1物理学和生命科学

物理学和生命科学中国科学院院士、中国科学院高能物理研究所冼鼎昌先生（讲座 1 2 3 4 5 6 7 8 9）幻灯片（PPT）图片集主讲人介绍 [返回目录]三、冼鼎昌先生作题为“物理学和生命科学”的科普报告1.开场白各位老师，各位同学，早上好。

很高兴今天早上能够有机会在这里和大家讲一讲一百年来科学里的故事，题目叫做“物理学和生命科学”。

我要讲的是一百多年的故事。

现在是二十一世纪了，发展最迅速的有两门学科，这是我个人的看法，前50年发展最快的是物理学，有相对论，很高很高速度的现象，继续发展到量子论，当我们走向微观的时候，世界的规律是什么。

由量子论发展到量子力学，而且这两个一结合，不只是微观，而且跑到宇观，可以研究宇宙是怎么样的。

以前我们对宇宙的讨论好像只是哲学家的专利，宇宙没有开始，也没有结束，也没有边界，是无穷大，时间无穷大，空间无穷大。

可是现在由于这两门学科的结合，不仅讨论到微观，而且讨论到宇观。

我们可以用理论，也可以用试验讨论宇宙，对人类的认识，从微小推到基本粒子，从大尺度推到整个宇宙，这是人类在二十世纪头50年的丰功伟业。

后50年发展最快的是生命学科，遗传到底是不是因为遗传物质，这是争论很久的问题。

50年代中后期，在中国谈唯心主义好像不行，其实发展最快的是从那个年代开始。

遗传怎样从一代遗传到另外一代呢？有遗传密码的问题。

在后50年里，把生命科学建立在量子水平上，从宏观走到微观，迈了一大步。

今后生命科学有了非常快速的进展，就是今天我要向大家讲的故事。

这两门学科都和光有关系。

光是非常要紧的。

在希伯来古老的传说里有一个《创世纪》的神话，上帝创造天地，第一位创造的是光。

远古人类就知道光和我们的生活，和我们的生命有关。

人类认识世界，也是通过光，可见光，通过星光，通过大地上光被反射，因此我们认识了整个世界，地面上的东西，天空上的东西，乃至于遥远星体上的东西。

没有光，难想象有今天的文明，甚至没有今天的人类。

2.从物理学的发展讲起进入二十世纪之前，物理学发展的一件革命性的事件就是发现了X光。

X光是德国一个乌茨堡物理学院的伦琴教授发现的，在1895年发现了。

当时看不见，但是它能使得照相底片感光。

他发现的X光实验室，这个实验室按照现在的眼光来看，实在算不了什么，但是就在这儿做出了历史性的、革命性的大发现。

发现它能够有很大的穿透能力，这是他夫人的手，我们可以看到他夫人还戴着戒指。

不能够成像，而且正是因为X光的发现，使人们从看不见东西到可以看见，这是骨头，而且使人们从宏观世界走到微观世界。

因为发现X光，伦琴得到了有史以来第一次的诺贝尔物理学奖，在1901年。

X光是电磁波，但是X光的性质都不能验证，比如我们知道光在一个物体上，比如在镜子上会反射、折射，可是都发现不了。

而且可见光物体有一个衍射的现象。

一个障碍物在它后面，光的强度会重新分布，有些地方强一点，有些地方弱一点。

比如说有一个格子，可见光跑过来了，在后面放一块感光片，就会发现不是均匀的格点，而是有强的、有弱的，有一个空间分布。

这个现象叫衍射。

大家对光很不清楚，就提出来这到底是什么光。

大家认为它能够使得底片感光，它一定是光，但是又看不见，没有普通光的性质，所以X光是未知数的意思，不知道它是什么东西。

德国南部的慕尼黑大学有一位理论物理学家叫做劳厄，他提出一个看法，要得到所谓衍射的现象，光的波长必须和阻挡的光两个障碍物的尺度差不多，现在用比厘米还小，都看不见衍射的现象，说明一个事实，就是X光的波长比格子的尺度要小的多，所以他认为X 光的波长可能和原子的尺度相同，原子的尺度是埃的尺度，一个埃有多长，是一厘米的一亿分之一，假如一个球是一埃长的话，要把一亿个球排成一起，才有一厘米长。

