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生物物理展望

生物物理学习心得

摘要：

生命科学是21世纪的带头科学，其研究成果对人类认识自然、生命和人类的健康及社会发展都将发生巨大的影响。

生物物理学就是用物理的观念、理论和技术研究生命现象、规律及其本质。

生物物理研究的对象包括所有生命科学研究的范畴：

从低等生物到人……生物物理分支的划分：

一种是按生物层次，如从量子、原子、生物分子到细胞、组织、系统直到环境生态的生物物理；另一种以生命活动的物理特性划分，如生物力学、生物电学、生物光学、生物磁学等。

对所研究的对象，注重定量化和变化过程的研究，是生物物理学的特点和优势。

关键词：

生物物理

目录

摘要2

关键词2

第一章绪论4

第二章学习成果概述6

第三章对几个热门领域及其发展的理解9

3.1生命科学研究的重点和趋势9

3.2生物物理研究队伍和研究观念及其方法的新发展9

3.3生物物理学几个活跃的研究学科或方向简介10

参考文献14

第一章绪论

经过一个学期对生物物理技术的学习，不仅让我对这一学科有了深入的了解，更让我明白了它的重要性。

现在我就依据自己的所学对这门学科做一些简单的阐述和探讨。

生物物理学是物理科学与生物科学相结合而形成的一门边缘学科，它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。

虽然生物物理学作为一门独立学科只有50多年的历史，但其在推动物理科学和生命科学进步方面都显现出强大的生命力。

生物物理学的一大贡献在于使人们认识到物理学和化学规律在生命科学中同样是有效和正确的。

在过去的五十年间，生物物理学取得了显著的成果。

其学科交叉的优势显示出强大的生命力，取得了突出的成果和进展,生物物理学先驱薛定谔在其著作《生命是什么》中，从物理学角度论证了物理与生命的关系。

沃森和克里克受其思想影响提出了DNA双螺旋模型，并获得诺贝尔奖。

生物物理学受到世界各国的广泛重视,我国《生物物理学》学科发展的客观需要我国生物物理学的发展始于20世纪50年代后期,与国际上的发展几乎同步。

我国从20世纪50年代,以中国科学院院士贝时璋等人为代表的老一辈科学家开展了生物物理学的研究和学科建设,1958年成立了中科院生物物理所,并在中国科技大学成立了生物物理学系。

50多年来,我国生物物理学在分子生物物理学、膜与细胞生物物理、理论生物物理、神经生物物理、生物信息学、生物物理技术等多个领域都取得了世界瞩目的成果。

国内各高校和研究院所都开办生物物理专业或者开设生物物理学课程。

尽管取得了一些成绩，但其发展道路坎坷，先后经历了60年代初受挫和停滞、70年代末恢复和稳步发展、90年代以来快速发展等几个阶段。

目前，我国的生物物理学虽然得到了各方面高度重视，但其发展水平与发达国家相比还有很大差距，主要表现在学科中各领域前沿性理论基础的研究还较薄弱、仪器设备的利用、开发和更新不够，技术力量不足等。

因此，迫切需要从事物理科学、生命科学等相关领域前沿性基础理论研究的学者早日加入到生物物理学的研究工作中来，为我国生物物理学发展水平能够早日达到世界先进行列贡献自己的绵薄之力。

迄今为止，生物学正逐渐演变成越来越趋于定量化。

物理学的概念遍及从分子水平到细胞水平，再从微观和介观结构到宏观生物组织的每一个层次，从而形成生物物理学这门学科.生物物理学通常可以分为生物力学、生物热力学、生物电磁学、生物声学、生物光学、生物信息学和生物统计学等类别，同时也可按照生理学分为呼吸、循环、细胞、器官、听觉和视觉生物物理学等.由此可知，生物物理学已经成为21世纪的最重要的领域之一，并成为理解生命奥秘的基础学科。

