生物物理學

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生物物理學( Biological Physics)是物理學生物學相結合的一門交叉學科,是生命科學的重要分支學科和領域之一。 生物物理學應用物理學的概念和方法研究生物各層次結構與功能的關係、生命活動的物理、物理化學過程和物質在生命活動過程中表現的物理特性的生物學分支學科。生物物理學旨在闡明生物在一定的空間、時間有關物質、能量與信息的運動規律。

發展簡史

發展歷程

貝時璋,中國生物物理學奠基人

  17世紀A.考伯提到發光生物熒火蟲。   1786年L.伽伐尼研究了肌肉的靜電性質。   1796年T.揚利用光的波動學說、色覺理論研究了眼的幾何光學性質及心髒的液體動力學作用。   H.von亥姆霍茲將能量守恆定律應用於生物系統,認為物質世界包括生命在內都可以歸結為運動。他研究了肌肉收縮熱量的產生和神經脈衝的傳導速度E.H.杜布瓦-雷蒙德第一個製造出電流表並用以研究肌肉神經,1848年發現了休止電位及動作電位。   1895年W.C.倫琴發現了 XXX線后,幾乎立即應用到醫學實踐。   1899年K.皮爾遜在他寫的《科學的文法》一書中首次提到:「作為物理定律的特異事例來研究生物現象的生物物理和生物物理學……」,並列舉了當時研究的血液流體動力學、神經傳導的電現象、表面張力膜電位、發光與生物功能、以及機械應激、彈性、粘度、XX與生物結構的關係等問題。   1910年A.V.希爾把電技術應用於神經生物學,並顯示神經纖維傳遞信息的特徵是一連串勻速的電脈衝,脈衝是由膜內外電位差引起的。   19世紀顯微鏡的應用導致細胞學說的創立。以後從簡單顯微鏡發展出紫外、暗視野、熒光等多種特殊用途的顯微鏡。電子顯微鏡的發展則提供了生物超微結構的更多信息。

應用

  早在1920年 XXX線衍XX技術就已列入蛋白質結構研究。W.T.阿斯特伯里用 XXX線衍XX技術研究毛髮、絲和羊毛纖維結構、α-角蛋白的結構等,發現了由氨基酸殘基鏈形成的蛋白質主鏈構象的α-螺旋空間結構;20世紀50年代J.D.沃森及F.H.C.克里克提出了遺傳物質DNA雙螺旋互補的結構模型。1944年的《醫學物理》介紹生物物理內容時,涉及面已相當廣泛,包括聽覺、色覺、肌肉、神經、皮膚等的結構與功能(電鏡、熒光、XXX線衍XX、電、光電、電位、溫度調節等技術),並報道了應用電子迴旋加速器研究生物對象。物理概念對生物物理髮展影響較大的則是1943年E.薛定諤的講演:「生命是什麼」和N.威納關於生物控制論的論點;前者用熱力學和量子力學理論解釋生命的本質引進了「負熵」概念,試圖從一些新的途徑來說明有機體的物質結構、生命活動的維持和延續、生物的遺傳與變異等問題(見耗散結構和生物有序)。後者認為生物的控制過程,包含著信息的接收、變換、貯存和處理。他們論述了生命物質同樣是物質世界的一個組成部分,既有它的特殊運動規律,也應該遵循物質運動的共同的一般規律。這就溝通了生物學和物理學兩個領域。現已在生物的各個層次,以量子力學和統計力學的概念和方法進行微觀和宏觀的系統分析

研究內容

生物的物理性質

  20世紀20年代開始陸續發現生物分子具有鐵電、壓電、半導體、液晶態等性質,生命體系在不同層次上的電磁特性,以及生物界普遍存在的XX頻通訊方式。但許多物理特性在生命活動過程中的意義和作用,則遠沒有搞清楚。比如幾乎所有生物,體內的蛋白質都是由L型氨基酸組成,而組成核酸核糖又總是D型。為什麼有這樣的旋光選擇性,與生命起源和生物進化有何關係,就有待探討。1980年發現兩個人合成DNA片段呈左旋雙螺旋,人們普遍希望了解自然界有無左旋 DNA存在。1981年人們在兩段左旋片段中XX一段A-T對,整個螺旋立即向右旋轉,能否說明自然界不存在左旋DNA呢?這種特定的旋光性對生命活動的意義現仍無答案。根據生物的物理特性可以測出各種物理參數。但是由於生命物質比較複雜,在不同的環境條件下參量也要改變。已有的測試手段往往不適用,尚待技術上的突破,才有可能進一步闡明生命的奧秘。

