一、生物物理學的形成與發(fā)展

　　19世紀末葉，生理學家開始用物理概念如力學、流體力學、光學、電學及熱力學的知識深入到生理學領(lǐng)域，這樣就逐漸形成一個新的分支學科，許多人認為這就是最初的生物物理學。實際上物理學與生物學的結(jié)合很早以前就已經(jīng)開始。例如克爾肖(Kircher)在17世紀描述過生物發(fā)光的現(xiàn)象；波萊利(Borrelli)在其所著《動物的運動》一書中利用力學原理分析了血液循環(huán)和鳥的飛行問題。18世紀伽伐尼(Galvani)通過青蛙神經(jīng)由于接觸兩種金屬引起肌肉收縮，從而發(fā)現(xiàn)了生物電現(xiàn)象。19世紀，梅那(Mayer)通過熱、功和生理過程關(guān)系的研究建立了能量守恒定律。特別是本世紀40年代初，著名的量子物理學家薛定愕(Schr6dinger)專門作了“生命是什么”的報告中提出的幾個觀點，如負嫡與生命現(xiàn)象的有序性、遺傳物質(zhì)的分子基礎(chǔ)，生命現(xiàn)象與量子論的協(xié)調(diào)性等，以后陸續(xù)都被證明是極有預見性的觀點，而且均得到證實。這有力地說明了近代物理學在推動生命科學發(fā)展中的作用。

　　近代生物物理學的形成與發(fā)展始于本世紀50年代，物理學在各方面取得重大成就之后。X射線衍射晶體分析對核酸與蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)的研究開創(chuàng)了分子生物學的新紀元，將生命科學的許多分支都推進到分子水平，同時也把這些成就逐步擴大到細胞、組織、器官等，成為微觀生物物理學發(fā)展的一條主干。除此以外，應用生物信息論與控制論、非平衡態(tài)熱力學、非線性與復雜性等的研究從宏觀角度對生命現(xiàn)象進行了探討，成為宏觀生物物理學發(fā)展的基礎(chǔ)。這兩方面的結(jié)合使生物物理學以嶄新的面貌出現(xiàn)在自然科學，特別是生命科學的行列之中，成為一門需要較多數(shù)學與物理基礎(chǔ)，研究生命問題的獨立發(fā)展的邊緣學科。

　　國際純粹與應用生物物理學聯(lián)合會（簡稱IUPAB）于1961年建立，以后每3年召開1次大會，至今已成為包括40余個國家和地區(qū)的生物物理學會，我國已于1982年參加了這個組織。從國際生物物理學會成立到現(xiàn)在，雖然只有30多年的歷史，但生物物理學作為一門獨立學科的發(fā)展是十分迅速的。美、英、俄、日等許多國家在高等學校中設(shè)有生物物理專業(yè)，有的設(shè)在物理系內(nèi)，有的設(shè)在生物系內(nèi)，也有的設(shè)在工程技術(shù)類的院校。目前發(fā)達國家均投入很大的力量致力于這門學科的研究工作。我國開展生物物理科研與教學工作的歷史更短些，但發(fā)展較快。目前從事本專業(yè)工作的單位有幾十個，其中醫(yī)學院校占1/3以上。盡管許多方面與國外的進展有較大差距，但是由于受到國家和科學工作者的重視，我們將會迅速地趕上去。

　　二、生物物理學的主要內(nèi)容

　　生物物理學研究的內(nèi)容十分廣泛，一般分為量子生物物理、分子生物物理、細胞生物物理和復雜體系的生物物理等幾部分；涉及的問題則幾乎包括生物學的所有基本問題。由于生物物理學是一門正在成長著的邊緣學科，其具體內(nèi)容和發(fā)展方向也在不斷變化和完善，它和一些關(guān)系特別密切的學科（生化、生理等）的界限也不是很明確。這里只對生物物理的主要內(nèi)容做些簡要介紹。

　　1．分子生物物理 分子生物物理是本學科中最基本、最重要的一個分支。它運用物理學的基本理論與技術(shù)研究生物大分子、小分子及分子聚集體的結(jié)構(gòu)、動力學，相互作用和其生物學性質(zhì)在功能過程中的變化，目的在于從分子水平闡述生命的基本過程，進而通過修飾、重建和改造生物分子，為實踐服務。

　　生物大分子及其復合物的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是分子生物物理的核心問題。自從50年代X射線衍射晶體分析法應用于核酸與蛋白質(zhì)獲得成功，奠定了分子生物學發(fā)展的基礎(chǔ)，至今已有40余年歷史。在這段時期中，有關(guān)結(jié)構(gòu)的研究大體上經(jīng)歷了3個主要階段：①晶體結(jié)構(gòu)的研究；②溶液中生物分子構(gòu)象的研究；③分子動力學的研究。分子構(gòu)象隨時間變化的動力學，分子問的特異相互作用，生物水的確切作用等是分子生物物理今后的重要課題。

