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生物物理學

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1 拼音

shēng wù wù lǐ xué

2 英文參考

Biophysics

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功能的關系,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,是物理學與生物學的交叉學科。生物物理學旨在闡明生物在一定的空間、時間內有關物質、能量信息的運動規律。

生命運動自然物質最高級的運動形式,它包含并制約著生物體內的機械的、物理的、化學的運動,對生命運動所包含的物理運動的研究,有助于認識生命運動。雖然恩格斯早就提出了這種研究的必要性,但作為專門的生物物理學直到本世紀50年代才誕生,至今仍處于形成和發展的階段。

3 生物物理學研究的內容

這門學科所包含的內容,按物理學系統可分為生物力學、生物流體力學、生物熱力學生物電學、生物光學生物磁學和放射生物學等;按生物學系統可分為視覺生物物理、聽覺生物物理、肌肉收縮生物物理、神經生物物理、膜生物物理、生物信息論生物控制論等;按研究層次可分為原子生物物理、分子生物物理、細胞生物物理和復雜體系的生物物理等。不論按哪種方法劃分,其研究涉及以下四個方面的內容:

(1)生物體中發生的物理及物理化學過程;

(2)生物組織的物理特性;

(3)物理因子與生物體的相互作用

(4)物理學理論和方法在生物學研究中的應用。

生物物理學所研究的生物物理性質包括物質的輸運性質、生物的半導體性質、液晶態性質及電學、磁學、光學、超聲、和流體力學性質等。它所研究的生物物理過程包括視覺、聽覺、興奮傳導細胞運動、物質轉運、能量的吸收傳遞、儲存、轉換、利用及生物體中的信息流動和控制過程等。它所研究的物理因子包括光、聲、電、磁及電離輻射等。

我國生物物理學會確認的該學科目前的研究范圍是:

(1)分子生物物理學。

(2)細胞生物物理學。

(3)功能生物物理學。

(4)生物信息論和生物控制論。

(5)生物組織的物理特性。

(6)物理因子引起的生物效應

下述問題特別引起重視:生物體系中力的作用;生命所利用的基本粒子;生物的物理性質;生物膜與液晶;生物水;生物的自組織。生物物理學發展很快,其理論和技術正向醫學廣泛滲透,在中醫經絡藏象氣機等研究中得到日益深入的應用。

4 生物物理學的發展

17世紀考伯提到發光生物熒火蟲;1786年伽伐尼研究了肌肉的靜電性質;1796年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;亥姆霍茲將能量守恒定律應用于生物系統,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沖的傳導速度;杜布瓦-雷蒙德第一個制造出電流表并用以研究肌肉神經,1848年發現了休止電位及動作電位

1896年倫琴發現了 X射線后,幾乎立即應用到醫學實踐,1899年皮爾遜在《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學……”,并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系等問題。

1910年希爾把電技術應用于神經生物學,并顯示了神經纖維傳遞信息的特征是一連串勻速的電脈沖,脈沖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,電子顯微鏡的發展則提供了生物超微結構的更多信息。

早在1920年,X射線衍射技術就已列入蛋白質結構研究。阿斯特伯里用 X射線衍射技術研究毛發、絲和羊毛纖維結構等,發現了由氨基酸殘基鏈形成的蛋白質主鏈構象;20世紀50年代沃森及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,并報道了應用電子回旋加速器研究生物對象。

物理概念對生物物理發展影響較大的是1943年薛定諤的講演:“生命是什么”和威納關于生物控制論的論點;前者用熱力學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;后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。

他們認為既然生命物質是物質世界的一個組成部分,那么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。

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,發現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等等。但許多物理特性在生命活動過程中的意義和作用,則遠還沒有搞清楚。

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。但是由于生命物質比較復雜,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。

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一千萬億分之一秒瞬間完成,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,這些能量在生物體內最初的去向和行為,從吸收到物理化學過程的出現,究竟發生了什么物理作用,這就需要既靈敏又快速的測試技術。

蛋白質在56℃左右變性,但我們在70℃以上的溫泉中還能找到生物;人工培養的細胞保存在零下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,將有助于對生命規律的理解

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,它本身也積極參與了活動。

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 X射線衍射技術導致了分子生物物理學的出現。因此雖然技術本身并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。

生物物理學是研究活物質的物理學。盡管生命是自然界的高級運動形式,也仍然是自然界三個量(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復雜又迅速,而且隨著生物物質結構的復雜化,能量利用愈趨精密,信息量愈來愈大,使得研究的難度很高。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。

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  • 評論總管
    2018/10/24 11:30:03 | #0
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本頁最后修訂于 2011年8月28日 星期日 9:08:45 (GMT+08:00)
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