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生物物理學( Biological Physics)是物理學與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。

1發展簡史

貝時璋,中國生物物理學奠基人

  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臟的液體動力學作用。
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。他研究了肌肉收縮時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 X射線后,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、表面張力和膜電位、發光與生物功能、以及機械應激、彈性、粘度、硬度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,並顯示了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。

2研究內容

生物的物理性質
生物物理學
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射頻通訊方式。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,而組成核酸的核糖又總是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年發現兩個人工合成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插入一段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。

3生命活過程

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射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、醯基這樣的基團,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。醯化作用、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,到能量轉換等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)。
意義
生物物理學
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,來控制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制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,其中鹽鹼地佔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,藉助它能將光能直接轉換成化學能,是值得考慮的。輻射育種、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 X射線斷層照相(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的理想診斷方法。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
生物物理學
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計算機的可能性。
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。

4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。
⒈1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。
⒈2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。
研究內容和現狀
⒊1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:
⒊1.1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X射線衍射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餘年歷史。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。
⒊1.2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。
⒊1.3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。
⒊1
生物物理學
.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。
⒊1.5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。
⒊1.6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。
⒊1.7自由基與環境輻射生物物理。研究各種波長電磁波(包括電離輻射)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電離輻射的生物物理研究;③生物磁學與生物電磁學。
⒊1.8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。其中血液流變學佔主導地位,這是因為它與臨床密切結合,所以發展特別迅速。
⒊1.9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。X射線衍射分析、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。
⒊2生物物理學研究的現狀
⑴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,佔主導地位(佔1/3)
⑵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(佔1/3)
⑶開展動態的、活體的檢測與研究,發展相關檢測技術。
⑷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。
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:
⑴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
⑵從理論上解釋進化和個體發育的現象。
⑶解釋自身調節和自我複製的現象(自組織現象)。
⑷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。
⑸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。
⑹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。
⑺解釋怎樣由物質形成了意識。

5研究領域

生物物理學研究 Biophysics 是一本關注生物物理學領域最新進展的國際中文期刊,由漢斯出版社發行。主要刊登生物物理學領域最新技術及成果展示的相關學術論文。支持思想創新、學術創新,倡導科學,繁榮學術,集學術性、思想性為一體,旨在為了給世界範圍內的科學家、學者、科研人員提供一個傳播、分享和討論生物物理學領域內不同方向問題與發展的交流平台。
研究領域:
生物物理學
生物物理學研究

  生物物理學研究

生物資訊理論與生物控制論
理論生物物理學
生物聲學與聲生物物理學
生物光學與光生物物理學
生物電磁學
生物能量學
低溫生物物理學
分子生物物理學與結構生物學
空間生物物理學
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