生物科学中的一门新兴学科——生物物理学 [复制链接]

第5版()
专栏：

生物科学中的一门新兴学科——生物物理学
沈淑敏
生物科学中的物理概念是很久以来就存在的。例如：生物现象通过物理放大而得到了解——通过显微镜的放大，了解生物的组成单位细胞；有机体的某些行为也是借物理学的基本规律来解释的，如血液循环按流体动力学的某些规律进行。但是生物结构和现象的复杂，又给人造成一种印象，似乎生命是非物理或超物理的。生物固然有它本身特殊的运动规律，但是从生物的组成来看，同样也是自然界的物质，因此就必然有着与其他物质一样的“物”的基本运动规律，这就使我们可以用物理学上的观点来研究生物。近年来，由于物理技术在生物学中应用愈来愈广，生物学家对物理学的兴趣也愈来愈浓厚，生物学和物理学的联系日益密切，现代生物物理学就这样诞生了。生物物理学，用一句最简单的话来表达，那就是以一个工程物理学家的概念来描述活的有机体。但是，生物毕竟不是一般工程物理学的对象，因此又不完全与一般工程物理的概念相同。同时各种生物都具有非生物所没有的共同特征，这些特征是：生物必须与环境相统一，整体必须与部分相协调，结构必须与功能相辅相承，微观必须与宏观相协调，个体必须与系统相依存。生物的这些特征都是通过新陈代谢——与外界进行物质和能量的交换来继续的。通过代谢，生物能自我更新和自我繁殖。生物物理学就是运用物理学的概念和方法来认识这些特征的本质，揭露其运动规律和发展规律。
此外，有机体作为一个系统，是一个最完整的控制系统，能够对体内或体外的信息传递、储存和加工。同时作为一个自我调节和控制系统，它不仅可以变异和适应，还可以自我复制和自我繁殖。所有这些都是远远超过目前科学技术上最先进的自动化机器的。理解有机体系统为什么能这样，也就是理解生命的世界，这就是生物物理学的任务。
生物物理学在生物科学发展中所起的作用
几个世纪以来，生物学领域中的若干重大问题一直吸引着人们的注意，例如光合作用问题，生物的体内稳态问题，生命活动的有序性问题，生物的复制过程（如一棵向日葵如何由种子发育成长而又繁殖种子，它的物理过程）等等。这些现象的本质一直到现在还不了解。生物物理学就有责任以它独特的仪器和技术，从研究物质的通性入手，对这些生命科学中的问题，提供新的研究方法，并且给予定量的概念。
任何一个生命现象或生物反应，它的最原初的过程总是一个物理过程。生物体的组成部分也和其他物质一样是由分子原子组成的。而原子又是由带正电荷的核与围绕它的电子层所组成。任何一个生命反应或生命现象，不论它是宏观的或是微观的，最原初的物理过程总是发生在原子核外的电子层。例如原子弹爆炸之后，裂变产物作用于有机体，首先发生两种可能情况，那就是或者把机体内重要生物分子中原子的壳层电子打出轨道，由打出的自由电子进一步起作用；或者把壳层电子打到深一层的轨道上去。无论是打出去或打进来，都引起本来平衡状态的不平衡，首先是能量的不平衡。由这些原初的变化，进一步导致化学反应、生化变化、生理变化以及相适应的形态变化，最后发展成有机体的损伤。所以生物物理学研究任何生命现象，是研究最原初的物理过程，这也就是做打开门户的工作。
另一方面，控制论的诞生，促进生物物理学在阐明生命现象中的基本规律方面应用了以调节和控制出发的黑箱研究方法。它为研究生命现象提出了一个新的观点，跟过去经典的分析研究方法不同，不是从局部分析开始，研究它的组成部分的特性和相互关系，然后再综合起来；而是从信息变换角度研究整个动力系统在不同的条件下的行为，也就是从分析动力系统的刺激反应着手，来研究整个系统的动力学性质，并且可以用数学方程加以描述和模拟。例如有人利用同位素示踪法研究钾离子在红血球中代谢情况，他们把红血球作为黑箱，看带标记的钾离子怎样进入红血球又从红血球出来，测出了钾离子在红血球中的代谢有三个组成。虽然这三个组成究竟是三次化学反应，还是与同一分子的不同部位相作用等等，还不得而知，但三个组成间的传递率却可以通过模拟方法来求得。此外，也有就器官及整体关系求动力学方程的。所以说，生物物理学在生物科学的发展中提供了新的方法和给予定量的概念。
