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生物物理学：1.第一章生物物理学绪论

花匠小妙招
2024-12-18 01:31

1、生物物理学(Biophysics,32学时分配,第一章序言 2学时第二章生物膜及其物理特性 4学时第三章光生物物理 6学时第四章自由基生物学 5学时第五章生物电学与生物磁学 3学时第六章感官与神经生物物理 5学时第七章生物分子电子学 3学时第八章生物传感器的基本知识 3学时总结: 1学时,第一章绪论,1.生物物理学的科学背景生命科学与物理学的交叉所形成的一门新的学科生物物理学. 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

2、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,1.1发展简史1.1.1发展历程,17世纪A.考伯提到发光生物荧火虫。 1786年L.伽伐尼研究了肌肉的静电性质。1796年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。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,1895年W.C.伦琴发现了 X射线后，几乎立即应用到医学实践。1899年K.皮尔逊在他写的科学的文法一书中首次提到：“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”，并列举了当时研究的血液流体动力学、神经传导的电现

3、象、表面张力和膜电位、发光与生物功能、以及机械应激、弹性、粘度、硬度与生物结构的关系等问题,1910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微结构的更多信息,1.1.2应用,早在1920年X射线衍射技术就已列入蛋白质结构研究。W.T.阿斯特伯里用 X射线衍射技术研究毛发、丝和羊毛纤维结构、-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-螺旋空间结构；20世纪50年代J.

4、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。物理概念对生物物理发展影响较大的则是,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,1943年E.薛定谔的讲演：“生命是什么” 用热力学和量子力学理论解释生命的本质引进了“负熵”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、生物的遗传与变异等问题（见耗散结构和生物有序）。和N.威纳关于生物控制论的论点认为生物的控制过程，包含着信息的接收、变换、

5、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,1.2研究内容,1.2.1生物的物理性质液晶态等性质，生命体系在不同层次上的电磁特性，以及生物界普遍存在的射频通讯方式。但许多物理特性在生命活动过程中的意义和作用，则远没有搞清楚。比如几乎所有生物，体内的蛋白质都是由L型氨基酸组成，而组成核酸的核糖又总是D型。为什么有这样的旋光选择性，与生命起源和生物进化有何关系，就有待探讨,1980年发现两个人工合成DNA片段呈

6、左旋双螺旋，人们普遍希望了解自然界有无左旋 DNA存在。1981年人们在两段左旋片段中插入一段A-T对，整个螺旋立即向右旋转，能否说明自然界不存在左旋DNA呢?这种特定的旋光性对生命活动的意义现仍无答案。根据生物的物理特性可以测出各种物理参数。但是由于生命物质比较复杂，在不同的环境条件下参量也要改变。已有的测试手段往往不适用，尚待技术上的突破，才有可能进一步阐明生命的奥秘,1.2.2生命活动的物理及物理化学过程,活跃在生物体内的基本粒子（目前研究到电子和质子）的研究是探索生命活动的物理及物理化学过程的一个主体部分。研究水溶液中电子的行为，对了解生命活动的理化过程极为重要。生物体内的游离子（自由

7、水）可以由氢键缔合成水化层，它不是结合水，但对生物结构有关并参与生命活动。生物水既是质子供体，也是质子受体，因此水在生物体内决不是简单的介质。人们已经发现了生物的质子态、质子非定域化和质子隧道效应等现象，因此需进一步开展量子生物学的研究，探索这些基本粒子在活体内的行为,光合作用中叶绿素最初吸收光子只在10-15秒瞬间完成，视觉过程和高能电离辐射最初始的能量吸收也都是瞬间完成的，这些能量在体内最初的去向和行为，从吸收到物理化学过程的出现，究竟发生了什么物理作用，这就需要既灵敏又快速的测试技术。生命活动过程中过去不被注意的组分，包括甲基、酰基这样的基团，水分子和金属离子，它们恰恰活跃地作用于大分

8、子之间，在生物大分子相互作用时，不仅是搭桥牵线以引发大分子的构象变化，而且它们自身就参与结构和功能变化。如甲基化与神经传导、生物信号传递、基因开关等均有密切关系。酰化作用、金属离子如钙、镁等的作用也早被注意,在膜通道研究过程中，发现了钙和钙调素的作用蛋白质在56左右变性，但我们能在70以上的温泉中找到生物；人工培养的细胞保存在-190，解冻后细胞仍与正常态一样，这些生物体内水的结构状态是怎样？如果能把这些极端状态的水的结构与性质阐明，将有助于对生命规律的理解。生物在亿万年进化过程中，最终选择了膜作为最基本的结构形式。从通透、识别、通讯，到能量转换等各种生命活动几乎都在膜上进行，膜不仅提供场所，