　　2．膜與細胞生物物理 膜及細胞生物物理是僅次于分子生物物理的一個重要部分。主要研究膜的結(jié)構(gòu)與功能，細胞各種活動的分子機制；膜的動態(tài)認識，膜中脂類的作用，通道的結(jié)構(gòu)及其啟閉過程，受體結(jié)構(gòu)及其與配體的特異作用，信息傳遞機制，電子傳遞鏈的組分結(jié)構(gòu)及其運動與能量轉(zhuǎn)換機制都是膜生物物理的重要課題。細胞生物物理目前研究的深度還不夠，隨著分子與膜生物物理的進展，細胞各種活動的分子機制也必將逐步闡明。

　　3．感官與神經(jīng)生物物理 生命進化的漫長歷程中出現(xiàn)了能對內(nèi)、外環(huán)境作出反應的神經(jīng)系統(tǒng)。神經(jīng)系統(tǒng)連同有關(guān)的感覺器官在高等動物特別是在人體內(nèi)已發(fā)展到了高度復雜的程度，其結(jié)構(gòu)上的標志是出現(xiàn)了大腦皮層，功能上大腦是最有效的信息處理、存貯和決策機構(gòu)。因此感官和腦的問題已經(jīng)成為神經(jīng)生物學注意的中心。研究的主要問題有：①離子通道；②感受器生物物理；③神經(jīng)遞質(zhì)及其受體；④神經(jīng)通路和神經(jīng)回路研究；⑤行為神經(jīng)科學。這是生物物理最早發(fā)展，但仍很活躍的一個領(lǐng)域，特別應該指出的是目前“神經(jīng)生物物理”受到極大重視，因為這是揭開人類認識、學習、記憶以至創(chuàng)造性活動的基礎(chǔ)。

　　4．生物控制論與生物信息論 主要用控制論的理論與方法研究生物系統(tǒng)中信息的加工、處理，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制機制。它從綜合的、整體的角度出發(fā)，研究不同水平的生物系統(tǒng)各部分之間的相互作用，或整個系統(tǒng)與環(huán)境之間的相互作用，神經(jīng)控制論和生物控制系統(tǒng)的分析和模擬是其兩個重點。

　　5．理論生物物理 是運用數(shù)學和理論物理學研究生命現(xiàn)象的一個領(lǐng)域，既包括量子生物學和分子動力學等微觀研究，也包括對進化、遺傳、生命起源、腦功能活動及生物系統(tǒng)復雜性等宏觀研究。目前已從藥物、毒物等簡單分子逐步向復雜體系過渡，試圖從電子水平說明生命現(xiàn)象的本質(zhì)，涉及各種生命活動的基礎(chǔ)。但在方法上還必須不斷發(fā)展以適應需要。

　　6．光生物物理 光生物物理是研究光生物學中的光物理與原初光化學過程，即研究光的原初過程的學科。主要研究問題有：①光合作用；②視覺；③嗜鹽菌的光能轉(zhuǎn)換；④植物光形態(tài)建成：⑤光動力學作用，③生物發(fā)光與化學發(fā)光。

　　7．自由基與環(huán)境輻射生物物理 研究各種波長電磁波（包括電離輻射）對機體和生物分子的作用機制及其產(chǎn)生效應的利用與防護基礎(chǔ)研究。主要內(nèi)容有：①自由基；②電離輻射的生物物理研究；③生物磁學與生物電磁學。

　　8．生物力學與生物流變學 它的興起是由于人們對認識生命運動規(guī)律、保護人類健康、生物醫(yī)學工程和生物化學工程的需要。主要內(nèi)容有：①生物流體力學；②生物固體力學；③其它生物力學問題；④生物流變學。其中血液流變學占主導地位，這是因為它與臨床密切結(jié)合，所以發(fā)展特別迅速。

　　9．生物物理技術(shù) 生物物理技術(shù)在生物物理中占有特殊的地位，以致成為該學科中不可缺少的一個重要組成部分。這是因為每一項重要技術(shù)的出現(xiàn)常常使生物物理的研究進到一個新的水平，推動學科迅速發(fā)展。X射線衍射分析、核磁共振技術(shù)及常規(guī)波譜分析都是很典型的例子。生物物理技術(shù)和儀器的另一重要任務就是根據(jù)研究課題的需要設(shè)計新的儀器。如為了研究細胞膜上脂和蛋白分子的側(cè)向擴散運動而設(shè)計的熒光漂白恢復技術(shù)(FPR)等。

　　生命科學各個領(lǐng)域的研究中，幾乎都需要生物物理學的參與；與此同時，生物物理學自身也在不斷發(fā)展，充實新內(nèi)容，開拓新領(lǐng)域。

　　三、生物物理學與醫(yī)學的關(guān)系

　　醫(yī)學著重研究人在正常與疾病條件下的各種規(guī)律，屬生命科學范疇�？茖W技術(shù)不發(fā)達的時代，人們只能從現(xiàn)象上定性地了解什么是正常，什么是疾病，而且主要依靠實踐經(jīng)驗的積累來解決疾病的診斷、治療與預防問題。近代生物學的發(fā)展，特別是生物化學與生物物理學的應用，必將更深入地觸及現(xiàn)象的本質(zhì)，發(fā)生疾病的機制問題，從而在尋找消滅和預防疾病的途徑中起到重要作用，這也是科學發(fā)展的必然結(jié)果。下面從三個方面加以說明。

