生物物理学导论-01

②膜与细胞生物物理
• 细胞是最基本的生命单位，细胞中的膜系统是 其中普遍存在的结构，把分子生物物理的研究 成果应用于细胞与膜的结构及其功能研究，推 动生命现象深入到分子水平，是当前主要方向 之一。其内容包括膜的分子动力学，如膜脂运 动、构象，特别是脂多型性的生物学意义的研 究；膜蛋白运动与构象的研究；膜脂与膜蛋白 相互作用的研究；细胞识别作用机制与信息跨 膜转导关系的研究；通道蛋白构象及其离子通 透机制的研究；
Байду номын сангаас
• 经过40年的发展，这一状况已经有很大 改变。从最近l0年来国际纯料与应用生物 物理学联合会(IUPAB)召开的（三年一次） 的大会内容，以及美国、日本等每年都 召开的年会内容分析，生物物理学已经 逐渐形成了它自己的基本内容和研究途 径。
当前 生物物理学的主要发展方向
• • • • 1)分子生物物理 2)膜与细胞生物物理 3)感官与神经生物物理 4)生物物理新技术
生物物理学是一门交叉学科
• 生物物理学是一门交叉学科，它的发展将同时 促进物理学和生物学本身的进一步深化。 • 现有的物理理论与技术还不足以说明与了解生 命现象的全部复杂性。生命现象的深入研究， 向物理学提出了诸如进化、分化、发育、调控、 思维活动、信息处理等高层次的问题，以及为 解决上述问题急需发展的新技术，这也为物理 学的今后发展显示了广阔的前景。
⑥光生物物理
• 光生物物理作为光生物学的一个重要组 成部分，应着重研究其物理机制，包括 光合作用原初过程的研究，茵紫质的质 子泵机制的研究，视紫质光原初过程及 其与菌紫质的比较研究，自由基与单线 态氧在光生物学作用中的意义的研究， 激光生物物理的研究，以及根据光合作 用原理应用于新能源的研究等。
⑦环境辐射的生物物理
• 电离辐射和各种非电离辐射对活体的作用已引 起广泛重视，并在实践中加以应用，但其机制 尚有待于深入研究。其中关于自由基的产生与 清除已成为涉及各种正常与异常生命现象的重 要问题，应于以特别重视。高能粒子与不同频 段电磁波以及不同强弱的电场与磁场的作用有 其不同的效应，机体本身也产生各种电磁辐射， 从实践要求出发都迫切需要从机制上如以阐明。
我国 生物物理学的发展及其现状
• 我国从50年代后期就已经开始发展生物物理学， 和其它国家起步时间相差不远。1958年成立中 国科学院生物物理研究所，我国从50年代后期 就已经开始发展生物物理学，和其它国家起步 时间相差不远。 • 1958年成立中国科学院生物物理研究所，许多 综合性大学、农科和医科院校中成立了生物物 理教研室，其中有一些学校设立了生物物理专 业，培养了一批专业学生。
• 细胞内的蛋白输运；细胞骨架的研究； 活细胞及其中物质的动态变化研究；外 界物理因素(光、各种波长电磁辐射、压 力、温度等)对生物膜结构与能量传输关 系的研究等等。同时，对膜与细胞在疾 病等不利环境下的变化及其纠正的研究， 以及对人工膜在医学、农业和工业中的 应用研究应给予足够的重视。
③感官与神经生物物理
国际生物物理学的发展趋势
• 作为一门新兴的独立学科，生物物理学的发展 在美国、前苏联、日本、英国、德国等国家的 发展一般也都只有40年左右的历史。 • 除少数国家有专门的研究所(例如前苏联科学院 生物物理研究所)以外，研究工作多集中于高等 学校，同时也培养专业人员，其中又以培养研 究生为主。 • 研究内容因参与人员以往经历的不同也有较大 差异，这对于新产生的边缘学科来说，是可以 理解的。
2)膜与细胞生物物理
• 膜与细胞生物物理是仅次于分子生物物理的另一 个重要领域，是把分子生物物理中所获得的知识 应用于活细胞的自然延伸，其中又以膜生物物理 研究更为活跃。生命过程中的能量、物质和信息 的转换都在膜与细胞中具体体现，外界物理因素 (包括光、高能辐射、电磁场等等)的作用机制、微 观生物流变学的研究也都有赖于这一领域的进展。 医学与农业中的许多实际问题，例如疾病过程、 药物与毒物作用、细胞免疫机制、极端环境(高低 逼、不同盐戏度)下农作物的改变与良种的选择等 等都与此领域密切相关。
