一、生物物理學(xué)的形成與發(fā)展

　　19世紀(jì)末葉，生理學(xué)家開始用物理概念如力學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)及熱力學(xué)的知識(shí)深入到生理學(xué)領(lǐng)域，這樣就逐漸形成一個(gè)新的分支學(xué)科，許多人認(rèn)為這就是最初的生物物理學(xué)。實(shí)際上物理學(xué)與生物學(xué)的結(jié)合很早以前就已經(jīng)開始。例如克爾肖(Kircher)在17世紀(jì)描述過生物發(fā)光的現(xiàn)象；波萊利(Borrelli)在其所著《動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》一書中利用力學(xué)原理分析了血液循環(huán)和鳥的飛行問題。18世紀(jì)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(jì)，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(jì)40年代初，著名的量子物理學(xué)家薛定愕(Schr6dinger)專門作了“生命是什么”的報(bào)告中提出的幾個(gè)觀點(diǎn)，如負(fù)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(yù)見性的觀點(diǎn)，而且均得到證實(shí)。這有力地說明了近代物理學(xué)在推動(dòng)生命科學(xué)發(fā)展中的作用。

　　近代生物物理學(xué)的形成與發(fā)展始于本世紀(jì)50年代，物理學(xué)在各方面取得重大成就之后。X射線衍射晶體分析對(duì)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(xué)的新紀(jì)元，將生命科學(xué)的許多分支都推進(jìn)到分子水平，同時(shí)也把這些成就逐步擴(kuò)大到細(xì)胞、組織、器官等，成為微觀生物物理學(xué)發(fā)展的一條主干。除此以外，應(yīng)用生物信息論與控制論、非平衡態(tài)熱力學(xué)、非線性與復(fù)雜性等的研究從宏觀角度對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行了探討，成為宏觀生物物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。這兩方面的結(jié)合使生物物理學(xué)以嶄新的面貌出現(xiàn)在自然科學(xué)，特別是生命科學(xué)的行列之中，成為一門需要較多數(shù)學(xué)與物理基礎(chǔ)，研究生命問題的獨(dú)立發(fā)展的邊緣學(xué)科。

　　國(guó)際純粹與應(yīng)用生物物理學(xué)聯(lián)合會(huì)（簡(jiǎn)稱IUPAB）于1961年建立，以后每3年召開1次大會(huì)，至今已成為包括40余個(gè)國(guó)家和地區(qū)的生物物理學(xué)會(huì)，我國(guó)已于1982年參加了這個(gè)組織。從國(guó)際生物物理學(xué)會(huì)成立到現(xiàn)在，雖然只有30多年的歷史，但生物物理學(xué)作為一門獨(dú)立學(xué)科的發(fā)展是十分迅速的。美、英、俄、日等許多國(guó)家在高等學(xué)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(dá)國(guó)家均投入很大的力量致力于這門學(xué)科的研究工作。我國(guó)開展生物物理科研與教學(xué)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(gè)，其中醫(yī)學(xué)院校占1/3以上。盡管許多方面與國(guó)外的進(jìn)展有較大差距，但是由于受到國(guó)家和科學(xué)工作者的重視，我們將會(huì)迅速地趕上去。

　　二、生物物理學(xué)的主要內(nèi)容

　　生物物理學(xué)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(xì)胞生物物理和復(fù)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(xué)的所有基本問題。由于生物物理學(xué)是一門正在成長(zhǎng)著的邊緣學(xué)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(xué)科（生化、生理等）的界限也不是很明確。這里只對(duì)生物物理的主要內(nèi)容做些簡(jiǎn)要介紹。

　　1．分子生物物理 分子生物物理是本學(xué)科中最基本、最重要的一個(gè)分支。它運(yùn)用物理學(xué)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(dòng)力學(xué)，相互作用和其生物學(xué)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(jìn)而通過修飾、重建和改造生物分子，為實(shí)踐服務(wù)。