生命活動的物理及物理化學過程

  活躍在生物體內的基本粒子(目前研究到電子和質子)的研究,也是探索生命活動的物理及物理化學過程的一個主體部分。生物都是含水的,研究水溶液中電子的行為,對了解生命活動的理化過程極為重要。人們已經發現了生物的質子態、質子非定域化和質子隧道效應等現象,因此需進一步開展量子生物學的研究,探索這些基本粒子在活體內的行為。光合作用中葉綠素最初吸收光子只在10-15秒瞬間完成,視覺過程和高能電離輻XX最初始的能量吸收也都是瞬間完成的,這些能量在體內最初的去向和行為,從吸收到物理化學過程的出現,究竟發生了什麼物理作用,這就需要既靈敏又快速的測試技術。生命活動過程中過去不被注意的組分,包括甲基、酰基這樣的基團,水分子和金屬離子,它們恰恰活躍地作用於大分子之間,在生物大分子相互作用時,不僅是搭橋牽線以引發大分子的構象變化,而且它們自身就參與結構和功能變化。如甲基化與神經傳導、生物信號傳遞、基因開關等均有密切關係。酰化作用、金屬離子如鈣、鎂等的作用也早被注意。在膜通道研究過程中,發現了鈣和鈣調素的作用。生物體內的遊離子(自由水)可以由氫鍵締合成水化層,它不是結合水,但對生物結構有關並參與生命活動。生物水既是質子供體,也是質子受體,因此水在生物體內決不是簡單的介質。蛋白質在56℃左右變性,但我們能在70℃以上的溫泉中找到生物;人工培養的細胞保存在-190℃,解凍后細胞仍與正常態一樣,這些生物體內水的結構狀態是怎樣?如果能把這些極端狀態的水的結構與性質闡明,將有助於對生命規律的理解。   生物在億萬年進化過程中,最終選擇了膜作為最基本的結構形式。從通透、識別、通訊,到能量轉換

生物物理學奠基人

各種生命活動幾乎都在膜上進行,膜不僅提供場所,它本身也積极參与了活動(見生物膜)。

物理及物理化學技術的發展和應用

  對生物大分子及大分子體系結構分析的有:①近紅外顯微鏡。反差大,生物材料無需染色即可觀察。由於近紅外能量極小,因此基本上不損傷生物樣品,對光敏系統如暗適應感受器細胞的觀察就十分有利。有人預計有可能用來觀察生活狀態的活樣品;②閃光XXX線顯微鏡。每個脈衝為60毫秒,打在聚甲基異丁烯酸甲酯薄膜窗口,由於所XX出的是軟XXX線(23~44埃)正是水透明區,因此提供了可以進行水濕樣品研究的條件。同步輻XX中的軟 XXX線對生物學研究將帶來極大的好處;③光散XX顯微鏡。能測定細胞的大小與形狀,絕對靈敏度高達0.01~0.1微米,並且不怕雜質干擾,不需要樣品製備直接提供信息;④利用吸收超聲能量后引起溫度瞬間變化來進行超聲回聲圖象術進行診斷,用聲學顯微鏡顯示人染色體,樣品在-188℃液氮中由透鏡記錄到超聲信號再轉換成像;⑤低角XXX線衍XX研究活細胞。用釹玻璃激光光源50~600ps脈衝,聚集在100微米有機玻璃靶上。由於主要來自15Cl離子的4.45埃激光源,因此有利於活細胞觀察;⑥磁共振。研究生物大分子結合重金屬離子后結構變化,二價陽離子在膜結構與功能關係中的作用,鹽菌紫膜光照內膜酸鹼度變化等等。除了常用的13C、31P、1H等外還用19F測定酶與底物的相互作用。用2D測定膜中的分子動力學。另一方面,二維核磁已可用來測定溶液中大分子內氫原子之間的距離,核磁成像作為無損傷成像技術,將遠優於超聲的應用,在某些方面優於XXX線斷層成像技術。此外如利用全反XX衰減紅外光譜觀察水溶液中膜蛋白及紅細胞結構;拉曼差光譜測定肌紅蛋白三級及四級結構;XXX線散XX研究溶液構像測定原子間短程漲落狀態,如蛋白質α-螺旋510埃區域的動態變化;利用磁圓二色研究生物分子可以和熒光偏振、線性圓二色互補測定高粘度下或非熒光分子樣品。有時一種技術的出現將使生物物理問題的研究大大改觀。如 XXX線衍XX技術導致了分子生物物理學的出現。因此雖然技術本身並不一定就代表生物物理,但它對生物物理學的發展是非常關鍵的。

