生物物理学

用物理学的理论和方法研究生命现象的学科
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生物物理学（biophysics[1]），是用物理学的理论和方法研究生物学问题，并研究生命现象中物理学规律的交叉学科。[1]生物物理学一词最初是由卡尔·皮尔逊（英语：Karl Pearson）在1892年引入的。[8]17世纪，德国科学家基歇尔（A.Kircher）对生物发光的研究，是最古老的生物物理学探索课题。此后，随着大量生理学家对细胞、组织等的研究以及生物物理学技术的发展与应用。多种开拓性研究成果促使传统生物学从纯描述性阶段进入到定量的、阐释本质的发展阶段，生物物理学也便作为一门新的独立的交叉学科应运而生。[9]
生物物理学研究对象是细胞、器官、植物、动物及人体。[10]主要研究内容包括分子生物物理、理论生物物理、生命系统中的生物物理、外界物理因素对机体的影响以及生物物理的仪器技术。[11]生物物理学的发展对生命科学从定性向定量、从描述现象到形成具有数学和物理基础理论依据的精确科学的发展具有重大意义。它促进了生命科学各分支学科之间的交叉与融合，如：分子生物学、物理力学、生理学、系统生物学等，为阐明生命现象的本质和规律提供了更深入的理论和方法。[12]生物物理学也在医学、药学、农业等方面广泛应用。[7][13][14]

发展简史

17世纪，德国科学家基歇尔（A.Kircher）对生物发光的研究，是最古老的生物物理学探索课题。18~19世纪，意大利科学家路易吉·伽伐尼（L.Galvani）和伏打（A.Volta）、德国生理学家杜布瓦-雷蒙（E.H.du Bois-Reymond）等的观察和实验，已经认识到活组织可以产生电流并导致肌肉收缩。1834年，恩斯特·海因里希·韦伯（Ernst Heinrich Weber）在《论触觉的精确性》和《触觉与通感》两本书中探索了皮肤的神经系统如何导致对空间的感知，人类如何通过肌肉、神经和皮肤来感知重量和温度的差别[15]。1847年，赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）发布了关于能量守恒的论文，该论文是在他的医学研究和哲学背景背景下写成的。在研究肌肉新陈代谢的过程中，他开始研究能量守恒，试图证明肌肉运动时不会损失能量[16]。1848年，杜布瓦雷蒙（Du Bois-Reymond）研究了肌肉神经，并发现了静息电位和动作电位。伯恩斯坦（Bernstein）测定了动作电位的传导速度等[17]美国科学家卡顿（R.Caton）又发现脑中存在微弱电流，从而认识到，可以从生物电流的物理特性入手了解生理功能。凡此种种的研究活动，均属于生物物理学的范畴。[9]。
生物物理学能够发展成为一门新的独立学科，更主要的则是得益于生物物理学技术的发展与应用。19世纪末，德国物理学家伦琴（Wilhelm Röntgen）发现了X射线，之后英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.Bragg）在德国物理学家劳（M.Laue）发现X射线通过晶体产生衍射的基础上，进行了一系列实验，提出X射线衍射定律（布拉格公式），由此诞生了X射线晶体衍射分析技术。这一典型的物理学技术逐渐被应用于精确研究生物大分子的三维结构，英国科学家佩鲁茨（M.F.Perutz）和肯德鲁（J.C.Kendrew）解析出血红蛋白和肌红蛋白的分子结构。1926年，威廉·T·波维（William T. Bovie）和外科医生哈维库欣（Harvey Cushing）共同研制出了第一台高频电刀器械，大力推动了电外科手术的发展。[18]美国遗传学家沃森（J.D.Watson）和英国物理学家克里克（F.H.Crick）在英国剑桥大学合作，于1953年4月25日发表《自然》杂志（Nature），展示了他们的研究结果——DNA双螺旋结构的分子模型。依据英国晶体衍射学家威尔金斯（M.Wilkins）和富兰克林（R.Franklin）的DNAX射线衍射资料，以及当时其他科学家对DNA中碱基含量的测定结果、氢键连接的碱基中嘌呤有吸引嘧啶的趋势等资料和信息，沃森与克里克进行了分析与综合，提出了生命遗传物质DNA分子的双螺旋结构模型，成为20世纪自然科学的一项重大突破。[9]