生物物理学史简介22、 生物物理学的生物物理学的发展展 物理学和生物学的互相促物理学和生物学的互相促进，由来已久。，由来已久。1717世世纪，波莱利（，波莱利（BorrelliBorrelli）在）在动物的运物的运动中利用力中利用力 学原理分析血液循学原理分析血液循环和和鸟的的飞行行问题；基歇基歇尔(Kircher)(Kircher)研究了研究了动物的物的发光光现象；象；牛牛顿（NewtonNewton）在）在原理原理一一书（16871687）中探）中探讨了了电与与 生物学的关系；生物学的关系；达芬奇（达芬奇（da Vincida Vinci）研究）研究过鸟飞行行动力学力学问题。 17911791年，意大利波伦亚大学的解剖学教授年，意大利波伦亚大学的解剖学教授伽伽伐尼伐尼（GalvaniGalvani）, ,通过青蛙神经接触两种金属通过青蛙神经接触两种金属引起肌肉收缩这一著名实验引起肌肉收缩这一著名实验, , 揭示了生物电现揭示了生物电现象。象。 18471847年，年，赫尔姆霍茨赫尔姆霍茨(Helmholtz)(Helmholtz)，把能量守恒从机械运动推，把能量守恒从机械运动推广到热、电、磁乃至生命现象。广到热、电、磁乃至生命现象。电学和电生理学同时诞生电学和电生理学同时诞生 18421842年，年，梅耶梅耶（MayorMayor）德国医生，物理学家，梅耶从热、功和）德国医生，物理学家，梅耶从热、功和生理过程的关系研究建立了著名的能量守恒定律，他也是第一位提出生理过程的关系研究建立了著名的能量守恒定律，他也是第一位提出光合作用是一个能量转换过程的人。光合作用是一个能量转换过程的人。生物学为物理学启示过能量守恒生物学为物理学启示过能量守恒 第一，相对论、量子力学和它们相结合产生的量子场论从第一，相对论、量子力学和它们相结合产生的量子场论从根本上改变了人类对时空和宇宙万物的看法，使人们从绝对根本上改变了人类对时空和宇宙万物的看法，使人们从绝对的宇宙观变为辩证的唯物的宇宙观。的宇宙观变为辩证的唯物的宇宙观。2020世纪物理学做出了三方面的重要贡献：世纪物理学做出了三方面的重要贡献： 第二，第二，2020世纪物理学是带头的学科，它带动了化学、天世纪物理学是带头的学科，它带动了化学、天文、材料、能源、信息等学科的发展，它为生物、医疗、文、材料、能源、信息等学科的发展，它为生物、医疗、地学、农业提供了強大的探测手段和研究方法。地学、农业提供了強大的探测手段和研究方法。 第三，通过计算机的帮助，应用古典物理理论讨论流第三，通过计算机的帮助，应用古典物理理论讨论流体运动和气象预报时，发现了自组织、混沌和分形等现象。体运动和气象预报时，发现了自组织、混沌和分形等现象。 19431943年，薛定谔在爱尔兰都伯林发表的题为年，薛定谔在爱尔兰都伯林发表的题为 “什什么是生命么是生命”的著名演说的著名演说, , 提出了重要设想和猜测：提出了重要设想和猜测： 生物由外界摄入生物由外界摄入“负熵负熵”，处于非平衡态的系统；，处于非平衡态的系统； 生物遗传性状以密码形式通过染色体传递；生物遗传性状以密码形式通过染色体传递； 生物体内存在量子跃迁现象，量子力学规律适用生物体内存在量子跃迁现象，量子力学规律适用于生命体。于生命体。物理学为生物学提供了新思想物理学为生物学提供了新思想 5050年之后，在同一地点举行了纪念薛定谔演说的专门年之后，在同一地点举行了纪念薛定谔演说的专门会议会议, , 多位诺贝尔奖获得者和著名学者的演说，以多位诺贝尔奖获得者和著名学者的演说，以什么什么是生命？是生命？ 下一个下一个50 50 年年为题，结集出版。为题，结集出版。 物理学家伽莫夫（物理学家伽莫夫（G.GamovG.Gamov）指出遗传密码应当是基于）指出遗传密码应当是基于4 4个字母的三联码，即蛋白质中的每种氨基酸应当由序列中的个字母的三联码，即蛋白质中的每种氨基酸应当由序列中的3 3个核苷酸编码。个核苷酸编码。 物物理理学学和和非非线线性性科科学学中中发发展展起起来来的的标标度度、分分维维和和分分形形的的概概念念，临临界界现现象象、自自组组织织现现象象和和自自组组织织临临界界现现象象的的理理论论，随随机机背背景景下下的的相相变变和和确确定定性性演演化化过过程程等等等等，都都在在生生物物学学研研究中发挥着越来越大的作用。究中发挥着越来越大的作用。 16651665年，英国学者年，英国学者HookeHooke（胡克）用自（胡克）用自制的显微镜观察软木的薄切片，首次发现了制的显微镜观察软木的薄切片，首次发现了其中有许多蜂窝状的小室，并将这些小室命其中有许多蜂窝状的小室，并将这些小室命名为名为cell(cell(细胞细胞) )。