生物物理學的簡介

　　生物物理學(Biological Physics)是物理學與生物學相結(jié)合的一門交叉學科，研究生物的物理特性，是生命科學的重要分支學科和領域之一。下面由學習啦小編給你帶來關(guān)于生物物理學簡介，希望對你有幫助!

　　生物物理學簡介

　　生物物理學(Biological Physics)是物理學與生物學相結(jié)合的一門交叉學科，研究生物的物理特性，是生命科學的重要分支學科和領域之一。生物物理涵蓋各級生物組織，從分子尺度到整個生物體和生態(tài)系統(tǒng)。它的研究范圍有時會與生理學、生物化學、納米技術(shù)、生物工程、農(nóng)業(yè)物理學、細胞生物學和系統(tǒng)生物學有顯著的重疊。生物物理學被認為是生物學和物理學之間的橋梁。生物物理學旨在闡明生物在一定的空間、時間內(nèi)有關(guān)物質(zhì)、能量與信息的運動規(guī)律。

　　發(fā)展簡史17世紀A.考伯提到發(fā)光生物螢火蟲。

　　1786年L.伽伐尼研究了肌肉的靜電性質(zhì)。

　　1796年T.揚利用光的波動學說、色覺理論研究了眼的幾何光學性質(zhì)及心臟的液體動力學作用。

　　H.von亥姆霍茲將能量守恒定律應用于生物系統(tǒng)，認為物質(zhì)世界包括生命在內(nèi)都可以歸結(jié)為運動。他研究了肌肉收縮時熱量的產(chǎn)生和神經(jīng)脈沖的傳導速度E.H.杜布瓦-雷蒙德第一個制造出電流表并用以研究肌肉神經(jīng)，1848年發(fā)現(xiàn)了休止電位及動作電位。

　　1895年W.C.倫琴發(fā)現(xiàn)了 X射線后，幾乎立即應用到醫(yī)學實踐。

　　1899年K.皮爾遜在他寫的《科學的文法》一書中首次提到：“作為物理定律的特異事例來研究生物現(xiàn)象的生物物理和生物物理學……”，并列舉了當時研究的血液流體動力學、神經(jīng)傳導的電現(xiàn)象、表面張力和膜電位、發(fā)光與生物功能、以及機械應激、彈性、粘度、硬度與生物結(jié)構(gòu)的關(guān)系等問題。

　　1910年A.V.希爾把電技術(shù)應用于神經(jīng)生物學，并顯示了神經(jīng)纖維傳遞信息的特征是一連串勻速的電脈沖，脈沖是由膜內(nèi)外電位差引起的。

　　19世紀顯微鏡的應用導致細胞學說的創(chuàng)立。以后從簡單顯微鏡發(fā)展出紫外、暗視野、熒光等多種特殊用途的顯微鏡。電子顯微鏡的發(fā)展則提供了生物超微結(jié)構(gòu)的更多信息。

　　研究內(nèi)容

　　生物的物理性質(zhì)

　　20世紀20年代開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生物分子具有鐵電、壓電、半導體、液晶態(tài)等性質(zhì)，生命體系在不同層次上的電磁特性，以及生物界普遍存在的射頻通訊方式。但許多物理特性在生命活動過程中的意義和作用，則遠沒有搞清楚。比如幾乎所有生物，體內(nèi)的蛋白質(zhì)都是由L型氨基酸組成，而組成核酸的核糖又總是D型。為什么有這樣的旋光選擇性，與生命起源和生物進化有何關(guān)系，就有待探討。1980年發(fā)現(xiàn)兩個人工合成DNA片段呈左旋雙螺旋，人們普遍希望了解自然界有無左旋 DNA存在。1981年人們在兩段左旋片段中插入一段A-T對，整個螺旋立即向右旋轉(zhuǎn)，能否說明自然界不存在左旋DNA呢?這種特定的旋光性對生命活動的意義現(xiàn)仍無答案。根據(jù)生物的物理特性可以測出各種物理參數(shù)。但是由于生命物質(zhì)比較復雜，在不同的環(huán)境條件下參量也要改變。已有的測試手段往往不適用，尚待技術(shù)上的突破，才有可能進一步闡明生命的奧秘。

　　發(fā)展和應用

　　對生物大分子及大分子體系結(jié)構(gòu)分析的有：①近紅外顯微鏡。反差大，生物材料無需染色即可觀察。由于近紅外能量極小，因此基本上不損傷生物樣品，對光敏系統(tǒng)如暗適應的感受器細胞的觀察就十分有利。有人預計有可能用來觀察生活狀態(tài)的活樣品;②閃光X射線顯微鏡。每個脈沖為60毫秒，打在聚甲基異丁烯酸甲酯薄膜窗口，由于所射出的是軟X射線(23～44埃)正是水透明區(qū)，因此提供了可以進行水濕樣品研究的條件。同步輻射中的軟 X射線對生物學研究將帶來極大的好處;③光散射顯微鏡。能測定細胞的大小與形狀，絕對靈敏度高達0.01～0.1微米，并且不怕雜質(zhì)干擾，不需要樣品制備直接提供信息;④利用吸收超聲能量后引起溫度瞬間變化來進行超聲回聲圖象術(shù)進行診斷，用聲學顯微鏡顯示人染色體，樣品在-188℃液氮中由透鏡記錄到超聲信號再轉(zhuǎn)換成像;⑤低角X射線衍射研究活細胞。用釹玻璃激光光源50～600ps脈沖，聚集在100微米有機玻璃靶上。由于主要來自15Cl離子的4.45埃激光源，因此有利于活細胞觀察;⑥核磁共振。研究生物大分子結(jié)合重金屬離子后結(jié)構(gòu)變化，二價陽離子在膜結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系中的作用，鹽菌紫膜光照后內(nèi)膜酸堿度變化等等。除了常用的13C、31P、1H等外還用19F測定酶與底物的相互作用。用2D測定膜中的分子動力學。另一方面，二維核磁已可用來測定溶液中大分子內(nèi)氫原子之間的距離，核磁成像作為無損傷成像技術(shù)，將遠優(yōu)于超聲的應用，在某些方面優(yōu)于X射線斷層成像技術(shù)。此外如利用全反射衰減紅外光譜觀察水溶液中膜蛋白及紅細胞結(jié)構(gòu);拉曼差光譜測定肌紅蛋白三級及四級結(jié)構(gòu);X射線散射研究溶液構(gòu)像測定原子間短程漲落狀態(tài)，如蛋白質(zhì)α-螺旋510埃區(qū)域的動態(tài)變化;利用磁圓二色研究生物分子可以和熒光偏振、線性圓二色互補測定高粘度下或非熒光分子樣品。有時一種技術(shù)的出現(xiàn)將使生物物理問題的研究大大改觀。如 X射線衍射技術(shù)導致了分子生物物理學的出現(xiàn)。因此雖然技術(shù)本身并不一定就代表生物物理，但它對生物物理學的發(fā)展是非常關(guān)鍵的。

