生命科学中的若干物理问题，本文主要内容关键词为：生命科学论文,物理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
在过去的一个世纪中，科学的许多领域沐浴在物理学灿烂的辉煌之中，在这个物理学大师辈出的年代，物理学突破了独领风骚三百年的牛顿力学，迈向了由量子力学和相对论所开创的新纪元。从此人类对物质世界的认识借助于先进的科学仪器，在量子论的指导下，深入到了分子、原子、电子、原子核等更深的层次。这一巨大的发展不仅使物理学自身达到了新的巅峰，同时由于物理学向其他学科的渗透，也带动了其他学科如化学、生物、医学等的长足发展。科学正在以前所未有的发展速度迈向了新世纪，而生命科学带给新世纪的献礼是人类基因组的测定，2001年2月英国的自然科学权威杂志《Nature》公布了人类基因组的草图，这一原计划费时15年、后来因技术的改进缩短至13年的庞大科学计划、将于2003年完成人类DNA3万个基因的鉴定及DNA中30 亿对碱基对序列的测定。这意味着人类开始掌握自身遗传的全部密码，人类有可能从基因入手，从根本上解决各种疾病，为人类的健康带来巨大的福音。尽管科学具有建设和破坏的双重性，生命科学也不例外，但历史发展的经验告诉我们，科学给人类造福的一面远胜于其带来灾难的一面。在这样的一种大趋势下，一批有胆识的科学家提出了“21世纪是生命科学的世纪”的设想。
事实上，生命科学在20世纪已经取得了巨大的发展，特别是分子生物学的兴起，令生物科学摆脱了长期以来以描述性为主的发展方向，深入到了分子水平上揭示生命发展的规律。分子生物学的研究，涉及生命现象最本质的内容，它把生物体中个体的差异，生命活动中各个环节的作用等各个层次的生命运动纳入其研究范围，在新的高度上揭示生命的奥秘，即使向来十分倚重于个体描述的生物分类和进化，也可以运用分子生物学的手段，在遗传基因的层次上进行生物分类和种群进化的研究。可见，生命科学由于分子生物学的介入和发展，已具备了和物理、数学那样的精确性，尽管在程度上还相去甚远，然而这也正是精密学科如物理、数学能够发挥长处的地方。
科学之所以能够持续发展，其动力在于对未知世界不断发起的挑战。物理学在新的形势下要谋求更大的发展，势必要开拓新的领域。物理学与生命科学的结合将是本世纪物理学发展的一个重要方向之一。物理学研究方法的特点是从复杂的万象中找出普遍的规律，这样的运动规律具有很强的普适性、绝对性和精确性。而生物现象中普遍性的规律也不例外，然而个体的差异，即特殊规律在生命的形成和发展过程中同样起着重要的作用。因此，物理学工作者以怎样的思想方式介入生命科学的发展过程，将极大地影响个人在该领域内所发挥的作用和所取得的成就。
本文就生命科学中的若干物理问题作一点初浅的介绍，希望能够起到抛砖引玉的作用。
二、生命科学的特点与软物质科学
生命科学最大的特点在于其复杂性。生物体小如单细胞的细菌到多细胞体的人体，都具有生命的基本特征，即自我复制和新陈代谢的功能；而人类在这一基础上获得了更为高级的功能如人的意识活动。人类大脑思维活动代表了生命运动最高层次的复杂性。就构成生命的主体物质而言，其功能大分子为DNA（脱氧核糖核酸）、RNA（核糖核酸）和蛋白质。DNA是生命信息复制、遗传的载体，它由四个碱基（A、G、C、T ）以不同的排列顺序不断重复所构成的长链。DNA 以双股核苷酸链的形式存在，在双股链之间根据碱基的性质严格按照两两配对的关系。复制时双链解离，各以单链为模板，按照上述配对原则，合成一条新的单链，形成了和原来完全相同的两个双股DNA分子。DNA的复制过程极为可靠，发生错误的可能性为1万亿分之一。DNA 将遗传信息转录给RNA ， 因此RNA也被称做为信使RNA。RNA将DNA的转录信息变成蛋白质中的氨基酸序列。
