x9第九讲生物物理学

1、1公共选修课公共选修课现代物理概论现代物理概论 第九讲生物物理学 3物理與生命系統間的思考物理與生命系統間的思考4心血管5心血管系統像亞瑪遜河?6心血管像河流般流動 如果以動量為傳輸之原動力，則血管之分如果以動量為傳輸之原動力，則血管之分支不宜有突然之彎曲。支不宜有突然之彎曲。 循環系統最好像一顆倒置的樹一樣，而心循環系統最好像一顆倒置的樹一樣，而心臟在樹根的位置，而且樹枝與樹幹間的相關位臟在樹根的位置，而且樹枝與樹幹間的相關位置不可移動。置不可移動。7流量理論 : (1) 為何有心舒壓?為了流量之增大，主動脈之心舒壓應為負值最好，而所有脊椎哺乳動物之心舒壓皆為正 80 mmHg左右。8流量理

2、論 : (2) 為何心跳為固定速率?: 以流量之觀點，有動量既可。心跳率依生理代謝多寡變動，心跳不必固定速率。9流量理論 : (3) 主昇動脈為何轉彎180? : 心臟打出為衝量，經過180轉彎則動量完全消耗。在左心室中， 心臟由肌肉收縮將血液變成衝量射出。但轉彎180以後只有2%呈動能形態。10流量理論 : (4)為何血管流入器官呈90?: 90是將動量完全無分量之角度。但腎動脈、脾動脈、氣管動脈、胸動脈等進入器官之動脈皆與主動脈呈90，表示進入器官之血液，不是以動量為動力。生理上希望將動量之影響降到最低。11流量理論 : (5)為何大動物心跳慢，小動物心跳反快?:大動物所送血量較大，流量大

3、，則心跳應較快，小動物體積小，所送血量亦少，心跳應較慢，更何況與(體積)1/3成反比要如何解釋?12流量理論 : (6)動物如何運動?:這是一個極大的問題。動物都有循環系統。如果輸送血流靠動量，動量為向量，我們一舉手，一投足都會嚴重妨害血液的循環。我們應是不能動的植物才行。13流量理論 : (7)血管中之動能只佔2%動脈血管內之位能佔98% 。如何靠僅餘的2%之能量將血液輸送? 98%在血管壁上的能量在做甚麼?14流量理論 : (8)為何微循環為網狀?不論器官、或穴道，其小動脈皆成網狀。以流量之觀點，微循應為樹狀，而不是網狀，因為網狀使阻力大增。15共振理論 : (1)為何有心舒壓?答答: 心

4、舒壓之目的至少有三心舒壓之目的至少有三 : 1. 提高壓力以增加彈性位能，將血管中提高壓力以增加彈性位能，將血管中之能量由動能轉換為位能。之能量由動能轉換為位能。 2.此壓力充滿整個動脈血管網路中，以此壓力充滿整個動脈血管網路中，以維持血液之最低供應量，充維持血液之最低供應量，充“氣氣”之情之情形如氣球一樣，在任何有開口的地方，形如氣球一樣，在任何有開口的地方，皆可釋出血液。皆可釋出血液。 3.維持器官及血管之彈性。以維持各器維持器官及血管之彈性。以維持各器官及血管之共振頻率，以達成阻抗為最官及血管之共振頻率，以達成阻抗為最低之效率。低之效率。16共振理論 : (2)為何心跳為固定速率?答答:

5、 每個大血管皆有其共振頻率，每個器官每個大血管皆有其共振頻率，每個器官也有其共振頻率。心跳必須與這些頻率也有其共振頻率。心跳必須與這些頻率配合配合,其阻力才小。其阻力才小。17共振理論 : (3)為何主昇動脈轉彎180?答答: 心臟以收縮的方式產生很大的瞬間流量心臟以收縮的方式產生很大的瞬間流量。但以流量輸送是阻力非常大的。所以。但以流量輸送是阻力非常大的。所以在主昇動脈以在主昇動脈以180之轉彎，將動能轉化之轉彎，將動能轉化為血管壁上的振動位能為血管壁上的振動位能。18共振理論 : (4)為何血管流入器官前呈90?答答: :大動脈是波動能量是輸送的主幹大動脈是波動能量是輸送的主幹。對分對分枝

6、器官而言，連接處之枝器官而言，連接處之 大動脈，就像大動脈，就像心臟一樣將壓力波送進器官來心臟一樣將壓力波送進器官來。此此9090 之轉彎，可將流量之影響降到最小，僅之轉彎，可將流量之影響降到最小，僅有壓力波可由大動脈連接處順利傳入有壓力波可由大動脈連接處順利傳入。19共振理論 : (5)為何大動物心跳慢,小動物心跳反快?答答: :大器官之共振頻率低，大器官之共振頻率低， 小器官之共振小器官之共振頻率高頻率高。人的器官是如此，不同動物也人的器官是如此，不同動物也一樣一樣。 大動物器官也大所以心跳必須大動物器官也大所以心跳必須慢，才能維持共振，提高運送效率慢，才能維持共振，提高運送效率。20共振

