What is Biophysics？ 什么是生物物理学？ 理学院 苏 峻

目录 1. 物理学、生物学和生物物理学 2. 现代生物物理学的研究内容 3. 生物物理学的产生与发展 4. 生物物理学之我见

1. 物理学、生物学和生物物理学

什么是物理学？ 物理学是研究物质运动最一般规律及物质基本结构的学说。

什么是生命科学？ 生命科学是研究生命物质的结构和功能、生命活动现象以及生物之间和生物与环境之间的关系的科学。

物理学VS生物学 物理学和生物学互相促进，共同发展。物理学和生物学在两方面有联系：一方面，生物为物理提供了具有物理性质的生物系统；另一方面，物理为生物提供了解决问题的工具与思想方法。

什么是生物物理学？ 生物物理学的定义是生物物理学领域几乎每一本教科书都无法回答的问题许多课本中对什么是生物物理学几乎都只能含糊其词的而没有给出正面的回答：生物物理学是那么一个领域没有明确的内容范围；生物物理学还不是一个成熟学科；它的主要内容还不定型；生物物理学只是个别生物物理学家按照他们自己的设想来规定的，等等。因此与其去讨论他的定义或者是强调它的定义，还不如用讨论物理科学与生物科学之间的关系来明确生物物理学的概念。 ——M.V.伏尔更斯坦，《现代物理学与生物学概论》

What is biophysics？ Biophysics (also biological physics) is an interdisciplinary science that applies the theories and methods of physics, to questions of biology.

Well then ,What do biophysicists do??? What is physics? Physics is what physicists do! What is biophysics? Biophysics is what biophysicists do! Well then ,What do biophysicists do???

2.现代生物物学的研究内容

现代生物物理学的主要内容 分子生物物理学 膜与细胞生物物理学 感官与神经生物物理学 生物控制论与生物信息论 理论生物物理学 光生物物理学 自由基与环境辐射的生物物理学 生物力学与生物流变学 生物物理学技术

3.生物物理学的产生与发展

早期的生物物理学 从16世纪末开始，人们就开展了生物物理现象的研究，直到20世纪40年代Schrödinger在都柏林大学关于《生命是什么？》的讲演之前，可以算是 生物物理学发展的早期。

近代生物物理学的诞生 20世纪,物理学也开始为生物学提供新的思想、理论和概念. 量子力学创始人之一薛定谔 (Schrödinger)1943年在爱尔兰都伯林发表的题为《什么是生命》的讲演被认为是现代生物物理学的开端。他指出，生物体是非平衡开放系，负熵导致生命有序，遗传物质的分子基础是非周期性晶体，生命现象与量子论是协调的等重要设想和猜测。 书中，他预言了生命科学的理论与方法正面临着重大的突破，生命科学的研究深度将从生命的表面现象和细胞的层次，深入到分子的水平。他还提出将物理学、化学的理论与方法引进生命科学的研究之中。

Erwin Schrödinger (1887–1961)    薛定谔，奥地利人，是著名的理论物理学家，量子力学的重要奠基人之一。他建立了称为薛定谔方程的量子力学波动方程。 　 薛定谔对原子理论的发展贡献卓著，因而于1933年同英国物理学家狄拉克共获诺贝尔物理奖金。 第二次世界大战期间，薛定谔逃离了德国纳粹统治下的祖国，来到爱尔兰首都都柏林从事教学和研究工作。他经常到各高等学府举办讲座，内容并不局限于学术领域，更多的是具有科普性质的内容。其中，生命科学的系列讲座特别受到听众的欢迎。1944年，薛定谔把讲稿整理成一本不到100页的小册子《生命是什么──活细胞的物理学观》

物理学家对生物学发展 所起的重要作用 薛定谔写作这本书的目的是想从复杂的生命物质运动中发现未知的物理学定律。这一目的虽然未能实现，但《生命是什么──活细胞的物理学观》一书产生了广泛的影响，一大批年轻的物理学家或物理学专业的大学生被它吸引到生命科学的学习与研究之中。