意義

  農業方面 為防止環境污染,取代農藥和化肥除考慮生物途徑(主要是微生物)外,更重要的是尋找作物生長的內在規律,根據作物本身的物理或物理化學規律,來控製作物生長和能量的合理利用。例如中國利用線粒體互補方法來揭示雜交品種是否有雜種優勢,這就是利用科學規律提出節省時間的育種方法。有些中國科學家提出線粒體中電子傳遞途徑的改變和調節有可能是多種方式的。這就為使更多的C3型植物能轉化到代謝更有效的C4型開闢了道路。提高光合作用的效率關鍵之一是如何控制暗反應中關鍵酶的活力;用物理方法暫時性的抑制酶活力顯然要比化學方法有利得多。細胞利用環境中飽和和不飽和脂肪酸與溫度有關。在15~20℃時利用油酸,而在20~25℃時則主要利用亞油酸,從而提供了不同溫度條件下控製作物能量轉換途徑來提高作物的營養價值。70年代末全球耗地為1.5×109公頃土地,其中鹽鹼地占4×108公頃。能否利用某些好鹽菌來改良土壤,尤其是具有視紫紅質的好鹽菌,借助它能將光能直接轉換成化學能,是值得考慮的。輻XX育種、激光育種由於沒有掌握生物物理規律,工作盲目性較大,急待改進,以期獲得更好效果。   醫學方面 XXX線斷層照相(CT)、超聲、核磁成象能精確地進行腫瘤定位等。電子成像,如利用同位素標記的脫氧葡萄糖,可以清晰地顯示出在休息、學習、聽音樂、邊學習邊聽音樂等情況下腦活動的不同狀態。表明腦在不同情況下代謝活動是完全不同的。這就是神經性障礙的病患者理想診斷方法。人工臟器或假肢等領域,如果不能首先從生物體引出固有信號,然後使信號轉換,再進行模擬是無法完成的。   工業方面 為實現工業改造中高靈敏度條件下小型化自動化,生物原型(模板)是取之不盡的源泉。生物是個十

分複雜的化工廠,無需加溫加壓即以無比短暫的速度,全部自動化地合成與分解。幾乎沒有三廢需要處理。生物又是最精密的電子工廠,廠里零部件之小、靈敏度、精確度之高無與倫比。不僅全部都是自動控制,而且代償性強。例如螳螂的測速絕技──在0.05秒內測准掠過它眼前小蟲的大小、方向與飛行速度──的裝置只是它的一對大複眼和頸部的本體感受器。生物物理學把原型加以研究,然後進行數學模擬和電子模擬,先後製成了電子蛙眼跟蹤器──跟蹤移動目標、水母風暴預報裝置、高清晰度的電視(仿鱟眼側抑制原理)等。目前人們已開始探索以分子為元件的電腦的可能性。   一方面物理及物理化學技術的應用促進了生物物理學的發展;另一方面技術在應用於生物對象時必須有所改進。比如最早電子順磁共振波譜儀(ESR)應用於生物材料,首先碰到含水、恆溫等問題。一般研究活物質的技術都要求滿足:低能量、無損傷、小樣品、短時間、最迫近生活狀態等條件。這些條件難度都較高,因此,生物物理學對技術的發展也有很大的促進。生物物理學是研究活物質的物理學。儘管生命是自然界的高級運動形式,也仍然是自然界3個量(質量、能量和信息)綜合運動的表現。只是在生理體內這種運動變化既複雜又迅速,而且隨著生物物質結構的複雜化,能量利用愈趨精密,信息量愈來愈大。雖然難度很大,但從另一方面看,研究活物質的物理規律,不僅能進一步闡明生物的本質,更重要的是能使人們對自然界整個物質運動規律的認識達到新的高度。

書籍摘要

  介紹了生物物理學的定義、產生和發展的簡史、研究內容,並指出了物理學和生物學交叉的必要性和必然性。   關鍵詞:生物物理學;交叉學科;描述性方法   學科交叉是當前最富活力的領域之一,科學的協同作用及相互激勵作用逐漸被人們所認識。生命科學與

醫用生物物理學

物理學的交叉所形成的一門新的學科——生物物理學,日益受到人們的關注。一方面,物理學在以往的年代對簡單系統的研究已經積累了十分豐富的經驗、成熟的理論和先進的技術。生物是物,生物有理,為了真正揭示生命過程的本質,深入掌握生命過程的基本規律,從而達到控制生物、改造生物的目的,生物學的發展離不開物理學的理論和技術。另一方面,物理學研究宏觀物質世界的核心問題,是從基本的物質結構和相互作用出發,闡明種種複雜現象的由來和機理。人類所知的最複雜的物質存在和運動形式,莫過於地球上經過幾十億年進化而形成的生命現象。生命物質和生命現象必定是21世紀物理學研究的重要對象。