埃是很小很小的长度。

劳厄在慕尼黑大学教书，他不做实验，就动员一个研究员做事情，原子尺度的网格怎么做呢？最简单，因为当时知道矿物里的一种晶体，晶体是很多原子排成很规矩的空间的模型，好像三维的网格一样。

这个尺度当然是埃原子的尺度了，他就提出来假如不用以前的三网来做衍射，而拿晶体来做衍射试验，应当看得见。

这两个年轻人按照他的想法做了一个试验，代替筛网，第一次用的硫酸铜矿物晶体，X光在这个地方射进来，经过障碍物，发生了衍射，后面放一个感光片，果然在感光片上看到了衍射现象。

第一张衍射的图片，发现有很多很多所谓现在叫做衍射的斑点，这是一个了不起的发现。

有了这个东西证明X 光是电磁波，第二，证明了X光是波长很短的电磁波，波长的数量级是埃的数量级。

还有这一点是科学家用几十年的工夫，一直到现在，我们有希望从斑点的分布推回去，知道矿物的晶体结构，就是格子是怎么样的，这是从劳厄的时代一直到现在还没做完的事情，这是一个非常有趣的事情。

因为这个了不起的成就，1914年劳厄被授予诺贝尔物理学奖。

劳厄在1912年做的工作，他在德国。

隔了一个海，在英国有两父子马上意识到劳厄工作的重要性，这两父子也是非常有名的物理学家，父亲叫威廉，那时是非常成名的物理学家，儿子也叫威廉。

这两父子马上意识到劳厄工作的重要性，因为他给我们观测、研究微观世界提供了一个极强的手段，所以他们很系统地来做。

劳厄是穿过晶体来看后面的斑点的衍射。

布拉格发展了另外一种方法，证明了X光可以在晶体表面反射，而且反射在不同的角度有加强的现象，也就是衍射，通过反射来看它的衍射，在同一个方向来看衍射的现象。

有了他们的方法以后，发展的极为迅速，特别是小布拉格一生的后期把全部精力放在这个研究上，很系统地来做衍射的办法，研究微观世界，做的极有成绩，因为他本人是很好的实验物理学家，又是一个很好的理论物理学家，所以他在这方面做出来的成绩和劳厄一样，也是开创性的。

从1913年他们一起做，小布拉格一直做到去世，不但从物理学里做研究，还把这个方法推广到生物学里去，引起了生命科学的巨大飞跃。

1915年两父子因为成就，同时获得了诺贝尔物理学奖。

3.生命科学的故事：蛋白质与核酸1900年，生命科学面临着一个飞跃，当时已经承认了，而且建立了细胞的学说，可是那时对细胞的观念是非常简单的，细胞是动物或者植物的基本构成单位。

细胞有一个细胞膜，里面有细胞质，在我念书的时候叫细胞浆。

整个细胞里有一个细胞核，细胞核里当然也有一个膜包住。

这是1900年人们对于细胞的观念。

后来发现这里有很多结构，细胞核有核膜、核仁、染色体。

细胞质里有线粒体、中心体、高尔基体、基质。

甚至细胞膜也有很多结构。

在电子显微镜下，细胞的结构要比1900年复杂的多，我只想说明一点，电子显微镜是量子力学的一个产物，也就是物理学对生物学的极大的贡献。

我不想和各位讲什么叫电子显微镜，我只想做一个类比。

量子力学告诉我们，所有的粒子都有波动的性质，光是一种波动，光可以用透镜来聚焦放大，这个透镜是我们习惯用的玻璃透镜、凹透镜、凸透镜，我们研究生命科学，谁造成了显微镜，现在量子力学告诉我们，电子也是一种波动，所以应当也可以有透镜来聚焦、放大。

当然，透镜不是玻璃的透镜，而是因为电子有电荷来放大，因此用这个道理做出电子显微镜。

我和大家说一个事情，科学上最基本的观念是很简单的，要掌握最基本的观念，很细微的东西，没有把它根本的思想抓住，学习可能事倍功半，学习的时候先把你要学习的东西，看完一页书或者一本书之后，你问问自己能不能把自己看的这么厚的一本书，能够用一分钟或者更短的时间，把它最精彩的东西、最关键的东西讲出来。

