè)試技術(shù)。

　　蛋白質(zhì)在56℃左右變性，但我們?cè)?0℃以上的溫泉中還能找到生物；人工培養(yǎng)的細(xì)胞保存在零下190℃，解凍后細(xì)胞仍與正常態(tài)一樣，這些生物體內(nèi)水的結(jié)構(gòu)狀態(tài)是怎樣？如果能把這些極端狀態(tài)的水的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)闡明，將有助于對(duì)生命規(guī)律的理解。

　　生物在億萬年進(jìn)化過程中，最終選擇了膜作為最基本的結(jié)構(gòu)形式。從通透、識(shí)別、通訊，到能量轉(zhuǎn)換等各種生命活動(dòng)幾乎都在膜上進(jìn)行，膜不僅提供場(chǎng)所，它本身也積極參與了活動(dòng)。

　　有時(shí)一種技術(shù)的出現(xiàn)將使生物物理問題的研究大大改觀。如 X射線衍射技術(shù)導(dǎo)致了分子生物物理學(xué)的出現(xiàn)。因此雖然技術(shù)本身并不一定就代表生物物理，但它對(duì)生物物理學(xué)的發(fā)展是非常關(guān)鍵的。

　　生物物理學(xué)是研究活物質(zhì)的物理學(xué)。盡管生命是自然界的高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式，也仍然是自然界三個(gè)量(質(zhì)量、能量和信息)綜合運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)。只是在生理體內(nèi)這種運(yùn)動(dòng)變化既復(fù)雜又迅速，而且隨著生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，能量利用愈趨精密，信息量愈來愈大，使得研究的難度很高。但從另一方面看，研究活物質(zhì)的物理規(guī)律，不僅能進(jìn)一步闡明生物的本質(zhì)，更重要的是能使人們對(duì)自然界整個(gè)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)達(dá)到新的高度。