生物物理学的几个热点领域

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1、生物物理学的几个热点领域黄耀江陈润生(中国科学院生物物理研究所分子生物学研究中心北京100101)摘要：物理学与生物科学的交叉由来已久，这不仅解决了自然界许多重大的理论问题，并且在高层次上开辟了新的技术领域，如生物信息学、纳米生物学和脑与认知科学等.文章对当今生物物理学的这几个热点领域进行了介绍.关键词：生物物理学，生物信息学，纳米生物学，脑与认知科学HOTFIELDSINTHEBIOPHYSICS(CederofMolecoforBiology,InstiruteofBioPhysics,ChineseAcdemyofScicnsesBeding100101,China)Abstract：P

2、hysicsandbiologyhavealonghistoryofinteraction,whichnotonlysolvedmanytheoreticalquestionsinnature,butalsoopenedupnewfieldsoftechnology,suchasbioinformatics,nanobiologyandcognitivescience.Anoverviewisgivenofthesehottopicsinbiophysics.Keywords：biophysics,bioinformatics,nanobiology,cognitivescienee1引言物理

3、科学和生命科学的相互作用由來已久，历史上儿乎是同时诞生了电学(C.A.deCoulomb,1785)与电生理学(L.Galvani»1791),在库仑(Conlomb)创立电学不久,伽伐尼(Galvani)通过青蛙神经接触两种金属引起肌肉收缩这一著名实验，揭示了生物电现象.生物学为物理学启示了能量守恒定律(见：郝柏林，刘寄星.理论物理与生物科学.上海：上海科学技术出版社，1997),物理学中的理论、模型.方法和计算能力，在生物系统中得到广泛的应用.首先，在生物学的研究中，物理学方法总是不可缺少的，物理学为生物科学提供了现代化的实验手段和技术，从显微镜、X射线、示踪原子、中子衍射、核磁共振、同步

4、辐射到扫描隧道显微镜等各种现代化的实验手段；同时，物理学为生命科学提供了重要的理论概念、原理和方法，物理学处理宏观体系的理论(如热力学、统计力学、耗散结构理论、信息论等)，使人们可以从系统的宏观角度研究生物体系的物质.能量和信息转换的关系；物理学的微观理论(如原子分子物理、量子力学、粒子物理等)，使人们可以从微观角度研究生物大分子和分子聚集体(膜、细胞、组织等)的结构；运动与动能.非线性理论.混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导，并预示了新的更伟大的科学革命的到来.特别是，当前基础生物科学飞速发展提出的新挑战更激励了物理学的新应用，现在物理方法己经能够在分子水平和分子体系的多体水平两个层次上

5、研究基本生物科学所特有的高度复杂性了.近代生命科学与物理学相互融合，不仅解决了自然界许多重大的理论问题，并且在高层次上开辟了新的技术领域.正是运用了物理学研究的成就一一X射线衍射技术，阐明了遗传物质DNA的双股螺旋三维空间结构，成为生命科学发展中的里程碑.从此，现代生物学成为更加精密的科学，也导致了分子生物学的诞生.现代生物实验科学经过了50多年的自我发展，暴露出了越来越大的局限性，提出了越来越多的需求，又到了一个多学科交叉的新阶段.例如，随着基因组研究的深入发展，DNA和蛋白质数据近年来爆炸式的增加，为了分析和解释这些数据，一门新兴学科一一生物信息学(bioinfornwis)就产生了；乂比

6、如随着现代生命科学逐渐进人介观水平,它必然强烈地依赖于能实现纳米操作的物理学方法和仪器(如近场光学显微镜、原子力显微镜和光钳等)，这样,另一门新的学科一一纳米生物学就出现了.本文将就生物物理学的儿个热点领域作一简单介绍.2生物信息学对世纪是生命科学的时代，也是信息时代.随着人类基因组计划(HG)的实施，有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数增长，面对巨大而复杂的数据，运用计算机进行数据管理、控制误差、加速分析过程势在必行,生物信息学(bioinformatics)逐渐兴起并蓬勃发展.广义地说，生物信息学从事对生物信息的获取伽工、储存、分配、分析和释读；并综合运用数学、物理学.计算机科学和生物学

7、工具，以达到理解数据中的生物学含义的FI标.它是当今生命科学的重大前沿领域Z—・其研究重点既包括基因组的序列和结构，也包括基因组的功能.生物信息学作为一门新的学科领域，它是把基因组DNA序列信息分析作为源头，破译隐藏在DNA序列中的遗传语言，找到代表蛋白质和RNA基因的编码区，特别是阐明非编码区的实质；同时在发现了新基因信息之后进行蛋白质空I'可结构模拟和预测；然后依据特定蛋白质的功能进行必要的药