现在知道细胞还有几千种的分子，要一一辩明它不是容易的事情，一直到现在都没有搞完。

主要有两类大分子，和我们的生命有关的，一类叫做蛋白质，就是大分子里头的大部分，还有另外一类大分子叫做核酸，少部分，这也是一个历史的误会，因为这个东西首先是在细胞核里发现的，因为带有酸质，所以叫做核酸，在细胞质和细胞奖里也有，但是历史就是这样的。

这两大分子大部分也是起到生命中最重要的两个功能。

蛋白质是生命功能的基本执行者。

生命功能最基本的执行者是谁呢？是蛋白质。

核酸是遗传功能的执行者，它有遗传密码，它是传递遗传密码和给出指令，告诉细胞怎样来执行遗传。

我们的机体不是来自于基因，是来自于蛋白质，蛋白质是执行者。

蛋白质是怎么合成的？是怎么从一代到下一代的？我们的父母是黑颜色的眼睛，怎么会生出黄颜色的眼睛的孩子呢？先来看蛋白质，在上一个世纪初，就是一百年前已经弄清楚了，蛋白质是由氨基酸组成的一个链状的结构，人体的氨基酸只有20种。

从结构上头来讲，这好像一头猪跑在一条链子上一样。

但是它怎样执行我们生命的功能呢？我们可以呼吸，我们的肌肉会有力气，这就回答了一个问题，它的功能是从哪儿来的，因为它有空间结构，这个空间结构不是固定的，而且要证明这一点，假如把氨氨基酸比成宝石，20种氨基氨基酸有20种颜色，不一样，形状不一样的宝石，所以这20种宝石可以串起来一个链子，不要看氨基酸的名字了，现在把它变成宝石，链子假如是这样的，它绝对没有什么生命的功能，它必须要拐弯，要弯曲才能发生活力，这是猜想，要证明。

怎么证明？这个时候物理学家就来帮忙。

1927年在剑桥大学，有一个叫做卡文迪的研究所，所长是小布拉格，他是晶体学的大行家，当时有一个叫贝尔纳的人建立了晶体学实验室，系统的、大规模的研究晶体学，而且他有一个念头，就要看看蛋白质的结构到底是什么东西，布拉格是非常支持他的，他用X光对蛋白进行衍射，他发现了天然的蛋白质居然也有衍射的斑点，说明了天然的蛋白有固定的结构，固定的结构重叠起来了就可以变成晶体了，这就是蛋白晶体的开始。

这是一个了不起的事情，在1930年。

看见有斑点，还不等于知道它的结构，因为看见斑点就说明它是有规矩的结构，到底这个结构是什么东西？这是一个非常艰巨的问题。

美国理工学院有一个科学家叫做鲍林，他经过了很长很长时间的研究，发现蛋白质里有几种很典型的结构，是所有蛋白质都会有的，第一个氨基酸的链子，链子会打转，变成一个螺旋，这个东西叫做α螺旋。

拿另外一个图可以看一下，假如氨基酸的分子画出来，这个打转，叫做α螺旋，这个链子会叠来叠去，这个叫做折叠，连接而成的蛋白质的链子，它一定要有局部的空间结构，这是很了不起的工作。

我们又回到布拉格的研究所，这是一个年轻的科学家，他开始想把整个蛋白质的结构做出来，当时全世界结晶出来的蛋白质一共只有9个，他挑了一个最简单的东西看，叫做血红蛋白，是我们每个人身上都有的，这个血红蛋白把氧气带到我们全身，又把二氧化碳从肺里带出来，这是和我们的生命有重大关系的一个蛋白，而且那时候也很容易得到，所以他做了这个事情。

可是后来当他得到诺贝尔学奖的时候说了一句话，我没有想到用23年做这个事情，那个时候做研究生，老师叫我四年里交论文，要把这个事情做出来，我就变成老研究生的，而且到23年的时候我才能得到学位，所以看出来科学的研究是不能急的，他非常有耐心，布拉格也一直支持他做这个事情。