生物物理学与现代自然科学发展的关系
人们掌握物理世界的知识比较多，这是因为物理世界一般较能孤立地处理问题，实验研究也不那么复杂。但是在生命世界里要在环境中孤立一个研究对象，并且作出适当的测量，就要复杂和困难得多。因为它要牵涉到大量的变量，并且这些变量之间是如此地组织在一起，以致今天数学中的概率论和统计学并不能完全用上。一张桌子，用多少外力可以推动它，是完全能够估计的。只要知道这桌子的重量大小、地的摩擦力等，所加外力的大小，决定了桌子位移的远近。而同样的外力加在活的有机体身上，就会有各种各样估计不到的结果。
早期科学发展中受到有机体启发而发展成一个学科的事例并不罕见，例如受到鸟飞行的启发而出现的航空学，受到家鸽回家的能力的启示而发展的航海学等。也就是说，生活原型的伺服控制功能对技术科学的发展作出了贡献。人这一生活原型是最复杂的，人的感应和辨认能力，总体性质和各部秩序的严密性，自我组织和自我适应的能力、学习能力以及精确而灵敏的信息转换过程，是目前任何先进技术所无法比拟的，而且是到任何时候也无法超过的。人是一切最先进最精密机器的模板。
利用生物体本身作为工程技术控制系统的一个部件，也开始见之于报道。例如某种植物对酸碱度的恒定性特强，有一点点改变就会引起相应的反应。利用这种植物对酸碱度惊人的敏感性，作为某种自动调节和控制系统中的酸碱度的调节元件，是完全有可能的。像这样的有机体感觉器官的高度敏感性还比较普遍，如狗的嗅觉，鹰的视觉，蝙蝠的回声定位等等。如果能够了解其所以然，就有可能进行模拟。
我们知道，牛顿提出微积分学概念是由于当时的数学满足不了物理学上的需要，而今天生物物理学上的许多问题，例如不可逆过程热力学，非线性问题等，都不是目前数学或物理学所能完满解决的。因此，生物物理学的发展无疑也会促使其他学科的迅速发展。
这是从理论上看生物物理学的发展与其他学科的关系。
从实践方面来看，生物物理学无论在农业实践或医学实践中都有无限广阔的前景。
在农业实践中，首先，应用生物统计学的方法来制订农业规划，分析农业上调查研究的资料，使之精确而定量，从而再在实践中起指导作用，是当前迫切任务之一。
其次，利用生物物理学的仪器和技术来分析测定和总结农民的先进生产技术经验，并将它提高到一定的理论水平，是一项急待进行的工作。例如利用生物电子学就可以提供各种各样的灵敏而准确的测量方法。利用幅度、频率和相位差三个参量变化的各种测试技术，可以精确地测定有关影响农作物生长的一些变量，如温度、光强、湿度、酸碱度等。
第三，利用物理因素来处理农作物种子，使之产生定向变异，获得优良品种。曾经有人利用高频电场处理家蚕卵，产生多倍体蚕而获得特大蚕茧。有人建议谷物通过大型波导管用微波能量来进行干燥。此外如利用辐射来处理粮食储藏、消灭虫害及防止发芽等，则早已在应用中了。
第四，在生物物理学领域里目前引人兴趣的一个问题，是生物界的周期现象或节律现象，也就是所谓生物钟。在我国早就有利用公鸡报晓的先例。生物的时间感觉是有惊人的敏感性的。蚋在日落时萦绕在行人的头顶，青蛙在黑暗来临时鸣叫，而蝉则在烈日当头时长啸，这些现象对我们来说都很熟悉。本来整个宇宙从最小的电子到最大的银河，都处于有序的运动状态。人的活动以二十四小时周期性出现，在微观世界里的各种活动同样是重复地出现周期性变化。我们对自己体内各种有序的生理活动如血液循环（心率）、呼吸等等，没有注意它们的节律性，实际上所有这些都是受着环境因素的影响的。这些环境因素包括宇宙线、地磁线、气压、光照、温度、湿度等。在实验条件下可以打乱原来的节律。如果能够了解生物的节律，就有可能人为地控制植物生长的节律，加速植物的生长过程，在人们需要的季节开花结果。
最后，生物物理学无论在理论上或仪器技术的进展上，对农业的现代化都可以很好地发挥它的作用。
