生物物理学导论ppt课件.ppt

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.生物物理学导论.生物物理学什么是生物物理？

生物物理研究的内容是什么？

生物物理学是用物理学的理论、原理和实验方法研究生命科学中的问题。

也就是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，是物理学和生物学相结合而产生的一门边缘学科。

.近代生物物理学的兴起上世纪20世纪以来，以数学为工具、物理学为理论基础的学科发展，已逐步把除生物学以外的其它学科统一起来。

由于生命现象的复杂性，人们一直认为生物学和物理学是相互独立、难以沟通的两大领域。

直到上世纪50年代以后，以x射线衍射结构分析为基础的分子生物学的成就与发展、物理学理论以平衡态统计物理与非线性科学的发展，开始为解释生命过程的特殊性创造了条件，才为包括生物学在内的自然科学走向大统的理论框架开辟了道路。

各种生物学实验的研究也离不开衍射、光谱、波谱、动力学和图象分析等物理技术的不断开发和应用，生物物理学正是在这样的背景和条件下迅速发展为一门独立的学科。

.生物物理学的发展生物物理学的发展对生命科学从定性向定量的发展，从描述现象到形成具有数学和物理学基础理论依据的精确科学的发展都具有重大意义。

例如生物大分子结构与功能关系的研究，生物膜在物质运输、信息传递、能量转换与利用中的作用，神经与感官的作用机制，生命体系对外界因素作用的应答与调控，学习、记忆等高级活动的阐明，疾病的防治等等。

其所以能起上述重要作用是因为生命现象尽管复杂，但它仍是以物理运动作为基础的。

生物物理学不仅在本世纪，而正在下个世纪生命科学日益深入的发展中将继续发挥其重大作用。

.生物物理学与其它学科的关系生物物理学作为生命科学的一个分支学科，和其它学科之间显然有着密切联系，并且互相促进，共同提高，特别是分子生物学与生物化学、生理学、细胞学以及生物工程学、生物医学工程学、放射生物学等等。

这些学科之间在研究问题上有共同点，而在研究思路、应用的理论与方法方面则突出物理学的特点。

.生物物理学是一门交叉学科生物物理学是一门交叉学科，它的发展将同时促进物理学和生物学本身的进一步深化。

现有的物理理论与技术还不足以说明与了解生命现象的全部复杂性。

生命现象的深入研究，向物理学提出了诸如进化、分化、发育、调控、思维活动、信息处理等高层次的问题，以及为解决上述问题急需发展的新技术，这也为物理学的今后发展显示了广阔的前景。

.国际生物物理学的发展趋势作为一门新兴的独立学科，生物物理学的发展在美国、前苏联、日本、英国、德国等国家的发展一般也都只有40年左右的历史。

除少数国家有专门的研究所（例如前苏联科学院生物物理研究所）以外，研究工作多集中于高等学校，同时也培养专业人员，其中又以培养研究生为主。

研究内容因参与人员以往经历的不同也有较大差异，这对于新产生的边缘学科来说，是可以理解的。

.经过40年的发展，这一状况已经有很大改变。

从最近l0年来国际纯料与应用生物物理学联合会（IUPAB）召开的（三年一次）的大会内容，以及美国、日本等每年都召开的年会内容分析，生物物理学已经逐渐形成了它自己的基本内容和研究途径。

.当前生物物理学的主要发展方向1）分子生物物理2）膜与细胞生物物理3）感官与神经生物物理4）生物物理新技术.1）分子生物物理分子生物物理在生物物理学中占有首要地位，这包括用各种物理手段研究蛋白质、核酸等生物大分子的结构、溶液构象及要动力学过程，大小分子之间的相互作用以及与此相联系的功能过程；例如分子识别、蛋白质折叠、免疫机制、酶的作用机制等基础问题的研究，也为蛋白质工程、酶工程等高技术提供依据。

.2）膜与细胞生物物理膜与细胞生物物理是仅次于分子生物物理的另一个重要领域，是把分子生物物理中所获得的知识应用于活细胞的自然延伸，其中又以膜生物物理研究更为活跃。