生物物理學的定義

  生物物理學的定義是生物物理學領域幾乎每一本教科書都無法回答的問題。許多課本中對什麼是生物物理學幾乎都只能含糊其詞的而沒有給出正面的回答:生物物理學是那麼一個領域沒有明確的內容範圍;生物物理學還不是一個成熟學科;它的主要內容還不定型;生物物理學只是個別生物物理學家按照他們自己的設想來規定的,等等。因此與其去討論他的定義或者是強調它的定義,還不如用討論物理科學與生物科學之間的關係來明確生物物理學的概念。   1.1生物學和物理學   物理學和生物學互相促進,共同發展。物理學和生物學在兩方面有聯繫:一方面,生物為物理提供了具有物理性質的生物系統,另一方面,物理為生物提供了解決問題的工具。生命科學是系統地闡述與生命特性有關的重大課題的科學。支配著無生命世界的物理定律同樣也適用於生命世界,無須賦予生活物質一種神秘的活力。對於生命科學的深入了解,無疑也能促進物理、化學等人類其它知識領域的發展。    生命科學研究不僅依賴物理知識、它所提供的儀器,也依靠它所提供的思想方法。生命科學學家也是由各個學科匯聚而來。學科間的交叉滲透造成了許多前景無限的生長點與新興學科。   1.2各種生物物理學的定義   關於生物物理學的定義,有許多不同的看法。現列舉文獻中或網路上出現的四種定義。   定義一:生物物理學是由物理學與生物學相互結合而形成的一門交叉學科。它應用物理學的基本理論、方法與技術研究生命物質的物理性質,生命活動的物理與物理化學規律,以及物理因素對機體的作用。   定義二:生物物理學是生物學和物理學之間的邊緣學科,它用物理學的概念和方法研究生物各層次的結構與功能的關係,以及生命活動的物理過程和物理化學過程.   定義三:生物物理學是物理學與生物學相結合的一門邊緣學科,是生命科學的重要分支學科和領域之一。生物物理學是應用物理學的概念和方法研究生物各層次結構與功能的關係、生命活動的物理、物理化學過程和物質在生命活動過程中表現的物理特性的生物學分支學科。生物物理學旨在闡明生物在一定的空間、時間內有

關物質、能量與信息的運動規律。   定義四:生物物理學是運用物理學的理論、技術和方法,研究生命物質的物理性質、生命過程的物理和物理化學規律,以及物理因素對生物系統作用機制的科學。   上面的四個定義表述方法雖各有不同,但都認為生物物理學是一門生物學和物理學相互作用的學科,也都是從生物物理學的研究對象上來闡述其定義的。   關於生物物理學屬於生物學的分支還是物理學的分支,一些生物學家認為他們研究生命現象時只是引入了物理學的理論和方法,屬於生物學的一個分支。但有些物理學家認為,研究生命的物質運動,只是物理學研究對象由非生命物質擴展到生命物質。應該屬於物理學的分支。不同研究領域的學者處於不同的角度,也就有了不同的定義。

生物物理學的形成與發展

  從16世紀末開始,人們就開展了生物物理現象的研究,直到20世紀40年代薛定諤(Schrödinger)在都柏林大學關於「生命是什麼」的講演之前,可以算是生物物理學發展的早期。   19世紀末葉,生理學家開始用物理概念如力學、流體力學、光學、電學及熱力學的知識深入到生理學領域,這樣就逐漸形成一個新的分支學科,許多人認為這就是最初的生物物理學。實際上物理學與生物學的結合很早以前就已經開始。例如克爾肖(Kircher)在17世紀描述過生物發光的現象;波萊利(Borrelli)在其所著《動物的運動》一書中利用力學原理分析了血液循環和鳥的飛行問題。18世紀伽伐尼(Galvani)通過青蛙神經由於接觸兩種金屬引起肌肉收縮,從而發現了生物電現象。19世紀,梅那(Mayer)通過熱、功和生理過程關係的研究建立了能量守恆定律。本世紀40年代,《醫學物理》介紹生物物理內容時,涉及面已相當廣泛,包括聽覺、色覺、肌肉、神經、皮膚等的結構與功能(電鏡、熒光、XXX線衍XX、電、光電、電位、溫度調節等技術),並報道了應用電子迴旋加速器研究生物對象。著名的量子物理學家薛定諤專門作了「生命是什麼」的報