在医学实践中，生物物理学也同样发挥了它的作用。首先，物理治疗目前的发展已经相当快。比如利用辐射治疗肿瘤，利用同位素治疗和进行肿瘤定位，利用超声波和微波的热疗等等。随着这些物理因素的生物效应及其机理的不断揭露，随着技术的不断改进，物理治疗将发挥越来越大的作用。第二，人工器官伺服机构的设计和运用，有着不可估量的前途。例如国外设计的机械手，就是求出手腕上肌动电流和肌肉收缩间的转换函数作成的。只要利用手腕上的肌动电流作为机械手的输入信号，就可以使机械手作出与真手同样的动作，包括可以写字。我们都知道，有许多人的死亡只是由于某一个器官的功能停止，如果更好地利用黑箱理论把各个脏器的输入输出信号求得一定数学公式，通过数学模拟，就可能设计伺服机构来代替原来的脏器进行工作，而避免死亡。第三，在医学实践中也可以利用模拟机来诊断疾病。有人研究了胸扩张和心率间的关系，写出了转换函数，并且成功地用电子模拟机模拟了胸扩张和心率间的关系，利用这模拟机来诊断心律不正常的疾病。
总之，生物物理学的发展将对生物学、物理学、数学和工程技术等学科起深远的影响，在生产实践中也将起重大的作用。
生物物理学的研究内容
生物物理学由于还是一门十分年轻的学科，所以它研究的内容还不是很定型的。这里仅根据现有的资料，把它分为下列若干部分：
1、生物力学。物质的组成和物质的结构（包括生物在内）是怎样发生的呢？这就要研究力的作用问题。生物机体内结构的力学问题，从骨胳的力学性质可以看出。管状骨的主要作用是负荷重量。由于骨胳是通过二端传递压强的，为了保证二端所承受压强与骨干一样，长骨的二端就较中间肥大。骨胳的精细结构，也表明它符合于以最少数骨质材料得到最大的坚韧度。从微观上来看，生物体内的重要分子，如蛋白质核酸等，分子内和分子间存在力的作用，是十分清楚的。
有哪些外力在对生物起作用？这些力对生物的影响怎样？从力的角度来看，生物有两个性质：（一）对抗加速度，（二）受地心重力的影响。前者称为惯性，后者为重力。惯性和重力是一件事的两种表现，并且受空间位置的支配。生物生长的体积，决定于重力作用的程度。
生物力学就是研究生物体内力的问题，以及外界力的作用对生物机体的影响。
2、声生物学。声波是机械振荡。研究声波及超声波对机体的生物效应及其作用规律，是声生物学的重要研究课题。一般声波对机体影响研究曾报道过，例如定期播送音乐，可以使乳牛提高产奶量（这可能是由于乐音能引起大脑皮层适度的兴奋所致）。超声波不仅有杀伤和消毒作用，还能引起乳化、空化和凝聚作用的特性，在农业实践中也有一定的应用价值。国外曾报道过用超声波处理过的豌豆、马铃薯、豆科植物及油料作物的种子可以看到发育加快，也就是说小剂量超声波对于植物有良好作用的可能性。此外，利用生物体内各种成分对超声波具有不同吸收系数、反射系数等，来测定生物体内各种生理活动并探索它的结构和组织（如利用超声波探伤，确定结石及其部位等），从而可以利用超声波诊断疾病。所有这些首先要了解什么是适当的超声波剂量、频率、功率，处理方法以及相应的生物效应，然后才能很好地加以利用。
许多生物的发声，都是由身体的某一部分器官的特殊振动形成。有人详细地研究了蟋蟀的歌唱，发现它可以有好几种频率的音节。它的发声器由不同的元件组成，但像蟋蟀这样的发声装置还远没有脊椎动物复杂（脊椎动物除声带之外，还有鼻腔口腔及胸腔等共鸣器）。研究各种动物发声器的组成和机理并进行比较，将有助于声生物学的发展。
3、生物的热和温度。热和温度是由动能在分子运动的基础上表现出来的。生物体的总热量是由分子内和分子间的转动能、振动能和平移动能构成，但是对温度来说，它只代表平移动能的平均值，因此我们说在绝对零度时意味着所有分子都处于静止状态，不存在平移动能了。在宇宙中理论上可能存在的温度范围约为摄氏三十亿度到绝对零度（即摄氏零下二百七十三度），但是其中地球上的生物可以生存的温度范围却十分狭窄。绝大多数生物只能在零度到四十度之间活动。虽然也有些生物能超越这个界限而生存，例如有些生长在温泉的鱼类，可以在五十二度水中游泳自如，但这毕竟是少数。生命力最强的哺乳动物如刺蝟，它虽然可以耐受几个月的饥饿，但是如果把它放入金属容器内在阳光下三十至四十分钟就会死亡。外界温度对机体新陈代谢的影响很大，在很大程度上影响生物的生长发育和繁殖，甚至遗传变异与温度的关系也非常密切，所以研究温度与生物的关系是生物物理学的一个重要内容。研究生物对高温和低温的耐受程度以及如何提高它们的耐受性，是具有理论和实际意义的。
