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1、什么是生物物理学第1页，本讲稿共64页目录目录 1.物理学、生物学和生物物理学物理学、生物学和生物物理学 2.现代生物物理学的研究内容现代生物物理学的研究内容 3.生物物理学的产生与发展生物物理学的产生与发展 4.生物物理学之我见生物物理学之我见第2页，本讲稿共64页1.物理学、生物学和生物物理学物理学、生物学和生物物理学第3页，本讲稿共64页什么是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。具体地说，按所研究的物质运动形态和具体对象，它涉及的范围包括:力学、声学、热学和分子物理学、电磁学、光学、原子和原子核物理学、基本粒子物理学、固体物理学以及对气体和液体的研究等
2、.第4页，本讲稿共64页什么是生命科学什么是生命科学 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。它是由多个基础学科、应用学科及交叉学科协同发展构成的前沿科学群。其基础是从分子、细胞、个体、种群、群落等不同层次研究生命现象的一些学科，如分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、神经生物学、发育生物学、生态学等，并可包括遗传工程、生态工程学、资源生物学、生物医学工程学等重要技术科学学科。第5页，本讲稿共64页 物理学和生物学互相促进，共同发展。物理学和生物学在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
3、质的生两方面有联系：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。物系统，另一方面，物理为生物提供了解决问题的工具。生命科学是系统地阐述与生命特性有关的重大课题的科学。生命科学是系统地阐述与生命特性有关的重大课题的科学。支配着无生命世界的物理定律同样也适用于生命世界，无须赋支配着无生命世界的物理定律同样也适用于生命世界，无须赋于生活物质一种神秘的活力。对于生命科学的深入了解，无疑于生活物质一种神秘的活力。对于生命科学的深入了解，无疑也能促进物理、化学等人类其它知识领域的发展。也能促进物理、化学等人类其它知识领域的发展。生命科学研究不仅依赖物理知识、它
4、所提供的仪器，也依靠它所生命科学研究不仅依赖物理知识、它所提供的仪器，也依靠它所提供的思想方法。生命科学学家也是由各个学科汇聚而来。学科间的提供的思想方法。生命科学学家也是由各个学科汇聚而来。学科间的交叉渗透造成了许多前景无限的生长点与新兴学科。交叉渗透造成了许多前景无限的生长点与新兴学科。物理学物理学VS生物学生物学第6页，本讲稿共64页什么是生物物理学什么是生物物理学定义一：定义一：定义一：定义一：生物物理学是由物理学与生物学相互结合而生物物理学是由物理学与生物学相互结合而生物物理学是由物理学与生物学相互结合而生物物理学是由物理学与生物学相互结合而形成的一门交叉学科。它应用物理学的基本理论
5、、方法形成的一门交叉学科。它应用物理学的基本理论、方法形成的一门交叉学科。它应用物理学的基本理论、方法形成的一门交叉学科。它应用物理学的基本理论、方法与技术研究生命物质的物理性质，生命活动的物理与物与技术研究生命物质的物理性质，生命活动的物理与物与技术研究生命物质的物理性质，生命活动的物理与物与技术研究生命物质的物理性质，生命活动的物理与物理化学规律，以及物理因素对机体的作用。理化学规律，以及物理因素对机体的作用。理化学规律，以及物理因素对机体的作用。理化学规律，以及物理因素对机体的作用。定义二：生物物理学是生物学和物理学之间的边缘学科，它用物理学的概念和方法研究生物各层次的结构与功能的关系，
6、以及生命活动的物理过程和物理化学过程.第7页，本讲稿共64页定义三：生物物理学是物理学与生物学相结合的一门边缘学科，是生命科学的重要分支学科和领域之一.生物物理学是应用物理学的概念和方法研究生物各层次结构与功能的关系、生命活动的物理、物理化学过程和物质在生命活动过程中表现的物理特性的生物学分支学科。生物物理学旨在阐明生物在一定的空间、时间内有关物质、能量与信息的运动规律。定义四：生物物理学是运用物理学的理论、技术和方法，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。第8页，本讲稿共64页What is biophysicsn nBiophysics
