公共選修課現代物理概論

第九講

生物物理學

物理與生命系統間的思考心血管心血管系統像亞瑪遜河?流量理論:(1)為何有心舒壓?為了流量之增大，主動脈之心舒壓應為負值最好，而所有脊椎哺乳動物之心舒壓皆為正80mmHg左右。流量理論:(2)為何心跳為固定速率?:以流量之觀點，有動量既可。心跳率依生理代謝多寡變動，心跳不必固定速率。流量理論:(4)為何血管流入器官呈90°?:90°是將動量完全無分量之角度。但腎動脈、脾動脈、氣管動脈、胸動脈等進入器官之動脈皆與主動脈呈90°，表示進入器官之血液，不是以動量為動力。生理上希望將動量之影響降到最低。流量理論:(5)為何大動物心跳慢，小動物心跳反快?:大動物所送血量較大，流量大，則心跳應較快，小動物體積小，所送血量亦少，心跳應較慢，更何況與(體積)1/3成反比要如何解釋?流量理論:(6)動物如何運動?:這是一個極大的問題。動物都有循環系統。如果輸送血流靠動量，"動量為向量"，我們一舉手，一投足都會嚴重妨害血液的循環。我們應是不能動的植物才行。流量理論:(8)為何微循環為網狀?不論器官、或穴道，其小動脈皆成網狀。以流量之觀點，微循應為樹狀，而不是網狀，因為網狀使阻力大增。共振理論:(1)為何有心舒壓?答:心舒壓之目的至少有三:1.提高壓力以增加彈性位能，將血管中之能量由動能轉換為位能。2.此壓力充滿整個動脈血管網路中，以維持血液之最低供應量，充“氣”之情形如氣球一樣，在任何有開口的地方，皆可釋出血液。3.維持器官及血管之彈性。以維持各器官及血管之共振頻率，以達成阻抗為最低之效率。共振理論:(3)為何主昇動脈轉彎180°?答:心臟以收縮的方式產生很大的瞬間流量。但以流量輸送是阻力非常大的。所以在主昇動脈以180°之轉彎，將動能轉化為血管壁上的振動位能。共振理論:(4)為何血管流入器官前呈90°?答:大動脈是波動能量是輸送的主幹。對分枝器官而言，連接處之大動脈，就像心臟一樣將壓力波送進器官來。此90°之轉彎，可將流量之影響降到最小，僅有壓力波可由大動脈連接處順利傳入。共振理論:(5)為何大動物心跳慢,小動物心跳反快?答:大器官之共振頻率低，小器官之共振頻率高。人的器官是如此，不同動物也一樣。大動物器官也大所以心跳必須慢，才能維持共振，提高運送效率。共振理論:(6)動物如何運動?答:在血管壁上的振動是以位能存在的。位能不是向量。而且此振動方向與血管走向垂直，不論血管方向如何改變，血液永遠由近心端向遠心端輸送。血壓波為長波，看不見各處之細節，因而手臂彎曲、彎腰等，都只有輕微之影響，不致造成血流中止。共振理論:(7)為何微循環為網狀?答:網狀的血管，相當於大電容(電路)。配電器、電壓穩定器都要大電容以吸引電壓波過來。因為電壓波也是長波，看不到細節，必須以大電容，好讓電壓波看到。所以器官及穴道，皆成網狀以吸引血壓波過來。共振理論:(8)為何血管中之動能僅佔2%,位能佔98%?答:像在高壓輸送線中之能量一樣，位能佔多數，電流佔少數,以減少阻力之消耗。

17世紀考伯提到發光生物熒火蟲；1786年伽伐尼研究了肌肉的靜電性質；1796年揚利用光的波動學說、色覺理論，研究了眼的幾何光學性質及心臟的液體動力學作用；亥姆霍茲將能量守恒定律應用于生物系統，認為物質世界包括生命在內都可以歸結為運動。他研究了肌肉收縮時熱量的產生和神經脈沖的傳導速度；杜布瓦-雷蒙德第一個制造出電流表并用以研究肌肉神經，1848年發現了休止電位及動作電位。

