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生物物理学

1 拼音

shēng wù wù lǐ xué

2 英文参考

Biophysics

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,是物理学与生物学的交叉学科。生物物理学旨在阐明生物在一定的空间、时间内有关物质、能量信息的运动规律。

生命运动自然物质最高级的运动形式,它包含并制约着生物体内的机械的、物理的、化学的运动,对生命运动所包含的物理运动的研究,有助于认识生命运动。虽然恩格斯早就提出了这种研究的必要性,但作为专门的生物物理学直到本世纪50年代才诞生,至今仍处于形成和发展的阶段。

3 生物物理学研究的内容

这门学科所包含的内容,按物理学系统可分为生物力学、生物流体力学、生物热力学生物电学、生物光学生物磁学和放射生物学等;按生物学系统可分为视觉生物物理、听觉生物物理、肌肉收缩生物物理、神经生物物理、膜生物物理、生物信息论生物控制论等;按研究层次可分为原子生物物理、分子生物物理、细胞生物物理和复杂体系的生物物理等。不论按哪种方法划分,其研究涉及以下四个方面的内容:

(1)生物体中发生的物理及物理化学过程;

(2)生物组织的物理特性;

(3)物理因子与生物体的相互作用

(4)物理学理论和方法在生物学研究中的应用。

生物物理学所研究的生物物理性质包括物质的输运性质、生物的半导体性质、液晶态性质及电学、磁学、光学、超声、和流体力学性质等。它所研究的生物物理过程包括视觉、听觉、兴奋传导细胞运动、物质转运、能量的吸收传递、储存、转换、利用及生物体中的信息流动和控制过程等。它所研究的物理因子包括光、声、电、磁及电离辐射等。

我国生物物理学会确认的该学科目前的研究范围是:

(1)分子生物物理学。

(2)细胞生物物理学。

(3)功能生物物理学。

(4)生物信息论和生物控制论。

(5)生物组织的物理特性。

(6)物理因子引起的生物效应

下述问题特别引起重视:生物体系中力的作用;生命所利用的基本粒子;生物的物理性质;生物膜与液晶;生物水;生物的自组织。生物物理学发展很快,其理论和技术正向医学广泛渗透,在中医经络藏象气机等研究中得到日益深入的应用。

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4 生物物理学的发展

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。

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