N.玻尔 1932年,N.玻尔在哥本哈根国际光疗学会议开幕式上的演讲《光和生命》中提出,要把生物学研究深入到比细胞更深的层次中去.他的学生——当时已因对光子散射的研究而出名的青年理论物理学家德耳布吕克听了他的话,毅然从物理学改行转而研究生物学.1937年他去美国,与卢里亚和赫尔希合作建立了噬菌体(侵害细菌的病毒)研究组,通过噬菌体实验研究病毒复制机制.由于这项开创性工作,他们获得1969年诺贝尔生理学医学奖.他们的工作是分子生物学的开端.  德耳布吕克

近代生物物理学的发展 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(电镜、荧光、X射线衍射、电、光电、电位、温度调节等技术),并报道了应用电子回旋加速器研究生物对象。 20世纪50年代J.D.沃森及F.H.C.克里克提出了遗传物质 DNA双螺旋互补的结构模型。

20世纪50年代，物理学实验和理论的发展为生物物理学的诞生提供了实验技术和理论方法。用X射线晶体衍射技术对核酸和蛋白质空间结构的研究开创了分子生物学的新纪元，把生物学推进到分子水平，为生物物理学的诞生创造了生物学条件。此外，信息论、控制论、计算机科学技术、非线性科学的发展，还为生物物理学的发展提供了数学工具和信息论基础。

解析DNA结构 沃森（J．Watson，1928～） 克里克（F.Crick，1916～） 富兰克林（R．Franklin，1920～1958） 威尔金斯（M.Wilkins，1916～）

4.生物物理学之我见 （可能是偏见）

几个问题 4.1 物理学进军生物学领域的必要性和必然性 4.2 科学的统一与交叉学科 4.3 运用物理学原理来解释生命现象的任务

4.1 物理学进军生物学领域的 必要性和必然性

生物学研究需要物理学的提供的技术

生物学同样需要引入物理学的 思想和方法 物理学在生物学领域的应用，不仅包括物理学技术，实验方法的应用，还包括物理学理论和物理学思维方式的应用。是物理学在新的对象（生命体）上的应用。 物理学从哥白尼及伽利略以来就逐渐明确它的特点而成为一门精确而系统的科学。他的威力就在于它的精确性系统性，简练的概括性的给出事物的基本原理和相互关系，而且能够从原理来指导实践。早先人们努力致力于描述性科学，后来才发展成更精确的科学。

现在的生物学更多是一种描述性的科学，它局限于叙述生命运动的现象和事实，没有很好运用物质世界的基本原理，还带有一些神秘主义色彩。它现在还不是一个完备的科学。 生物学在解释一些根本的问题上，仅仅依靠描述现象来解释，而不去应用物理学的思想和方法去解释，将违背科学的方法的。所以生物学有待运用物理学原理来解释生命的现象和本质，进而成为一门精确而系统的科学。

　　普林斯顿大学的第一位女校长，人类基因图谱破译的功臣雪莉·蒂尔曼说：“在生物学界人们越来越感到，我们需要认真考虑如何培养下一代生物学家这一问题。”她认为，这种培训应该包括更多的数学、物理学和化学。

物理学研究对象回归的必然 Biophysics （biological physics） 生物是物，生物有理。而构成生物体的物质与非生命物质是统一的，支配着无生命世界的物理定律同样也适用于生命世界。所以生命物质和生命现象必定物理学研究的重要对象。

物理学的大厦有没有建成？ 19世纪末，很多物理学家认为，物理学的大厦已经建成，仅剩下一些缝补补的工作。经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！ 在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。我们能不能说，现代物理学的大厦已经建成了呢？

物理学大厦还远远没有建成 物理学理论能够去解释宇观、宏观和微观的几乎所有非生命物质的运动，但是在复杂的生命物质和生命现象的对象面前却显得极其力不从心。所以它现在还远远不是一个完善的科学。 现在的物理学家或许正为新的物理学大厦的建成而欣喜若狂。但当他们低下头，有没有看到地基里的生命呢！说不定地基里的生命蚂蚁正在啃噬大厦的地基，造成物理学大厦的又一次崩塌。于是他们又尝试重新建立起一个适合生命现象的物理学大厦。