16741674年，荷兰科学家年，荷兰科学家Leeuwenhoek(Leeuwenhoek(列文虎克列文虎克) )用显微镜首次真正用显微镜首次真正观察到活细胞。观察到活细胞。物理学为生物学提供大量工具物理学为生物学提供大量工具电子显微镜电子显微镜人类第三只眼睛人类第三只眼睛 19311931年德国科学家恩斯特年德国科学家恩斯特鲁斯卡与鲁斯卡与组长马克斯组长马克斯克诺尔博士制成世人公认的克诺尔博士制成世人公认的第一台电子显微镜。第一台电子显微镜。恩斯特恩斯特鲁斯卡、马克斯鲁斯卡、马克斯克诺尔克诺尔与他们制造的电子显微镜与他们制造的电子显微镜 偏光显微镜、电子显微镜、扫描电镜、隧道显微镜、原偏光显微镜、电子显微镜、扫描电镜、隧道显微镜、原子力显微镜等等，它们都对深入认识生物细胞和亚细胞结构子力显微镜等等，它们都对深入认识生物细胞和亚细胞结构发挥着作用。发挥着作用。光学显微镜光学显微镜扫描隧道描隧道显微微镜原子力原子力显微微镜 当今生物化学实验室中的日常工具，如超速离心机、液相色谱分当今生物化学实验室中的日常工具，如超速离心机、液相色谱分析、凝胶电泳。各种光谱分析和荧光标记，以及示踪原子、同位素析、凝胶电泳。各种光谱分析和荧光标记，以及示踪原子、同位素标记与生物化学的结合，带来了对生物内部过程的丰富知识。标记与生物化学的结合，带来了对生物内部过程的丰富知识。 核磁共振核磁共振打开黑箱的钥匙打开黑箱的钥匙核磁共振核磁共振(NMR)谱仪 核磁共振核磁共振(NMR)(NMR)谱仪对于确定蛋白谱仪对于确定蛋白质、特别是溶液中的较小的蛋白质的质、特别是溶液中的较小的蛋白质的结构以及一些动态过程，发挥着越来结构以及一些动态过程，发挥着越来越大的作用。越大的作用。19491949年泊塞尔小组成功研制成的第一台核磁共振仪。年泊塞尔小组成功研制成的第一台核磁共振仪。 X X射线射线让我们永远记住伦琴让我们永远记住伦琴 19011901年首届诺贝尔物理学奖得主为德国物理学家伦琴。伦琴因年首届诺贝尔物理学奖得主为德国物理学家伦琴。伦琴因发现了发现了X X射线而揭开近代物理学革命序幕成为射线而揭开近代物理学革命序幕成为2020世纪最伟大的物理学世纪最伟大的物理学家之一。家之一。 19521952年年RE. FranklinRE. Franklin拍摄到清晰的拍摄到清晰的DNADNA晶体的晶体的X-X-衍射照片。衍射照片。19531953年她认为年她认为DNADNA是一种对称结构，可能是螺旋。是一种对称结构，可能是螺旋。 19561956年年 佩鲁茨和肯德鲁对血红蛋白和肌血蛋白进行结佩鲁茨和肯德鲁对血红蛋白和肌血蛋白进行结构分析，解决了三维空间结构，获得了构分析，解决了三维空间结构，获得了19621962年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。M.F.Perutz J.C.Kendrew 最近十来年在物理实验室中发展起来的单分子操纵技术，例如流最近十来年在物理实验室中发展起来的单分子操纵技术，例如流场分子梳、激光场分子梳、激光“ “ 镊子镊子”、微管技术和原子力显微镜等，使得人们可、微管技术和原子力显微镜等，使得人们可以操纵单个生物大分子，直接观察它们的运动和相互作用以操纵单个生物大分子，直接观察它们的运动和相互作用, , 虽然这些虽然这些手段目前基本上还是物理实验室里的新玩意儿，但不久以后就会成为手段目前基本上还是物理实验室里的新玩意儿，但不久以后就会成为生物学家的有力工具。生物学家的有力工具。中国生物物理学的发展中国生物物理学的发展 贝时璋（1903年10月10日2009年10月29日），生物学家，教育家。他是中国细胞学、胚胎学的创始人之一，中国生物物理学的奠基人。浙江省镇海县（今宁波市镇海区）人。他是第一届中央研究院院士和中国科学院院士，曾任中国科学院生物物理研究所荣誉所长。 19571957年，成立北京实验生物学研究所，贝时璋担任研究员，兼任年，成立北京实验生物学研究所，贝时璋担任研究员，兼任所长。所长。19581958年，北京实验生物学研究所改建为中国科学院生物物年，北京实验生物学研究所改建为中国科学院生物物理研究所。理研究所。 19821982年，中国生物物理协会加入年，中国生物物理协会加入IU-PABIU-PAB。徐涛研究员施一公院士饶毅教授32 张阳在华中师范大学师从刘连寿教授并获得物理学博士学位，19992000年在中国科学院理论物理所跟随欧阳钟灿院士做博士后，2001年初到美国。 http:/zhanglab.ccmb.med.umich.edu/END谢谢您的聆听！34