在理论上探讨生物与能量的关系以及生物与热的关系，近年来发展了生物热力学。生物体是一个开放系统，经常同外界进行着物质交换与能量交换。生物热力学的研究内容包括生命过程中有关能量转换的各方面。阐明这些方面的问题有助于了解生命现象的本质。
4、电生物学。生物电活动是自然界一种普遍现象。哪里有生命，哪里就有电现象、电变化。机体内许多重要的生理过程都伴有电变化，生理机能发生改变时，往往有相应的电变化。由于活组织所产生的电动势很小，而组织的内阻又很高，所以电流强度很弱，但是变化的频率却很快，因此要求测量仪器的灵敏度就必须很高。电生物学也研究各种电磁波对生物的影响。关于磁场的生物效应，近年来研究得比较多。
5、光生物学。光是有机体外界环境中的一个重要因素。适当强度的光照射对有机体是必需的。但是光能如何被机体接受，最初接受时所产生的变化是什么，吸收的光能如何传递与转换，这一系列问题就是光生物学的研究对象。光生物学的任务就是阐明有机体内光能的吸收传递、转换、利用和效应问题。
有机体生存的世界中，光是唯一到处都有的一种能量来源。目前对光合作用的研究课题中有：光能吸收及其与作用光谱的关系，光反应与暗反应的特点，光能利用的效率——量子产额问题，被吸收光能在有机体的传递以及光能吸收后反映在生物体内重要物质的细微结构变化，叶绿体的半导体性质等等。这一系列重要问题的解决，将不仅可以阐明植物如何利用光能合成一切生物所必需的食物的机制，并且可以为人工合成食物提供依据。
6、放射生物学。在现代生物物理学领域里，放射生物学具有一个较大的比重。这显然是由于和平利用原子能事业的迅速发展，接触核辐射的人将愈来愈多；同时核武器试验所带来的放射性，在自然界的空气、水、土壤中引起污染，对生物产生一定影响。因此，电离辐射对机体的效应以及如何防护的研究工作就提到日程上来了。
7、宇宙生物学。人的一切生理活动都是在地球这个特定的条件下进行的。飞出地球，远离大气层，对人体（和其他生物体）有什么影响，以及在飞出和返回的过程中的加速度作用问题等等，都是需要研究的课题。
8、理论生物物理学。属于这个领域的有生物控制论、生物信息论和量子生物学。前面我们已经提到一切生物都是有组织、有秩序地受控制的系统。研究生物控制是阐明生命过程的一系列本质问题。有了信息传递才能发生控制现象。研究生物的信息问题，必须先了解关于生物信息的一些基本问题如生物信息的性质，信息的编码，信息的数量、容量等等。目前有机体内蛋白质合成，遗传过程等等的信息传递问题，都已经被提到研究的日程上来了。量子生物学是研究生物机体内所发生的电子、质子等基本粒子在分子和分子聚合体中运动状态的变化，这些基本粒子的运动是遵守量子力学的规律的，阐明这些粒子在机体内的运动规律是阐明生命活动过程的本质问题。
9、生物物理学的仪器和技术。生物物理学得以迅速成长是与现代物理学新技术的不断发展分不开的。但是那些物理的技术和仪器所研究的对象是一般物理和化学物质，跟研究生物材料——活材料是不同的。因此，必须进一步提高和改进现有技术，并且设计出更符合于研究生物材料的仪器和技术来。
生物物理学的发展，将使生物科学迅速地利用现代物理学的新成就武装自己成为精确和定量的现代科学之一。如果说现代物理学阐明自然界的运动规律还有不足，即物理学对自然界中最高级的运动规律——生命过程的运动规律还未能阐明的话，那么这个任务就应该由生物物理学来承担。如果说现阶段生物物理学重要研究内容之一是利用工程技术方面的原理来研究生命活动，那么不难设想，若干年后将是生命活动过程中高度精确而灵敏的自动控制和调节过程的研究成果反过来大大促进工程技术的发展。