　　意義

　　農(nóng)業(yè)方面：為防止環(huán)境污染，取代農(nóng)藥和化肥除考慮生物途徑(主要是微生物)外，更重要的是尋找作物生長的內(nèi)在規(guī)律，根據(jù)作物本身的物理或物理化學規(guī)律，來控制作物生長和能量的合理利用。例如中國利用線粒體互補方法來揭示雜交品種是否有雜種優(yōu)勢，這就是利用科學規(guī)律提出節(jié)省時間的育種方法。有些中國科學家提出線粒體中電子傳遞途徑的改變和調(diào)節(jié)有可能是多種方式的。這就為使更多的C3型植物能轉(zhuǎn)化到代謝更有效的C4型開辟了道路。提高光合作用的效率關(guān)鍵之一是如何控制暗反應中關(guān)鍵酶的活力;用物理方法暫時性的抑制酶活力顯然要比化學方法有利得多。細胞利用環(huán)境中飽和和不飽和脂肪酸與溫度有關(guān)。在15～20℃時利用油酸，而在20～25℃時則主要利用亞油酸，從而提供了不同溫度條件下控制作物能量轉(zhuǎn)換途徑來提高作物的營養(yǎng)價值。70年代末全球耗地為1.5×109公頃土地，其中鹽堿地占4×108公頃。能否利用某些好鹽菌來改良土壤，尤其是具有視紫紅質(zhì)的好鹽菌，借助它能將光能直接轉(zhuǎn)換成化學能，是值得考慮的。輻射育種、激光育種由于沒有掌握生物物理規(guī)律，工作盲目性較大，急待改進，以期獲得更好效果。

　　醫(yī)學方面 ：X射線斷層照相(CT)、超聲、核磁成象能精確地進行腫瘤定位等。電子成像，如利用同位素標記的脫氧葡萄糖，可以清晰地顯示出在休息、學習、聽音樂、邊學習邊聽音樂等情況下腦活動的不同狀態(tài)。表明腦在不同情況下代謝活動是完全不同的。這就是神經(jīng)性障礙的病患者的理想診斷方法。人工臟器或假肢等領域，如果不能首先從生物體引出固有信號，然后使信號轉(zhuǎn)換，再進行模擬是無法完成的。

　　工業(yè)方面：為實現(xiàn)工業(yè)改造中高靈敏度條件下小型化自動化，生物原型(模板)是取之不盡的源泉。生物是個十分復雜的化工廠，無需加溫加壓即以無比短暫的速度，全部自動化地合成與分解。幾乎沒有三廢需要處理。生物又是最精密的電子工廠，廠里零部件之小、靈敏度、精確度之高無與倫比。不僅全部都是自動控制，而且代償性強。例如螳螂的測速絕技──在0.05秒內(nèi)測準掠過它眼前小蟲的大小、方向與飛行速度──的裝置只是它的一對大復眼和頸部的本體感受器。生物物理學把原型加以研究，然后進行數(shù)學模擬和電子模擬，先后制成了電子蛙眼跟蹤器──跟蹤移動目標、水母風暴預報裝置、高清晰度的電視(仿鱟眼側(cè)抑制原理)等。人們已開始探索以分子為元件的計算機的可能性。

　　一方面物理及物理化學技術(shù)的應用促進了生物物理學的發(fā)展;另一方面技術(shù)在應用于生物對象時必須有所改進。比如最早電子順磁共振波譜儀(ESR)應用于生物材料，首先碰到含水、恒溫等問題。一般研究活物質(zhì)的技術(shù)都要求滿足：低能量、無損傷、小樣品、短時間、最迫近生活狀態(tài)等條件。這些條件難度都較高，因此，生物物理學對技術(shù)的發(fā)展也有很大的促進。生物物理學是研究活物質(zhì)的物理學。盡管生命是自然界的高級運動形式，也仍然是自然界3個量(質(zhì)量、能量和信息)綜合運動的表現(xiàn)。只是在生理體內(nèi)這種運動變化既復雜又迅速，而且隨著生物物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復雜化，能量利用愈趨精密，信息量愈來愈大。雖然難度很大，但從另一方面看，研究活物質(zhì)的物理規(guī)律，不僅能進一步闡明生物的本質(zhì)，更重要的是能使人們對自然界整個物質(zhì)運動規(guī)律的認識達到新的高度。