x9第九讲 生物物理学

公共选修课现代物理概论

第九讲

生物物理学

物理與生命系統間的思考心血管心血管系統像亞瑪遜河?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，而心臟在樹根的位置，而且樹枝與樹幹間的相關位置不可移動。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80mmHg左右。流量理論:(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。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。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。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，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?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。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?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。共振理論:(1)為何有心舒壓?答: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，以維持血液之最低供應量，充“氣”之情形如氣球一樣，在任何有開口的地方，皆可釋出血液。3.維持器官及血管之彈性。以維持各器官及血管之共振頻率，以達成阻抗為最低之效率。共振理論:(2)為何心跳為固定速率?答: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配合,其阻力才小。共振理論:(3)為何主昇動脈轉彎180°?答: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。所以在主昇動脈以180°之轉彎，將動能轉化為血管壁上的振動位能。共振理論:(4)為何血管流入器官前呈90°?答:大動脈是波動能量是輸送的主幹。對分枝器官而言，連接處之大動脈，就像心臟一樣將壓力波送進器官來。此90°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。共振理論:(5)為何大動物心跳慢,小動物心跳反快?答:大器官之共振頻率低，小器官之共振頻率高。人的器官是如此，不同動物也一樣。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。共振理論:(6)動物如何運動?答:在血管壁上的振動是以位能存在的。位能不是向量。而且此振動方向與血管走向垂直，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，都只有輕微之影響，不致造成血流中止。共振理論:(7)為何微循環為網狀?答:網狀的血管，相當於大電容(電路)。配電器、電壓穩定器都要大電容以吸引電壓波過來。因為電壓波也是長波，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，皆成網狀以吸引血壓波過來。共振理論:(8)為何血管中之動能僅佔2%,位能佔98%?答:像在高壓輸送線中之能量一樣，位能佔多數，電流佔少數,以減少阻力之消耗。生物物理学是应用物理学的概念和方法研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空间、时间内有关物质、能量与信息的运动规律。

17世纪考伯提到发光生物荧火虫；1786年伽伐尼研究了肌肉的静电性质；1796年扬利用光的波动学说、色觉理论，研究了眼的几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的传导速度；杜布瓦-雷蒙德第一个制造出电流表并用以研究肌肉神经，1848年发现了休止电位及动作电位。

1896年伦琴发现了X射线后，几乎立即应用到医学实践，1899年皮尔逊在《科学的文法》一书中首次提到：“作为物理定律的特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、硬度与生物结构的关系等问题。

1910年希尔把电技术应用于神经生物学，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的。19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构的更多信息。

早在1920年，X射线衍射技术就已列入蛋白质结构研究。阿斯特伯里用X射线衍射技术研究毛发、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构象；20世纪50年代沃森及克里克提出了遗传物质DNA双螺旋互补的结构模型。1944年的《医学物理》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。

物理概念对生物物理发展影响较大的是1943年薛定谔的讲演：“生命是什么”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论解释生命的本质引进了“负熵”概念，试图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。

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。

20世纪20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命活动过程中的意义和作用，则远还没有搞清楚。

1980年发现两个人工合成DNA片段呈左旋双螺旋，人们普遍希望了解自然界有无左旋DNA存在；1981年人们在两段左旋片段中插入一段A-T对，整个螺旋立即向右旋转，能否说明自然界不存在左旋DNA呢？这种特定的旋光性对生命活动的意义现仍无答案。

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，在不同的环境条件下参量也要改变。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生命的奥秘。

活跃在生物体内的基本粒子(目前研究到电子和质子)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，探索这些基本粒子在活体内的行为。

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。

蛋白质在56℃左右变性，但我们在70℃以上的温泉中还能找到生物；人工培养的细胞保存在零下190℃，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。

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。

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X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定就代表生物物理，但它对生物物理学的发展是非常关键的。

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，也仍然是自然界三个量(质量、能量和信息)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。但从另一方面看，研究活物质的物理规律，不仅能进一步阐明生物的本质，更重要的是能使人们对自然界整个物质运动规律的认识达到新的高度。

生物物理学的研究内容主要包括5个方面。

①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，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。但这些物理特性在生命活动过程中的意义和作用还在探索之中。

②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

，不仅自身参与结构功能变化，而且引发大分子构象变化。

③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，蛋白质由20种氨基酸连接缩合而成多肽，核酸则由5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结构，并且在时间上随着功能变化而有不同的动力学反应。

④大分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子本身的各种运动——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化、酶的催化作用、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、电子转移、质子转移、激子转移、电荷迁