7、理論 : (6)動物如何運動?答答: :在血管壁上的振動是以位能存在的在血管壁上的振動是以位能存在的。位能不是向量位能不是向量。而且此振動方向與血而且此振動方向與血管走向垂直，不論血管方向如何改變管走向垂直，不論血管方向如何改變，血液永遠由近心端向遠心端輸送，血液永遠由近心端向遠心端輸送。血壓波為長波，看不見各處之細節，血壓波為長波，看不見各處之細節，因而手臂彎曲、彎腰等，都只有輕微因而手臂彎曲、彎腰等，都只有輕微之影響，不致造成血流中止之影響，不致造成血流中止。21共振理論 : (7) 為何微循環為網狀?答答: :網狀的血管，相當於大電容網狀的血管，相當於大電容( (電路電路) ) 。配電器

8、、電壓穩定器都要大電容以吸配電器、電壓穩定器都要大電容以吸引電壓波過來引電壓波過來。因為電壓波也是長波因為電壓波也是長波，看不到細節，必須以大電容，好讓，看不到細節，必須以大電容，好讓電壓波看到。所以器官及穴道，皆成電壓波看到。所以器官及穴道，皆成網狀以吸引血壓波過來網狀以吸引血壓波過來。22共振理論 : (8)為何血管中之動能僅佔2%,位能佔98%?答答: :像在高壓輸送線中之能量一樣，位能佔像在高壓輸送線中之能量一樣，位能佔多數，電流佔少數多數，電流佔少數, ,以減少阻力之消耗以減少阻力之消耗。23生物物理学生物物理学是应用物理学的概念和方法研是应用物理学的概念和方法研究生物各层次结构与功

9、能的关系，生命活究生物各层次结构与功能的关系，生命活动的物理、物理化学过程，和物质在生命动的物理、物理化学过程，和物质在生命活动过程中表现的物理特性的生物学分支活动过程中表现的物理特性的生物学分支学科。生物物理学旨在阐明生物在一定的学科。生物物理学旨在阐明生物在一定的空间、时间内有关物质、能量与信息的运空间、时间内有关物质、能量与信息的运动规律。动规律。 24 1717世纪考伯提到发光生物荧火虫；世纪考伯提到发光生物荧火虫；17861786年年伽伐尼研究了肌肉的静电性质；伽伐尼研究了肌肉的静电性质；17961796年扬利年扬利用光的波动学说、色觉理论，研究了眼的几用光的波动学说、色觉理论，研究

10、了眼的几何光学性质及心脏的液体动力学作用；亥姆何光学性质及心脏的液体动力学作用；亥姆霍兹将能量守恒定律应用于生物系统，认为霍兹将能量守恒定律应用于生物系统，认为物质世界包括生命在内都可以归结为运动。物质世界包括生命在内都可以归结为运动。他研究了肌肉收缩时热量的产生和神经脉冲他研究了肌肉收缩时热量的产生和神经脉冲的传导速度；杜布瓦的传导速度；杜布瓦- -雷蒙德第一个制造出雷蒙德第一个制造出电流表并用以研究肌肉神经，电流表并用以研究肌肉神经，18481848年发现了年发现了休止电位及动作电位。休止电位及动作电位。25 18961896年伦琴发现了年伦琴发现了 X X射线后，几乎立即应射线后，几乎立

11、即应用到医学实践，用到医学实践，18991899年皮尔逊在年皮尔逊在科学的文科学的文法法一书中首次提到：一书中首次提到：“作为物理定律的特作为物理定律的特异事例来研究生物现象的生物物理学异事例来研究生物现象的生物物理学”，并列举了当时研究的血液流体动力学、神经并列举了当时研究的血液流体动力学、神经传导的电现象、表面张力和膜电位、发光与传导的电现象、表面张力和膜电位、发光与生物功能、以及机械应激、弹性、粘度、硬生物功能、以及机械应激、弹性、粘度、硬度与生物结构的关系等问题。度与生物结构的关系等问题。26 19101910年希尔把电技术应用于神经生物学，年希尔把电技术应用于神经生物学，并显示了神经

