生物物理学
生物物理学（biophysics），是用物理学的理论和方法研究生物学问题，并研究生命现象中物理学规律的交叉学科。生物物理学一词最初是由卡尔·皮尔逊（英语：Karl Pearson）在1892年引入的。17世纪，德国科学家基歇尔（A.Kircher）对生物发光的研究，是最古老的生物物理学探索课题。此后，随着大量生理学家对细胞、组织等的研究以及生物物理学技术的发展与应用。多种开拓性研究成果促使传统生物学从纯描述性阶段进入到定量的、阐释本质的发展阶段，生物物理学也便作为一门新的独立的交叉学科应运而生。
生物物理学研究对象是细胞、器官、植物、动物及人体。主要研究内容包括分子生物物理、理论生物物理、生命系统中的生物物理、外界物理因素对机体的影响以及生物物理的仪器技术。生物物理学的发展对生物学从定性向定量、从描述现象到形成具有数学和物理基础理论依据的精确科学的发展具有重大意义。它促进了生命科学各分支学科之间的交叉与融合，如：分子生物学、物理力学、生理学、系统生物学等，为阐明生命现象的本质和规律提供了更深入的理论和方法。生物物理学也在医学、药学、农业等方面广泛应用。
发展简史
17世纪，德国科学家基歇尔（A.Kircher）对生物发光的研究，是最古老的生物物理学探索课题。18~19世纪，意大利科学家路易吉·伽伐尼（L.Galvani）和亚历山德罗·伏特（A.Volta）、德国生理学家杜布瓦雷蒙（E.H.du Bois-Reymond）等的观察和实验，已经认识到活组织可以产生电流并导致肌肉收缩。1834年，恩斯特·海因里希·韦伯（Ernst Heinrich Weber）在《论触觉的精确性》和《触觉与通感》两本书中探索了皮肤的神经系统如何导致对空间的感知，人类如何通过肌肉、神经和皮肤来感知重量和温度的差别。1847年，赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）发布了关于能量守恒的论文，该论文是在他的医学研究和哲学背景背景下写成的。在研究肌肉新陈代谢的过程中，他开始研究能量守恒，试图证明肌肉运动时不会损失能量。1848年，杜布瓦雷蒙（Du Bois-Reymond）研究了肌肉神经，并发现了静息电位和动作电位。伯恩斯坦（Bernstein）测定了动作电位的传导速度等美国科学家卡顿（R.Caton）又发现脑中存在微弱电流，从而认识到，可以从生物电流的物理特性入手了解生理功能。凡此种种的研究活动，均属于生物物理学的范畴。。
生物物理学能够发展成为一门新的独立学科，更主要的则是得益于生物物理学技术的发展与应用。19世纪末，德国物理学家威廉·伦琴（Wilhelm Röntgen）发现了X射线，之后英国物理学家布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.Bragg）在德国物理学家劳（M.Laue）发现X射线通过晶体产生衍射的基础上，进行了一系列实验，提出X射线衍射定律（布拉格公式），由此诞生了X射线晶体衍射分析技术。这一典型的物理学技术逐渐被应用于精确研究生物大分子的三维结构，英国科学家佩鲁茨，M.F.（M.F.Perutz）和肯德鲁（J.C.Kendrew）解析出血红蛋白和肌红蛋白的分子结构。1926年，威廉·T·波维（William T. Bovie）和外科医生哈维·库欣（Harvey Cushing）共同研制出了第一台高频电刀器械，大力推动了电外科手术的发展。美国遗传学家沃森（J.D.Watson）和英国物理学家弗朗西斯·克里克（F.H.Crick）在英国剑桥大学合作，于1953年4月25日发表《自然》杂志（Nature），展示了他们的研究结果——脱氧核糖核酸双螺旋结构的分子模型。依据英国晶体衍射学家莫里斯·威尔金斯（M.Wilkins）和本杰明·富兰克林（R.Franklin）的DNAX射线衍射资料，以及当时其他科学家对DNA中碱基含量的测定结果、氢键连接的碱基中嘌呤有吸引嘧啶的趋势等资料和信息，沃森与克里克进行了分析与综合，提出了生命遗传物质DNA分子的双螺旋结构模型，成为20世纪自然科学的一项重大突破。
20世纪20年代中期，埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger）提出了量子过程在生命现象中的概念，并于1935年在都柏林期间他写了《生命是什么?》（英语：《What Is Life?》）在文中他依据热力学定律对细胞功能做出了合理解释。埃尔温·薛定谔认为基因控制着任何系统中都存在的，或者说是无序状态，并且认为生命的要素可因此通过其化学和物理性质被完全获知。罗杰·彭洛斯评价道：“《生命是什么?》象征着对理解生命中某些真正神秘事物的一次有力尝试，是本世纪最具影响力的科学著作之一”。