人體的生物物理學效應

告中提出的幾個觀點,如負熵與生命現象的有序性、遺傳物質的分子基礎,生命現象與量子論的協調性等,以後陸續都被證明是極有預見性的觀點,而且均得到證實。這有力地說明了近代物理學在推動生命科學發展中的作用。   20世紀50年代,物理學在各方面取得重大成就之後,物理學實驗和理論的發展為生物物理學的誕生提供了實驗技術和理論方法。例如,用XXX線晶體衍XX技術對核酸和蛋白質空間結構的研究開創了分子生物學的新紀元,將生命科學的許多分支都推進到分子水平,同時也把這些成就逐步擴大到細胞、組織、器官等,為生物物理學的誕生創造了生物學條件,成為微觀生物物理學發展的一條主幹。此外,資訊理論、控制論、電腦科學技術、非線性科學的發展,還為生物物理學的發展提供了數學工具和資訊理論基礎。應用生物資訊理論與控制論、非平衡態熱力學、非線性與複雜性等的研究從宏觀角度對生命現象進行了探討,成為宏觀生物物理學發展的基礎。這兩方面的結合使生物物理學以嶄新的面貌出現在自然科學,特別是生命科學的行列之中,成為一門需要較多數學與物理基礎,研究生命問題的獨立發展的邊緣學科。   物理概念對生物物理髮展影響較大的除了薛定諤的講演還有N.威納關於生物控制論的論點;前者用熱力學和量子力學理論解釋生命的本質引進了「負熵」概念,試圖從一些新的途徑來說明有機體的物質結構、生命活動的維持和延續、生物的遺傳與變異等問題。後者認為生物的控制過程,包含著信息的接收、變換、貯存和處理。他們論述了生命物質同樣是物質世界的一個組成部分,既有它的特殊運動規律,也應該遵循物質運動的共同的一般規律。這就溝通了生物學和物理學兩個領域。現已在生物的各個層次,以量子力學和統計力學的概念和方法進行微觀和宏觀的系統分析。   國際純粹與應用生物物理學聯合會(簡稱IUPAB)于1961年建立,以後每3年召開1次大會,至今已成為包括40余個國家和地區的生物物理學會,中國已於1982年參加了這個組織。從國際生物物理學會成立到現在,雖然只有30多年的歷史,但生物物理學作為一門獨立學科的發展是十分迅速的。美、英、俄、日等許多國家在高等學校中設有生物物理專業,有的設在物理系內,有的設在生物系內,也有的設在工程技術類的院校。目前發達國家均投入很大的力量致力於這門學科的研究工作。中國開展生物物理科研與教學工作的歷史更短些,但發展較快。儘管許多方面與國外的進展有較大差距,但是由於受到國家和科學工作者的重視,我們將會迅速地趕上去。

生物物理學的研究內容和現狀

  3.1生物物理學的研究內容   生物物理學研究的內容十分廣泛,涉及的問題則幾乎包括生物學的所有基本問題。由於生物物理學是一門正在成長著的邊緣學科,其具體內容和發展方向也在不斷變化和完善,它和一些關係特別密切的學科(生化、生理等)的界限也不是很明確。現階段,生物物理的研究領域主要有以下幾個方面:   3.1.1分子生物物理。分子生物物理是本學科中最基本、最重要的一個分支。它運用物理學的基本理論與技術研究生物大分子、小分子及分子聚集體的結構、動力學,相互作用和其生物學性質在功能過程中的變化,目的在於從分子水平闡述生命的基本過程,進而通過修飾、重建和改造生物分子,為實踐服務。   生物大分子及其複合物的空間結構與功能的關係是分子生物物理的核心問題。自從50年代XXX線衍XX晶體分析法應用於核酸與蛋白質獲得成功,奠定了分子生物學發展的基礎,至今已有40余年歷史。在這段時期中,有關結構的研究大體上經歷了3個主要階段:①晶體結構的研究;②溶液中生物分子構象的研究;③分子動力學的研究。分子構象隨時間變化的動力學,分子問的特異相互作用,生物水的確切作用等是分子生物物理今後的重要課題。   3.1.2膜與細胞生物物理。膜及細胞生物物理是僅次於分子生物物理的一個重要部分。要研究膜的結構與功能,細胞各種活動的分子機制;膜的動態認識,膜中脂類的作用,通道的結構及其啟閉過程,受體結構及其與配體的特異作用,信息傳遞機制,電子傳遞鏈的組分結構及其運動與能量轉換機制都是膜生物物理的重要課題。細胞生物物理目前研究的深度還不夠,隨著分子與膜生物物理的進展,細胞各種活動的分子機制也必將逐步闡明。   3.1.3感官與神經生物物理。生命進化的漫長曆程中出現了能對內、外環境作出反應的神經系統。神經系統連同有關的感覺器官在高等動物特別是在人體內已發展到了高度複雜的程度,其結構上的標誌是出現了大腦皮層,功能上大腦是最有效的信息處理、存貯和決策機構。因此感官和腦的問題已經成為神經生物學注意的中心。研究的主要問題有:①離子通道;②感受器生物物理;③神經遞質及其受體;④神經通路和神經迴路研究;⑤行為神經科學。這是生物物理最早發展,但仍很活躍的一個領域,特別應該指出的是目前「神經生物物理」受到極大重視,因為這是揭開人類認識、學習、記憶以至創造性活動的基礎。   3.1