1896年倫琴發現了X射線后，幾乎立即應用到醫學實踐，1899年皮爾遜在《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象的生物物理學……”，并列舉了當時研究的血液流體動力學、神經傳導的電現象、表面張力和膜電位、發光與生物功能、以及機械應激、彈性、粘度、硬度與生物結構的關系等問題。

早在1920年，X射線衍射技術就已列入蛋白質結構研究。阿斯特伯里用X射線衍射技術研究毛發、絲和羊毛纖維結構等，發現了由氨基酸殘基鏈形成的蛋白質主鏈構象；20世紀50年代沃森及克里克提出了遺傳物質DNA雙螺旋互補的結構模型。1944年的《醫學物理》介紹生物物理內容時，涉及面已相當廣泛，包括聽覺、色覺、肌肉、神經、皮膚等的結構與功能，并報道了應用電子回旋加速器研究生物對象。

物理概念對生物物理發展影響較大的是1943年薛定諤的講演：“生命是什么”和威納關于生物控制論的論點；前者用熱力學和量子力學理論解釋生命的本質引進了“負熵”概念，試圖從一些新的途徑來說明有機體的物質結構、生命活動的維持和延續、生物的遺傳與變異等問題；后者認為生物的控制過程，包含著信息的接收、變換、貯存和處理。

他們認為既然生命物質是物質世界的一個組成部分，那么既有它的特殊運動規律，也應該遵循物質運動的共同的一般規律。這就溝通了生物學和物理學兩個領域。

20世紀20年代開始陸續發現生物分子具有鐵電、壓電、半導體、液晶態等性質，發現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等等。但許多物理特性在生命活動過程中的意義和作用，則遠還沒有搞清楚。

1980年發現兩個人工合成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，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仍無答案。

根據生物的物理特性可以測出各種物理參數。但是由于生命物質比較復雜，在不同的環境條件下參量也要改變。已有的測試手段往往不適用，尚待技術上的突破，才有可能進一步闡明生命的奧秘。

活躍在生物體內的基本粒子(目前研究到電子和質子)的研究，也是探索生命活動的物理及物理化學過程的一個主體部分。生物都是含水的，研究水溶液中電子的行為，對了解生命活動的理化過程極為重要。人們已經發現了生物的質子態、質子非定域化和質子隧道效應等現象，因此需進一步開展量子生物學的研究，探索這些基本粒子在活體內的行為。

光合作用中葉綠素最初吸收光子只在一千萬億分之一秒瞬間完成，視覺過程和高能電離輻射最初始的能量吸收也都是瞬間完成的，這些能量在生物體內最初的去向和行為，從吸收到物理化學過程的出現，究竟發生了什么物理作用，這就需要既靈敏又快速的測試技術。

蛋白質在56℃左右變性，但我們在70℃以上的溫泉中還能找到生物；人工培養的細胞保存在零下190℃，解凍后細胞仍與正常態一樣，這些生物體內水的結構狀態是怎樣？如果能把這些極端狀態的水的結構與性質闡明，將有助于對生命規律的理解。

生物在億萬年進化過程中，最終選擇了膜作為最基本的結構形式。從通透、識別、通訊，到能量轉換等各種生命活動幾乎都在膜上進行，膜不僅提供場所，它本身也積極參與了活動。

有時一種技術的出現將使生物物理問題的研究大大改觀。如X射線衍射技術導致了分子生物物理學的出現。因此雖然技術本身并不一定就代表生物物理，但它對生物物理學的發展是非常關鍵的。

生物物理學是研究活物質的物理學。盡管生命是自然界的高級運動形式，也仍然是自然界三個量(質量、能量和信息)綜合運動的表現。只是在生理體內這種運動變化既復雜又迅速，而且隨著生物物質結構的復雜化，能量利用愈趨精密，信息量愈來愈大，使得研究的難度很高。但從另一方面看，研究活物質的物理規律，不僅能進一步闡明生物的本質，更重要的是能使人們對自然界整個物質運動規律的認識達到新的高度。