蛋白质是由20种氨基酸按一定次序排列而成的大分子，是生命表现的主要形式，氨基酸的排列次序由DNA的排列次序所决定。 仅仅有了氨基酸的排列次序尚不足以保证蛋白质的生物活性。活性蛋白质具有特定的空间结构，这种活性结构只有在一定的温度范围内才能稳定，过热或过冷及电解质浓度过高都会破坏这种结构，导致蛋白质的失活。而活性结构并不一定和热力学最稳定的结构相对应。由此可见，在分子的层次上，生命体系是一个复杂的多体问题，对于“多体”和“多自由度”问题的处理，物理学通常采用统计平均的方法。该方法是基于经典力学中各态历经的假定，即认为一个力学系统或迟或早会经历能量上允许的一切状态。由此可见，各态历经的假定并不适用于生命过程的多体系统。
生命现象是目前仅在地球生物圈有限的时空和狭窄的温度和湿度范围内所观察到的特有现象，人们赞美生命之顽强正是基于生命本质上的脆弱。生命科学的理论和规律常有例外，它们既不能还原成简单的物理法则，也不会违反基本的物理规律。正如A.L.Lehninger 在他著名的生化著作中所说的那样：“生物体与所有自然过程遵从相同的物理规律”。那么，生命科学中的物理规律有什么特殊之处呢？我国著名的物理学家彭桓武院士指出“我认为目前还有待于物理的进一步发展到一个新的阶段才能同生物学紧密联系起来，也才能促进生物物理有大的发展。”因此，如何找到能够很好沟通物理和生物学的一种物理学语言，是物理学更深入广泛渗透到生命科学中去的主要任务之一。
当前物理学中兴起的一门分支软物质科学顺应了这种发展趋势。 20世纪的物理学开拓了对物质世界的新认识，相对论和量子力学起了支配作用。相对论揭示了质量和能量、时间和空间之间的深刻联系，量子论揭示了微观世界的基本运动规律。在此基础上，研究和深入认识了“硬物质”（如金属、半导体及各种功能物质），对技术和社会产生了巨大推动作用。然而，却存在另一些类型的物质，其运动规律和行为主要不是由量子力学和相对论的基本原理直接导出，软物质就是这样的领域，其自组织行为和宿放对称性是由内在特殊相互作用和随机涨落而引起。软物质类似物质相变临界现象的状态。尽管人们接触软物质已有很长的历史，并对若干体系（如液晶）作了许多研究工作。但将软物质作为一类普遍物质形态讲行深入物理研究还只有十余年。在20世纪80年代末，一般以复杂液体（complex fluid）一词来概括此类物质。1991年，被冠以“当代牛顿”的法国著名物理学家，诺贝尔奖获得者de Gennes在诺贝尔奖授奖会上以“软物质”为演讲题目，引起广泛关注。近年来，国际上许多大学和研究机构均在大力开展软物质的研究。美国和欧洲各国开展研究比较广泛深入，日本科技厅也设立重大项目支持此类研究，已成为凝聚态物理的活跃领域。软物质的研究横跨物理、化学、生物三大学科，特别是软物质物理研究的深入开展，是物理科学通向生命科学的桥梁，软物质物理代表了在21 世纪凝聚态物理发展的重要趋向。2001年3月在美国西亚图举行的美国物理年会上，软物质科学作为单列的研讨学科，是大会的热门学科之一。
生命体系中的DNA及蛋白分子，分子量很大， 含有成千上万个原子，原子间的相互作用不可忽略，原子、分子间的弱键作用（范德华力、氢键和盐键）保持了生物大分子的特定结构，同时与周围的溶剂分子相互作用，使生物大分子具有一定的柔韧性，这些特点正是软物质科学的研究对象，因此，软物质科学的发展可望给生命科学的研究带来更新和更深刻的内容。
三、物理学影响生命科学发展进程的若干重要贡献的回顾
生物科学发展到今天分子生物学的水平，离不开物理学长期以来发展起来的各种技术设备，同时物理学的思想也为分子遗传学奠定了基础，迄今广为生物科学所用的技术设备有：显微镜、X射线、 同位素示踪、中子衍射、多维核磁共振仪、同步辐射、激光、电镜及扫描隧道显微镜等。
