物理知识系列讲座（四）—— 物理学与生命科学和医学

序 言

——物理学与生命科学、医学的关系

20世纪，物理学的理论、方法和模型在生物系统中得到了广泛的应用，物理学与生物学的交叉结合形成了生物物理学及其众多分支如分子生物学、量子生物学、生物信息学、纳米生物学、脑与认知科学等。物理学与现代医学的联系也十分紧密，例如物理医学诊断和治疗技术在医学领域日益显示出巨大的作用。

在库仑创立电学不久，伽伐尼就通过青蛙神经接触两种金属引起肌肉收缩这一著名实验，揭示了生物电现象。生物学曾为物理学启示了能量守恒定律，物理学则为生物学提供了显微镜、X光、激光、示踪原子、中子衍射、核磁共振、同步辐射、扫描隧道显微镜等各种现代化实验手段和技术，也为生命科学提供了重要理论概念、原理和方法。物理学宏观理论如热力学、统计物理、耗散结构理论等，使人们能够从宏观角度出发去研究生物系统的物质、能量和信息传递、转换的关系；物理学微观理论如原子分子物理、量子力学等使人们能从微观角度去研究生物大分子和分子聚集体（膜、细胞、组织等）的结构。现在，物理学方法已经能够从电子水平、分子水平和分子体系多个层次上研究复杂的生命现象。

物理学中的x射线衍射技术，阐明了遗传物质DNA的双股螺旋三维空间结构，这是20世纪生命科学最伟大的成就。然而，却很少有人注意三位获诺贝尔生物奖的DNA双螺旋结构发现者中的两位都是物理学家(即威尔金斯和克里克)。从此，现代生物学成为了更加精密的科学，也导致了分子生物学的形成。分子生物学是从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。现代生物学已将生物的各种生命活动归结到细胞水平，为了解担负这些过程的物质群，而从这些物质的相互作用、相互转化等方面去阐明各种生命活动的本质。这样，对生物体的物质动态及其本质过程的机理进行电子水平的研究已逐渐发展起来，所以把这种研究的分支领域称为量子生物学，有时也称为电子生物学。

随着基因组研究的深入发展，DNA、RNA和蛋白质数据近年来呈爆炸式的增加，用物理学的理论、方法分析和解释这些数据，便产生了生物信息学。生物信息学是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。它是当今生命科学和自然科学的重大前沿领域之一，同时也将是21世纪自然科学的核心领域之一。其研究重点主要体现在基因组学(Genomics)和蛋白学(Proteomics)两方面，具体说就是从核酸和蛋白质序列出发，分析序列中表达的结构功能和生物信息。随着现代生命科学逐渐进入介观水平，它必然强烈地依赖能实现纳米操作的物理方法和仪器如近场光学显微镜、原子力显微镜和光钳等，另一门新兴科学——纳米生物学就此诞生了。运动与能量、非线性理论、混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导。总之，可以认为生命科学的根本性进展必然依赖于物理学理论与方法。

把生命物质和生命过程作为真正的物理对象加以研究的时候，物理学的研究方法便显示出其重要地位。因为，物理学所研究的是自然界最基本最普遍的规律，当然也包括生命系统的基本运动规律。相对物理学而言，生命科学的研究对象极为特殊，它们只存在于地球“生物圈”这个有限空间（迄今尚未发现地外生命现象）、出现生命后的有限的历史时期以及一个较狭窄的温度范围。尽管如此，但它们必然遵循基本的物理规律。在20世纪，伴随着近代物理革命，人们开始从物理学角度考虑和研究生命科学的基础问题。量子力学的创立者薛定谔最早提出遗传密码的概念，并在他的《生命是什么》一书中认为遗传基因既相对稳定又发生变异，只能用量子力学中分立能级和量子跃迁理论解释。如今，物理学对复杂系统（生命系统是一个非常复杂的系统）研究进展迅速，而生命科学又积累了大量的事实和数据，从而更加速了物理学和生命科学的密切结合。

物理学跟医学有着不可分割的内在联系。人的生命活动包含有大量的物理运动形态，如呼吸运动、血液循环、肌肉伸缩、听觉现象、能量代谢、人体电现象及人体磁现象等都是物理现象。因此，要深入研究人体的生理、病理现象，开发新的诊断和治疗方法，提高预防和治疗效果，都必然要涉及物理理论和技术。随着生命科学、近代物理学和计算机科学等的迅速发展，人们对生命现象的认识逐步深入，医学的各分支学科已愈来愈多地把它们的理论建立在精确的物理理论基础上。物理学不仅为医学中病因、病理的研究和预防提供了现代化技术手段，而且为临床诊断和治疗提供了先进的器械设备。在现代医学中，物理学带来了精确的检测手段，不必说体温计、血压计这些小型医疗器械，X射线透视、光纤制作的各种内窥镜、X射线计算机断层扫描(X－CT)、超声成像和核磁共振成像(MRI)、正电子发射断层显像(PET)、肿瘤放射治疗等等这些先进的医疗设备都是物理学原理与技术的应用。这些技术不仅大大减少了病人的痛苦和创伤，提高了诊断的准确度，而且直接促进了现代医学影像诊断学的建立和发展，使临床诊断技术发生了质的飞跃。物理学与医学的结合或者说物理学原理、技术、方法在医学中的应用，形成了许多交叉学科如医学物理学、医学电子学、核医学、医学影象物理学、激光医学、物理诊断学、保健物理学等。可以说，没有物理学，就没有现代医学的今天。