7、Biophysics(also (also biological physicsbiological physics)is an)is an interdisciplinary science that applies the theories and interdisciplinary science that applies the theories and methods of physics,to questions of biology.methods of physics,to questions of biology.n nBiophysics research today co
8、mprises a number of Biophysics research today comprises a number of specific biological studies,which do not share a unique specific biological studies,which do not share a unique identifying factor,nor subject themselves to clear and identifying factor,nor subject themselves to clear and concise de
9、finitions.The studies included under the concise definitions.The studies included under the umbrella of biophysics range from sequence analysis to umbrella of biophysics range from sequence analysis to neural networks.In the recent past,biophysics included neural networks.In the recent past,biophysi
10、cs included creating mechanical limbs and nanomachines to regulate creating mechanical limbs and nanomachines to regulate biological functions.Nowadays,these are more biological functions.Nowadays,these are more commonly referred to as belonging to the fields of commonly referred to as belonging to
11、the fields of bioengineering and nanotechnology respectively.bioengineering and nanotechnology respectively.第9页，本讲稿共64页 生物物理学的定义是生物物理学领域几乎每一本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：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；生生物物理学是那么一个领域没有明确的内容范围；生
12、物物理学还不是一个成熟学科；它的主要内容还不定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。学之间的关系来明确生物物理学的概念。M.V.M.V.伏伏尔更斯坦，尔更斯坦，现代物理学与生物学概论现代物理学与生物学概论第10页，本讲稿共64页n nWhat is physics?n nWhat