9、它本身也积极参与了活动（见生物膜,1.2.3物理及物理化学技术的发展和应用,对生物大分子及大分子体系结构分析的有：近红外显微镜。反差大，生物材料无需染色即可观察。由于近红外能量极小，因此基本上不损伤生物样品，对光敏系统如暗适应的感受器细胞的观察就十分有利。有人预计有可能用来观察生活状态的活样品；闪光X射线显微镜。每个脉冲为60毫秒，打在聚甲基异丁烯酸甲酯薄膜窗口，由于所射出的是软X射线（2344埃）正是水透明区，因此提供了可以进行水湿样品研究的条件。同步辐射中的软 X射线对生物学研究将带来极大的好处；光散射显微镜。能测定细胞的大小与形状，绝对灵敏度高达0.010.1微米，并且不怕杂质干扰

10、，不需要样品制备直接提供信息,利用吸收超声能量后引起温度瞬间变化来进行超声回声图象术进行诊断，用声学显微镜显示人染色体，样品在-188液氮中由透镜记录到超声信号再转换成像；低角X射线衍射研究活细胞。用钕玻璃激光光源50600ps脉冲，聚集在100微米有机玻璃靶上。由于主要来自15Cl离子的4.45埃激光源，因此有利于活细胞观察；核磁共振。研究生物大分子结合重金属离子后结构变化，二价阳离子在膜结构与功能关系中的作用，盐菌紫膜光照后内膜酸碱度变化等等。除了常用的13C、31P、1H等外还用19F测定酶与底物的相互作用。用2D测定膜中的分子动力学,另一方面，二维核磁已可用来测定溶液中大分子内氢原

11、子之间的距离，核磁成像作为无损伤成像技术，将远优于超声的应用，在某些方面优于X射线断层成像技术。此外如利用全反射衰减红外光谱观察水溶液中膜蛋白及红细胞结构；拉曼差光谱测定肌红蛋白三级及四级结构；X射线散射研究溶液构像测定原子间短程涨落状态，如蛋白质-螺旋510埃区域的动态变化；利用磁圆二色研究生物分子可以和荧光偏振、线性圆二色互补测定高粘度下或非荧光分子样品。有时一种技术的出现将使生物物理问题的研究大大改观。如 X射线衍射技术导致了分子生物物理学的出现。因此虽然技术本身并不一定就代表生物物理，但它对生物物理学的发展是非常关键的,1.3研究意义,农业方面为防止环境污染，取代农药和化肥除考虑生物

12、途径（主要是微生物）外，更重要的是寻找作物生长的内在规律，根据作物本身的物理或物理化学规律，来控制作物生长和能量的合理利用。例如中国利用线粒体互补方法来揭示杂交品种是否有杂种优势，这就是利用科学规律提出节省时间的育种方法。有些中国科学家提出线粒体中电子传递途径的改变和调节有可能是多种方式的。这就为使更多的C3型植物能转化到代谢更有效的C4型开辟了道路。提高光合作用的效率关键之一是如何控制暗反应中关键酶的活力；用物理方法暂时性的抑制酶活力显然要比化学方法有利得多,细胞利用环境中饱和和不饱和脂肪酸与温度有关。在1520时利用油酸，而在2025时则主要利用亚油酸，从而提供了不同温度条件下控制作物能量

13、转换途径来提高作物的营养价值。70年代末全球耗地为1.5109公顷土地，其中盐碱地占4108公顷。能否利用某些好盐菌来改良土壤，尤其是具有视紫红质的好盐菌，借助它能将光能直接转换成化学能，是值得考虑的。辐射育种、激光育种由于没有掌握生物物理规律，工作盲目性较大，急待改进，以期获得更好效果,医学方面 X射线断层照相（CT）、超声、核磁成象能精确地进行肿瘤定位等。电子成像，如利用同位素标记的脱氧葡萄糖，可以清晰地显示出在休息、学习、听音乐、边学习边听音乐等情况下脑活动的不同状态。表明脑在不同情况下代谢活动是完全不同的。这就是神经性障碍的病患者的理想诊断方法。人工脏器或假肢等领域，如果不能首先从生物

14、体引出固有信号，然后使信号转换，再进行模拟是无法完成的,工业方面为实现工业改造中高灵敏度条件下小型化自动化，生物原型（模板）是取之不尽的源泉。生物是个十分复杂的化工厂，无需加温加压即以无比短暂的速度，全部自动化地合成与分解。几乎没有三废需要处理。生物又是最精密的电子工厂，厂里零部件之小、灵敏度、精确度之高无与伦比。不仅全部都是自动控制，而且代偿性强。例如螳螂的测速绝技在0.05秒内测准掠过它眼前小虫的大小、方向与飞行速度的装置只是它的一对大复眼和颈部的本体感受器。生物物理学把原型加以研究，然后进行数学模拟和电子模拟，先后制成了电子蛙眼跟踪器跟踪移动目标、水母风暴预报装置、高清晰度的电视（仿鲎