• 感官与神经生物物理，既需从微观，也 需要从宏观角度加以研究。主要内容应 为神经递质、受体与离子通道的研究； 感觉信息加工的神经生物学研究；脑的 高级功能、行为和神经机制；神经系统 的计算理论与模型的研究，以及神经信 号和脑活动的物理测量技术研究。
④生物控制论与生物信息论
• 综合生命科学各分支的知识与实验结果抽提出 有关信息加工处理、调控原理、构建模型是生 物控制论与信息论的主要任务，包括对感觉信 息的处理机制的研究，对具有学习、记忆功能 的神经网络的研究，脑的活动在语音、思维、 运动控制、内环境稳定性控制方面的研究，各 种无损伤成象技术对脑知能活动的研究，免疫 调控机制与模拟的研究，信息分子的识别机制、 基因遗传信息的表达与调控机制及其模拟，大 型生物系统的模型建立与系统辨识，非线性理 论在信息科学中的应用等。
⑤理论生物物理
• 从微观角度，对于对称性破缺分子与生物信息 传递及自复制的关系，生物大分子序列的话言、 语法的研究，生物大分子序列与构象及进化关 系的研究，以及有重要生物学意义的生物分子 动力学的研究是近年研究的重点。 • 从宏观角度，对神经系统、特别是脑功能的物 理机制的研究，种群和生态系统的物理机制的 研究，形态发育的研究，以及生命现象作为瞬 态过程研究其复杂性与动力学特征应是今后的 研究重点。
上世纪20世纪以来，以数学为工具、物理学为理论基 础的学科发展，已逐步把除生物学以外的其它学科统一起 来。 由于生命现象的复杂性，人们一直认为生物学和物理 学是相互独立、难以沟通的两大领域。直到上世纪50年代 以后，以x射线衍射结构分析为基础的分子生物学的成就与 发展、物理学理论以平衡态统计物理与非线性科学的发展， 开始为解释生命过程的特殊性创造了条件，才为包括生物 学在内的自然科学走向大统的理论框架开辟了道路。 各种生物学实验的研究也离不开衍射、光谱、波谱、 动力学和图象分析等物理技术的不断开发和应用，生物物 理学正是在这样的背景和条件下迅速发展为一门独立的学 科。
生物物理学与其它学科的关系
• 生物物理学作为生命科学的一个分支学 科，和其它学科之间显然有着密切联系， 并且互相促进，共同提高，特别是分子 生物学与生物化学、生理学、细胞学以 及生物工程学、生物医学工程学、放射 生物学等等。这些学科之间在研究问题 上有共同点，而在研究思路、应用的理 论与方法方面则突出物理学的特点。
生物物理学导论
生物物理学
• 什么是生物物理？生物物理研究的内容 是什么？ • 生物物理学是用物理学的理论、原理和 实验方法研究生命科学中的问题。也就 是研究生命物质的物理性质、生命过程 的物理和物理化学规律以及物理因素对 生物系统作用机制的科学，是物理学和 生物学相结合而产生的一门边缘学科。
近代生物物理学的兴起
• 三年困难时期及其它方面原因，设备、 人员大批下马，至十年动乱时期几乎处 于停顿状态。拨乱反正和改革开放以后， 看到国际上生物物理学发展迅速，又重 整旗鼓，派出大批人员出国学习，引进 了必要的设备，制定了相应的发展规划 和措施，
• 近10年来才有了较明显的进展，并在生 物大分子结构、膜生物物理、视觉与神 经生物物理以及理论生物物理等若干方 面奠定了较好的基础。但与先进国家的 发展水平相比较，还存在着很大差距。 主要表现在学科中各领域前沿性理论基 础的研究还较簿弱，设备条件的利用、 开发和更新不足，技术力量不足，人员 不稳定，后继乏人等方面。
4)生物物理新技术
• 生物物理新技术的开发与应用。生物物理学的 发展在很大程度上依赖于技术手段的发展。x 射线晶体结构分析为分子生物物理奠定了基础， 各种光谱、波谱、显微与成象技术在生物物理 学中显示出极其重要的推动作用。目前对技术 方法的要求越来越高，如开发能显示不同时域 的动力学方法、高空间分辨率的技术，发展无 损伤、能检测极微量成分及结构的技术方法等， 都是当前生物物理学的重要任务。
• 第四、从本学科发展来看，从上世纪末 到本世纪初应为近期规划，2020年前为 中期，2050年前为长期规划，三者应互 相关联，而以中近期目标为规划的重点。
2)生物物理学重点发展方向