13、 is biophysics?Physics is what physicists do!Biophysics is what biophysicists do!Well then,What do biophysicists do?第11页，本讲稿共64页2.现代生物物学的研究内容现代生物物学的研究内容第12页，本讲稿共64页生物物理学研究内容生物物理学研究内容 n n生物物理学研究的内容十分广泛，一般分为量子生物物理、分子生物物理、细胞生物物理和复杂体系的生物物理等几部分；涉及的问题则几乎包括生物学的所有基本问题。由于生物物理学是一门正在成长着的边缘学科，其具体内容和发展方向也在不断变化和完
14、善，它和一些关系特别密切的学科（生化、生理等）的界限也不是很明确。下面只对生物物理的主要内容做些简要介绍。第13页，本讲稿共64页现代生物物理学的主要内容现代生物物理学的主要内容n n分子生物物理学分子生物物理学n n膜与细胞生物物理学膜与细胞生物物理学n n感官与神经生物物理学感官与神经生物物理学n n生物控制论与生物信息论生物控制论与生物信息论n n理论生物物理学理论生物物理学n n光生物物理学光生物物理学n n自由基与环境辐射的生物物理学自由基与环境辐射的生物物理学n n生物力学与生物流变学生物力学与生物流变学n n生物物理学技术生物物理学技术第14页，本讲稿共64页一一.分子生物物理分
15、子生物物理 分子生物物理是本学科中最基本、最重要的一个分支。它运用物理学的基本分子生物物理是本学科中最基本、最重要的一个分支。它运用物理学的基本理论与技术研究生物大分子、小分子及分子聚集体的结构、动力学，相互作用和理论与技术研究生物大分子、小分子及分子聚集体的结构、动力学，相互作用和其生物学性质在功能过程中的变化，目的在于从分子水平阐述生命的基本过程，其生物学性质在功能过程中的变化，目的在于从分子水平阐述生命的基本过程，进而通过修饰、重建和改造生物分子，为实践服务。进而通过修饰、重建和改造生物分子，为实践服务。生物大分子及其复合物的空间结构与功能的生物大分子及其复合物的空间结构与功能的关系是分
16、子生物物理的核心问题。自从关系是分子生物物理的核心问题。自从5050年代年代X X射线衍射晶体分析法应用于核酸与蛋白质获得成射线衍射晶体分析法应用于核酸与蛋白质获得成功，奠定了分子生物学发展的基础，至今已有功，奠定了分子生物学发展的基础，至今已有4040余年历史。余年历史。在这段时期中，有关结构的研究大体上在这段时期中，有关结构的研究大体上经历了经历了3 3个主要阶段：个主要阶段：晶体结构的研究；晶体结构的研究；溶液中溶液中生物分子构象的研究；生物分子构象的研究；分子动力学的研究。分子构分子动力学的研究。分子构象随时间变化的动力学，分子问的特异相互作用，生象随时间变化的动力学，分子问的特异相互
17、作用，生物水的确切作用等是分子生物物理今后的重要课题。物水的确切作用等是分子生物物理今后的重要课题。我国人工结晶牛胰岛素第15页，本讲稿共64页二二.膜与细胞生物物理膜与细胞生物物理 n n膜及细胞生物物理是仅次于分子生物物理的一个重要部膜及细胞生物物理是仅次于分子生物物理的一个重要部分。主要研究膜的结构与功能，细胞各种活动的分子机分。主要研究膜的结构与功能，细胞各种活动的分子机制；膜的动态认识，膜中脂类的作用，通道的结构及其制；膜的动态认识，膜中脂类的作用，通道的结构及其启闭过程，受体结构及其与配体的特异作用，信息传递启闭过程，受体结构及其与配体的特异作用，信息传递机制，电子传递链的组分结构
18、及其运动与能量转换机制机制，电子传递链的组分结构及其运动与能量转换机制都是膜生物物理都是膜生物物理的重要课题。的重要课题。细胞生物物理目前研究的深度还细胞生物物理目前研究的深度还不够，随着分子与膜生物物理的不够，随着分子与膜生物物理的进展，细胞各种活动的分子机制进展，细胞各种活动的分子机制也必将逐步阐明。也必将逐步阐明。第16页，本讲稿共64页三三.感官与神经生物物理感官与神经生物物理 n n生命进化的漫长历程中出现了能对内、外环境作出反应的神经系统。神经生命进化的漫长历程中出现了能对内、外环境作出反应的神经系统。神经系统连同有关的感觉器官在高等动物特别是在人体内已发展到了高度复杂系统连同有关