15、眼侧抑制原理）等。目前人们已开始探索以分子为元件的计算机的可能性,一方面物理及物理化学技术的应用促进了生物物理学的发展；另一方面技术在应用于生物对象时必须有所改进。比如最早电子顺磁共振波谱仪（ESR）应用于生物材料，首先碰到含水、恒温等问题。一般研究活物质的技术都要求满足：低能量、无损伤、小样品、短时间、最迫近生活状态等条件。这些条件难度都较高，因此，生物物理学对技术的发展也有很大的促进。生物物理学是研究活物质的物理学。尽管生命是自然界的高级运动形式，也仍然是自然界3个量（质量、能量和信息）综合运动的表现。只是在生理体内这种运动变化既复杂又迅速，而且随着生物物质结构的复杂化，能量利用愈趋精密，

16、信息量愈来愈大。虽然难度很大，但从另一方面看，研究活物质的物理规律，不仅能进一步阐明生物的本质，更重要的是能使人们对自然界整个物质运动规律的认识达到新的高度,2.生物物理学的学科意义,生物学生物数学生物物理学生物化学细胞生物学生理学发育生物学遗传学放射生物学分子生物学生物进化论生态学神经生物学植物学昆虫学动物学微生物学病毒学人类学生物工程，心理学,在生物学方面被广泛认同甚至成为学科基础的主要理论包括：达尔文提出的生物进化论；细胞学说；孟德尔遗传学说；遗传密码和中心法则理论(包括近年关于表观遗传和非编码RNA调控等重要发展)；普列高津耗散结构理论（将生命看作

17、自组织化系统的理论）等。生命活动作为一种物质运动的高级形态有它自己的规律，同时又包含并遵循物理、化学等更基本的物质运动规律。因此，生物学研究要求有普通物理学、化学、数学(包括统计学)、以及地学等知识基础,在生物学的发展史上，观察描述的方法、比较的方法和实验的方法等依次兴起，成为一定时期的主要研究手段。现在，生物学研究方法正向着精密、定量、实时、多参数多层次结合、精确深度干预，以及数学模型研究等方向迅速发展,观察和比较从17世纪近代自然科学发展的早期到现在，都是生物学研究的重要方法，同时迄今仍是其他方法的重要基础。观察方法的进步，包括各种光学显微镜、电子显微镜、原子力显微镜、以及三维成像、活体

18、观察等都极大地提升了生物学观察的范围和能力。同时，借助质谱、X光衍射、光学CT等物理或化学手段，对生物样品的结构与成份的分析，从定性到定量，也是生物学研究方法的重要发展,生物物理学（Biophysics）生物物理学是应用物理学及物理化学的方法与理论探索生命现象本质及其演化规律的学科。在后基因组时代，生物物理学已经从宏观定性的描述阶段进入到了定量的在单细胞乃至于单分子的微观水平揭示生命过程中物质输运、能量转换、信息传递、基因组稳定性及生命演化规律的研究阶段。近年来，生物物理学科又产生出一些新的研究方向，如，单分子生物物理、基因组生物物理、细胞及膜生物物理、神经生物物理、结构生物物理等新的研

19、究领域,一方面，物理学在以往的年代对简单系统的研究已经积累了十分丰富的经验、成熟的理论和先进的技术。生物是物，生物有理，为了真正揭示生命过程的本质，深入掌握生命过程的基本规律，从而达到控制生物、改造生物的目的，生物学的发展离不开物理学的理论和技术。另一方面，物理学研究宏观物质世界的核心问题，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。生命物质和生命现象必定是21世纪物理学研究的重要对象,生物物理学的定义,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

20、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,定义一：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、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，以及生命活动的物理过程和物理化学过程,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

21、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,上面的四个定义表述方法虽各有不同，但都认为生物物理学是一门生物学和物理学相互作用的学科，也都是从生物物理学的研究对象上来阐述其定义的。关于生物物理学属于生物学的分支还是物理学的分支，一些生物学家认为他们研究生命现象时只是引入了物理学的理论和方