12、纤维传递信息的特征是一连串并显示了神经纤维传递信息的特征是一连串匀速的电脉冲，脉冲是由膜内外电位差引起匀速的电脉冲，脉冲是由膜内外电位差引起的。的。1919世纪显微镜的应用导致细胞学说的创世纪显微镜的应用导致细胞学说的创立，电子显微镜的发展则提供了生物超微结立，电子显微镜的发展则提供了生物超微结构的更多信息。构的更多信息。27 早在早在19201920年，年，X X射线衍射技术就已列入蛋白射线衍射技术就已列入蛋白质结构研究。阿斯特伯里用质结构研究。阿斯特伯里用 X X射线衍射技术射线衍射技术研究毛发、丝和羊毛纤维结构等，发现了由研究毛发、丝和羊毛纤维结构等，发现了由氨基酸残基链形成的蛋白质主链

13、构象；氨基酸残基链形成的蛋白质主链构象；2020世世纪纪5050年代沃森及克里克提出了遗传物质年代沃森及克里克提出了遗传物质DNADNA双螺旋互补的结构模型。双螺旋互补的结构模型。19441944年的年的医学物医学物理理介绍生物物理内容时，涉及面已相当广介绍生物物理内容时，涉及面已相当广泛，包括听觉、色觉、肌肉、神经、皮肤等泛，包括听觉、色觉、肌肉、神经、皮肤等的结构与功能，并报道了应用电子回旋加速的结构与功能，并报道了应用电子回旋加速器研究生物对象。器研究生物对象。28 物理概念对生物物理发展影响较大的是物理概念对生物物理发展影响较大的是19431943年年薛定谔的讲演：薛定谔的讲演：“生命

14、是什么生命是什么”和威纳关于生和威纳关于生物控制论的论点；前者用热力学和量子力学理物控制论的论点；前者用热力学和量子力学理论解释生命的本质引进了论解释生命的本质引进了“负熵负熵”概念，试图概念，试图从一些新的途径来说明有机体的物质结构、生从一些新的途径来说明有机体的物质结构、生命活动的维持和延续、生物的遗传与变异等问命活动的维持和延续、生物的遗传与变异等问题；后者认为生物的控制过程，包含着信息的题；后者认为生物的控制过程，包含着信息的接收、变换、贮存和处理。接收、变换、贮存和处理。 他们认为既然生命物质是物质世界的一个他们认为既然生命物质是物质世界的一个组成部分，那么既有它的特殊运动规律，也应

15、组成部分，那么既有它的特殊运动规律，也应该遵循物质运动的共同的一般规律。这就沟通该遵循物质运动的共同的一般规律。这就沟通了生物学和物理学两个领域了生物学和物理学两个领域。29 2020世纪世纪2020年代开始陆续发现生物分子具有铁电、年代开始陆续发现生物分子具有铁电、压电、半导体、液晶态等性质，发现生命体系压电、半导体、液晶态等性质，发现生命体系在不同层次上的电磁特性，以及生物界普遍存在不同层次上的电磁特性，以及生物界普遍存在的射频通讯方式等等。但许多物理特性在生在的射频通讯方式等等。但许多物理特性在生命活动过程中的意义和作用，则远还没有搞清命活动过程中的意义和作用，则远还没有搞清楚。楚。 1

16、980 1980年发现两个人工合成年发现两个人工合成DNADNA片段呈左旋双片段呈左旋双螺旋，人们普遍希望了解自然界有无左旋螺旋，人们普遍希望了解自然界有无左旋DNADNA存存在；在；19811981年人们在两段左旋片段中插入一段年人们在两段左旋片段中插入一段A-TA-T对，整个螺旋立即向右旋转，能否说明自然界对，整个螺旋立即向右旋转，能否说明自然界不存在左旋不存在左旋DNADNA呢？这种特定的旋光性对生命活呢？这种特定的旋光性对生命活动的意义现仍无答案。动的意义现仍无答案。30 根据生物的物理特性可以测出各种物理参数。根据生物的物理特性可以测出各种物理参数。但是由于生命物质比较复杂，在不同的

17、环境条但是由于生命物质比较复杂，在不同的环境条件下参量也要改变。已有的测试手段往往不适件下参量也要改变。已有的测试手段往往不适用，尚待技术上的突破，才有可能进一步阐明用，尚待技术上的突破，才有可能进一步阐明生命的奥秘。生命的奥秘。 活跃在生物体内的基本粒子活跃在生物体内的基本粒子( (目前研究到电目前研究到电子和质子子和质子) )的研究，也是探索生命活动的物理及的研究，也是探索生命活动的物理及物理化学过程的一个主体部分。生物都是含水物理化学过程的一个主体部分。生物都是含水的，研究水溶液中电子的行为，对了解生命活的，研究水溶液中电子的行为，对了解生命活动的理化过程极为重要。人们已经发现了生物动的