19、的感觉器官在高等动物特别是在人体内已发展到了高度复杂的程度，其结构上的标志是出现了大脑皮层，功能上大脑是最有效的信息的程度，其结构上的标志是出现了大脑皮层，功能上大脑是最有效的信息处理、存贮和决策机构。因此感官和脑的问题已经成为神经生物学注意的处理、存贮和决策机构。因此感官和脑的问题已经成为神经生物学注意的中心。中心。研究的主要问题有：研究的主要问题有：离子通道；离子通道；感受感受器生物物理；器生物物理；神经递质及其受体；神经递质及其受体；神神经通路和神经回路研究；经通路和神经回路研究；行为神经科学。行为神经科学。这是生物物理最早发展，但仍很活跃的一这是生物物理最早发展，但仍很活跃的一个领域，
20、特别应该指出的是目前个领域，特别应该指出的是目前“神经生物神经生物物理物理”受到极大重视，因为这是揭开人类认识、受到极大重视，因为这是揭开人类认识、学习、记忆以至创造性活动的基础。学习、记忆以至创造性活动的基础。第17页，本讲稿共64页四四.生物控制论与生物信息论生物控制论与生物信息论 n n主要用控制论的理论与方法研究生物系统中信息的加工、处理，从而实现调节控制机制。它从综合的、整体的角度出发，研究不同水平的生物系统各部分之间的相互作用，或整个系统与环境之间的相互作用，神经控制论和生物控制系统的分析和模拟是其两个重点。第18页，本讲稿共64页五五.理论生物物理理论生物物理n n是运用数学和理
21、论物理学研究生命现象的一个领域，既包括量子生物学和分子动力学等微观研究，也包括对进化、遗传、生命起源、脑功能活动及生物系统复杂性等宏观研究。目前已从药物、毒物等简单分子逐步向复杂体系过渡，试图从电子水平说明生命现象的本质，涉及各种生命活动的基础。但在方法上还必须不断发展以适应需要。第19页，本讲稿共64页六六.光生物物理光生物物理n n光生物物理是研究光生物学中的光物理与原初光化学过程，即研究光的原初过程的学科。主要研究问题有：光合作用；视觉；嗜盐菌的光能转换；植物光形态建成：光动力学作用，生物发光与化学发光。第20页，本讲稿共64页七七.自由基与环境辐射生物物理自由基与环境辐射生物物理n n
22、研究各种波长电磁波（包括电离辐射）对机体和生物分子的作用机制及其产生效应的利用与防护基础研究。主要内容有：自由基；电离辐射的生物物理研究；生物磁学与生物电磁学。第21页，本讲稿共64页八八.生物力学与生物流变学生物力学与生物流变学 n n它的兴起是由于人们对认识生命运动规律、保护人类健康、生物医学工程和生物化学工程的需要。主要内容有：生物流体力学；生物固体力学；其它生物力学问题；生物流变学。其中血液流变学占主导地位，这是因为它与临床密切结合，所以发展特别迅速。第22页，本讲稿共64页九九.生物物理技术生物物理技术n n生物物理技术在生物物理中占有特殊的地位，生物物理技术在生物物理中占有特殊的地
23、位，以致成为该学科中不可缺少的一个重要组成部以致成为该学科中不可缺少的一个重要组成部分。这是因为每一项重要技术的出现常常使生分。这是因为每一项重要技术的出现常常使生物物理的研究进到一个新的水平，推动学科迅物物理的研究进到一个新的水平，推动学科迅速发展。速发展。X X射线衍射分析、核磁共振技术及常规射线衍射分析、核磁共振技术及常规波谱分析都是很典型的例子。波谱分析都是很典型的例子。生物物理技术和仪器的另一重生物物理技术和仪器的另一重要任务就是根据研究课题的需要任务就是根据研究课题的需要设计新的仪器。如为了研究要设计新的仪器。如为了研究细胞膜上脂和蛋白分子的侧向细胞膜上脂和蛋白分子的侧向扩散运动而
24、设计的荧光漂白恢扩散运动而设计的荧光漂白恢复技术复技术(FPR)(FPR)等。等。第23页，本讲稿共64页生物物理学发展的主要特征生物物理学发展的主要特征n n（1 1）分子生物物理学是整个生物物理学的基础，也是当）分子生物物理学是整个生物物理学的基础，也是当前研究的重点，占主导地位（占前研究的重点，占主导地位（占1/31/3）n n（2 2）膜与细胞生物物理学是把分子生物物理学原理应用）膜与细胞生物物理学是把分子生物物理学原理应用到生物活体系的第一个目标，即用分子的语言描述膜与细到生物活体系的第一个目标，即用分子的语言描述膜与细胞的结构与功能（占胞的结构与功能（占1/31/3）n n（3 3
25、）开展动态的、活体的检测与研究，发展相关检测）开展动态的、活体的检测与研究，发展相关检测技术。技术。n n（4 4）对更高的复杂层次的研究，如对视觉、脑和神经活）对更高的复杂层次的研究，如对视觉、脑和神经活动的研究。动的研究。第24页，本讲稿共64页3.生物物理学的产生与发展生物物理学的产生与发展第25页，本讲稿共64页早期的生物物理学早期的生物物理学n n从从1616世纪末开始，人们就开展了生物物理现象的研究，直到世纪末开始，人们就开展了生物物理现象的研究，直到2020世纪世纪4040年代年代SchrSchr dingerdinger在都柏林大学关于生命是什么？在都柏林大学关于生命是什么？的