上述这些开拓性研究成果，促使传统生物学从纯描述性阶段进入到定量的、阐释本质的发展阶段，吸引了科学界对应用物理学的理论与方法解决生物学问题的关注，生物物理学也便作为一门新的独立的交叉学科应运而生。
研究对象
生物物理学研究对象是细胞、器官、植物、动物及人体。
细胞
研究细胞内物物理过程和生物物理变化的科学，是细胞水平的生物物理学。细胞内的生物物理过程和变化主要包括物质的转运、能量的转换和信息的传递三个方面。
植物
研究各种环境因子对植物生理过程的影响，是植物生物物理学的的部分。例如，探讨光照，温度，湿度和土壤水分这些因子对于光合作用、呼吸作用、蒸腾作用和生长发育等生理过程的影响。
器官
器官组成了不同功能的系统。生物物理学中对器官和系统水平这方面的研究着重于阐明器官和系统对于机体有什么作用，它是怎么样进行活动的，它的活动受到哪些因素的控制等。例如，关于心血管组成的血液循环系统的生理功能研究，需要阐明心脏各部分如何协同活动、心脏如何射血、血管如何调配血液供给、血管内血液流动的动力和阻力、心血管活动如何调节等规律。
动物和人体
动物和人体的生命活动，是一个复杂的过程。但是，不论生命现象如何复杂，它们都是以体内具体的物理，化学过程为基础的。例如用力学知识去解释、动物和人体的运动，血液循环，声音在听觉器官中的传导，用电磁理论去探讨体内电的产生，用光学知识去说明眼成象原理等等。
研究内容
分子生物物理的研究
生物物理学中的分子生物物理研究主要关注生物大分子的结构与功能之间的关系。生物大分子的复杂结构决定了其功能，因此生物大分子结构的测定是研究其功能的基础。生物大分子的结构测定包括粗略物理结构的测定、化学结构的测定和高级结构的测定。粗略物理结构的测定主要涉及生物大分子的基本物理性质，如分子量、外形和种类。常用的测定技术包括渗透压、扩散、光散射和沉降速度等。
理论生物物理研究
理论生物物理的目标是在收集生物事实的基础上进行抽象、简化和统一，形成概念性的体系，从而深化对已知事实的理解，并对未知事实进行预测。理论生物物理的研究可以涉及生物分子理论、生物分子群体理论和高级群体理论等多个方面。
生命系统中功能单位的生物物理研究
生命系统中功能单位的生物物理研究涉及许多不同的领域。这些功能单位包括感觉器官（如听觉和视觉）、生物膜、肌肉、神经和大脑等。其中，生物膜是近年来最热门的研究领域之一。
生物膜是由磷脂和蛋白质构成的，其结构可以用流动镶嵌模型进行解释。研究表明，在生物体的氧化磷酸化过程中，通过呼吸链酶系的作用，膜的两侧形成质子梯度差，这个梯度差是生物能量的来源。因此，膜在生物能的产生中起着重要的作用。此外，膜还与细胞的相互作用、细胞的分裂和繁殖功能以及药物对细胞的作用等重要的生命功能密切相关。
生物感受器也是生物物理学研究的重要课题。生物与环境之间、生物与生物之间以及生物体内各部分之间通过感受器进行信息交流。感受器可以分为遥感型感受器（如眼和耳，用于接收远距离的信息）、化学感受器（如味觉和嗅觉）、体感受器（如触觉、压力觉、温度觉和痛觉）以及内胜感受器（如饥饿感、口渴感和大小便紧迫感等）。这些感受器在信息交流中起着将一种形式的能量转换成另一种形式的能量，并将信息从一种编码转化为另一种编码的功能。
生物物理学致力于研究这些感受器在信息交流中的频率变化、信息传递和处理等过程。通过深入探究功能单位的生物物理特性，我们可以更好地理解生命系统的工作原理和生物功能的实现。
外界物理因素对机体的影响
研究光、电离辐射、基本粒子等对机体作用的原初过程，包括能量吸收、传递与转换，活性分子（如激发态、自由基等）的产生与作用机制，以及在产生生物化学变化以前的—系列反应及其防护原理。由此也诞生了生物光学、生物电学、生物声学、辐射生物学等相关学科。
生物物理的仪器技术研究
生物物理的仪器技术研究可以分为仪器研究和技术研究两个方面。仪器研究主要关注生物物理研究中常用的三类仪器：显微形态分析仪器、分离分析仪器和成分和结构分析仪器。显微形态分析仪器包括光学显微镜、电子显微镜、放射自显影和X射线断层分析技术等。分离分析仪器包括离心电泳和色谱分析等。成分和结构分析仪器包括各类分光光度计、核磁共振仪、电子顺磁共振仪和X光衍射技术等。技术研究则关注如何有效地运用这些生物仪器进行生物实验，包括样品制备技术、电子计算机的应用技术以及测试结果的分析技术等。
与其他学科的联系
分子生物物理学
生物物理学分支之一，专门从分子水平研究生命现象的物质基础及其本质的科学。研究内容包括：构成生命的主要物质——蛋白质和核酸等生物大分子的结构、构象以及由此而产生的各种物理性质，生物大分子的能量状态变化及与其结构和功能之间的关系，运用量子力学研究生物大分子的结构和行为等。