第二章学习成果概述

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。

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。

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。

根据现在生物物理所已走过五十个春秋，五十年里，一代又一代生物物理人为祖国的崛起和腾飞默默的做着贡献。

生物物理一直在引领着中国的宇宙生物学、放射生物学，而这些一直都鲜为人知。

要知道，生物物理所的老一辈科学家曾经培训过建国初期的宇航员，我们身为生物物理所的人该多么的自豪啊！

早在六十年代，我国学者人工合成具有天然生物活力的蛋白质—结晶牛胰岛素，就闪烁着生物物理所人的身影—我们引以自豪的身影。

五十年的发展，生物物理所已发展成以结构生物学和脑认知为主的两大优势学科和五大中心协调发展的综合院所。

我们要练就一身过硬的、娴熟的技能；提高汲取新知识的能力，锻炼独立思维；培养崇高的科学精神、工作习惯和科研作风；做人、做事、做学问要严肃、严谨、严格。

使自己在相关的科研领域留下自己的脚印，探索生命的深刻含义。

第三章对几个热门领域及其发展的理解

生命科学是21世纪的带头科学，其研究成果对人类认识自然、生命和人类的健康及社会发展都将发生巨大的影响。

生物物理学就是用物理的观念、理论和技术研究生命现象、规律及其本质。

生物物理研究的对象包括所有生命科学研究的范畴：

从低等生物到人……生物物理分支的划分：

一种是按生物层次，如从量子、原子、生物分子到细胞、组织、系统直到环境生态的生物物理；另一种以生命活动的物理特性划分，如生物力学、生物电学、生物光学、生物磁学等。

对所研究的对象，注重定量化和变化过程的研究，是生物物理学的特点和优势。

3.1生命科学研究的重点和趋势

未来生物学发展的大趋势是对生命现象的研究不断深入和扩大，向微观和宏观，最基本和最复杂的两极发展。

代表性的学科是分子生物学和脑科学。

邹承鲁院士在《世纪之交生物学发展趋势》中指出：

“21世纪将是统一生物学的世纪，并将形成崭新的生命观。

分子生物学和生物化学及生物物理学一起，吸引了大量的物理学家和化学家进入生物学领域工作，从而也影响了这两个学科的发展。

”在“人类基因组计划”顺利进展下，人和其他一些生物的基因组作图和测序将陆续完成。

今后更艰巨的任务是阐明基因组的功能，首先需要了解细胞的全部基因表达谱和蛋白质谱及其调节和控制，分子生物学研究重点也将从基因组转到蛋白质组。

在该领域，近年发展了以生物物理研究为主的新学科：

结构生物学和信息生物学。

另一方面，人和生物体是由细胞组成的多层次的复杂系统，其生长、发育和功能活动都是系统的行为。

LeroyHood1996年指出：

“未来生物学是对复杂系统的分析，决不能只注意一个基因的表达就想了解系统如何工作。

”脑科学就是一种复杂系统的“大科学”，它涉及到从亚分子到细胞、组织、直到与环境关系的生物学各层次，需要许多学科的专家参加，包括生物学、数学、物理、化学、信息科学、技术科学以及社会科学等。

神经和脑功能的研究是今后生物物理参与的重要领域。

3.2生物物理研究队伍和研究观念及其方法的新发展

1999年1月《Nature》载文介绍美国大学的新“举措”。

美国已有许多著名的生物物理研究和教学单位，许多美国名牌研究型大学，正计划建立新的、把物理学和生物学集中在一起的研究所。

例如，最积极的大学之一是斯坦福大学，该校的物理学家朱棣文和生物学家詹姆斯正带头建立一个包容从应用物理学到临床医学等不同学科的50名教师的研究中心。

芝加哥大学也在计划成立多学科研究中心，正在组建一个跨物理和生物学的‘学科间研究所’。

加州大学伯克利分校正在为其生物工程系和分子生物学及几个自然科学系的成员设计一栋大楼。

拟定‘Bio2X’计划的部分原因是人们越来越认识到，要更深刻的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。

与此同时，物理学家也在生物学中发现了新课题。

例如，对捕获原子进行激光冷却方面获得诺贝尔奖的朱棣文，现在也在研究单个蛋白质分子的特性.随着生物学本身的发展和更多的数学、物理、技术学科的合作，研究生物学的观念和方法也在发生大转变，例如，复杂系统理论和非线性科学的发展，使生物学研究从以分析为主向分析与综合相结合的方法转变。