18、理化过程极为重要。人们已经发现了生物的质子态、质子非定域化和质子隧道效应等现的质子态、质子非定域化和质子隧道效应等现象，因此需进一步开展量子生物学的研究，探象，因此需进一步开展量子生物学的研究，探索这些基本粒子在活体内的行为。索这些基本粒子在活体内的行为。 31 光合作用中叶绿素最初吸收光子只在一千万亿光合作用中叶绿素最初吸收光子只在一千万亿分之一秒瞬间完成，视觉过程和高能电离辐射分之一秒瞬间完成，视觉过程和高能电离辐射最初始的能量吸收也都是瞬间完成的，这些能最初始的能量吸收也都是瞬间完成的，这些能量在生物体内最初的去向和行为，从吸收到物量在生物体内最初的去向和行为，从吸收到物理化学过程的出现

19、，究竟发生了什么物理作用，理化学过程的出现，究竟发生了什么物理作用，这就需要既灵敏又快速的测试技术。这就需要既灵敏又快速的测试技术。 蛋白质在蛋白质在5656左右变性，但我们在左右变性，但我们在7070以以上的温泉中还能找到生物；人工培养的细胞保上的温泉中还能找到生物；人工培养的细胞保存在零下存在零下190190，解冻后细胞仍与正常态一样，解冻后细胞仍与正常态一样，这些生物体内水的结构状态是怎样？如果能把这些生物体内水的结构状态是怎样？如果能把这些极端状态的水的结构与性质阐明，将有助这些极端状态的水的结构与性质阐明，将有助于对生命规律的理解。于对生命规律的理解。32 生物在亿万年进化过程中，最

20、终选择了膜作为生物在亿万年进化过程中，最终选择了膜作为最基本的结构形式。从通透、识别、通讯，到最基本的结构形式。从通透、识别、通讯，到能量转换等各种生命活动几乎都在膜上进行，能量转换等各种生命活动几乎都在膜上进行，膜不仅提供场所，它本身也积极参与了活动。膜不仅提供场所，它本身也积极参与了活动。 有时一种技术的出现将使生物物理问题的有时一种技术的出现将使生物物理问题的研究大大改观。如研究大大改观。如 X X射线衍射技术导致了分子射线衍射技术导致了分子生物物理学的出现。因此虽然技术本身并不一生物物理学的出现。因此虽然技术本身并不一定就代表生物物理，但它对生物物理学的发展定就代表生物物理，但它对生物

21、物理学的发展是非常关键的。是非常关键的。33 生物物理学是研究活物质的物理学。尽管生命生物物理学是研究活物质的物理学。尽管生命是自然界的高级运动形式，也仍然是自然界三是自然界的高级运动形式，也仍然是自然界三个量个量( (质量、能量和信息质量、能量和信息) )综合运动的表现。只综合运动的表现。只是在生理体内这种运动变化既复杂又迅速，而是在生理体内这种运动变化既复杂又迅速，而且随着生物物质结构的复杂化，能量利用愈趋且随着生物物质结构的复杂化，能量利用愈趋精密，信息量愈来愈大，使得研究的难度很高。精密，信息量愈来愈大，使得研究的难度很高。但从另一方面看，研究活物质的物理规律，不但从另一方面看，研究活

22、物质的物理规律，不仅能进一步阐明生物的本质，更重要的是能使仅能进一步阐明生物的本质，更重要的是能使人们对自然界整个物质运动规律的认识达到新人们对自然界整个物质运动规律的认识达到新的高度。的高度。34 生物物理学的研究内容主要包括生物物理学的研究内容主要包括5 5个方面。个方面。 生命物质的物理性质。研究发现，生物分生命物质的物理性质。研究发现，生物分子具有铁电、压电、半导体、液晶态等性质，子具有铁电、压电、半导体、液晶态等性质，生命体系存在不同层次的电磁特性，而且，生生命体系存在不同层次的电磁特性，而且，生物界普遍存在射频通讯方式。但这些物理特性物界普遍存在射频通讯方式。但这些物理特性在生命活

23、动过程中的意义和作用还在探索之中。在生命活动过程中的意义和作用还在探索之中。 35 生命活动的物理及物理化学过程。研究生物生命活动的物理及物理化学过程。研究生物体内的基本粒子（电子和质子）在水溶液中的体内的基本粒子（电子和质子）在水溶液中的行为，生物的质子态、质子非定域化和质子隧行为，生物的质子态、质子非定域化和质子隧道效应等现象。基本属于量子生物学范畴。生道效应等现象。基本属于量子生物学范畴。生物体内的小分子如甲基、酰基、水分子、金属物体内的小分子如甲基、酰基、水分子、金属离子等活跃地作用于大分子之间离子等活跃地作用于大分子之间 ，不仅自身，不仅自身参与结构功能变化，而且引发大分子构象变化。