.4生物控制論與生物資訊理論。主要用控制論的理論與方法研究生物系統中信息的加工、處理,從而實現調節控制機制。它從綜合的、整體的角度出發,研究不同水平的生物系統各部分之間的相互作用,或整個系統與環境之間的相互作用,神經控制論和生物控制系統的分析和模擬是其兩個重點。   3.1.5理論生物物理。是運用數學和理論物理學研究生命現象的一個領域,既包括量子生物學和分子動力學等微觀研究,也包括對進化、遺傳、生命起源、腦功能活動及生物系統複雜性等宏觀研究。目前已從藥物毒物等簡單分子逐步向複雜體系過渡,試圖從電子水平說明生命現象的本質,涉及各種生命活動的基礎。但在方法上還必須不斷發展以適應需要。   3.1.6光生物物理。光生物物理是研究光生物學中的光物理與原初光化學過程,即研究光的原初過程的學科。主要研究問題有:①光合作用;②視覺;③嗜鹽菌的光能轉換;④植物光形態建成:⑤光動力學作用;③生物發光與化學發光。   3.1.7自由基與環境輻XX生物物理。研究各種波長電磁波(包括電離輻XX)對機體和生物分子的作用機制及其產生效應的利用與防護基礎研究。主要內容有:①自由基;②電離輻XX的生物物理研究;③生物磁學與生物電磁學。   3.1.8生物力學與生物流變學。它的興起是由於人們對認識生命運動規律、保護人類健康生物醫學工程和生物化學工程的需要。主要內容有:①生物流體力學;②生物固體力學;③其它生物力學問題;④生物流變學。其中血液流變學占主導地位,這是因為它與臨床密切結合,所以發展特別迅速。   3.1.9生物物理技術。生物物理技術在生物物理中佔有特殊的地位,以致成為該學科中不可缺少的一個重要組成部分。這是因為每一項重要技術的出現常常使生物物理的研究進到一個新的水平,推動學科迅速發展。XXX線衍XX分析、核磁共振技術及常規波譜分析都是很典型的例子。生物物理技術和儀器的另一重要任務就是根據研究課題的需要設計新的儀器。如為了研究細胞膜上的脂和蛋白分子的側向擴散運動而設計的熒光漂白恢復技術(FPR)等。   3.2生物物理學研究的現狀   (1)分子生物物理學是整個生物物理學的基礎,也是當前研究的重點,占主導地位(占1/3)   (2)膜與細胞生物物理學是把分子生物物理學原理應用到生物活體系的第一個目標,即用分子的語言描述膜與細胞的結構與功能(占1/3)   (3)開展動態的、活體的檢測與研究,發展相關檢測技術。   (4)對更高的複雜層次的研究,如對視覺、腦和神經活動的研究。   生命科學各個領域的研究中,幾乎都需要生物物理學的參與;與此同時,生物物理學自身也在不斷發展,充實新內容,開拓新領域。

物理學和生物學交叉的必要性和必然性

  4.1生物學的發展需要引入物理學的思想和方法   物理學在生物學領域的應用,不僅包括物理學技術,實驗方法的應用,還包括物理學理論和物理學思維方式的應用。是物理學在新的對象(生命體)上的應用。物理學從哥白尼及伽利略以來就逐漸明確它的特點而成為一門精確而系統的科學。他的威力就在於它的精確性系統性,簡練的概括性的給出事物的基本原理和相互關係,而且能夠從原理來指導實踐。早先人們努力致力於描述性科學(例如對於天體運動的描述),後來才發展成更精確的科學(例如牛頓運動定律的發現)。現在的生物學更多是處於描述性科學的階段,它局限於敘述生命運動的現象和事實,沒有上升到理論指導實踐的階段。它現在還不是一個完備的科學。它在解釋一些根本的問題上,僅僅依靠描述現象來解釋,是違背科學的方法的。所以生物學有待運用物理學基本原理來解釋生命的現象和本質,進而成為一門精確而系統的科學。   人們很早就對動植物的形態生理進行了記載和描述,從那時起就產生了早期的生物學。隨著生物學的發展,人們對生物學的研究已經深入到了細胞和分子階段,但仍然逃脫不了描述性的研究。他們能夠描述這些生物生理活動的現象,卻不能說明產生這些運動變化的最基本的原因。例如,對於細胞分泌蛋白質的過程,生物學家可以描述在此過程中各種可能的膜交換途徑,但是,是什麼控制著膜性細胞器的定向的流動?現在還沒有人確切知道這個答案,這是細胞生理學中尚未完全了解的奇跡之一。 人們越來越認識到,要更深刻地理解複雜的生物系統,需要有一種與物理學更密切整合在一起的定量生物學。分子生物學的許多內容已經依靠物理學家發明的技術了,如核磁共振與XXX線。但現在生物學的數據更豐富了,它越來越需要那種作為物理學特點的分析和計算方法。   普林斯頓大學的第一位女校長,人類基因圖譜破譯的功臣雪莉.蒂爾曼說:「在生物學界人們越來越感到,我們需要認真考慮如何培養下一代生物學家這一問題。」她認為,這種培訓應該包括更多的數學、物理學和化學。   4.2物理學進軍生物學領域的必然性   19世紀末,很多物理學家認為,物理學的大廈已經建成,僅剩下一些縫縫補補的工作。經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵「烏雲」:「以太漂移」的「零結果」和黑體輻XX的「紫外災難」。愛因斯坦創立了相對論;海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了。在相對論和量子力學建立起來以後,現代物理學經過七十多年的發展,已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度,用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。我們能不能說,現代物理學的大廈已經建成了呢?   物理學理論能夠去解釋宇觀、宏觀和微觀的幾乎所有非生命物質的運動,但是在複雜的生命物質和生命現象的對象面前卻顯得極其力不從心。所以它現在還遠遠不是一個完善的科學。可以仿照打個比方:現在的物理學家或許正為新的物理學大廈的建成而欣喜若狂,但當他們低下頭,有沒有看到地基里的生命呢?說不定地基里的生命螞蟻正在啃噬大廈的地基,造成物理學大廈的又一次崩塌。於是他們又嘗試重新建立起一個適合生命現象的物理學大廈。   生物物理學是物理學派生出來的,到一定發展階段去研究更複雜的生命現象的學科。物理學是自然科學的主力軍,它在解釋複雜的生命體和化合物面前無能為力,於是它避開精銳,先向非生命物質進軍。而把研究很多複雜的物質運動和生物體的任務交給了留給化學家和生物學家暫時主要去描述性地研究。現在它已發展到一定時期,非生命物質的堡壘即將被攻破,是它的大部隊大反攻的時候了。它可以從宏觀和微觀兩面夾 擊,來研究生命現象了。構成生物體的物質與非生命物質是統一的,支配著無生命世界的物理定律同樣也適用於生命世界。所以生命物質和生命現象必然成為物理學研究的重要對象。