　　生物大分子及其復(fù)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(yīng)用于核酸與蛋白質(zhì)獲得成功，奠定了分子生物學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，至今已有40余年歷史。在這段時(shí)期中，有關(guān)結(jié)構(gòu)的研究大體上經(jīng)歷了3個(gè)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(dòng)力學(xué)的研究。分子構(gòu)象隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)，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(xì)胞生物物理 膜及細(xì)胞生物物理是僅次于分子生物物理的一個(gè)重要部分。主要研究膜的結(jié)構(gòu)與功能，細(xì)胞各種活動(dòng)的分子機(jī)制；膜的動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)，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(jī)制，電子傳遞鏈的組分結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)與能量轉(zhuǎn)換機(jī)制都是膜生物物理的重要課題。細(xì)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(jìn)展，細(xì)胞各種活動(dòng)的分子機(jī)制也必將逐步闡明。

　　3．感官與神經(jīng)生物物理 生命進(jìn)化的漫長(zhǎng)歷程中出現(xiàn)了能對(duì)內(nèi)、外環(huán)境作出反應(yīng)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(dòng)物特別是在人體內(nèi)已發(fā)展到了高度復(fù)雜的程度，其結(jié)構(gòu)上的標(biāo)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(jī)構(gòu)。因此感官和腦的問題已經(jīng)成為神經(jīng)生物學(xué)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(xué)。這是生物物理最早發(fā)展，但仍很活躍的一個(gè)領(lǐng)域，特別應(yīng)該指出的是目前“神經(jīng)生物物理”受到極大重視，因?yàn)檫@是揭開人類認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)、記憶以至創(chuàng)造性活動(dòng)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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制機(jī)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(gè)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(gè)重點(diǎn)。

　　5．理論生物物理 是運(yùn)用數(shù)學(xué)和理論物理學(xué)研究生命現(xiàn)象的一個(gè)領(lǐng)域，既包括量子生物學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)等微觀研究，也包括對(duì)進(jìn)化、遺傳、生命起源、腦功能活動(dòng)及生物系統(tǒng)復(fù)雜性等宏觀研究。目前已從藥物、毒物等簡(jiǎn)單分子逐步向復(fù)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(dòng)的基礎(chǔ)。但在方法上還必須不斷發(fā)展以適應(yīng)需要。

　　6．光生物物理 光生物物理是研究光生物學(xué)中的光物理與原初光化學(xué)過程，即研究光的原初過程的學(xué)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(dòng)力學(xué)作用，③生物發(fā)光與化學(xué)發(fā)光。

　　7．自由基與環(huán)境輻射生物物理 研究各種波長(zhǎng)電磁波（包括電離輻射）對(duì)機(jī)體和生物分子的作用機(jī)制及其產(chǎn)生效應(yīng)的利用與防護(hù)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(xué)與生物電磁學(xué)。

　　8．生物力學(xué)與生物流變學(xué) 它的興起是由于人們對(duì)認(rèn)識(shí)生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律、保護(hù)人類健康、生物醫(yī)學(xué)工程和生物化學(xué)工程的需要。主要內(nèi)容有：①生物流體力學(xué)；②生物固體力學(xué)；③其它生物力學(xué)問題；④生物流變學(xué)。其中血液流變學(xué)占主導(dǎo)地位，這是因?yàn)樗�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(xué)科中不可缺少的一個(gè)重要組成部分。這是因?yàn)槊恳豁?xiàng)重要技術(shù)的出現(xiàn)常常使生物物理的研究進(jìn)到一個(gè)新的水平，推動(dòng)學(xué)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(wù)就是根據(jù)研究課題的需要設(shè)計(jì)新的儀器。如為了研究細(xì)胞膜上脂和蛋白分子的側(cè)向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而設(shè)計(jì)的熒光漂白恢復(fù)技術(shù)(FPR)等。