26、讲演之前，可以算是的讲演之前，可以算是 生物物理学发展的早期。生物物理学发展的早期。n n这一期间生物物理学发展中的重要事件有：这一期间生物物理学发展中的重要事件有：17 17世纪克尔肖世纪克尔肖(Kircher)(Kircher)描述过生物发光的现象；波莱利描述过生物发光的现象；波莱利(Borrelli)(Borrelli)在其所著动物的运动一书中利用力学原理分析在其所著动物的运动一书中利用力学原理分析了血液循环和鸟的飞行问题。了血液循环和鸟的飞行问题。18 18世纪伽伐尼世纪伽伐尼(Galvani)(Galvani)通过青蛙神经由于接触两种金属引起通过青蛙神经由于接触两种金属引起肌肉收缩，
27、从而发现了生物电现象。肌肉收缩，从而发现了生物电现象。19 19世纪，麦尔世纪，麦尔(Mayer)(Mayer)通过热、功和生理过程关系的研究建通过热、功和生理过程关系的研究建立了能量守恒定律。立了能量守恒定律。第26页，本讲稿共64页一一.伽伐尼（伽伐尼（1737-1798）的研究）的研究:17801780年年他他与与学学生生解解剖剖青青蛙蛙，发发现现电电火火花花会会使使蛙蛙腿腿抽抽搐搐，后后来来他他又又发发现现当当用用铜铜钩钩倒倒挂挂蛙蛙腿腿，再再用用铁铁梁梁横横挑挑，蛙蛙腿腿也也会会痉痉挛挛。17911791年年发发表表了了论论文文论论肌肌肉肉运运动中的电力。动中的电力。他他是是发发现现
28、电电流流的的第第一一人人，但但认为是一种动物电。认为是一种动物电。伏伏打打(1737-1798):意意大大利利帕帕维维大大学学教教授授，否否定定了了伽伽伐伐尼尼动动物物说说。他他认认为为，电电来来自自两两种种不不同同金金属属的的接接触触，青青蛙蛙只只不不过是起了验电器的作用。过是起了验电器的作用。第27页，本讲稿共64页迈尔（迈尔（Julius Robert Mayer)n n德国物理学家、医生迈尔（德国物理学家、医生迈尔（Julius Robert Julius Robert MayerMayer，1814181418781878）18401840年年2 2月到月到18411841年年2 2
29、月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静月作为船医远航到印度尼西亚。他从船员静脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食脉血的颜色的不同，发现体力和体热来源于食物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入物中所含的化学能，提出如果动物体能的输入同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就同支出是平衡的，所有这些形式的能在量上就必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械必定守恒。他由此受到启发，去探索热和机械功的关系。他将自己的发现写成功的关系。他将自己的发现写成论力的量和论力的量和质的测定质的测定一文，但他的观点缺少精确的实验一文，但他的观点缺少精确的实验论证，论文没能发表（直到论证，论文没能发表（直到18
30、811881年他逝世后才年他逝世后才发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发表）。迈尔很快觉察到了这篇论文的缺陷，并且发奋进一步学习数学和物理学。发奋进一步学习数学和物理学。18421842年他发表了年他发表了论无机性质的力论无机性质的力的论文，表述了物理、化的论文，表述了物理、化学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈学过程中各种力（能）的转化和守恒的思想。迈尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热尔是历史上第一个提出能量守恒定律并计算出热功当量的人。但功当量的人。但18421842年发表的这篇科学杰作年发表的这篇科学杰作当时未受到重视。当时未受到重视。Julius Robert