　　1．基礎(chǔ)醫(yī)學問題的研究 因?qū)υS多疾病的發(fā)生機制不清楚，故很難做出正確的診斷和采取有效的治療措施，腫瘤就是一個突出的例子。近年來，生物物理學已在這方面做了不少工作�，F(xiàn)已知，細胞及其質(zhì)膜在癌變過程中表現(xiàn)出明顯的變化，如表面電荷改變，膜流動性增大，細胞內(nèi)水狀態(tài)的改變等。在研究這些問題時，廣泛應用了熒光分析、核磁共振及細胞電泳等技術(shù)。由于對核酸和蛋白質(zhì)等大分子的晶體結(jié)構(gòu)及溶液構(gòu)象的研究，可以了解蛋白質(zhì)變性，酶的催化作用及核酸構(gòu)象變化和突變產(chǎn)生的機制等細節(jié)。從射線產(chǎn)生自由基及其具有順磁性和近年來對活性氧的研究得到許多病理過程，包括輻射損傷、衰老、毒物作用及心血管疾病中的一些環(huán)節(jié)等，都和自由基有關(guān)。所謂自由基病理學就是在這一基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于量子生物學的發(fā)展，對一些簡單分子，特別是致癌化合物電子結(jié)構(gòu)的研究，也對闡明某些物質(zhì)為什么具有致癌活性的規(guī)律提供了證據(jù)；為某些藥物的療效和結(jié)構(gòu)的關(guān)系提供了說明，這就有可能為提高藥效開辟途徑。這樣的例子還可以舉出很多。

　　2．臨床實踐中的應用 基礎(chǔ)學科的發(fā)展必然會在臨床實踐中得到反映。生物物理學對疾病的診斷、治療和預防上都日益顯示了作用。血液流變學指標的測量對診斷紅細胞增多癥、慢性白血病、急性心肌梗死與冠狀動脈栓塞癥、糖尿病等，都有明顯的價值。1973年后開始出現(xiàn)的磁共振成像(MRI)，特點是能區(qū)分軟組織，且基本對人體無損傷，許多方面優(yōu)于X射線斷層成像(X-CT)，已在診斷腦內(nèi)及內(nèi)臟疾病上得到應用。血卟琳的抗癌作用受到重視，主要利用其作為光能的吸收者，在光照和有氧條件下起能量傳遞作用，而達到治療目的，被稱為光敏氧化或光動力學作用。治療方面引人注意的另一個例子是利用人工膜載帶藥物并定向引導到疾病部位，達到治療目的。用來攜帶藥物的人工膜由類脂組成，稱為脂質(zhì)體，由脂類在水相中振蕩生成。若事先在水相中溶有所需藥物或酶，則在形成的脂質(zhì)體中即含有這類藥物。輸入機體后，可通過各種途徑到達病變部位。目前除用脂質(zhì)體載藥外，還用其載酶或載帶基因，俗稱人體導彈。載酶可克服電腦屏障，治療由于缺乏某種酶而引起的神經(jīng)節(jié)苷脂貯積癥；載入基因可對細胞進行改造�？梢灶A期，這類應用將會愈來愈多。

　　3．在未來醫(yī)學發(fā)展中的作用 醫(yī)學科學的現(xiàn)代化還剛剛開始，就要到來的21世紀醫(yī)學一定會得到更大的發(fā)展。下一世紀我們將面臨嚴重的環(huán)境污染，“不治之癥”對人類的折磨，人口的爆炸性增長等問題。要解決這些問題，除利用現(xiàn)有的科技手段外，還必須尋找新手段，這就要向生命本身學習。實際上，有機體特別是人體本身具有各種極其精巧的、高效率的功能，包括物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換，信息處理，比起現(xiàn)有科學技術(shù)它所能達到的程度遠為完善和可靠，若能把生物對象本身所具備的各種功能徹底搞清，即可充分利用，用人工的辦法實現(xiàn)。為達此目的，研究生命的基本過程就成為關(guān)鍵的步驟。在這一過程中，生物物理學將越來越多地發(fā)揮作用，且將越來越多被所有生命科學領(lǐng)域中的科學工作者所重視，以便共同協(xié)作，為未來醫(yī)學發(fā)展作出貢獻。

　　從以上三方面可以看出，生物物理學和醫(yī)學無論在機制、診斷與治療方面都有很密切的關(guān)系。從國際、國內(nèi)趨勢來看，在生物物理學的實際應用方面，醫(yī)學是一個最受重視的部門。近代醫(yī)學的發(fā)展，越來越多地依賴生物物理學的發(fā)展，近代診斷與治療的先進技術(shù)的應用，也近切要求醫(yī)務工作者具備更多的生物物理知識，掌握更多的生物物理技術(shù)。