生物物理學的任務

  生物物理學的不斷發展和完善,一定會極大地促進生命科學的發展,並將帶來對於生命現象的本質新的突破。二十一世紀是生命科學的世紀,更是學科交叉、科學走向統一的世紀。新的世紀留給生物物理學的任務有:   (1)發掘非平衡開放系統特性的主要規律,也就是找出生命的熱力學基礎   (2)從理論上解釋進化和個體發育的現象。   (3)解釋自身調節自我複製的現象(自組織現象)。   (4)從原子、分子水平上揭露生物過程的本質也就是找到活躍在細胞內的蛋白質、核酸及其他物質的結構和生物功能的聯繫;此外,還要在研究生命體在更高的超分子水平上、在細胞的水平上及在構成細胞的細胞器的水平上的物理現象。   (5)設計出研究生物功能物質及由這類物質構成的超分子結構的物理方法和物理化學方法,並對利用這種方法所得到的結果提供理論解釋。   (6)對神經脈衝的發生和傳播、肌肉收縮、感覺器官對外部信號的接收及光合作用等高度複雜的生理現象,提供物理的解釋。   (7)解釋怎樣由物質形成了意識

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  作/譯者:丘冠英 彭銀祥

生物物理學

出版社:武漢大學出版社   出版日期:2000年07月   ISBN:9787307029163 [十位:7307029162]   頁數:335重約:0.510KG   定價:¥23.00

內容提要

  本書具有普通生物物理學教學用書或生物筆理學引論折性質。全書共9章,內容包括:分子生物物理、生物膜及其物理物性、光生物物理、自由基生物學、生物電學與生物磁學、感官與神經生物物理、生物分子電子學生物感測器的基本知識,后兩章是一類教科書中較少涉及的。   本書以介紹基本理論為主,也注意介紹有關研究技術。本書涉及落圍較廣但篇幅適中,注意理論聯繫實際、文字敘述深入淺出,各章后均附有參考文獻,適宜於高等院校大學生及研究生作為生物物理課程的教科書或參考書,也可供從事生物物理學及相關專業工作者參考。

圖書目錄

  前言   緒論   參考文獻   第一章 分子生物物理學   1.1 分子生物物理學的物理基礎   1.2 生物大分子的結構與功能   1.3 測定生物大分子結構的物理方法   1.4 分子動力學   1.5 蛋白質的摺疊與蛋白質工程   1.6 核酸與蛋白質的相互作用   參考文獻   第二章 生物膜及其物理特性   2.1 生物膜的組成   2.2 生物膜的分子膜型   2.3 生物膜分子的運動物性   2.4 脂質子的液晶性制及膜脂多型性結構   參考文獻   第三章 光生物物理學基礎   3.1 引言   3.2 激發與激發態