31、MayerJulius Robert Mayer第28页，本讲稿共64页 16世纪末T.扬利用光的波动学说、色觉理论研究了眼的几何光学性质及心脏的液体动力学作用。17世纪克尔肖(Kircher)描述过生物发光的现象；波莱利(Borrelli)在其所著动物的运动一书中利用力学原理分析了血液循环和鸟的飞行问题。18世纪伽伐尼(Galvani)通过青蛙神经由于接触两种金属引起肌肉收缩，从而发现了生物电现象。1847年H.von亥姆霍兹将能量守恒定律应用于生物系统，认为物质世界包括生命在内都可以归结为运动。他研究了肌肉收缩时热量的产生和神经脉冲的传导速度 1848年E.H.杜布瓦雷蒙德第一个制造出电流
32、表并用以研究肌肉神经,发现了休止电位及动作电位。生物物理学发展早期历史事件简表生物物理学发展早期历史事件简表第29页，本讲稿共64页 18951895年年W.C.W.C.伦琴发现了 X X射线后，几乎立即射线后，几乎立即应用到医学实践。应用到医学实践。18991899年K.K.皮尔逊在他写的皮尔逊在他写的科学的文法科学的文法一书一书中首次提到：中首次提到：“作为物理定律的特异事例来研究生物现象的生物物理和生物物理学”，并列，并列举了当时研究的血液流体动力学、神经传导的电现举了当时研究的血液流体动力学、神经传导的电现象、表面张力和膜电位、发光与生物功能、以及机象、表面张力和膜电位、发光与生物功能
33、、以及机械应激、弹性、粘度、硬度与生物结构的关系等问械应激、弹性、粘度、硬度与生物结构的关系等问题。（有人认为这是生物物理学的开端）题。（有人认为这是生物物理学的开端）第30页，本讲稿共64页 19101910年年A.V.希尔把电技术应用于神经生物学，并显示了神经纤维传递信息的特征是一连串匀速的电脉冲，脉冲是由膜内外电位差引起的。19世纪显微镜的应用导致细胞学说的创立。以世纪显微镜的应用导致细胞学说的创立。以后从简单显微镜发展出紫外、暗视野、荧光等多种特后从简单显微镜发展出紫外、暗视野、荧光等多种特殊用途的显微镜。电子显微镜的发展则提供了生物超殊用途的显微镜。电子显微镜的发展则提供了生物超微结
34、构的更多信息。微结构的更多信息。早在19201920年年 X X射线衍射技术就已列入蛋白质射线衍射技术就已列入蛋白质结构研究。结构研究。W.T.阿斯特伯里用 X射线衍射技术研射线衍射技术研究毛发、丝和羊毛纤维结构、究毛发、丝和羊毛纤维结构、-角蛋白的结构等，角蛋白的结构等，发现了由氨基酸残基链形成的蛋白质主链构象的发现了由氨基酸残基链形成的蛋白质主链构象的-螺旋空间结构。第31页，本讲稿共64页近代生物物理学的诞生近代生物物理学的诞生 到了到了2020世纪世纪,物理学也开始为生物学提供新物理学也开始为生物学提供新的思想、理论和概念的思想、理论和概念.量子力学创始人之一薛定量子力学创始人之一薛定
35、谔谔(Schr(Schr dinger)1943dinger)1943年在爱尔兰都伯林发表年在爱尔兰都伯林发表的题为生命是什么的讲演被认为是现代生的题为生命是什么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。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临着重大的突破，生命科
36、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。进生命科学的研究之中。第32页，本讲稿共64页Erwin Schrdinger(18871961)薛定谔薛定谔 薛定谔，奥地利人，是著名的理论物理学家，量薛定谔，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，同时在固体的比热、统计子力学的重要奠基人之一，同时在固体的比热、统计热力学、原子光谱及镭的放射性等方面的研究都有很热力学、原子光谱及镭的放射性等方面的研究都有很大成就。薛定谔的波动
