用物理学研究生命（选自《大自然》1991年第一期）

（作者王谷岩。作者单位：中国科学院生物物理研究所）

长久以来，人们一直企图依据所有生命形态的共有特征给生命一个贴切的定义，以求回答“什么是生命”的问题，然而，至今却仍未能如愿以偿。看来，首要的任务应该先是回答“生命具有哪些特征”，待到知识积累到一定程度，揭示生命本质就会水到渠成，“什么是生命”的问题也就可以彻底解决了。科学的发展正是走着这样一条道路，各个学科都在从不同的角度对生命现象进行研究，以便从各个侧面了解生命的特征。用物理学研究生命，促成了物理学同生物学的结合和向生物学的渗透，从而诞生了一门全新的边缘科学：生物物理学。

生物物理学是运用近代物理学的理论、技术和方法研究生命物质的物理性质，研究生命现象的物理学和物理化学规律，以及各种物理因素对生物体作用的规律和机制。生物物理学的发展已经揭示了生命的许多物理学特征。

生命是一种高级运动形式

活的有机体是以连续进行的代谢反应不断自我更新，借以维持其自身内部的结构。因此可以说生命的物理过程和物理特性不是一般的物理现象，而是与新陈代谢紧密联系并由其派生出来的。例如，细胞和组织中的生物电流本身虽然是一种物理现象，但它却是以细胞中沿着一定方向进行的化学反应为基础的，化学反应一旦停止，生物电流也就不复存在；物质在生物体中的输送，也不能仅仅归结为扩散和渗透这类物理过程，而往往是这些物质与细胞及其成份之间作用的结果，正因为如此，生物体中存在反浓度梯度（即由浓度低向浓度高）的物质活性运输现象也就不奇怪了。生物体中这类物质运动形态，其运动过程不仅遵从一般的物质运动规律，还与生命活动紧密相关，有其特殊规律，这就是生物物理学的生命观。

生物体是由活的生命物质构成的活的生命形态，具有丰富多彩的生命活动，如生长发育、遗传变异、新陈代谢、肌肉收缩、神经传导、思维活动以及呼吸、消化、感觉等等。乍一看似乎五花八门，而根据生物物理学的观点，这一切无非是自然界物质、能量、信息三个量的综合运动表现。生命系统的运转，生命活动的进行，都需要能量供应，也都需要物质补充，二者是通过生物合成实现的。生命活动之所以能够有秩序地进行（如体温的恒定、运动的协调），是通过神经和体液的调节机能实现的，而实现调节离不开信息的接收、传递和利用。贯穿于整个生命过程中的物质、能量和信息三个量的变化、协调与统一，构成了生物体与非生物体的根本区别。因此，我们有理由把生命看做是自然界中的高级运动形式。

生命现象中的物理与物理化学过程

自然界中的生命现象也可以看作是生命物质基础—蛋白质与核酸物理和化学性质变化的总和。生物体不是由无定形的物质构成的，生物物质具有精细的分子结构和特定的空间构型。蛋白质和核酸这些生物大分子物质，其结构的任何一点细微变化都可以引起生物体生理机能的显著变化。生物体的个体发育和分化也是由生物大分子物质结构的特异性所决定的。生物大分子物质结构的不对称性（如旋光异构现象）也可能导致生物体个体结构的差异。

生物电活动是自然界中的一种普遍现象，有生命就有电活动。生物电现象是生命活动的一个基本过程，是生命活动中发生的某些物理学和物理化学变化的反映。生物电现象与机体生理活动密切相关，与组织和细胞的代谢活动也有着紧密的联系。通过研究生物电的活动特性与规律，可以了解生命活动规律，揭示生命的奥秘，一个专门的分支学科—“电生理学”所担当的就是这样一个任务。应该着重指出的是，动物，特别是高等哺乳动物，其机体具有极为完善的自动调节系统。实现生命活动的自动调节，神经系统起着主导作用。而神经系统的作用要靠生物电传递的信息（生物电是生物信息的载体），因此，通过神经生物电的研究也有助于揭示信息的传递和处理机制以及大脑活动的本质。