生物物理學的研究內容主要包括5個方面。

①生命物質的物理性質。研究發現，生物分子具有鐵電、壓電、半導體、液晶態等性質，生命體系存在不同層次的電磁特性，而且，生物界普遍存在射頻通訊方式。但這些物理特性在生命活動過程中的意義和作用還在探索之中。

②生命活動的物理及物理化學過程。研究生物體內的基本粒子（電子和質子）在水溶液中的行為，生物的質子態、質子非定域化和質子隧道效應等現象。基本屬于量子生物學范疇。生物體內的小分子如甲基、酰基、水分子、金屬離子等活躍地作用于大分子之間

，不僅自身參與結構功能變化，而且引發大分子構象變化。

③生物大分子結構、構象和大分子間的相互作用。生物大分子都是由小單元聚合而成，蛋白質由20種氨基酸連接縮合而成多肽，核酸則由5種堿基、戊糖和磷酸聚合成單鏈或雙鏈

。它們都具有一定的盤曲折疊方式形成空間三維結構，并且在時間上隨著功能變化而有不同的動力學反應。

④大分子能量狀態和能量傳遞。能量是一切生命活動的原動力。大分子的能量狀態決定于分子本身的各種運動——電子運動、振動和轉動。分子在吸收能量后，由能量較低的基態轉變為能量較高的激發態，其中的一個或幾個電子由配對狀態轉變為不配對的自由基。激發態和自由基都是相對不穩定的高能狀態，因此化學活性很高，反應能力很強，如生物體內的生物氧化、酶的催化作用、光合與視覺過程等。關于能量轉移已有多種理論，如共振轉移、電子轉移、質子轉移、激子轉移、電荷遷移和絡合物形成等，但都只是假說。

⑤生物聚集態。它由幾種生物大分子形成。研究較多的是由核酸和蛋白質相互結合而形成的核小體以及由蛋白質和脂類作為主要成分的生物膜（片層結構）。核小體是含140個堿基對的DNA繞著非極性組蛋白H3與H4的顆粒轉1.7

圈的模型。生物膜是由脂雙層鑲嵌著蛋白組成液態鑲嵌模型，因此產生膜的有序性、流動性和液晶態性質。這些獨特的物理性質對于說明物質進出細胞、細胞正常周期活動和病態過程中的變化具有重要意義。

以上內容的研究都涉及到分子內原子之間以及分子之間的相互作用力，并且具有高度特異性，例如抗體與抗原的作用、藥物與受體的作用等。作用力決定大分子本身的能態、結構及其變化。作用力本身又主要取決于分子外圍的電子行為，在一定程度上也與原子核有關。

生物物理學研究離不開物理及物理化學技術的發展和應用。如近紅外顯微鏡、閃光X射線和光散射顯微鏡，各種光譜及波譜技術如二維及三維核磁共振，X射線衍射（包括低角、小角衍射），這些技術對生物物理學的發展非常關鍵。

