世纪之交的物理学与生命科学 　　　　

　　　　仲伟钢 于富华

21世纪物理学取得了辉煌的成就，为推动人类社会的进步和生命科学的发展作出了巨大贡献，21世纪的物理学，将面临着生命科学的挑战和发展机遇，本文立足于世纪之交，顾后瞻前，追求物理学对生命科学的贡献，阐述生命科学对物理学的挑战，展望新世纪物理学和生命科学相互交融、共振共荣的前景。

　　在世纪之交的伟大历史转折时期，许多科学家认为，21世纪的科学发展趋势，是各门科学不断交叉、加速综合，不同学科的作用和地位将发生变化[1] 。如果说 20世纪的主导学科是物理学的话，那么21世纪的主导学科将是生命科学[2]， 生命科学之所以将在21世纪成为主导学科，在各学科中起核心作用，一是作用因为它是从现象到本质研究生命与生命活动密切相关 的学科，二是因为物理、化学、 计算机科学为生命科学的研究提供了有力的仪器和方法，为生命科学的进一步发展奠定了基础，而这一主导学科的世纪交替，也充分说明了物理学与生命科学的历史渊源和它们在整个自然科学中的作用和地位。

　　一、物理学的重要贡献

　　20世纪的物理学、在微观、宏观、复杂系统和现代生物学四个基本方向上，把人类对自然界的认识推进到前所未有的深度和广度，物理学的两大理论支柱－量子论和相对论，促使人类整个自然科学的改观，物理学的发展为人类提供了核能新能源、半导体、激光、计算机等新技术，导致人类社会的进步，改变了人类的生产方式和生活方式，尤其是物理学，为生命科学奠定了坚实的理论基础，提供了大型的实验研究手段和精密的科学仪器，为生命科学成为21世纪的主导学科打了坚实的基础。

　　1．生命现象的物理理论

　　研究生命现象首先遇到的一个根本性问题，即“什么是生命”？对此，量子力学的主要创始人薛定谔，于1994年在他著名的《什么是生命》一书中就预言了遗传密码的存在和生命赖“负熵”以生存，同时指出：量子力学应当成为生命科学的基础， 这是物理学家解释生命现象的前所未有的突破。 60年代， 普里高津（ Prigogine）提出的“耗散结构理论”，使热学与生命科学融合在一起[3]，80年代，联邦德国科学家艾根提出“超循环”理论，建立了一种从多分子体系向原始生命进化的理论模型，90年代，美国地球物理学家路易斯?勒曼提出了一条最新颖的“泡沫理论“，他认为沫很可能是万物生命的起源，我国物理学家钱三强教授认为：生物世界也有“馄饨现象”，人类致死的心跳、癫痫以及精神分裂症都涉及混沌，生物的进化也靠混沌，著名科学家周光召院士也认为：在地球刚开始的时候并没有生物，是混沌的[4]，而山东大学张颖清教授创立的“全息生物学”理论， 深化了人类对生物体的认识，香港发明家余新河先生的“磁学－生命学猜想”，则为揭开生命之谜开辟了新的途径。

　　2.物理学理论对生命科学的影响

　　物理学处理宏观体系的理论(如热力学、统计力学、耗散结构理论、信息论等 )，使人们可以从系统的宏观角度研究生物体系的物质、能量和信息转换的关系； 物理学的微观理论(如分子帮原子物理、量子力学、粒子物理等)，使人们可以从微观角度研究生物大分子和分子聚集体(膜、细胞、组织等)的结构；运动与动能、非浅性理论、混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导，并预示了新的更伟大的科学革命的到来，而生物物理学的创立则是人类用物理学知识去揭示生命之谜的一个极其重要的里程碑，它为生命科学、生物工程展现出一个无限美好的前景。

　　英国物理学家汤姆逊发现电子和1901年普朗克量子论的建立，标志着从经典物理学现象的宏观描述跨入了微观世界的分析，这一跨跃在物理学中激起的巨大浪潮，极大地影响了20世纪的物理学思想，即大的物质由小的物质组成，小的由更小的组成，找到最基本的粒子就知道了最大的构造，这个思想不仅影响了物理学的发展，而且影响了20世纪生物学的发展，即要了解生命就应研究它的基因，了解了基因就可能会了解生命，因此，生命科学的一些前沿学科，如细胞生物学、分子生物学、量子生物学、遗传基因工程等相继兴起，并加速发展，另一方面，生命系统又是宏观的，是有机体的最高存在形式，是一个开放的复杂的巨系统，它最具有整体性，所以，研究生命现象，仅采用那种机械的无限分割的方法已不适用，还需要用整体的方法，以系统论、控制论、信息论为理论基础。

