医用生物物理学

　　生物物理学是20世纪中叶以后逐渐形成，由物理学与生物学相互结合而产生的新兴边缘学科，是当代自然科学发展最迅速的部门之一。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。学科交叉是当前极富活力的领域，科学的协同作用及相互激励作用逐渐被人们所认识，生命科学与物理学的交叉更日益受到人们的关注。这是由于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。生命过程既然以简单的过程作为它的基础，则这些成就在生物学领域中必将起到巨大作用。另外，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，没有物理学的理论和技术也是不可能的。从化学的角度来研究生命过程，即主要应用化学的方法了解机体的物质组成、化学反应机制及其与外界环境的关系的学科是生物化学。从物理学的角度来研究生命过程，即主要应用物理学的方法研究生物的基本结构和性能、物理过程和物化过程的本质，以及物理因素对机体的作用等的学科就是生物物理学。生物物理学的不断发展和完善，一定会促进生命科学的发展，并可能带来新的突破。下面分三个方面对生物物理学作一个简单介绍。

　　一、生物物理学的形成与发展

　　19世纪末叶，生理学家开始用物理概念如力学、流体力学、光学、电学及热力学的知识深入到生理学领域，这样就逐渐形成一个新的分支学科，许多人认为这就是最初的生物物理学。实际上物理学与生物学的结合很早以前就已经开始。例如克尔肖(Kircher)在17世纪描述过生物发光的现象；波莱利(Borrelli)在其所著《动物的运动》一书中利用力学原理分析了血液循环和鸟的飞行问题。18世纪伽伐尼(Galvani)通过青蛙神经由于接触两种金属引起肌肉收缩，从而发现了生物电现象。19世纪，梅那(Mayer)通过热、功和生理过程关系的研究建立了能量守恒定律。特别是本世纪40年代初，著名的量子物理学家薛定愕(Schr6dinger)专门作了“生命是什么”的报告中提出的几个观点，如负嫡与生命现象的有序性、遗传物质的分子基础，生命现象与量子论的协调性等，以后陆续都被证明是极有预见性的观点，而且均得到证实。这有力地说明了近代物理学在推动生命科学发展中的作用。

　　近代生物物理学的形成与发展始于本世纪50年代，物理学在各方面取得重大成就之后。X射线衍射晶体分析对核酸与蛋白质的空间结构的研究开创了分子生物学的新纪元，将生命科学的许多分支都推进到分子水平，同时也把这些成就逐步扩大到细胞、组织、器官等，成为微观生物物理学发展的一条主干。除此以外，应用生物信息论与控制论、非平衡态热力学、非线性与复杂性等的研究从宏观角度对生命现象进行了探讨，成为宏观生物物理学发展的基础。这两方面的结合使生物物理学以崭新的面貌出现在自然科学，特别是生命科学的行列之中，成为一门需要较多数学与物理基础，研究生命问题的独立发展的边缘学科。

　　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，我国已于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大的力量致力于这门学科的研究工作。我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。目前从事本专业工作的单位有几十个，其中医学院校占1/3以上。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。

　　二、生物物理学的主要内容

　　生物物理学研究的内容十分广泛，一般分为量子生物物理、分子生物物理、细胞生物物理和复杂体系的生物物理等几部分；涉及的问题则几乎包括生物学的所有基本问题。由于生物物理学是一门正在成长着的边缘学科，其具体内容和发展方向也在不断变化和完善，它和一些关系特别密切的学科（生化、生理等）的界限也不是很明确。这里只对生物物理的主要内容做些简要介绍。

　　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：①晶体结构的研究；②溶液中生物分子构象的研究；③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。

　　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。主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。

　　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：①离子通道；②感受器生物物理；③神经递质及其受体；④神经通路和神经回路研究；⑤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。

　　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。

　　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。

　　6．光生物物理 光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：①光合作用；②视觉；③嗜盐菌的光能转换；④植物光形态建成：⑤光动力学作用，③生物发光与化学发光。

　　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：①自由基；②电离辐射的生物物理研究；③生物磁学与生物电磁学。

　　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：①生物流体力学；②生物固体力学；③其它生物力学问题；④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结合，所以发展特别迅速。