37、力学，是在德布罗意提出的物大成就。薛定谔的波动力学，是在德布罗意提出的物质波的基础上建立起来的。他把物质波表示成数学形质波的基础上建立起来的。他把物质波表示成数学形式，建立了称为薛定谔方程的量子力学波动方程。式，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，因而于薛定谔对原子理论的发展贡献卓著，因而于19331933年同英国物理学家狄拉克共获诺贝尔物理奖金。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。他经祖国，来到爱尔兰首都都柏林
38、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。特别受到听众的欢迎。19441944年，薛定谔把讲稿整理成年，薛定谔把讲稿整理成一本不到一本不到100100页的小册子页的小册子生命是什么生命是什么活细胞的物活细胞的物理学观理学观第33页，本讲稿共64页n n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
39、未能实现，但定律。这一目的虽然未能实现，但生命是什么生命是什么活细胞的物理学观活细胞的物理学观一书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。科学的学习与研究之中。其中就有因建立其中就有因建立DNADNA双螺旋结构模型荣获双螺旋结构模型荣获19621962年诺贝尔生理学或医学奖的沃森、克里克和年诺贝尔生理学或医学奖的沃森、克里克和威尔金斯，因发现噬菌体在细胞内增殖过程中的威尔金斯，因发现噬菌体在细胞内增殖过程中的作用荣获作用荣获19691969年诺贝尔生理学或医学奖的卢
40、里亚，年诺贝尔生理学或医学奖的卢里亚，因完成世界首次分子水平上的基因重组、创立现因完成世界首次分子水平上的基因重组、创立现代基因工程技术而荣获代基因工程技术而荣获19801980年诺贝尔化学奖的伯年诺贝尔化学奖的伯格，因发现核糖核酸（格，因发现核糖核酸（RNARNA）的细胞催化功能而）的细胞催化功能而荣获荣获19891989年诺贝尔化学奖的奥尔特曼等人。因而，年诺贝尔化学奖的奥尔特曼等人。因而，这本书被人们称为从思想上这本书被人们称为从思想上“唤起生物学革命唤起生物学革命的小册子的小册子”。物理学家对生物学发展物理学家对生物学发展所起的重要作用所起的重要作用第34页，本讲稿共64页 19321
41、932年年,N.,N.玻尔在哥本哈根国玻尔在哥本哈根国际光疗学会议开幕式上的演讲际光疗学会议开幕式上的演讲光光和生命和生命中提出中提出,要把生物学研究深入要把生物学研究深入到比细胞更深的层次中去到比细胞更深的层次中去.他的学生他的学生当时已因对光子散射的研究而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出名的青年理论物理学家德耳布吕克听了他的话克听了他的话,毅然从物理学改行毅然从物理学改行转而研究生物学转而研究生物学.1937.1937年他去美国年他去美国,与卢里亚和赫尔希合作建立了噬菌与卢里亚和赫尔希合作建立了噬菌体体(侵害细菌的病毒侵害细菌的病毒)研究组研究组,通过通过噬菌体实
42、验研究病毒复制机制噬菌体实验研究病毒复制机制.由由于这项开创性工作于这项开创性工作,他们获得他们获得19691969年年诺贝尔生理学医学奖诺贝尔生理学医学奖.他们的工作是分他们的工作是分子生物学的开端子生物学的开端.德耳布吕克德耳布吕克N.N.玻尔玻尔第35页，本讲稿共64页近代生物物理学的发展近代生物物理学的发展n n19441944年的年的医学物理医学物理介绍生物物理内容时介绍生物物理内容时,涉及面已相当广泛涉及面已相当广泛,包括听觉、色觉、肌肉、神经、皮肤等的结构与功能包括听觉、色觉、肌肉、神经、皮肤等的结构与功能(电镜、荧光、电镜、荧光、X X射线衍射、电、光电、电位、温度调节等技术射
43、线衍射、电、光电、电位、温度调节等技术),),并报道了应用电并报道了应用电子回旋加速器研究生物对象。子回旋加速器研究生物对象。n n2020世纪世纪5050年代年代J.D.J.D.沃森及沃森及F.H.C.F.H.C.克里克提出了遗传物质克里克提出了遗传物质 DNADNA双双螺旋互补的结构模型。螺旋互补的结构模型。n n物理概念对生物物理发展影响较大的除了薛定谔的讲演还有物理概念对生物物理发展影响较大的除了薛定谔的讲演还有N.N.威威纳关于生物控制论的论点；前者用热力学和量子力学理论解释生纳关于生物控制论的论点；前者用热力学和量子力学理论解释生命的本质引进了命的本质引进了“负熵负熵”概念，试图从