　　以量过程是生命系统中的基本过程，而能量的转化与传递正是物理学的分支学科─热学研究的范畴，因此，生命科学与热学早已紧密地联系在一起，目前工程热物理在生物领域已经能够做到的事情包括：对生物伟热过程的定量描述，从而在一定程度上解决了医疗工程中提出的最佳“热疗剂量”和超声治疗中温度控制与焦域的描述；生物工程(冷冻保存)中的相变问题也是热物理学的研究对象，抑制冰晶生长机理的研究已初已成效，从热力学的角度看，生命系统又是非平衡开放系统，热力学的角度看，生命系统又是非平衡开放系统，热力学的基本定律和物理学的非线性理论也成了生命科学的基础知识。

　　从力学角度研究生命现象的历史，一直可以追溯到伽里略、牛顿和哈维，本世纪30年代，希尔(A.V.Hill)将力学方法和生理学、解剖学等方法相结合，研究组织和器官层次上的生命现象，指出重力、超重和失重对细胞、组织、器官均可产生影响[5,6]。我国著名的生物物理学家贝时璋研究员认为：生物系统各层次─分子、 分子聚集体、亚细胞、细胞组织等的有序结构主要决定于分子内和分子间的各种力发生有组织的协同作用。

　　3.物理学为生命科学提供了现代化的实验手段和技术早在1791年，解剖学家、物理学家伽伐尼(L.Galvani)用电刺激蛙神经， 发现了生物的导电现象，德国生理学家杜布瓦雷蒙(E.H.Dubois-Reymond)终生都在用物理学中电的技术进行生物电的实验研究， 为电生理学的建立和发展作出了贡献， 19世纪中叶，杜布瓦雷蒙同另外三位生理学家布吕克(E.W.von Brucke)、路德维希 (C.F.W.Ludwing)和亥姆霍兹(H.von Helmholtz)相遇，一致表示要用物理的分子和原子的机理来研究、解释全部生命过程，可以说这种表示，是他们认识了物理学的理论和技术在研究生命过程中的重要作用。总之，19世纪的生物学不仅在理论上有重大的建树，而且已经建立起实验的与物理学不仅在理论上有重大的建树, 而且已经建立起实验的与物理学、化学相结合的研究方法,这种方法成为推动20世纪生物学快速发展的主要技术手段。

　　X射线对生物学的发展有着十分重要的影响，而且意义深远，1927年，马勒(H .J.Muller)用X射线人工话发果蝇突变， 是一个被公认的用人工方法改变基因的事例，开辟了遗传学研究和实际应用的新领域，X经射线衍射技术使人们发现了DNA( 脱氧核糖核酸)分子的双螺旋结构，根据这一结构，破译了其上所载的遗传密码， DNA结构的发现和遗传密码的破译，标志着分子生物学的诞生， 人们依据分子生物学理论在DNA的复制模式、蛋白质的合成、核糖核酸(RNA)的功能、遗传信息的转录和翻译以及遗传密码的获解等方面取得了一个又一个的丰硕成果，最近，瑞士科学家用X射线晶体成像法在世界上首次发现了DNA关键部位的原子结构，从而为人类从原子角度揭开生命之谜奠定了基础。

　　功能磁共振成像、高分辩率的脑电图和脑磁图成像等，使人们有了观察大脑认识活动的望远镜，对开发人脑的智力提供了科学依据，核磁共振成像可产生多核种 (氢核、磷核)、多参数(密度、弛豫时间)的物理图像，它不仅能显示人体任意断层的解剖图像，还能显示内脏功能和生理、生化过程信息的空间分布，为人体病变组织的诊断提供了先进、可靠的手段。