24、参与结构功能变化，而且引发大分子构象变化。 36 生物大分子结构、构象和大分子间的相互生物大分子结构、构象和大分子间的相互作用。生物大分子都是由小单元聚合而成，作用。生物大分子都是由小单元聚合而成，蛋蛋白质白质由由2020种种氨基酸氨基酸连接缩合而成多肽，连接缩合而成多肽，核酸核酸则则由由5 5种碱基、戊糖和磷酸聚合成单链或双链种碱基、戊糖和磷酸聚合成单链或双链 。它们都具有一定的盘曲折叠方式形成空间三维它们都具有一定的盘曲折叠方式形成空间三维结构，并且在时间上随着功能变化而有不同的结构，并且在时间上随着功能变化而有不同的动力学反应。动力学反应。37 大分子能量状态和能量传递。能量是一切生大分

25、子能量状态和能量传递。能量是一切生命活动的原动力。大分子的能量状态决定于分命活动的原动力。大分子的能量状态决定于分子本身的各种运动子本身的各种运动电子运动、振动和转动。电子运动、振动和转动。分子在吸收能量后，由能量较低的基态转变为分子在吸收能量后，由能量较低的基态转变为能量较高的激发态，其中的一个或几个电子由能量较高的激发态，其中的一个或几个电子由配对状态转变为不配对的自由基。激发态和自配对状态转变为不配对的自由基。激发态和自由基都是相对不稳定的高能状态，因此化学活由基都是相对不稳定的高能状态，因此化学活性很高，反应能力很强，如生物体内的生物氧性很高，反应能力很强，如生物体内的生物氧化、化、酶

26、酶的催化作用、光合与视觉过程等。关于的催化作用、光合与视觉过程等。关于能量转移已有多种理论，如共振转移、电子转能量转移已有多种理论，如共振转移、电子转移、质子转移、激子转移、电荷迁移和络合物移、质子转移、激子转移、电荷迁移和络合物形成等，但都只是假说。形成等，但都只是假说。38 生物聚集态。它由几种生物大分子形成。研生物聚集态。它由几种生物大分子形成。研究较多的是由核酸和蛋白质相互结合而形成的究较多的是由核酸和蛋白质相互结合而形成的核小体以及由蛋白质和脂类作为主要成分的核小体以及由蛋白质和脂类作为主要成分的生生物膜物膜（片层结构）。核小体是含（片层结构）。核小体是含140140个碱基对的个碱基

27、对的DNADNA绕着非极性组蛋白绕着非极性组蛋白H3H3与与H4H4的颗粒转的颗粒转1.71.7 圈的圈的模型。生物膜是由脂双层镶嵌着蛋白组成液态模型。生物膜是由脂双层镶嵌着蛋白组成液态镶嵌模型，因此产生膜的有序性、流动性和液镶嵌模型，因此产生膜的有序性、流动性和液晶态性质。这些独特的物理性质对于说明物质晶态性质。这些独特的物理性质对于说明物质进出进出细胞细胞、细胞正常周期活动和病态过程中的、细胞正常周期活动和病态过程中的变化具有重要意义。变化具有重要意义。39 以上内容的研究都涉及到分子内原子之间以以上内容的研究都涉及到分子内原子之间以及分子之间的相互作用力，并且具有高度特异及分子之间的相互

28、作用力，并且具有高度特异性，例如性，例如抗体抗体与与抗原抗原的作用、药物与的作用、药物与受体受体的作的作用等。作用力决定大分子本身的能态、结构及用等。作用力决定大分子本身的能态、结构及其变化。作用力本身又主要取决于分子外围的其变化。作用力本身又主要取决于分子外围的电子行为，在一定程度上也与原子核有关。电子行为，在一定程度上也与原子核有关。 生物物理学研究离不开物理及物理化学技术生物物理学研究离不开物理及物理化学技术的发展和应用。如近红外显微镜、闪光的发展和应用。如近红外显微镜、闪光X X射线和射线和光散射显微镜，各种光谱及波谱技术如二维及光散射显微镜，各种光谱及波谱技术如二维及三维核磁共振，三

29、维核磁共振，X X射线衍射（包括低角、小角衍射线衍射（包括低角、小角衍射），这些技术对生物物理学的发展非常关键。射），这些技术对生物物理学的发展非常关键。40基因技术：生物技术的核心基因技术：生物技术的核心 基因是遗传物质的最小单位。基因是生命的图纸，它决定基因是遗传物质的最小单位。基因是生命的图纸，它决定了生命的模样和特征。地球上的生命千姿百态，就是因为每了生命的模样和特征。地球上的生命千姿百态，就是因为每种生物有各自不同的基因。基因带着生命的全部信息，控制种生物有各自不同的基因。基因带着生命的全部信息，控制着一切的生命活动，任何一种生物一生的生理变化，都是在着一切的生命活动，任何一种生物一