生命过程中的能量、物质和信息的转换都在膜与细胞中具体体现，外界物理因素（包括光、高能辐射、电磁场等等）的作用机制、微观生物流变学的研究也都有赖于这一领域的进展。

医学与农业中的许多实际问题，例如疾病过程、药物与毒物作用、细胞免疫机制、极端环境（高低逼、不同盐戏度）下农作物的改变与良种的选择等等都与此领域密切相关。

.3）感官与神经生物物理从宏观角度研究生命体系主要表现在生物控制论和生物信息论的研究、感官与神经生物物理的研究，以及理论生物物理的研究。

虽然对于某些具体问题需要把微观和宏观的研究相互结合起来，而不能截然加以区别，但这一宏观方向的提出，正说明单纯从微观角度分析，并不能完全说明生命现象的本质，而必须在更高层次上加以探讨，寻求研究生命现象的新途径。

目前特别突出的是关于脑的研究，它从80午代中异军突起，在今后l0年将与分子生物学并列甚至可能处于更为重要的地位。

其中关于脑的高级活动，无疑是生物物理学的主要任务。

.4）生物物理新技术生物物理新技术的开发与应用。

生物物理学的发展在很大程度上依赖于技术手段的发展。

x射线晶体结构分析为分子生物物理奠定了基础，各种光谱、波谱、显微与成象技术在生物物理学中显示出极其重要的推动作用。

目前对技术方法的要求越来越高，如开发能显示不同时域的动力学方法、高空间分辨率的技术，发展无损伤、能检测极微量成分及结构的技术方法等，都是当前生物物理学的重要任务。

.我国生物物理学的发展及其现状我国从50年代后期就已经开始发展生物物理学，和其它国家起步时间相差不远。

1958年成立中国科学院生物物理研究所，我国从50年代后期就已经开始发展生物物理学，和其它国家起步时间相差不远。

1958年成立中国科学院生物物理研究所，许多综合性大学、农科和医科院校中成立了生物物理教研室，其中有一些学校设立了生物物理专业，培养了一批专业学生。

.三年困难时期及其它方面原因，设备、人员大批下马，至十年动乱时期几乎处于停顿状态。

拨乱反正和改革开放以后，看到国际上生物物理学发展迅速，又重整旗鼓，派出大批人员出国学习，引进了必要的设备，制定了相应的发展规划和措施，.近10年来才有了较明显的进展，并在生物大分子结构、膜生物物理、视觉与神经生物物理以及理论生物物理等若干方面奠定了较好的基础。

但与先进国家的发展水平相比较，还存在着很大差距。

主要表现在学科中各领域前沿性理论基础的研究还较簿弱，设备条件的利用、开发和更新不足，技术力量不足，人员不稳定，后继乏人等方面。

.我国生物物理学的发展战略1）我国生物物理学的发展的基本原则2）生物物理学重点发展方向3）我国生物物理学的中、近期战略目标和前沿课题.1）我国生物物理学的发展的基本原则首先，生物物理学是物理学和生物学结合的产物，是生命科学（包括医学和农学在内）各领域进一步发展的必然趋势，也是人类向生命现象学习并加以改造、再应用于实践的实际需要所决定的一门学科。

因此从战略高度明确这门学科的必要性和重要意义，并给予支持，促使其迅速发展至关重要。

.其次，在规划中应抓住起主导作用的领域重点加以支持。

这些领域将带动其它部分，而将为整个学科的长远发展奠定坚实的基础。

即使在这些领域内也应考虑我国经济力量及其它条件，抓重点，分主次，逐步发展，有所为，有所不为。

.第三、鉴于生物物理学属于生命科学的一个组成部分，许多研究课题和其它学科密切相关，因此应该联合有关学科的工作者共同探索各领域的前沿。

与此同时，也应鼓场数学、物理学、化学和工程科学方面的科学家参与本学科的发展。

.第四、从本学科发展来看，从上世纪末到本世纪初应为近期规划，2020年前为中期，2050年前为长期规划，三者应互相关联，而以中近期目标为规划的重点。

.2）生物物理学重点发展方向生物物理学的覆盖面比较宽，但从国外生物物理学近10年来的发展分析，可以认为分子生物物理、膜生物物理、感觉与神经生物物理，以及为保证上述诸方面发展所必需的相应的生物物理技术应该作为本学科的重点发展方向。

考虑我国生物物理学工作者人数较少、力量相对较弱，因此在一段时期内，把国外已经单独成为学科的一些领域（例如生物控制论与生物信息论、生物力学与生物流变学等等）包含在本学科之中是切合实际的，也有利于本学科的发展。

