生物环境穿透式电子显微镜-生物探索.ppt

第九讲生物物理学 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、电荷迁移和络合物形成等，但都只是假说。 ⑤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