30、生的生理变化，都是在基因的控制下完成的。基因是遗传物质，让生命一代一代传基因的控制下完成的。基因是遗传物质，让生命一代一代传下去，父母把自己的基因传给孩子，所以孩子就像父母。下去，父母把自己的基因传给孩子，所以孩子就像父母。 基因是很玄妙的东西，又是很普通的东西。所有的生命都基因是很玄妙的东西，又是很普通的东西。所有的生命都是由细胞构成的，每个细胞中都有是由细胞构成的，每个细胞中都有4 4种最基本的东西：蛋白质、种最基本的东西：蛋白质、核酸、脂肪和糖类，而基因就是核酸。核酸有两种：一种叫核酸、脂肪和糖类，而基因就是核酸。核酸有两种：一种叫“脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸”，简称，简称DNADNA，另

31、一种叫，另一种叫“核糖核酸核糖核酸”，简称，简称RNARNA。其中，。其中，DNADNA是核酸的主要成分，即基因就是是核酸的主要成分，即基因就是DNADNA！ 基因技术基因技术打开生命奥秘的钥匙打开生命奥秘的钥匙41克隆技术：无性繁殖，一座挖掘不尽的金矿克隆技术：无性繁殖，一座挖掘不尽的金矿克隆是一种人工诱导的无性繁殖方式。无性繁殖是指不经过克隆是一种人工诱导的无性繁殖方式。无性繁殖是指不经过雌的和雄的两性生殖细胞的结合而由一个生物体产生后代的雌的和雄的两性生殖细胞的结合而由一个生物体产生后代的生殖方式。生殖方式。 克隆的基本过程是，先将含有遗传物质的供体细胞的核移克隆的基本过程是，先将含有遗

32、传物质的供体细胞的核移植到去除了细胞核的卵细胞中，利用微电流刺激等使得两者植到去除了细胞核的卵细胞中，利用微电流刺激等使得两者融合为一体，然后促使这一新细胞分裂繁殖，发育成胚胎，融合为一体，然后促使这一新细胞分裂繁殖，发育成胚胎，当胚胎发育到一定程度后，再将其植入到动物子宫中，使动当胚胎发育到一定程度后，再将其植入到动物子宫中，使动物怀孕，这样便可产下与提供细胞核者基因相同的动物。这物怀孕，这样便可产下与提供细胞核者基因相同的动物。这一过程中如果对供体细胞进行基因改造，那么，克隆出的动一过程中如果对供体细胞进行基因改造，那么，克隆出的动物的后代基因也会发生相同的变化。物的后代基因也会发生相同的

33、变化。42中国科学家在中国科学家在1981年培育出第一条克隆鱼年培育出第一条克隆鱼鲫鱼鲫鱼43仿生技术：为工程技术提供新的设计思路，为人类造福仿生技术：为工程技术提供新的设计思路，为人类造福 仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统，使人造技术仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统，使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学。简单地说，仿生学系统具有生物系统特征或类似特征的科学。简单地说，仿生学就是就是“模仿生物的科学模仿生物的科学”。美国制AIM-9“响尾蛇”空对空导弹44在仿生学领域中，军事仿生学是发展最快的。现代化战争要求在仿生学领域中，军事仿生学是发展最快的。现代化战争要求武器和

34、装备快速、准确、灵巧，而生物的眼、耳、鼻、皮肤和武器和装备快速、准确、灵巧，而生物的眼、耳、鼻、皮肤和其它器官具有许多奇妙的特性，足以为现代化武器的研究提供其它器官具有许多奇妙的特性，足以为现代化武器的研究提供启示。根据生物器官的启示，近启示。根据生物器官的启示，近2020年来很多国家都发明了形形年来很多国家都发明了形形色色的仿生武器。例如，根据鹰眼的结构制造的色色的仿生武器。例如，根据鹰眼的结构制造的“电光鹰眼电光鹰眼”制导导弹、根据昆虫的制导导弹、根据昆虫的“复眼复眼”原理制造的高分辨率和高灵敏原理制造的高分辨率和高灵敏度的度的“虫眼虫眼”导弹和根据响尾蛇的红外线导弹和根据响尾蛇的红外线“

35、热眼热眼”制造的空对制造的空对空导弹，这些武器已在战争中发挥了很大的威力。根据鱼眼能空导弹，这些武器已在战争中发挥了很大的威力。根据鱼眼能转动转动220220观察身体前后两侧景物的原理，人们图观察身体前后两侧景物的原理，人们图5.4.3 5.4.3 美国美国制制AIM-9“AIM-9“响尾蛇响尾蛇”空对空导弹空对空导弹发明了鱼目镜头，将这种镜头安放在侦察机和人造卫星上，一发明了鱼目镜头，将这种镜头安放在侦察机和人造卫星上，一次可以拍摄几十平方公里的景物。人们从蝙蝠的次可以拍摄几十平方公里的景物。人们从蝙蝠的“夜视术夜视术”得得到启发，发明了超声波测距仪即到启发，发明了超声波测距仪即“声纳声纳”