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

　　三、生物物理學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系

　　醫(yī)學(xué)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(xué)范疇�？茖W(xué)技術(shù)不發(fā)達(dá)的時(shí)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累來解決疾病的診斷、治療與預(yù)防問題。近代生物學(xué)的發(fā)展，特別是生物化學(xué)與生物物理學(xué)的應(yīng)用，必將更深入地觸及現(xiàn)象的本質(zhì)，發(fā)生疾病的機(jī)制問題，從而在尋找消滅和預(yù)防疾病的途徑中起到重要作用，這也是科學(xué)發(fā)展的必然結(jié)果。下面從三個(gè)方面加以說明。

　　1．基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)問題的研究 因?qū)υS多疾病的發(fā)生機(jī)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(gè)突出的例子。近年來，生物物理學(xué)已在這方面做了不少工作。現(xiàn)已知，細(xì)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(dòng)性增大，細(xì)胞內(nèi)水狀態(tài)的改變等。在研究這些問題時(shí)，廣泛應(yīng)用了熒光分析、核磁共振及細(xì)胞電泳等技術(shù)。由于對(duì)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(jī)制等細(xì)節(jié)。從射線產(chǎn)生自由基及其具有順磁性和近年來對(duì)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(xué)就是在這一基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于量子生物學(xué)的發(fā)展，對(duì)一些簡(jiǎn)單分子，特別是致癌化合物電子結(jié)構(gòu)的研究，也對(duì)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(shí)踐中的應(yīng)用 基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展必然會(huì)在臨床實(shí)踐中得到反映。生物物理學(xué)對(duì)疾病的診斷、治療和預(yù)防上都日益顯示了作用。血液流變學(xué)指標(biāo)的測(cè)量對(duì)診斷紅細(xì)胞增多癥、慢性白血病、急性心肌梗死與冠狀動(dòng)脈栓塞癥、糖尿病等，都有明顯的價(jià)值。1973年后開始出現(xiàn)的磁共振成像(MRI)，特點(diǎn)是能區(qū)分軟組織，且基本對(duì)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(yīng)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(dá)到治療目的，被稱為光敏氧化或光動(dòng)力學(xué)作用。治療方面引人注意的另一個(gè)例子是利用人工膜載帶藥物并定向引導(dǎo)到疾病部位，達(dá)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(jī)體后，可通過各種途徑到達(dá)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(dǎo)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(duì)細(xì)胞進(jìn)行改造。可以預(yù)期，這類應(yīng)用將會(huì)愈來愈多。

　　3．在未來醫(yī)學(xué)發(fā)展中的作用 醫(yī)學(xué)科學(xué)的現(xiàn)代化還剛剛開始，就要到來的21世紀(jì)醫(yī)學(xué)一定會(huì)得到更大的發(fā)展。下一世紀(jì)我們將面臨嚴(yán)重的環(huán)境污染，“不治之癥”對(duì)人類的折磨，人口的爆炸性增長(zhǎng)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(xué)習(xí)。實(shí)際上，有機(jī)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(xué)技術(shù)它所能達(dá)到的程度遠(yuǎn)為完善和可靠，若能把生物對(duì)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(shí)現(xiàn)。為達(dá)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(xué)將越來越多地發(fā)揮作用，且將越來越多被所有生命科學(xué)領(lǐng)域中的科學(xué)工作者所重視，以便共同協(xié)作，為未來醫(yī)學(xué)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

　　從以上三方面可以看出，生物物理學(xué)和醫(yī)學(xué)無論在機(jī)制、診斷與治療方面都有很密切的關(guān)系。從國(guó)際、國(guó)內(nèi)趨勢(shì)來看，在生物物理學(xué)的實(shí)際應(yīng)用方面，醫(yī)學(xué)是一個(gè)最受重視的部門。近代醫(yī)學(xué)的發(fā)展，越來越多地依賴生物物理學(xué)的發(fā)展，近代診斷與治療的先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，也近切要求醫(yī)務(wù)工作者具備更多的生物物理知識(shí)，掌握更多的生物物理技術(shù)。