　　本世纪初，物理学揭示了粒子的波粒二象性，特别是认识了电子这一基本粒子的波粒二象性后，人们利用电子的波动性研制成电子显微镜，使得显微镜的分辩率达到1nm的数量级，从而可直接观察细胞内的超微结构， 使生物学的实验方法和实验手段实现了飞跃，推动了生物科学的发展，现在，电子显微镜已深入生物医学的各个领域，比如细胞生物学、分子生物学，遗传学、微生物学、病理学等[7,8]。 在病毒学的研究中，电镜成了观察病毒的唯一工具，对病毒学的发展起阗重要的作用，而且用电镜拍摄到了DNA，观察到了核糖体由大小来单位的组成， 拍出了mRNA翻译时把核糖串连成多聚体的电镜照片，对核酸的研究有助于医学、遗传学等生命科学的发展，现在，用扫描隧道显微镜(STM)可以观察DNA双螺旋结构的清淅图像；用原子力显微镜(AFM)可以观察血液细胞和细菌等，可以说，多种功能、 高分辩率的显微镜，在生物学的发展中功不可没。

　　近年来，随着激光研究的深入，X射线激光全息术的问世， 为生物学的研究提供了全新的研究方法和强有力的实验手段，因为X射激光全息术能够拍摄生物活细胞的三维结构全息像，生物样品可完全处于水合物状态，使活细胞能在与原状况相同的生理条件下成像，X射 线激光还能够拍摄限度为1nm的“快照”，从而消除了细胞或细胞器布朗运动产生的模糊；生物界对此评价说，这对现代生物基因研究是划时代的革命性变化。

　　纳米技术和微电子学的发展为生物学提供了精细、先进的技术，最近，用原子力显微镜对DNA分子链上的任何确立部位进行了分了分割， 这类手术再结合分子操纵，是迈向在纳米尺度上改造基因的重要进展[9]。1994年发明的一种新型微碳纤电极(聚丙烯CFE)，分辩率提高了约十倍， 为细胞的分泌研究提供了最灵敏的控针。

　　贝克莱尔发现放射性核素，奠定了现代核技术包括核医学技术的基础，利用放射性元素或示踪剂，通过射线达到了解体内特定生物活动的目的，是当前在活体元素水平观测人体和生物过程最具潜力的技术，而且用它可以找到从生命本来水平探索生命奥秘的最佳途径[10,11]，核医学成像技术也是目前仅有的，可以从整体、 器官、细胞及分子四级结构水平，反映生物功能和代谢信息的显像技术。

　　物理学中的模型、方法和计算能力，在生物系统中得到广泛的应用，用分子涨落的方式对DNA与RNA的结构和动力学特征所做的量子力学计算，其精确度已达到令人满意的程度，在细胞生理学和神经生物学中，物理学方法对于了解生物分子的传输，膜的结构以及在脑、神经和肌肉中的信号过程始终是关键的，通过单跨膜分子通道对离子流进行最新的物理测量，为了解单跨膜分子通道离子流的机理，提供了最重要的直接途径；由于这种机理支配着脑和神经的信号处理过程，所以这种物理测量有可能是揭开大脑之谜的关键途径。

　　纵观生物学在20世纪中的发展，正是继承了19世纪的传统，走与物理学、化学相结合的符合生物学性质的实验研究道路，才取得了辉煌的成就，而且生物学用物理学与化学相合的方法，不但没有把复杂的生命现象简单化，反而用基本的物理学、化学的原理和敏锐的方法及其仪器探索复杂的生命运动，揭开了许多生命的奥秘，这进一步证明了物理学和化学的基本理论是研究生命运动的基础。

　　二、生命科学的挑战

　　物理学的理论、方法、技术等，虽然是推动生物科学发展的强大动力，但生物科学的对象是复杂的、多层次性的，在许多方面超出了传统物理学的范围和观念，因此，生命科学将会向物理学提出很多挑战性的问题。

　　⑴21世纪高技术的核心，导致社会的智能化，在智能社会里，彻底揭开大脑的奥秘、发展人工智能的研究，是自然科学面临的最大挑战之一，脑科学更广泛地传递、储存、组织、处理，现在虽然有不少理论、假设，但离对它本质的认识还相差甚远，如果仅仅靠实验，也许得至的只是零星的、点滴的、不太系统的认识；而最终要揭开这个奥秘，也许还需要理论物理方面的突破。

　　⑵生命现象和大分子结构存在着相互关系，同样的大分子，它们的结构开矿不一样，有的有活性，具有生命现象；有的没有活性，没有生命现象，它们的结构与功能之间存在着什么样的关系，生命科学家可以研究，但要从物质上认识它，还需要物理学家的参与，因为物理学是研究物质运动的普遍性质和基本规律的科学，所以解开生命系统的难解、必解之题，也是物理学家不可推卸的责任。