物体在适当的外力作用下会流动或变形的特性，称为物体的“流变性”。流变性是物体普遍具有的一种物理特性，“流变学”就是专门研究物体流变性的一门物理学分支学科。人和动物的游泳、行走和飞翔，肌肉的收缩和伸展，神经的兴奋和传导，各种体液（如血液等）的流动，脏器的舒张与运动，骨骼和肌腱的受力变形，细胞内外物质的交换，以及细胞的分裂与融合等等，无不与流变学有关，都是“生物流变学”的研究对象。近年来，又发展起一门专门研究血液、血管和心脏流变特性的“血液流变学”分支学科。生物流变学的研究内容更加广泛而深入，在众多生命现象的研究中有着重要的作用。

人和动物的感觉器官是其赖以生存的信息接收、处理系统。生物体通过感觉器官实现着与外界环境的协调与统一。感觉器官是换能器，它们可以把声能（听觉）、光能（视觉）和化学能（嗅觉和味觉）等转换为神经电能。感觉器官又是分析器，能够对接收到的信息进行加工和分析，使生物体产生感觉。不难看出，感觉器官的生命活动，伴随着大量的物理学和物理化学过程。研究这些过程是探索感觉机理不可缺少的工作。

前已提及，能量问题是生命现象中的中心问题之一。就一个生物体而言，不仅体内发生着各类能量转化过程，机体与外界环境之间也进行着不间断的能量转化，能量转化的结果，则是生物体吸收、储存和利用能量。自然界中的生物体所需的能量都来源于太阳，生物体借助光合作用从太阳光中取得和转化能量。因此，光合作用中的能量转化问题，是生物物理学的一个重要课题。研究生物能量的利用与转化的分支学科称为“生物力能学”。

研究生命活动的自动调控也是生物物理学的重要方面，并形成了一个称之为“生物控制论”的专门分支学科。生物控制论探讨生物体和机器中的控制原理并加以类比，主要目的在于构造能够正确反映人体和动物体控制功能的模型，以及建立相应的理论。

物理因素对生物体的作用

自然界中的各种物理因素对生物体有什么影响？作用程度和作用机制是怎样的？这是生物物理学关心的又一大类问题。

在环境中遇到的物理因素，最引人注目的是辐射，包括可见光、电离辐射（放射线）和宇宙射线。此外，环境物理因素还包括超重、失重、超声波和噪声污染等等。

研究光对生物体作用产生的生物效应，形成了一门“光生物学”分支学科。光对生物体的作用包括对小动物和植物的致死效应、植物及少数细菌的光合作用、对植物生长和动物行为的光效应，以及大动物长期曝露效应四个方面。从光的波段上来讲，又分为可见光和紫外线产生的生物效应。

出于保护人类生存环境的需要，以及随着原子能利用事业的发展，诞生了“放射生物学”分支学科。放射生物学研究的是核爆炸与放射性同位素产生的电离辐射对生物体损伤的规律和机制，并探讨进行防护的方法。

在宇宙航行中，确保宇航员的生命安全是重要问题之一。其中，搞清楚宇宙射线对人体的可能作用的机制与规律，成为重要的研究课题。在宇宙航行中产生的失重和超重对生物体的影响，与宇宙射线生物效应的研究一样，也是“宇宙生物学”的研究范围。

生物热力学与自组织

用物理学和化学方法对生物体进行分析研究时提出的问题，有很多又是可以用热力学理论来阐明的，这就形成了“生物热力学”分支学科。热力学第二定律用所谓的“熵”函数来衡量一个系统的均匀程度。熵越高，系统均匀程度就越高。根据热力学的理论，一个与外界没有物质和能量交换的孤立系统，运动的结果是使其熵增加；生命系统不是孤立系统，而是一种与外界不断进行着物质和能量交换的开放系统，运动的结果是使其熵处于比环境低的水平，也就是维持自身的有序状态。生物体的有序性表现为生物大分子物质具有严密的结构，以及生物体具有的生长发育、繁殖、衰老和死亡等生命活动规律。

现代物理学的一个重要进展，是研究宏观有序状态的形成，即“自组织”现象的成因，也就是研究各种微观世界混乱的分子运动在什么条件下会协调起来，形成宏观的有序运动和结构。这一成果也很快引进生物学研究之中。根据自组织的概念可知，生命系统是自组织系统，因为生命结构不仅在空间上具有一定的有序性，而且它们的运动也有一定的规律性。生物自组织不仅涉及到有序结构按程序的组织，也涉及到这些程序的设计过程。

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