36、，可以用于潜艇的定，可以用于潜艇的定位。根据鸟类皮肤的触感机制，工程师们给飞机设计了类似的位。根据鸟类皮肤的触感机制，工程师们给飞机设计了类似的“感知皮肤感知皮肤”，内嵌控制雷达天线、传感器和并行处理机等，内嵌控制雷达天线、传感器和并行处理机等，在飞行中监视所有方面的化学及物理环境及飞行和导航状态。在飞行中监视所有方面的化学及物理环境及飞行和导航状态。45 在交通运输方面，人们运用不同动物奇异的生物功能原理，在交通运输方面，人们运用不同动物奇异的生物功能原理，制造和改善了天上、水中和陆上的各种交通工具。例如前面提制造和改善了天上、水中和陆上的各种交通工具。例如前面提到的飞机的发明，还有模仿乌贼

37、前进方式设计的喷水船等。人到的飞机的发明，还有模仿乌贼前进方式设计的喷水船等。人们模仿海洋生物的流线型体形建造的核潜艇，可以大大提高航们模仿海洋生物的流线型体形建造的核潜艇，可以大大提高航速；模仿金枪鱼的侧鳍，给轮船装上类似侧鳍的装置以后，可速；模仿金枪鱼的侧鳍，给轮船装上类似侧鳍的装置以后，可大大减少转弯时的路程和时间。仿生技术还给导航技术提供了大大减少转弯时的路程和时间。仿生技术还给导航技术提供了重大的启示。根据鸟类辨别方向的原理，人类制造出磁场罗盘重大的启示。根据鸟类辨别方向的原理，人类制造出磁场罗盘和太阳光罗盘；根据蜜蜂、蚂蚁等生物通过它们看到的偏振光和太阳光罗盘；根据蜜蜂、蚂蚁等生物

38、通过它们看到的偏振光进行导向的原理，人们又研制出了偏振光罗盘，这种导航技术进行导向的原理，人们又研制出了偏振光罗盘，这种导航技术即使到了南北极附近的高纬度地区，也不会因磁场的作用而失即使到了南北极附近的高纬度地区，也不会因磁场的作用而失灵。灵。人类从人类从“生物建筑师生物建筑师”那里得到了许多启示。蜘蛛喷丝的方法那里得到了许多启示。蜘蛛喷丝的方法启发化学工程师合成了像蛛丝蛋白和蚕丝蛋白那样的合成纤维，启发化学工程师合成了像蛛丝蛋白和蚕丝蛋白那样的合成纤维，制造出了我们身上穿的和工业上用的涤纶丝、尼龙丝、玻璃丝制造出了我们身上穿的和工业上用的涤纶丝、尼龙丝、玻璃丝等。蜜蜂建造的蜂窝是菱形面组成的

39、六角形结构，用料最省，等。蜜蜂建造的蜂窝是菱形面组成的六角形结构，用料最省，得到的容积却最大，人们把这一启示用于制造强度高、重量轻得到的容积却最大，人们把这一启示用于制造强度高、重量轻的飞行器和建筑材料。的飞行器和建筑材料。46 仿生技术在农业中的应用也很广泛，最典型的就是生物防治仿生技术在农业中的应用也很广泛，最典型的就是生物防治虫害，也就是利用其它生物或其代谢物来防治一种害虫。中国虫害，也就是利用其它生物或其代谢物来防治一种害虫。中国有着悠久的生物防治害虫的历史，早在公元有着悠久的生物防治害虫的历史，早在公元304304年左右晋代嵇年左右晋代嵇含著含著南方草木状南方草木状中就记载了用虫蚁防

40、治柑桔害虫的事例，中就记载了用虫蚁防治柑桔害虫的事例，明清时期的农户通过养鸭来治蝗，同时还用来防治蟛蜞（一种明清时期的农户通过养鸭来治蝗，同时还用来防治蟛蜞（一种螃蟹，以谷芽为食）。现代的生物防治可分为三类：利用捕食螃蟹，以谷芽为食）。现代的生物防治可分为三类：利用捕食性天敌防治，比如瓢虫、蜘蛛、蛙、食蚊鱼、及许多食虫益鸟性天敌防治，比如瓢虫、蜘蛛、蛙、食蚊鱼、及许多食虫益鸟等；利用寄生性天敌防治，比如用寄生蜂、寄生蝇防治松毛虫、等；利用寄生性天敌防治，比如用寄生蜂、寄生蝇防治松毛虫、天牛等；利用微生物防治，包括真菌、细菌、病毒和能分泌抗天牛等；利用微生物防治，包括真菌、细菌、病毒和能分泌抗生