• 生物物理学的覆盖面比较宽，但从国外生物物 理学近10年来的发展分析，可以认为分子生物 物理、膜生物物理、感觉与神经生物物理，以 及为保证上述诸方面发展所必需的相应的生物 物理技术应该作为本学科的重点发展方向。考 虑我国生物物理学工作者人数较少、力量相对 较弱，因此在一段时期内，把国外已经单独成 为学科的一些领域(例如生物控制论与生物信息 论、生物力学与生物流变学等等)包含在本学科 之中是切合实际的，也有利于本学科的发展。
我国生物物理学的发展战略
• 1)我国生物物理学的发展的基本原则 • 2)生物物理学重点发展方向 • 3)我国生物物理学的中、近期战略目标 和前沿课题
1)我国
生物物理学的发展的基本原则
• 首先，生物物理学是物理学和生物学结 合的产物，是生命科学(包括医学和农学 在内)各领域进一步发展的必然趋势，也 是人类向生命现象学习并加以改造、再 应用于实践的实际需要所决定的一门学 科。因此从战略高度明确这门学科的必 要性和重要意义，并给予支持，促使其 迅速发展至关重要。
3)我国生物物理学的
中、近期战略目标和前沿课题
• • • • • • • • ①分子生物物理 ②膜与细胞生物物理 ③感官与神经生物物理 ④生物控制论与生物信息论 ⑤理论生物物理 ⑥光生物物理 ⑦环境辐射的生物物理 ⑧生物力学与生物流变学
①分子生物物理
• 生物大分子空间结构与功能关系是微观生物物理学 各领域的共同基础，国际上已从晶体衍射发展到溶 液构象与分子动力学的研究，而我国除x射线衍射 较有基础外，应尽快应用多维核磁共振(NMR)，辅 以时间分辨的荧光、红外、激光拉曼等技术开展溶 液构象与动力学研究；开展分子间相互作用，特别 是生物分子间识别作用的研究和蛋白质折叠过程的 研究，并和生物学功能联系起来，为赶上国际水平 及在生物工程中的应用奠定扎实基础。在x射线衍 射方面，同样应该用同步辐射发展时间分辨的研究， 进一步提高到动力学的水平。
3)感官与神经生物物理
• 从宏观角度研究生命体系主要表现在生物控制论和 生物信息论的研究、感官与神经生物物理的研究， 以及理论生物物理的研究。虽然对于某些具体问题 需要把微观和宏观的研究相互结合起来，而不能截 然加以区别，但这一宏观方向的提出，正说明单纯 从微观角度分析，并不能完全说明生命现象的本质， 而必须在更高层次上加以探讨，寻求研究生命现象 的新途径。目前特别突出的是关于脑的研究，它从 80午代中异军突起，在今后l0年将与分子生物学并 列甚至可能处于更为重要的地位。其中关于脑的高 级活动，无疑是生物物理学的主要任务。
1)分子生物物理
• 分子生物物理在生物物理学中占有首要 地位，这包括用各种物理手段研究蛋白 质、核酸等生物大分子的结构、溶液构 象及要动力学过程，大小分子之间的相 互作用以及与此相联系的功能过程；例 如分子识别、蛋白质折叠、免疫机制、 酶的作用机制等基础问题的研究，也为 蛋白质工程、酶工程等高技术提供依据。
• 其次，在规划中应抓住起主导作用的领 域重点加以支持。这些领域将带动其它 部分，而将为整个学科的长远发展奠定 坚实的基础。即使在这些领域内也应考 虑我国经济力量及其它条件，抓重点， 分主次，逐步发展，有所为，有所不为。
• 第三、鉴于生物物理学属于生命科学的 一个组成部分，许多研究课题和其它学 科密切相关，因此应该联合有关学科的 工作者共同探索各领域的前沿。与此同 时，也应鼓场数学、物理学、化学和工 程科学方面的科学家参与本学科的发展。
生物物理学的发展
• 生物物理学的发展对生命科学从定性向定量的发展， 从描述现象到形成具有数学和物理学基础理论依据 的精确科学的发展都具有重大意义。 • 例如生物大分子结构与功能关系的研究，生物膜在 物质运输、信息传递、能量转换与利用中的作用， 神经与感官的作用机制，生命体系对外界因素作用 的应答与调控，学习、记忆等高级活动的阐明，疾 病的防治等等。其所以能起上述重要作用是因为生 命现象尽管复杂，但它仍是以物理运动作为基础的。 生物物理学不仅在本世纪，而正在下个世纪生命科 学日益深入的发展中将继续发挥其重大作用。