　　⑶随着个体发育和系统发育的进展，生物的物质结构越来越复杂，能量利用越来越精密，信息量越来越大，这对物理学来说是一个新问题，尤其是给量子力学和热力学增加了不少麻烦，生物物理学要把这些任务承担起来，以生物在其分子水平为出发点，一方面要深入研究亚分子水平，如电子、质子、离子、自由基、各种作用力等的运动规律及其如何影响分子；另一方面要在分子水平上找出生命活动的规律，以及如何影响和带动亚细胞、细胞、器官以至整体各层次生命的活动，由于生物是开放系统，经常与外界交换物质、能量和信息、焓和熵的问题非常复杂，可逆过程和不可逆过程交叉在一起，因此，生物物理学要借助于物理学的研究阐明这些问题。

　　⑷对生命物质认识到分子水平，就要用分了机器对生命物质进行切割和分析研究，改变基因组成需要遗传工程技术；获得全新的蛋白质需要计算机显示和辅助设计，提出新的分子设计方案；从事分子水平的遗传机制和遗传工程机制的研究，在试管里创造生命，探索人的神经和大脑思维过程和查清人类基因图谱，基因与疾病的对应关系等，都需要微电子学、纳米电子学、纳米生物学等有很大发展。

　　⑸生物功能多种多样，生命现象有高等与低等之分，要了解生命的本质，需要物理学与生物科学从根本上相结合，物理学方面，特别像对生物大分子和细胞这样的复杂体系的力学和统计处理，需要有新的突破。

　　三、新世纪的物理学与生命科学

　　21世纪生命科学(包括医学、农学等)的发展，无论从速度、深度和广度来看都会出乎人们的预料，将带来新的科学革命，但生命科学的发展仍需物理学、化学、数学、计算机科学等学科提供新的理论基础、先进的实验技术和研究手段，可以说，物理学现在发展到如此高的水平，我们能够在分子和多体组织这两个层次上谈论基础生物科学的巨大复杂性，如生物凝聚态物理、生物细胞中能量和信息的转移中的物理问题、脑功能的物理过程、用生物芯片和生物电脑模仿人脑的功能等，都是十分重要的前沿，所以，物理学和生命科学在主层次上的结合是21世纪科学发展的大趋势。

　　⑴生命现象属于高级的物质运动形式，这些运动形态又是以物理学的运动形态为基础的，例如，呼吸、消化、血液循环、排泄等这些生理过程者和力学、热学、电学分不开。因此，21世纪的物理学知识仍是了解生命现象所不可缺少的基础。

　　⑵上前，由于基因操纵技术的发展，使得任何潜在蛋白质的有系统的改良和生产成为可能，稀有蛋折质能够大量地生产，就足以满足利用物理学和化学方法进行结构的研究，并且能够控制活细胞中天然的和改良的蛋白质的表达，从而辨认结构功能关系，生物技术和生物物理学的结合为未来富有成果的研究展现了极好的强劲前景。

　　⑶脑的多细胞组织及其信息存取原理提出了关于人体网络(physicalnetwork)的基本问题，它受到广大数学物理学家的关注，最近， 局部有序系统的理论物理学于脑功能研究的典型特性获得了成功，这就导致学科间有重大意义的最佳协同；这种协同涉及到神经科学、统计物理学，最终或许能够获得有关处理脑器官故障所需要的知识。

　　⑷量子力学与高速电子计算机相结合，通过计算生物大分子的局部电子结构，在量子水平研究遗传、变异、衰老、癌变等生命现象，这必将对生命科学在理论上的重大突破同贡献，另外，研究生命的本质，还必须追溯到生命的物质性质，X射线显微技术、激光显微术、微电子技术等在迫近探索生命物质性质中将具有强大的优势。

　　⑸生命系统具有特殊的结构系统，在其内部及其与环境之间发生着不间断的物质、能量与信息的交换，这是它存在的必要条件和基本形式，物质的传递与信息的传递都必然伴随着能量的传递，而热是能量过程的重要表现形式，生命现象的各个层次无不包含热效应，因此，热科学的研究是提示生命奥秘的一座重要的桥梁；在分子层次上的热休克蛋白的基因表达与调控，细胞层次上膜的结构、相变、损伤、稳定等问题均与热有联系；在组织与生物个体层次上，工程热物理已经在肿瘤的高低温治疗、组织与器官的冷冻保存、作物的低温保鲜等方面得到了应用，今后应在精确定量方面进一步深入研究，对生命系统的研究也必将促进热物理学中新概念、新理论、新技术的探索和建立，这不仅会建立起一个真正独立的生物热物理学科，而且会使热物理学科本身得到发展。