在解决生物大分子结构方面最令人瞩目的成就大多是有X 射线晶体学完成的。1895年德国物理学家伦琴（Wilhelm Conrad.Rontgen）发明了X射线，1912年德国物理学家劳厄（Max von Laue）发现了X射线的晶体衍射现象，1913年英国物理学家布拉格父子（William Henry Bragg，William Lawrance Bragg）提出了X射线的衍射方程，奠定了X射线用于测量晶体分子结构的物理基础。Bernal和Crowfoot率先研究了蛋白质的晶体结构，他们于1939年对胃蛋白酶进行了晶体衍射研究，证明胃蛋白酶是一种有序的三维结构。奥地利血统的英国化学家Perutz（Max Ferdinand Perutz）等于1952年首先研究了血红蛋白和肌红蛋白的晶体结构。英国科学家Kendrew（John Cowdery Kendrew）于1957 年解出了肌红蛋白的高分辨率结构，实现了人类历史上第一次蛋白质三维空间结构的测定。Perutz于1959年解出了血红蛋白质的高分辨率结构，两人共享1962年度诺贝尔化学奖。同时英国女科学家、诺贝尔奖获得者Hodgkin（Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin）等于1972年测出了胰岛素的晶体结构。中国科学家在这一领域激烈的角逐中也取得了令人骄傲的成就。60年代初，我国科学家率先实现了胰岛素A链和B链的人工化学全合成，并实现了A链和B链的对接，获得了具有100％生物活性的胰岛素，并由梁栋材院士领导的研究组完成了高分辨率结构测定，毫不夸张地说，这项工作是我国科学家在生命科学的基础研究中一项具有诺贝尔奖水平的研究工作。
另一方面，朴素的物理学思想在生命科学发展的进程中同样起了至关重要的作用。生命的遗传本质问题就是一个典型的例子。提出量子力学中著名的波动方程的奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schrodinger ）1944年出版了一本名为“生命是什么”（What is life？）的小册子，作者在书中明确地提出了DNA可能是生命信息编码的载体， 这一思想极大地影响和鼓舞了当时的年轻科学家。1953年华生（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）提出了DNA的双螺旋结构模型，一举奠定了分子遗传学的结构基础，薛定谔的思想可谓是功不可没。DNA是由四个碱基对按一定的顺序排列而成的， 接下来的问题是DNA中碱基的顺序是如何控制蛋白质合成，并对20 个氨基酸进行编码的呢？1954年天文学家盖莫夫（Geroge Gamow）基于以下的数学考虑提出了DNA的三联密码学说。四个碱基不足以以一一对应的方式对20 个氨基酸进行编码。而这些碱基的组合就可能形成DNA的遗传密码子。如果四个碱基组成二联密码子，按照全排列的方式，有4[2]＝16种方式，不能够对全部的20个氨基酸进行编码，因此至少要三联密码子，才能实现对20个氨基酸的完全编码，三联密码子有4[3]＝64种编码方式，盖莫夫进而指出，三联密码存在冗余量，即一部分密码是简并的。该学说为DNA遗传密码的探索指明了方向。后来的实验证明，DNA确实是通过三联密码控制蛋白质合成中氨基酸的序列的。以上事例充分说明了物理学思想对生命科学研究的重要性。
四、生命科学中的若干物理问题
4.1 遗传密码问题
随着人类基因组的完全测定，人类获得了包含生命奥秘全部信息的一本“天书”，这本书由四个字符AGCT写成，若每页印刷3000个字符的话，共有100万页。人类获得这本天书的时候， 并不意味着生命的奥秘已被全部揭示，而恰恰是破译生命奥秘的开始。这本天书没有标点，没有句法，而他控制的不仅仅是蛋白质氨基酸的序列，还包括生命在每一时间段上的不同表现，因此DNA信息的控制还包括时间维上的控制。 从DNA到蛋白质，已经可以通过三联密码进行破译， 然而对于更长的编码，到底代表什么意义，目前还知之甚少。研究表明，通过统计方法分析核酸编码序列得出的结论是，统计性质往往偏离随机序列不远，也就是说，传统的统计方法不足以揭示密码的相关排列。另外，能够被表达成蛋白质的有意义的DNA仅占DNA总量的5％，占人类基因组约95 ％左右的“废物”DNA的信息运作规律尚未突破，这些“废物”DNA承载着怎样的遗传信息，什么情况下被激活，是否代表将来人类演化的方向等将是十分有意义的研究课题。