44、一些新的途径来说明有概念，试图从一些新的途径来说明有机体的物质结构、生命活动的维持和延续、生物的遗传与变机体的物质结构、生命活动的维持和延续、生物的遗传与变异等问题。后者认为生物的控制过程，包含着信息的接收、异等问题。后者认为生物的控制过程，包含着信息的接收、变换、贮存和处理。他们论述了生命物质同样是物质世界的变换、贮存和处理。他们论述了生命物质同样是物质世界的一个组成部分，既有它的特殊运动规律，也应该遵循物质运一个组成部分，既有它的特殊运动规律，也应该遵循物质运动的共同的一般规律。这就沟通了生物学和物理学两个领域。动的共同的一般规律。这就沟通了生物学和物理学两个领域。现已在生物的各个层次，以
45、量子力学和统计力学的概念和方现已在生物的各个层次，以量子力学和统计力学的概念和方法进行微观和宏观的系统分析。法进行微观和宏观的系统分析。第36页，本讲稿共64页n n20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。第37页，本讲稿共64页沃森（JWatson，1928）克里克（F.Crick，1916）威尔金斯（M.Wilk
46、ins，1916）富兰克林（RFranklin，19201958）解析DNA结构 第38页，本讲稿共64页生物物理学组织的发展生物物理学组织的发展2020世纪世纪5050年代以来，生物物理学的迅猛发展，已成年代以来，生物物理学的迅猛发展，已成为一个内容丰富的新兴学科。生物物理学的世界性为一个内容丰富的新兴学科。生物物理学的世界性学会的发展如下学会的发展如下n n19561956年，美国成立生物物理学会。年，美国成立生物物理学会。n n19611961年，国际纯粹与应用生物物理学联合会（年，国际纯粹与应用生物物理学联合会（IUPABIUPAB）成立，其成员包括成立，其成员包括4040多个国家和地
47、区的生物物理学多个国家和地区的生物物理学会，每会，每3 3年召开一次大会。年召开一次大会。n n中国中国19581958年成立中科院生物物理学研究所，年成立中科院生物物理学研究所，19821982年加年加入入IUPABIUPAB。第39页，本讲稿共64页4.生物物理学之我见生物物理学之我见（可能是偏见）第40页，本讲稿共64页几个问题几个问题4.1 4.1 物理学进军生物学领域的必要性和必然性物理学进军生物学领域的必要性和必然性4.2 4.2 科学的统一与交叉学科科学的统一与交叉学科4.3 4.3 运用物理学原理来解释生命现象的任务运用物理学原理来解释生命现象的任务第41页，本讲稿共64页4.
48、1 物理学进军生物学领域的必物理学进军生物学领域的必要性和必然性要性和必然性第42页，本讲稿共64页生物学研究需要物理学的生物学研究需要物理学的提供的技术提供的技术n n这是显然的生物学的发展与物理学技术的发展是分不开的。第43页，本讲稿共64页生物学同样需要引入物理学的生物学同样需要引入物理学的思想和方法思想和方法 物理学在生物学领域的应用，不仅包括物理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。（生命体）上的应用。
49、物理学从哥白尼及伽利略以来就逐渐明确它的特点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。力于描述性科学，后来才发展成更精确的科学。第44页，本讲稿共64页 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
50、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。第45页，本讲稿共64页普林斯顿大学的第一位女校长，人类基因图谱破译的功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臣雪莉 蒂尔曼说：蒂尔曼说：“在生物学界人们越来越感到，我们需要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。认真考虑如何培养下一代生物学家这一问题。”她认为，这种她认为，这种培训应该包括更多的数学、物理学和化学。