著名物理学家李政道在《展望21世纪科学发展前景》中指出，“20世纪物理学中占主导地位的还原论思想还影响到生物学的发展。

仅是基因并不能解开生命之谜,生命是宏观的。

我认为21世纪微观和宏观应结合成一体。

”斯坦福大学新研究所主任蒂尔曼说，他们的研究重点是所称的“合成生物学”，即把各类不同信息加以整合来了解复杂的生物过程，如细胞或基因的相互作用。

3.3生物物理学几个活跃的研究学科或方向简介

1、生物信息学

结构生物物理和生物信息学当前结构生物物理主要研究内容是确定核酸（包括DNA和RNA）和蛋白质三维结构，研究它们的构象及其变化与功能的关系，包括实验测定和理论预测两种方法。

除提高X射线晶体衍射分析技术的精度和速度外，正大力发展二维和三维核磁共振技术。

日本研制的900MHz核磁共振仪可测定较大分子量的蛋白质三维结构。

目前已测定的蛋白质、肽、病毒精细结构近8000个，但膜蛋白只有20个左右。

膜蛋白包括膜受体、离子通道、离子泵、膜酶等重要功能性分子，故今后测定膜蛋白的结构是对结构生物学的严重挑战。

另一方面的战略是，在测定典型的蛋白质三维结构基础上，建立一个更全面的蛋白质结构分类库，即通过生物信息学的研究，预测更多蛋白质的二维和三维结构类型.广义的生物信息学，是用数理和信息科学的观点、理论和方法研究生命现象，组织和分析大量生物学数据的科学。

当前，已进入信息科学时代。

信息科学，尤其是控制论，就是“关于在动物和机器中控制和通讯的科学”。

对动物和机器的通讯和控制系统的分析发现，其共同特点是对信息的传递和加工过程。

信息的传递和调控是生命体保持正常生命和功能活动最基本的要素之一。

因此，在生命的各个层次都有生命信息的传递、加工和调控过程。

例如，基因信息学、蛋白质信息学、细胞信息学、视觉和听觉等感官信息学、神经和脑信息学、生物间通讯等。

如果我们把基因、蛋白质、细胞、各种组织系统之间的相互作用作为一个信息系统来研究，则生物系统是一个多信号、多通道、相互交联的复杂的信息网络。

所以可以用描述和分析复杂信息网络的方法进行处理。

目前较活跃的方向是研究DNA及其编码的蛋白质。

以计算机为主要工具，发展各种软件，对DNA和蛋白质的测序和结构数据进行收集、整理、存储、发布、提取、加工、分析、预测等，与结构生物学相互交叉。

从基因组信息学、蛋白质结构模拟到药物设计，是目前基因和蛋白质生物信息学的三个组成部分。

对视觉的信息加工和传递、简单的神经网络工作模型等研究亦是热门方向。

2、单分子生物物理

一些生物分子组装成分子机器，如分子马达、细胞信号处理器、DNA复制器、蛋白质合成器等。

分子机器只有一个分子的尺寸，并具有柔性的结构。

分子机器在热噪声很强的影响下运转，在能量利用上比人造机器高得多。

最近，分子的影象技术和纳米操作技术已取得显著进展，可以直接观测单个分子机器的运转。

利用光钳技术，可以观察到线粒体、溶酶体等以分子马达为动力，在细胞内沿着微管来回移动。

对ATP合成酶分子的实时观测，已证明其F1亚基是一个转动的“步进”马达，每分解一个ATP分子的能量，可驱动马达转动120°，其能量利用率近于100%，马达的最大转运速率达100r/s。

对单个分子用荧光染料标记，用激光聚焦并扫描，时间分辨率可高达fs。

可观测分子局部快速的构象变化。

例如，视觉光感受器细胞的视紫红质是一种质子型的G蛋白偶联受体分子，它利用生色团吸收光后的顺-反异构化，发生构象变化，活化G蛋白。

单分子观测表明，光照后60fs开始生色团顺-反异构化，并发现了视紫红质结合到G蛋白上但不活化G蛋白的新的中间态。

3、细胞分子生物物理

在研究生物分子的结构和功能基础上，要研究各种生物分子如何组织到生命的基本单位-细胞这个较复杂的体系中去，通过各种激活和抑制的调控机制，实现细胞的生理功能。

这是研究复杂体系生物学的第一步。

该方向的研究与胚胎的发育，细胞的正常生长、分裂、凋亡,生命体各种生理功能，疾病的发生和治疗都有极密切的关系。

参与信号传导的物质包括各种物理的和化学的，生物膜上各种受体、离子通道，胞内作为第二信使的小分子和离子，各种信号蛋白、多种激酶、多种调节基因表达活性的转录酶和DNA、mRNA等。

细胞接受各种物理的和化学的刺激后，如何产生功能性反应?

