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生物物理学的简介生物物理学简介生物物理学Biological Physics是物理学与生物学相结合的一门交叉学科，研究生 物的物理特性，是生命科学的重要分支学科和领域之一生物物理涵盖各级生物组织，从 分子尺度到整个生物体和生态系统它的研究范围有时会与生理学、生物化学、纳米技术、 生物工程、农业物理学、细胞生物学和系统生物学有显著的重叠生物物理学被认为是生 物学和物理学之间的桥梁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的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研究内容生物的物理性质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，而组成核酸的核糖乂总是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己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。

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-188C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铉玻璃激光光源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「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能的活力;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15〜20C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1.5X109公顷土地，其中盐碱地占4X108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匚脏器或假肢等领域，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乂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 绝技一在0. 05秒内测准掠过它眼前小虫的大小、方向与飞行速度一的装置只是它的 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一跟踪移动目标、水母风暴预报装置、高清晰度的电 视仿赏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 复杂乂迅速，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感谢您的阅读，祝您生活愉快 。