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  書名:生物物理學(21世紀高等院校教材)   ISBN:703017043   作者:袁觀宇   出版社:科學出版社   定價:26.5   頁數:269   出版日期:2006-4-1   版次: 1   開本:16開   包裝:平裝   簡介:本書是21世紀高等院校教材。生物物理學包含的內容十分豐富,其研究領域還在不斷延伸和拓展,新理論、新技術不斷湧現,要在有限的篇幅完整介紹學科的全部內容幾乎是不可能。本書根據作者多年來為本科生、研究生講授該課程的經驗和學時實際,對原用講義(教材)作了篡增和修改,選編了學生容易接受和對學生有實際意義的內容,每部分內容在介紹基礎理論的基礎上,盡可能地介紹該分支領域的新理論、新技術,對其深人研究未作過多的探討。本書可作為醫學、生物學、物理學本科生、研究生教材,也可供物理學科、生物學科和醫學工作者參考。   目錄:   第一章 分子生物物理   1.1蛋白質分子的結構和功能   1.1.1蛋白質的化學組成   1.1.2蛋白質的基本結構單位——氨基酸   1.1.3蛋白質的性質   1.1.4蛋白質的空間構象   1.1.5蛋白質結構與功能的關係   1.2核酸分子的結構及其空間構象   1.2.1核酸的基本化學組成   1.2.2核酸的基本結構單元——核苷酸   1.2.3核酸的空間構象   1.2.4核酸的性質   1.3生物大分子的相互作用   1.3.1強相互作用   1.3.2弱相互作用   1.3.3穩定生物大分子三維結構的作用力   1.4生物大分子的能態和能量的轉移   思考題   參考文獻   第二章 膜生物物理   2.1生物膜的組成及其性質   2.2生物膜的分子結構和功能   2.2.1生物膜的結構模型   2.2.2生物膜的流動性   2.2.3生物膜的功能   2.2.4脂質體   2.3物質的跨膜運輸   2.3.1被動運輸   2.3.2主動運輸   2.3.3協同運輸   2.3.4內吞作用與外排作用   思考題   參考文獻   第三章 電磁生物物理-   3.1生物物質的導電特性   3.1.1物質導電性的基本概念   3.1.2細胞電學模型   3.1.3並聯電導模型   3.1.4中心導體模型   3.1.5生物組織的阻抗特性   3.2生物物質的介電特性   3.2.1生物大分子的介電特性   3.2.2生物水的介電特性   3.2.3生物組織的介電特性   3.3生物組織的電特性測量   3.3.1微電極技術   3.3.2電壓鉗技術   3.3.3膜片鉗技術   3.3.4傳輸線測量術   3.4靜息電位與Goldman方程   3.4.1Nemst平衡電位   3.4.2膜電位的GoIdman方程   3.屯3靜息電位的離子機制   3.5動作電位與Hodgkin-Huxley方程   3.5.1動作電位的特徵   3.5.2離子電導和H0dgknHuxley方程   3.5.3動作電位的離子機制   3.6生物磁場和磁場生物效應   3.6.1生物磁性與生物磁性材料   3.6.2生物和人體磁場   3.6.3磁場的生物效應   3.6.4地磁場與生命活動   思考題   參考文獻   第四章 神經生物物理   4.1神經元與神經元之間的相互作用   4.1.1神經元的結構與功能   4.1.2突觸   4.1.3神經遞質   4.1.4神經元的營養性作用   4.2受體與離子通道   4.2.1受體   4.2.2離子通道   4.3視覺生物物理   4.3.1視網膜的結構與功能   4.3.2感受器電位   4.3.3視覺信息初步   4.3.4視覺計算理論   4.4聽覺生物物理   4.4.1耳的結構與功能   4.4.2耳蝸電位   4.4.3聽覺的神經機制   思考題   參考文獻   第五章 輻XX生物物理   5.1輻XX的物理基礎   5.1.1輻XX的基本概念   5.1.2輻XX源   5.1.3輻XX量的概念和單位   5.2XX線與物質的相互作用   5.2.l粒子與物質的相互作用   5.2.2XX線與物質相互作用   5.3電離輻XX生物學作用機制   5.3.1靶學說   5.3.2直接作用和間接作用   5.3.3輻XX作用的原初過程   5.3.4輻XX作用的時間進程   5.4電離輻XX的生物學效應   5.4.1軀體效應和遺傳效應   5.4.2隨機性效應和確定性效應   5.4.3影響輻XX生物學作用的、因素   5.5電離輻XX的損傷與防護   5.5.1輻XX損傷方式   5.5.2輻XX損傷效應   5.5.3輻XX防護   5.6重離子輻XX對生物體的作用   5.6.1重離子束的物理學與生物學特性   5.6.2重離子輻XX對生物體的作用基礎   5.6.3重離子束在生物醫學中的應用   5.7小劑量電離輻XX對生物體的作用   思考題   參考文獻   第六章 液流變物理   6.1流變物理的基本概念   6.1.1牛頓黏滯定律   6.1.2牛頓型流體與非牛頓型流體   6.1.3圓管內的定常流動   6.1.4層流與湍流   6.2血液的流變性質   6.2.1血液的非牛頓性   6.2.2血液的黏度   6.2.3 Casson方程與屈服應力   6.2.4 Fahraeus—Lindqvist效應   6.2.5血液的觸變性和黏彈性   6.3紅細胞的流變性質   6.3.1紅細胞的形態結構   6.3.2紅細胞的變形性   6.3.3紅細胞的聚集性   6.3.4紅細胞變形性與聚集性的關係   6.3.5紅細胞變形的力