一般有四个阶段：

（1）与膜受体相互作用，把信号转导到细胞内。

（2）细胞内各种第二信使分子之间及与一些蛋白激酶相互作用，导致信号的级联放大。

（3）胞内信号分子或激活的转录因子进入细胞核内，启动基因转录，合成蛋白或多肽，调节细胞生理功能。

（4）通过负性反馈或灭活，终止信号作用。

现已知至少有5种以上信号跨膜转导通路，每条通路有多种信号分子参与，特别是各条通路间又有复杂的协同或抑制联系。

另一方面,细胞间的信号传递是协调“细胞社会”分工、合作的基本方式，2000年度诺贝尔医学奖得主的研究成果就是“人类脑神经细胞间信号的相互传递”。

4、神经和脑科学

神经是复杂生物体生命活动最重要的调控系统，是脑高级活动的基础，因此，一直是生命科学研究的重点之一。

发育神经生物学、认知神经科学、信号的转导机制、感觉系统的信息加工、神经元和神经胶质的生物学是一些研究热点。

尤其是对发育神经生物学的研究，近年发现的调控神经发育的基因及基因产物，在数量上达到“爆炸性”增长，值得注意的最新发展方向有神经免疫调节学和脊髓再生。

90年代，美国、欧洲和日本先后制定了各自的“脑的十年”研究计划。

美国的重点是“保护脑”，欧洲兼顾了“了解脑”，而1996年日本则更提出要“创造脑”的目标。

根据我国生物物理学家考察，日本的脑研究主要特点有：

（1）高度的跨学科性

（2）在水平上不仅是“赶”，更着眼于“超”

（3）有强烈的应用背景，又不急功近利

（4）高度重视所需要的新技术和新材料

（5）脑科学的实验和理论紧密结合

他们把无创伤性脑功能活动测量技术和运用脑功能建模计算和构建技术作为主要研究手段，正在把精神活动的研究带入到脑科学的范畴。

主要研究热点包括：

神经元功能的分子生物学、分子神经病理学、脑功能的成象、人的信息处理机制和智能化的人机界面、“类脑机器”和脑型计算机及动态脑的研究等。

5、医学和中医药学现代化研究

结合医学的基础和应用研究一直是生物物理学的重点之一。

一方面是人体的生物力学、电学、光学、磁学等物理特性,各种物理因素对人体作用的效应和机理等基础研究。

同时,在应用各种信息处理技术提取和分析人体生物信息的研究基础上，发展各种疾病诊断和治疗的新技术。

当前发展的重点是研制采集各种人体信息的生物传感器件和无创、实时的人体影象仪器。

例如，对心电和脑电讯号的提取和分析、发展新的疾病诊断技术；研究新的人体光学成象诊断技术等。

中国政府提出了“实现中医药现代化”和“使中医药更广泛的走向世界”的战略任务。

中医药现代化发展的突破将有可能成为我们中华民族对整个人类的新贡献之一。

例如，经络的现代化研究，综合对经脉的电学、磁学、声学、红外、同位素等多种检测，可确定循人体体表的古典经脉线的确具有特征性的生物物理性能，并开辟了探索经络的功能性综合结构的新途径。

当然，经络的现代研究仅仅是开始，还有很大争论。

另一方面，在细胞和分子水平，可对一些中药方剂、配伍药物及其有效成分进行系统的药物作用机理研究，既可阐明中药方剂配伍的科学性和合理性，为中药进入国际市场提供科学根据;同时又可发现和研制新型药物，提高治疗疑难病症的疗效。

生物物理学是正在迅速发展的一门边缘学科。

它的研究对象一方面向微观发展，在原子和量子水平认识生命活动的本质。

另一方面向复杂体系的生命活动发展，例如，脑功能的研究。

其特点是定量化和研究生物各层次生命活动变化的过程和规律。

生物物理研究在21世纪将对生命科学作出更多的重要贡献。

参考文献：

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321.