物理学大反攻 生物物理学是物理学派生出来的，到一定发展阶段去研究更复杂的生命现象的学科。物理学是自然科学的主力军，它在解释复杂的生命体和化合物面前无能为力，于是它避其精锐，先向非生命物质进军。而把研究很多复杂的物质运动和生物体的任务交给了留给化学家和生物学家（侦查兵和游击队）暂时主要去描述性地研究。现在它已发展到一定时期，非生命物质的堡垒即将被攻破，是它的大部队大反攻的时候了。它可以从宏观和微观两面夹击，来研究生命现象了。

4.2.科学的统一与交叉学科

物理学和自然哲学 物理学在以前称为自然哲学.物理学涉及自然的某些方面，它们可以通过一种基本的途径，即依据一些基本原理和基本定律来加以理解.随着时间的推移，不同的特殊学科从物理学中分了出来，形成自己的研究领域(典型的分化论).在此过程中，物理学保持着它的本来面目:理解自然界的结构和解释自然现象。（其中必然包括生命现象）

事实上，物理学与过去所谓“自然哲学”相当的现代名称，现代科学大多数就是从自然哲学中产生的。 The Feynman Lecture on physics

“物理学”(即英语里的“physics”)，最早始见于古希腊亚里士多德的《物理学》一书，这本“《物理学》是一门以自然界为特定对象的哲学。它不同于我们现在的物理学，但却包括了现在的物理学，也包括化学、生物学、天文学、地学等等在内，总之，涉及整个自然科学，它只研究自然界的总原理，是自然哲学” 。

从物理学的定义中，我们无法区分出化学和生物学。因为物理学所研究的物质必然包括化学物质和生命体。只是它们的研究方法有所不同。 所以我们可以将物理学回归为自然哲学。

科学的统一 著名物理学家量子论的创始人普朗克认为：“科学是内在的整体，被分解为单独的部分不是取决于事物的本质，而是取决于人类认识能力的局限性实际上存在由物理学到化学，通过生物学和人类学到社会科学的链条。这条环节在任何地方都不能割裂开来，除非凭个人的主观臆断。”科学因人对自然的认识而分化，科学也将因人的认识能力的提高以及人对自身的弱点的超越而达到统一。 普朗克

交叉学科 科学将在交叉学科的作用之下再次统一。 在100多年里始终勃兴的交叉学科，消除了各学科之间的脱节现象，填补了各学科之间边缘地带的空白，将条分缕析的学科联结了起来，综合运用多种学科的理论和方法研究复杂的客体，从而才真正能够实现科学的统一。 科学将在交叉学科的作用之下再次统一。

科学统一之后生物物理学的定义 生物物理学是物理学（自然哲学）的一个分支，它研究的是生命现象的本质。

研究宏观物理世界的核心问题，是从基本的物质结构和相互作用出发，阐明种种复杂现象的由来和机理 研究宏观物理世界的核心问题，是从基本的物质结构和相互作用出发，阐明种种复杂现象的由来和机理.人类所知的最复杂的物质存在和运动形式，莫过于地球上经过几十亿年进化而形成的生命现象.生物是物，生物有理.生命物质和生命现象必定是21世纪物理学研究的重要对象. ——郝柏林.物理学和生物学

4.3 运用物理学理论来解释生命现像的任务

发掘非平衡开放系统特性的主要规律，也就是找出出生命的热力学基础 从理论上解释进化和个体发育的现象 解释自身调节和自我复制的现象（自组织现象） 从原子、分子水平上揭露生物过程的本质也就是找到活跃在细胞内的蛋白质、核酸及其他物质的结构和生物功能的联系；此外，还要在研究生命体在更高的超分子水平上、在细胞的水平上及在构成细胞的细胞器的水平上的物理现象；

设计出研究生物功能物质及由这类物质构成的超分子结构的物理方法和物理化学方法，并对利用这种方法所得到的结果提供理论解释； 对神经脉冲的发生和传播、肌肉收缩、感觉器官对外部信号的接收及光合作用等高度复杂的生理现象，提供物理的解释。 解释怎样由物质形成了意识。

爱因斯坦的梦想 I want to know how God created the world！ -----Albert Einstein I also want to know how God created the lives！ -----Suinstein

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