　　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。

　　三、生物物理学与医学的关系

　　医学着重研究人在正常与疾病条件下的各种规律，属生命科学范畴。科学技术不发达的时代，人们只能从现象上定性地了解什么是正常，什么是疾病，而且主要依靠实践经验的积累来解决疾病的诊断、治疗与预防问题。近代生物学的发展，特别是生物化学与生物物理学的应用，必将更深入地触及现象的本质，发生疾病的机制问题，从而在寻找消灭和预防疾病的途径中起到重要作用，这也是科学发展的必然结果。下面从三个方面加以说明。

　　1．基础医学问题的研究 因对许多疾病的发生机制不清楚，故很难做出正确的诊断和采取有效的治疗措施，肿瘤就是一个突出的例子。近年来，生物物理学已在这方面做了不少工作。现已知，细胞及其质膜在癌变过程中表现出明显的变化，如表面电荷改变，膜流动性增大，细胞内水状态的改变等。在研究这些问题时，广泛应用了荧光分析、核磁共振及细胞电泳等技术。由于对核酸和蛋白质等大分子的晶体结构及溶液构象的研究，可以了解蛋白质变性，酶的催化作用及核酸构象变化和突变产生的机制等细节。从射线产生自由基及其具有顺磁性和近年来对活性氧的研究得到许多病理过程，包括辐射损伤、衰老、毒物作用及心血管疾病中的一些环节等，都和自由基有关。所谓自由基病理学就是在这一基础上发展起来的。由于量子生物学的发展，对一些简单分子，特别是致癌化合物电子结构的研究，也对阐明某些物质为什么具有致癌活性的规律提供了证据；为某些药物的疗效和结构的关系提供了说明，这就有可能为提高药效开辟途径。这样的例子还可以举出很多。

　　2．临床实践中的应用 基础学科的发展必然会在临床实践中得到反映。生物物理学对疾病的诊断、治疗和预防上都日益显示了作用。血液流变学指标的测量对诊断红细胞增多症、慢性白血病、急性心肌梗死与冠状动脉栓塞症、糖尿病等，都有明显的价值。1973年后开始出现的磁共振成像(MRI)，特点是能区分软组织，且基本对人体无损伤，许多方面优于X射线断层成像(X-CT)，已在诊断脑内及内脏疾病上得到应用。血卟琳的抗癌作用受到重视，主要利用其作为光能的吸收者，在光照和有氧条件下起能量传递作用，而达到治疗目的，被称为光敏氧化或光动力学作用。治疗方面引人注意的另一个例子是利用人工膜载带药物并定向引导到疾病部位，达到治疗目的。用来携带药物的人工膜由类脂组成，称为脂质体，由脂类在水相中振荡生成。若事先在水相中溶有所需药物或酶，则在形成的脂质体中即含有这类药物。输入机体后，可通过各种途径到达病变部位。目前除用脂质体载药外，还用其载酶或载带基因，俗称人体导弹。载酶可克服电脑屏障，治疗由于缺乏某种酶而引起的神经节苷脂贮积症；载入基因可对细胞进行改造。可以预期，这类应用将会愈来愈多。

　　3．在未来医学发展中的作用 医学科学的现代化还刚刚开始，就要到来的21世纪医学一定会得到更大的发展。下一世纪我们将面临严重的环境污染，“不治之症”对人类的折磨，人口的爆炸性增长等问题。要解决这些问题，除利用现有的科技手段外，还必须寻找新手段，这就要向生命本身学习。实际上，有机体特别是人体本身具有各种极其精巧的、高效率的功能，包括物质与能量转换，信息处理，比起现有科学技术它所能达到的程度远为完善和可靠，若能把生物对象本身所具备的各种功能彻底搞清，即可充分利用，用人工的办法实现。为达此目的，研究生命的基本过程就成为关键的步骤。在这一过程中，生物物理学将越来越多地发挥作用，且将越来越多被所有生命科学领域中的科学工作者所重视，以便共同协作，为未来医学发展作出贡献。

　　从以上三方面可以看出，生物物理学和医学无论在机制、诊断与治疗方面都有很密切的关系。从国际、国内趋势来看，在生物物理学的实际应用方面，医学是一个最受重视的部门。近代医学的发展，越来越多地依赖生物物理学的发展，近代诊断与治疗的先进技术的应用，也近切要求医务工作者具备更多的生物物理知识，掌握更多的生物物理技术。