人类遗传基因组的成果可为全世界范围的科学研究所共享，为每个有志于“解读”生命奥秘的科学家提供了一个均等的机会，同时也给生物科学的研究开辟了新的方向。正如诺贝尔奖获得者Gilbert （Walter Gilbert）早在十多年前就指出的那样：“传统的生物学解决问题的方式还是完全实验的，而正在建立的新模式是：基于全部基因都将知晓，并以电子技术可操作的方式驻留在数据库中，生物研究的出发点应是理论的。一个科学家将从理论推出假定，然后再返回到实验中去，追踪或验证这些假定”。可见，对遗传密码的理论研究日益重要，而通过理论预测基因结构，再通过实验中蛋白质的表达，验证结构和功能的关系，该研究模式标志着新世纪生命科学研究中后基因时代的开始。
4.2 蛋白质折叠问题
蛋白质是生命运动的表现形式，生命运动大多是通过蛋白质来实现的。蛋白质就其组成而言，是由二十种氨基酸按一定次序结合而成的长短不一的多肽链，并折叠成具有活性的空间结构。在大多数情况下，蛋白质无论是来自于动物组织还是来源于人工合成，其活性结构是相同的。诺贝尔奖获得者Anfinsen（Christian B Anfinsen）早在六十年代就提出了“蛋白质的活性结构由氨基酸排列次序所唯一确定”，即所谓的中心法则，迄今这一法则虽然有少数例外，仍然不失为一条生物学中的规律，以至有不少科学家主张遗传学中的第二密码，即蛋白质氨基酸的次序决定蛋白质的活性结构。另一方面，蛋白质在生物体内被合成的时候是一条多肽链，也称作新生肽，新生肽如何能够折叠成唯一的活性结构目前尚未有定论，这便是所谓的蛋白质折叠问题，是生命科学中的重大基础问题之一。
蛋白质折叠问题的物理图象是氨基酸多肽链如何从具有众多自由度的构像空间中沿着一条适当的途径，实现其活性折叠结构。显然这一过程不是盲目的，也不是各态历遍的过程，理论和实验两方面的研究将有助于该问题的最终解决。目前，理论上研究蛋白质折叠问题大多采用分子动力学模拟的方法。而实验上目前使用激光拔动蛋白质结构的方法可将蛋白质折叠动力学时间分辨提高到50皮秒（10[－12]秒）。
4.3 生物形态的形成问题
生物世界的特点是其多样性和个体间的区别，以至世界上芸芸众生当中没有两张完全一样的面孔。尽管如此，生命通过各种各样的形式展示出造物在数学规律上的一致性。花卉的几何对称，典型的蜗牛螺旋线，斑马身上的条纹，这些仅仅是生物形态数学规律的一角。生物生长形态的数学规律中一个典型的例子是斐波纳契（Fibonacci）数列，该数列形成这样的序列，即1，2，3，5，8，13，21，34，55等， 每一个数都是前面两数之和。在某些植物形态中，如松果、菠萝及向日葵，它们的茎、皮及籽实显示了一种螺旋状排列，一些呈顺时针，一些呈逆时针。植物学家发现，在自然界中，这两种螺旋结构只会以某些“神奇”的组合同时出现。如21个顺时针、34个逆时针，或34个顺时针和55个逆时针。这些数都符合斐波纳契级数。植物是如何知道这个序列的奥秘的呢？科学家为此苦苦思索了几个世纪。迄今为止，最好的解释是1992年由两位法国数学家伊夫·库代和斯特凡尼·杜阿迪提出来的。他们证明，斐波纳契数列使花朵顶端的种子最多。
生物的演化过程是一个由低级到高级、由简单到复杂、由无序到有序的过程。这一过程恰恰是热力学预言的反过程。生物体是如何获得具有高度自组织的有序结构、并且是遵循怎样的物理规律的呢？薛定谔在其1944年出版的“生命是什么”的一书中就尝试着作出回答，并提出了“负熵”的概念。50年代图灵（Allen Turing，计算机科学中提出图灵机的数学家）从非线性化学反应与扩散过程相耦合的角度，阐明了如何从均匀系统中产生非均匀花样图形。70年代诺贝尔奖获得者普理高津（Ilya Prigogine）提出了耗散结构理论，从热力学的角度阐明了生命系统的发生并不违反热力学第二定律，不同于热力学第二定律所描述的封闭系统，生物体系首先是一个开放系统，与外界环境存在物质和能量的交换；其次是生命系统从外界获得负熵流，以保持系统的有序结构。然而，无论是从宏观的描述还是从微观的分子水平的描述，远未达到由基因出发描述生物体宏观形态的发生的水平。因此，如何从生物系统的特殊规律出发，在物理学的框架内构造生物形态的发生、发育及成长的动力学将是今后生物物理学研究的热点之一。
