[科普中国]-生物物理学

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。

发展简史17世纪A.考伯提到发光生物萤火虫。

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。

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。22

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

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

本词条内容贡献者为:

胡芳碧 - 副教授 - 西南大学