大学物理素材-前沿浏览-生命科学与物理

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1、99第四章生命科学中的物理问题第四章生命科学中的物理问题§4-1生命科学与物理学一近代生命科学的发展生命是一种极其复杂的运动形式。即使是像细菌这样最简单的生物，也都具有高度有序和复杂的结构。至今，有科学记载的生物已有170多万种，最保守的估计全球也有500~1000万种生物。生物的功能，则更是多姿多彩的。生命科学的研究对象就是这些形形色色的生物体及其复杂的生命活动的规律。多少世纪以来，生命科学研究的主体一直是观察和认识生命世界的多样性。20世纪数理科学广泛而深刻地渗入生命科学的结果，全面地改变了生命科学的面貌生命科学发展最明显的特点是生物学正改

2、变着自己以描述性为主的面貌，逐步发展成为一门实验性和分析性的学科。，开辟了在分子水平上研究生命现象的新学科¾¾分子生物学。分子生物学的兴起首先建立在对组成生物体的基本物质¾¾蛋白质和核酸的认识上。50年代，DNA双螺旋结构的确定和用X射线衍射方法对蛋白质晶体空间结构的测定，使生物学研究进入分子水平，奠定了分子生物学的基础。分子生物学的研究涉及了生命现象最核心最本质的内容，使生命科学得以从本质上去探讨生命活动的规律，并把各个层次的生命活动有机地联系了起来，从而在新的高度上揭示出生命的奥秘。分子生物学的发展揭示了生命本质的高度一致性，这是人类认识自

3、然和认识自己的极大飞跃。分子生物学渗入生命科学每一分支的结果，全面推动了生命科学的发展。作为生命基本单位的细胞以及作为生命活动最高形式的神经活动，是现代生物学研究最活跃的领域。今天，细胞生物学和神经生物学由于采用了分子生物学的新思想和新手段而获得了新的生命力，与分子生物学一起已发展成为当代生命科学领域中的三大热点。即使是最古老的生物分类学和进化论，也因分享了分子生物学的成果而焕发了青春。人们发现，不同生物体中担负相同功能的蛋白质和核酸在序列上的相似性，99第四章生命科学中的物理问题与它们在亲缘关系上的远近有直接的联系。由于生物体适应环境的能力及

4、其形态和生理受它们所生活的环境影响很大，而蛋白质和核酸序列则反映了不同生物体进化演变中更为根本的性质，较少受环境影响，因此更为可靠。有人预言，21世纪将是统一生物学的世纪，并将形成崭新的生命观。1973年科恩(S.N.Cohen)和博耶(H.Boyer)重组DNA获得成功，打破了传统的种间遗传物质不能交换的重重壁垒，开创了基因工程或遗传工程。以此为基础，生物技术作为前途远大的高技术产业在世界范围兴起，生物工程逐渐发展成为现代化的大工业。与此同时，它还极大地推动了医学和农业应用科学的发展，在这些领域中正展示出广阔的应用前景。二生命科学与物理学的交

5、叉物理学研究物质结构和运动的普遍规律，这些规律可以由少量关键实验证实。物理理论从数学框架到实验检验两方面受到严格的制约。观测与理论的矛盾，通常表明理论还不够普遍，预示着理论的突破，而新的理论总是把旧理论的正确部分作为特例包含在内。在当前的认识水平上，物理定律被认为是放之宇宙而皆准的，适用于它的过去和未来。然而，生命科学研究的对象却极为特殊，迄今还没有发现任何其他天体上有类似地球上的生命现象。就宇宙尺度而言，这个研究对象只存在于有限的历史时期和微乎其微的地球“生物圈”的有限空间里，存在于狭窄的温度范围内。为这种特殊现象建立理论是更困难的，但其内容

6、却可能极其丰富。而且，生命科学的理论和规律往往有例外，它们既不能简单地还原成物理法则，也不会违反基本的物理规律。生命是复杂的综合过程，一方面只有阐明了生命过程中的物理和化学规律，才能揭示生命的本质；另一方面生命系统的整体属性还与其组成部分在系统中的特定地位和相互关系，即与生物体的有序结构密切相关，因此还必须把生物体当作一个整体来研究。今天，生命科学家的任务是运用人类所有的对自然的知识，运用人类已经掌握的全部技术，来研究生命活动。科学作为整体会极大地超过它的各部分之和。新的科学学科正在从物理学与数学、化学、生命科学、地学和材料科学的交叉中产生。物

7、理学已用其全新的方式对这些学科作出贡献，反过来又从这些学科的发展中获益。生命科学中的物理学或生物物理学的内容，包含着在物理学与生命科学交界上的物理学的应用以及物理学的基本课题。有时人们还把生命科学中的物理学与传统的生物物理学区分开来，这是为了强调后者是用物理学手段所揭示的生物学，而前者是突出生命科学研究所产生的和将要产生的物理学。物理科学和生命科学的相互作用由来已久，历史上几乎是同时诞生了电学(C.A.deCoulomb,1785)与电生理学(L.Galvani,1791)99第四章生命科学中的物理问题。生物学为物理学启示了能量守恒定律，而物理

8、学在推动近代生命科学发展中的贡献主要在两个方面，一是为生命科学的研究提供了从显微镜﹑X射线﹑示踪原子﹑中子衍射﹑核磁共振﹑同步辐射和扫描隧道显微镜等各