基因技術：生物技術的核心基因是遺傳物質的最小單位。基因是生命的圖紙，它決定了生命的模樣和特征。地球上的生命千姿百態，就是因為每種生物有各自不同的基因。基因帶著生命的全部信息，控制著一切的生命活動，任何一種生物一生的生理變化，都是在基因的控制下完成的。基因是遺傳物質，讓生命一代一代傳下去，父母把自己的基因傳給孩子，所以孩子就像父母。基因是很玄妙的東西，又是很普通的東西。所有的生命都是由細胞構成的，每個細胞中都有4種最基本的東西：蛋白質、核酸、脂肪和糖類，而基因就是核酸。核酸有兩種：一種叫“脫氧核糖核酸”，簡稱DNA，另一種叫“核糖核酸”，簡稱RNA。其中，DNA是核酸的主要成分，即基因就是DNA！基因技術——打開生命奧秘的鑰匙克隆技術：無性繁殖，一座挖掘不盡的金礦克隆是一種人工誘導的無性繁殖方式。無性繁殖是指不經過雌的和雄的兩性生殖細胞的結合而由一個生物體產生后代的生殖方式。克隆的基本過程是，先將含有遺傳物質的供體細胞的核移植到去除了細胞核的卵細胞中，利用微電流刺激等使得兩者融合為一體，然后促使這一新細胞分裂繁殖，發育成胚胎，當胚胎發育到一定程度后，再將其植入到動物子宮中，使動物懷孕，這樣便可產下與提供細胞核者基因相同的動物。這一過程中如果對供體細胞進行基因改造，那么，克隆出的動物的后代基因也會發生相同的變化。中國科學家在1981年培育出第一條克隆魚——鯽魚仿生技術：為工程技術提供新的設計思路，為人類造福仿生學是模仿生物系統的原理以建造技術系統，使人造技術系統具有生物系統特征或類似特征的科學。簡單地說，仿生學就是“模仿生物的科學”。美國制AIM-9“響尾蛇”空對空導彈在仿生學領域中，軍事仿生學是發展最快的。現代化戰爭要求武器和裝備快速、準確、靈巧，而生物的眼、耳、鼻、皮膚和其它器官具有許多奇妙的特性，足以為現代化武器的研究提供啟示。根據生物器官的啟示，近20年來很多國家都發明了形形色色的仿生武器。例如，根據鷹眼的結構制造的“電光鷹眼”制導導彈、根據昆蟲的“復眼”原理制造的高分辨率和高靈敏度的“蟲眼”導彈和根據響尾蛇的紅外線“熱眼”制造的空對空導彈，這些武器已在戰爭中發揮了很大的威力。根據魚眼能轉動220°觀察身體前后兩側景物的原理，人們圖5.4.3美國制AIM-9“響尾蛇”空對空導彈發明了魚目鏡頭，將這種鏡頭安放在偵察機和人造衛星上，一次可以拍攝幾十平方公里的景物。人們從蝙蝠的“夜視術”得到啟發，發明了超聲波測距儀即“聲納”，可以用于潛艇的定位。根據鳥類皮膚的觸感機制，工程師們給飛機設計了類似的“感知皮膚”，內嵌控制雷達天線、傳感器和并行處理機等，在飛行中監視所有方面的化學及物理環境及飛行和導航狀態。在交通運輸方面，人們運用不同動物奇異的生物功能原理，制造和改善了天上、水中和陸上的各種交通工具。例如前面提到的飛機的發明，還有模仿烏賊前進方式設計的噴水船等。人們模仿海洋生物的流線型體形建造的核潛艇，可以大大提高航速；模仿金槍魚的側鰭，給輪船裝上類似側鰭的裝置以后，可大大減少轉彎時的路程和時間。仿生技術還給導航技術提供了重大的啟示。根據鳥類辨別方向的原理，人類制造出磁場羅盤和太陽光羅盤；根據蜜蜂、螞蟻等生物通過它們看到的偏振光進行導向的原理，人們又研制出了偏振光羅盤，這種導航技術即使到了南北極附近的高緯度地區，也不會因磁場的作用而失靈。人類從“生物建筑師”那里得到了許多啟示。蜘蛛噴絲的方法啟發化學工程師合成了像蛛絲蛋白和蠶絲蛋白那樣的合成纖維，制造出了我們身上穿的和工業上用的滌綸絲、尼龍絲、玻璃絲等。蜜蜂建造的蜂窩是菱形面組成的六角形結構，用料最省，得到的容積卻最大，人們把這一啟示用于制造強度高、重量輕的飛行器和建筑材料。仿生技術在農業中的應用也很廣泛，最典型的就是生物防治蟲害，也就是利用其它生物或其代謝物來防治一種害蟲。中國有著悠久的生物防治害蟲的歷史，早在公元304年左右晉代嵇含著《南方草木狀》中就記載了用蟲蟻防治柑桔害蟲的事例，明清時期的農戶通過養鴨來治蝗，同時還用來防治蟛蜞（一種螃蟹，以谷芽為食）。現代的生物防治可分為三類：利用捕食性天敵防治，比如瓢蟲、蜘蛛、蛙、食蚊魚、及許多食蟲益鳥等；利用寄生性天敵防治，比如用寄生蜂、寄生蠅防治松毛蟲、天牛等；利用微生物防治，包括真菌、細菌、病毒和能分泌抗生物質的抗生菌，如應用真菌白僵菌防治馬尾松毛蟲，利用細菌蘇云金桿菌防治多種林業害蟲，以及利用病毒防治蜀柏毒蛾等等。試管嬰兒：醫學史上的里程碑英國布里斯托爾市的女子路易絲·布朗是世界上第一個“試管嬰兒”。當她于1978年7月25日降臨人世時，曾轟動了全世界，許多人都擔心她會成為一個“科學怪物”。然而，路易絲不僅健康地長大，而且還幸福地結了婚，通過自然懷孕的方式生下一名健康的男嬰，并于2008年度過了她30歲的生日，打消了人們對試管嬰兒是否可靠，以及試管嬰兒可能沒有健康后代的疑慮。試管嬰兒的成功更清晰地揭示了人類的生殖過程，被認為是繼心臟移植成功之后醫學史的又一大奇跡，因而受到各國的重視。目前試管嬰兒技術已發展出了三代。