41、物质的抗生菌，如应用真菌白僵菌防治马尾松毛虫，利用细生物质的抗生菌，如应用真菌白僵菌防治马尾松毛虫，利用细菌苏云金杆菌防治多种林业害虫，以及利用病毒防治蜀柏毒蛾菌苏云金杆菌防治多种林业害虫，以及利用病毒防治蜀柏毒蛾等等。等等。47试管婴儿：医学史上的里程碑试管婴儿：医学史上的里程碑 英国布里斯托尔市的女子路易丝英国布里斯托尔市的女子路易丝布朗是世界上第一个布朗是世界上第一个“试管试管婴儿婴儿”。当她于。当她于19781978年年7 7月月2525日降临人世时，曾轰动了全世界，日降临人世时，曾轰动了全世界，许多人都担心她会成为一个许多人都担心她会成为一个“科学怪物科学怪物”。然而，路易丝不仅。然

42、而，路易丝不仅健康地长大，而且还幸福地结了婚，通过自然怀孕的方式生下健康地长大，而且还幸福地结了婚，通过自然怀孕的方式生下一名健康的男婴，并于一名健康的男婴，并于20082008年度过了她年度过了她3030岁的生日，打消了人岁的生日，打消了人们对试管婴儿是否可靠，以及试管婴儿可能没有健康后代的疑们对试管婴儿是否可靠，以及试管婴儿可能没有健康后代的疑虑。虑。 试管婴儿的成功更清晰地揭示了人类的生殖过程，被认为是继试管婴儿的成功更清晰地揭示了人类的生殖过程，被认为是继心脏移植成功之后医学史的又一大奇迹，因而受到各国的重视。心脏移植成功之后医学史的又一大奇迹，因而受到各国的重视。目前试管婴儿技术已发

43、展出了三代。目前试管婴儿技术已发展出了三代。48 路易丝布朗与她的儿子卡梅伦，左为“试管婴儿之父”罗伯特爱德华兹教授49第八届全国生物物理学学术会议1998.5.17-22 成都(1)分子生物物理(2)膜与细胞生物物理(3)神经生物物理(4) 生物信息论与生物控制论(5)理论生物物理(6)环境和辐射生物物理(7)光生物物理(8)生物力学与生物流变学(9)生物物理仪器与实验技术(10)自由基生物学与自由基医学第九届全国生物物理学学术会议2002.5.29-2002.6.2 大连(1)分子生物物理(2)膜与细胞生物物理(3)神经生物物理学(4)理论生物物理(5)自由基生物物理(6)光生物物理(7)

44、 辐射和环境生物物理(8)生物力学与生物流变学(9)现代生物物理方法与技术50 51 52趙治宇的研究在趙治宇的研究在20042004年年1212月第二期出刊的物理月第二期出刊的物理評論通訊發表，不僅被學者評為很有機會贏得評論通訊發表，不僅被學者評為很有機會贏得諾貝爾獎，連美國國家研究室諾貝爾獎，連美國國家研究室ArgonneArgonne都邀請他前都邀請他前往技術指導。台大校長陳維昭表示，未來醫學院往技術指導。台大校長陳維昭表示，未來醫學院將與趙治宇合作，利用能看到活體細胞的顯微鏡，將與趙治宇合作，利用能看到活體細胞的顯微鏡，觀察水分子如何滲透入肺部卻出不來的動態，有觀察水分子如何滲透入肺部

45、卻出不來的動態，有助於肺水腫的醫療研究。甚至連助於肺水腫的醫療研究。甚至連AIDSAIDS、SARSSARS病毒病毒如何入侵細胞膜，可以藉由動態觀察產生突破性如何入侵細胞膜，可以藉由動態觀察產生突破性進展。進展。趙治宇表示，生物環境穿透式電子顯微鏡不但能趙治宇表示，生物環境穿透式電子顯微鏡不但能實際觀察水分子以滲透方式進入蠕動的細胞膜，實際觀察水分子以滲透方式進入蠕動的細胞膜，他更發現水與細胞膜呈現動態平衡時，細胞膜自他更發現水與細胞膜呈現動態平衡時，細胞膜自然形成酯膜結構，與傳統的然形成酯膜結構，與傳統的固、液、氣、液晶固、液、氣、液晶四四態明顯不同，改變物理學百年來的定論。態明顯不同，改變物理學百年來的定論。53至於何謂液晶？趙治宇說，液晶是介於液態與固態間的第至於何謂液晶？趙治宇說，液晶是介於液態與固態間的第四類