4.4 生物神经信号传导问题
物理学中信号的传播可分为依赖于传播介质和不依赖于传播介质的两种传播方式。前一种方式常见的有电子及载流子的传播，后一方式为无线电的传播。生物学中，神经信号的传导是前一种方式，是通过离子在由膜蛋白构成的离子通道内的定向运动而实现的。历史上电学和生理学是同时诞生的。1971年意大利科学家伽伐尼（Luigi Galvani ）在做青蛙解剖实验时，用金属线接触青蛙被肢解的腿部，观察到青蛙腿部的颤动，开创了电生理学研究的先河。人的动作、思维对外界反应的感知等各种生理反应都是通过神经网络的动作电位而实现的。而神经网络上信号传递的实质是电流传导，或者说是离子的定向迁移。神经细胞感受膜内外离子梯度的变化，并由门控制通道控制离子通道的开启，实现生命运动的复杂控制。1991年Weiss 测定了离子通道膜蛋白的高分辨率结构，表明离子通道蛋白膜孔蛋白（porins）以β折叠为主，由几个β片层蛋白彼此以氢键相连，并首尾连成筒状体。离子通道具有选择性通过特定离子的功能，通常所说的钾离子和钙离子通道指的就是这种选择功能。关于神经信号的传导问题，至少在以下两个方面值得物理学家做一番深入的研究：1.依据离子通道膜蛋白的结构，研究通道的选择性及门控制的分子机制与通道蛋白构像变化的相关性；2.研究控制离子通道的复杂动力学机制，深刻了解生命过程的高级活动。
4.5 分子马达问题
强壮的肌肉是力量的象征。生理学研究表明，这种力量来自于肌肉的收缩。肌肉组织是由蛋白构成的。不仅肌肉的收缩源自于蛋白质的运动，细胞的分裂过程也依赖于蛋白质的运动。当母细胞发生有丝分裂时，如人的23对染色体先进行自我复制，变成46对染色体，然后由丝状体蛋白产生的动力将46对染色体拆成两半，形成双核，并拉伸细胞膜。细胞膜在两核的连线上被拉长，直至两核中间的细胞膜破裂，并在断裂处各自融合，形成两个子细胞，完成细胞的增殖过程。那么蛋白质又是如何发生运动、使蛋白质发生定向运动的原动力又是什么呢？以肌肉的收缩运动为例，肌肉收缩时，肌纤丝的运动是由粗纤丝（由肌球蛋白组成）和细纤丝（由肌动蛋白组成）彼此相互滑动的结果。分子水平上的研究揭示，肌动蛋白能聚合成细纤丝，当肌球蛋白附着于肌动蛋白的细纤丝上时，肌球蛋白能沿着纤丝作定向运动。作机械运动的能量来自于一种称作三磷酸腺苷（ATP）的化学物质，肌动蛋白与肌球蛋白相互作用时，肌球蛋白将ATP的化学能转变成机械能。 肌球蛋白的这一功能和马达的作用十分相似，因此获得了马达分子的称号。近年来，运用激光物理学中发展起来的光镊技术，测得单个肌球蛋白分子平均产生的力约3—4皮牛（10[－12]牛顿）。一个肌球蛋白分子推动肌动蛋白丝的位移为11纳米（1.1×10[－8]米）。
迄今，已有近百种马达蛋白分子已被确定，实验技术的发展已经达到测定单个马达分子运动的水平。马达分子的能量转换机制及所产生机械力的本质不仅是分子生物学中最引人瞩目的问题之一，也是物理学和生命科学相结合的又一生长点。
五、结束语
生命科学令人感到既神秘又熟悉，探索生命过程将是一个漫长的过程，中间既充满科学的挑战也不泛人类道德、伦理等社会问题。在生命科学的探索中，先进的仪器和设备固然重要，更重要的是新的学术思想。纵观生命科学的发展历史，一些重要的原创性的思想听起来并非高深莫测，关键在于对原有观念的突破。在当今计算机信息共享的时代，在这一领域的专家并不比一个业余爱好者在资料拥有方面具有太多的优势，这便为更多有志于探索生命科学奥秘的人们敞开了大门。
本文对物理学某些方面对生命科学的贡献做了简单的回顾，分析了当今生命科学研究的某些特点，并按照个人的观点选择性地列出了物理学与生命科学相结合的五个方向，难免有以偏概全之嫌，不当之处，恳请指正。
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