路易絲·布朗與她的兒子卡梅倫，左為“試管嬰兒之父”羅伯特·愛德華茲教授第八屆全國生物物理學學術會議1998.5.17-22成都(1)分子生物物理(2)膜與細胞生物物理(3)神經生物物理(4)生物信息論與生物控制論(5)理論生物物理(6)環境和輻射生物物理(7)光生物物理(8)生物力學與生物流變學(9)生物物理儀器與實驗技術(10)自由基生物學與自由基醫學第九屆全國生物物理學學術會議

2002.5.29-2002.6.2大連(1)分子生物物理(2)膜與細胞生物物理(3)神經生物物理學(4)理論生物物理(5)自由基生物物理(6)光生物物理(7)輻射和環境生物物理(8)生物力學與生物流變學(9)現代生物物理方法與技術臺灣研製成功「生物環境穿透式電子顯微鏡」，

並發現物質第五態-酯膜結構

膠囊型非電池的消化器內視鏡「NORIKAv3」

臺灣物理學研究再度出現重大突破。臺大物理系副教授趙治宇今天宣佈研發出世界第一臺能觀察活體細胞的生物環境穿透式電子顯微鏡，並藉由顯微鏡發現物質第五態─酯膜結構，推翻物理百年傳統理論，未來教科書將因此改寫。臺灣研製成功「生物環境穿透式電子顯微鏡」，

並發現物質第五態-酯膜結構

趙治宇的研究在2004年12月第二期出刊的《物理評論通訊》發表，不僅被學者評為很有機會贏得諾貝爾獎，連美國國家研究室Argonne都邀請他前往技術指導。臺大校長陳維昭表示，未來醫學院將與趙治宇合作，利用能看到活體細胞的顯微鏡，觀察水分子如何滲透入肺部卻出不來的動態，有助於肺水腫的醫療研究。甚至連AIDS、SARS病毒如何入侵細胞膜，可以藉由動態觀察產生突破性進展。趙治宇表示，生物環境穿透式電子顯微鏡不但能實際觀察水分子以滲透方式進入蠕動的細胞膜，他更發現水與細胞膜呈現動態平衡時，細胞膜自然形成酯膜結構，與傳統的固、液、氣、液晶四態明顯不同，改變物理學百年來的定論。至於何謂液晶？趙治宇說，液晶是介於液態與固態間的第四類，液晶具有柔性排列結構，不像固態分子的排列規則，也不像液態分子的雜亂無序，像精液就是液晶。若就分子間位置的相關係程度，液晶大於液體狀態，但如不像固態。趙治宇進一步表示，研究更發現水分子進