　　⑹物理学将不断地为生命科学的前沿领域提供新的、大型的实验技术：①脑功能磁共振成像(FMRI)，可以从宏观到分子水平研究大脑的功能和载体以及结构的关系，它成像无损伤、无麻醉，活体、实时，可能得到50ms和5um的进间和空间分辩率，优于任何其他成像技术，是最有希望在脑神经科学研究上取得突破的也是发展最迅速的技术。②正电子发射成像(PET)， 可以使注入人体的短寿命放射性元素如 18F、11C等化合物产生电子湮没而发射γ射线，这种由体内发射出来的γ射线被体外的探测器检测，可以显示脑和心肌的功能，PET在过去的20年中已发展成为比较成熟的技术，是脑和心脏科学研究的重要手段。③用超导量子干涉器件(SQUID) 可以检测大脑功能引起的极为微弱的脑磁变化(＜10-13T)；用多通道脑电图像仪可以测量大脑功能诱发的脑电地形图，这两种手段对于探讨和显示大脑功能也是重要的一环。④核科学技术在生命科学中的应用将得到充分的发展，核分析可研究生命科学中若干前沿问题，如辐射场在生命起源中的作用，生物进化晚中的渐变论和突变论，生物大分子的不对称性，稀土生物大分子、亚细胞结构、形貌和元素分布，纳米生物学和分子研究，分子水平致癌机理和生命代谢过程，核控释放技术与透皮药物制剂，放射性治癌机制等，另外，发展分子活化分析、扫描核子微探针、扫描探针显微学、加速器质谱、正电子湮没、高分辩X射线能谱仪等现代核分析技术， 也将为生命科学提供更强有力的研究手段。

　　四、结束语

　　在21世纪，物理学将更精致、更复杂，仍将是自然科学的基础，物理学在生命科学中，除继续保持上述作用之外，还会在发展改善人类生存条件和促进社会进步中发挥更大的作用。21世纪的生物学，仍然会同发展着的物理学和化学以及数学相结合继续设计出符合生物特性的实验方法，去探索人类生命的奥秘，并带动其他学科的发展，21世纪生命科学对自然科学所起的作用绝不亚于20世纪的物理学，可以预料，21世纪的物理学和生命科学的交叉和渗透，将从提供实验方法和手段的阶段向直接面对生物学的重大问题的连结阶段过渡，物理学与生命科学的这种高层次交叉、结合，将会在21世纪初出现崭新的面目，带来新的科学革命。

　　致谢 本文得到中国生物医学工程学会医学物理学会名誉理事长、湖南医科大学教授胡纪湘老师、 泰山医学院教授张里仁老师的指导， 作者在此深表谢意。 (1998年11月3日)

　　仲伟纲 副研究员，泰山医学院，山东泰安271000

　　于富华 副教授，博士，泰山医学院，山东泰安271000

　　1 21世纪科学发展趋势课题组编著，21世纪初科学发展趋势，科学出版社，1996

　　2 朱丽兰，自然辩证法研究，1997:13:(1):1

　　3 赵南明，王存诚，物理，1998:27(3):146

　　4 周光召，科学技术的发展趋势和它对社会的作用，共同走向科学─百名院士科技系列报告集，北京：科学出版社，1997

　　5 Edholm C.G.Principle and Practice of Human Physiology, Academic, 1981

　　6 Voge V.M.Environ.Med,1980:51:970-980

　　7 Meek G.A.Practical Electron Microsopy for Biologists,2nd ed,1976

　　8 Ｈearle J.W.S.The Use of Scaning Electron Mieroscope.1976

　　9 朱光亚，当代工程技术发展趋势及应引起重视的几个问题，共同走向科学─百名院士科技系列报告集北京：科学出版社，1997

　　10 Grosch D.S.Biol.Effects of radiation ,Academic,1979

　　11 Blahd W.H.Nuclear medicine,2nd ed 1971

　　Physics and Life Science at the Turn of the Centuries Zhong Wei- gang,Yu-hua

　　①Associate professor,Taishan Medical College,Taian,Shandong 271000

　　②Associate Professor,Doctor, Taishan Medical College, Taian, Shandong271000

　　Key words physics,life science,dominat subject

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