.3）我国生物物理学的中、近期战略目标和前沿课题分子生物物理膜与细胞生物物理感官与神经生物物理生物控制论与生物信息论理论生物物理光生物物理环境辐射的生物物理生物力学与生物流变学.分子生物物理生物大分子空间结构与功能关系是微观生物物理学各领域的共同基础，国际上已从晶体衍射发展到溶液构象与分子动力学的研究，而我国除x射线衍射较有基础外，应尽快应用多维核磁共振（NMR），辅以时间分辨的荧光、红外、激光拉曼等技术开展溶液构象与动力学研究；开展分子间相互作用，特别是生物分子间识别作用的研究和蛋白质折叠过程的研究，并和生物学功能联系起来，为赶上国际水平及在生物工程中的应用奠定扎实基础。

在x射线衍射方面，同样应该用同步辐射发展时间分辨的研究，进一步提高到动力学的水平。

.膜与细胞生物物理细胞是最基本的生命单位，细胞中的膜系统是其中普遍存在的结构，把分子生物物理的研究成果应用于细胞与膜的结构及其功能研究，推动生命现象深入到分子水平，是当前主要方向之一。

其内容包括膜的分子动力学，如膜脂运动、构象，特别是脂多型性的生物学意义的研究；膜蛋白运动与构象的研究；膜脂与膜蛋白相互作用的研究；细胞识别作用机制与信息跨膜转导关系的研究；通道蛋白构象及其离子通透机制的研究；.细胞内的蛋白输运；细胞骨架的研究；活细胞及其中物质的动态变化研究；外界物理因素（光、各种波长电磁辐射、压力、温度等）对生物膜结构与能量传输关系的研究等等。

同时，对膜与细胞在疾病等不利环境下的变化及其纠正的研究，以及对人工膜在医学、农业和工业中的应用研究应给予足够的重视。

.感官与神经生物物理感官与神经生物物理，既需从微观，也需要从宏观角度加以研究。

主要内容应为神经递质、受体与离子通道的研究；感觉信息加工的神经生物学研究；脑的高级功能、行为和神经机制；神经系统的计算理论与模型的研究，以及神经信号和脑活动的物理测量技术研究。

.生物控制论与生物信息论综合生命科学各分支的知识与实验结果抽提出有关信息加工处理、调控原理、构建模型是生物控制论与信息论的主要任务，包括对感觉信息的处理机制的研究，对具有学习、记忆功能的神经网络的研究，脑的活动在语音、思维、运动控制、内环境稳定性控制方面的研究，各种无损伤成象技术对脑知能活动的研究，免疫调控机制与模拟的研究，信息分子的识别机制、基因遗传信息的表达与调控机制及其模拟，大型生物系统的模型建立与系统辨识，非线性理论在信息科学中的应用等。

.理论生物物理从微观角度，对于对称性破缺分子与生物信息传递及自复制的关系，生物大分子序列的话言、语法的研究，生物大分子序列与构象及进化关系的研究，以及有重要生物学意义的生物分子动力学的研究是近年研究的重点。

从宏观角度，对神经系统、特别是脑功能的物理机制的研究，种群和生态系统的物理机制的研究，形态发育的研究，以及生命现象作为瞬态过程研究其复杂性与动力学特征应是今后的研究重点。

.光生物物理光生物物理作为光生物学的一个重要组成部分，应着重研究其物理机制，包括光合作用原初过程的研究，茵紫质的质子泵机制的研究，视紫质光原初过程及其与菌紫质的比较研究，自由基与单线态氧在光生物学作用中的意义的研究，激光生物物理的研究，以及根据光合作用原理应用于新能源的研究等。

.环境辐射的生物物理电离辐射和各种非电离辐射对活体的作用已引起广泛重视，并在实践中加以应用，但其机制尚有待于深入研究。

其中关于自由基的产生与清除已成为涉及各种正常与异常生命现象的重要问题，应于以特别重视。

高能粒子与不同频段电磁波以及不同强弱的电场与磁场的作用有其不同的效应，机体本身也产生各种电磁辐射，从实践要求出发都迫切需要从机制上如以阐明。

.生物力学与生物流变学从宏观和微观两个方卤对生物力学与流变学，特别是对血液流变学加强研究具有重要实际意义。

当前需要从微观方面加强与生命科学紧密结合的基础研究，继续支持我国已有相当基础的肝胆系统生物力学与流变学、临束血液流变学、我国传统医学的生物力学与流变学等方面的研究。

.生物物理技术在生物物理学的各个领域中都需要应用与开发各种先进的物理技术，其中特别是大