22、法，属于生物学的一个分支。但有些物理学家认为，研究生命的物质运动，只是物理学研究对象由非生命物质扩展到生命物质。应该属于物理学的分支。不同研究领域的学者处于不同的角度，也就有了不同的定义,国际纯粹与应用生物物理学联合会（简称IUPAB）于1961年建立，以后每3年召开1次大会，至今已成为包括40余个国家和地区的生物物理学会，中国已于1982年参加了这个组织。从国际生物物理学会成立到现在，虽然只有30多年的历史，但生物物理学作为一门独立学科的发展是十分迅速的。美、英、俄、日等许多国家在高等学校中设有生物物理专业，有的设在物理系内，有的设在生物系内，也有的设在工程技术类的院校。目前发达国家均投入很

23、大的力量致力于这门学科的研究工作。中国开展生物物理科研与教学工作的历史更短些，但发展较快。尽管许多方面与国外的进展有较大差距，但是由于受到国家和科学工作者的重视，我们将会迅速地赶上去,3.生物物理学的研究领域1. 分子生物物理,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，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关系是分子生物物理的核心问题。自从50年代X射线衍射晶体分析法应用于核酸与蛋白质获

24、得成功，奠定了分子生物学发展的基础，至今已有40余年历史。在这段时期中，有关结构的研究大体上经历了3个主要阶段：晶体结构的研究；溶液中生物分子构象的研究；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，生物水的确切作用等是分子生物物理今后的重要课题,1.2膜与细胞生物物理,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。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及其运动与能量转换机制都是膜生物物理的重要课题。细胞生物物理目前研究的深度还不够，随着分子

25、与膜生物物理的进展，细胞各种活动的分子机制也必将逐步阐明,1.3感官与神经生物物理,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中心。研究的主要问题有：离子通道；感受器生物物理；神经递质及其受体；神经通路和神经回路研究；行为神经科学。这是生物物理最早发展，但仍很活跃的一个领域，特别应该指出的是目前“神经生物物理”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,3.1

26、. 4生物控制论与生物信息论,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,1.5理论生物物理,是运用数学和理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,1.6光生物物理。光

27、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,1.7自由基与环境辐射生物物理,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,1.8生物力学与生物流变学,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

28、结合，所以发展特别迅速,1.9生物物理技术。生物物理技术在生物物理中占有特殊的地位，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物物理的研究进到一个新的水平，推动学科迅速发展。X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。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设计新的仪器。如为了研究细胞膜上的脂和蛋白分子的侧向扩散运动而设计的荧光漂白恢复技术(FPR）等,生命科学各个领域的研究中，几乎都需要生物物理学的参与；与此同时，生物物理学自身也在不断发展，充实新内容，开拓新领域,0710生物学一级学科范围（按2012版国务院学位办新的学科

29、界定,1植物生物学（Plant Biology） 2动物生物学（Animal Biology ） 3微生物学（Microbiology） 4水生生物学（Hydrobiology） 5生物化学与分子生物学（Biochemistry and Molecular Biology） 6细胞生物学（Cell Biology） 7发育生物学（Developmental Biology） 8生理学（Physiology） 9神经生物学（Neural Biology） 10遗传学（Genetics） 11生物物理学（Biophysics） 12生物信息学与计算生物学（Bioinformatics and C

30、omputational Biology,生物物理学教学提要,分子生物物理生物膜及其物理物性光生物物理自由基生物学生物电学与生物磁学感官与神经生物物理 ,生物分子电子学生物传感器的基本知识,作者：丘冠英彭银祥出版社：武汉大学出版社出版日期：2000年07月,中国生物物理学的拓荒者,贝时璋（1903年10月10日2009年10月29日）浙江省宁波镇海人，中国科学院院士，生物学家，是我国生物物理学奠基人和开拓者、中国科学院生物物理研究所的创建者和名誉所长。德国土滨根大学先后4次授予他博士学位，中国国家天文台将36015号小行星命名为“贝时璋星”。2009年10月29日上午9点30分

31、，在家中辞世，享年107岁,早在20世纪40年代，贝时璋就洞察到物理学和生物学相互渗透的大趋势，深信生物学必将从描述性科学向定量性科学转变。因此，他在研究细胞和染色体、发育和再生等生物学问题的同时，还坚持自学高等数学，并不断充实自己的物理学和化学知识。到了上个世纪50年代，他匠心独运地组织物理学家、化学家和数学家合作，把物理科学的思想、方法和概念运用到生物科学研究中去。于是，生物物理学便在中国应运而生了。1958年，在贝时璋的主持下，中国科学院生物物理研究所成立，成为当时世界上少数几个生物物理学专业研究机构之一，标志着生物物理学作为一门独立的学科在中国正式确立。同年，贝时璋在中国科技大学创立了生物物理系并任系主任，为中国生物物理学的发展培养了大批人才,生物物理学Biophysics物理生物学（Physical Biology,生物物理学是侧重于研究生命物质的基本物理规律的科学，而物理生物学(Physical Biology)旨在利用新近发展起来的物理学先进概念和物理技术