细胞生物物理学
生物物理学分支之一，通过研究细胞与细胞器（细胞膜细胞核和细胞质等）的物理性质和物理行为以及细胞内的物理过程和物理现象来了解细胞结构与功能的关系，以阐明生命在这一水平的表现特点和本质。研究内容主要包括细胞和细胞器的各种功能，如离子转运、融合、出胞和入胞作用、细胞连接、通讯和识别、细胞分化和自组织等与其结构的关系等。其中对细胞膜的研究已成为当前的研究重点。
生物力学
应用物理力学的理论和方法来研究生物和人体的力学性质和力学行为，以及在时间和空间上发生位置移动和运动的力学规律的科学。研究内容主要包括宏观生物力学和微观生物力学两大类。属于宏观生物力学的有生物系统运动的生物力学、生物流变学、生物组织的材料力学、生物系统外部和内部流体力学、生物系统结构的静力学和动力学等，而属于微观生物力学的有细胞和细胞器及其构成成分蛋白质等生物大分子的力学性质研究。
生物流体力学
生物力学分支之一，应用流体力学的理论和方法研究流体（液体和气体）在生物机体内部以及与外环境之间不断流动的力学规律和生理意义的科学。研究内容可分为生物系统内部流体力学和生物系统外部流体力学两大类。了解流体的流量、流态和流速之间的相互关系以及流体沿之流动的管道的力学性质对流速、流量和流态的影响，是前者的主要任务。而研究生物机体和人体在液体或气体中发生位置移动和运动与流体之间的力学作用规律（如鱼在水中的游动、鸟在空气中的飞翔等），则是后者的主要任务。
生物流变学
生物力学分支之一。应用流变学的理论和方法来研究生物机体及其组成系统、器官、组织、细胞和生物大分子蛋白质和核酸等的流变性质和流变行为以及它们所表现的生命活动中的各种流变现象和流变过程的科学。研究内容可分为生物流体流变学和生物固体（粘弹性体）流变学两大类。在前一类中对血液的流变性及其在血液循环中的作用的研究已成为当前的研究重点，而在后一类中对细胞膜和血管的流变性研究占主要地位。
血液流变学
生物流变学分支之一。研究人和动物体内血液的流动和变形（即流变性）的科学。如将血液当作一个连续的、均一的液体，从组织水平研究血液流变性对血液循环的影响和调节，称“宏观血液流变学”；如将血液当作不连续的、非均一的多相系统，从细胞和分子水平探讨构成血液的有形和无形成分对血液流变性的影响和调节，称“微观血液流变学”。从广义说，研究心脏和血管粘弹性对血液流变性的影响和作用，以了解血液、血管和心脏之间的相互作用和依赖关系也包括在本学科范围内。
临床血液流变学
血液流变学分支之一。研究血液的流变性和粘滞性在各种疾病时的变化规律及其在疾病的诊断和鉴别诊断、治疗和预防以及病因研究中的意义和作用的科学。研究内容主要包括高血液粘滞度综合征和低血液粘滞度综合征以及通过改善血液的流变性和粘滞性来纠正血液循环障碍和加强全身或局部血液供给的血液流变学疗法。
生物电学
又叫“电生物物理学”。是研究生物机体或构成部分一一组织、器官、细胞或细胞器的电学性质以及生命活动过程中所产生的电压或电流变化规律的科学。研究内容主要包括生物电学性质和电现象的产生原因、生物电的类型和表现特点以及它们在生命活动过程中的意义及其利用等。
生物声学
又叫“声生物物理学”。研究不同频率的声波在生物介质内的传播规律，生物机体对声波门区应以及发生在生物机体内的声波通信的科学。研究内容主要包括不同频率的声饭在生物介质内吸收和散射的特点，声波的生物效应，特别是低频噪声对生物机体的损伤作用以及动物声波发射器官及接收器官的声学性质和工作原理、听觉器官的工作原理和种间声波通信等。
生物光学
又叫“光生物物理学”。研究可见光和紫外光等低能辐射对生物机体作用的原初光物理和原初光化学过程的科学。低能辐射对生物机体作用的特点是引起分子的激发态、能量及电子的转移和传递等反应。研究内容主要包括植物的光合作用、动物的视觉、生物发光、光运动和光周期、光动力作用和光复活作用以及低能辐射对生物的刺激和损伤效应等。
生物能力学
探讨能量在生物体内的释放和储存、传递和转换、消耗和利用的科学。如研究光能如何经过叶绿体的作用变成化学能，生物体内的化学能又如何变成热能、机械能等，或被利用来进行物质合成和机械运动等生命活动。
辐射生物学
亦称“放射生物学”。研究X射线、Y射线等高能辐射能对生物和人体产生激发和电离作用等原初反应的科学。电离辐射在适宜的剂量和条件下，可促进生物的生长和发育，诱发遗传性变异或杀死病变组织（如肿瘤等）；在较高剂量的情况下，会引起病变以至死亡。随着原子能在工、农、医等方面利用的推广，又鉴于霸权主义的战争威胁依然存在，如何利用电离辐射的有益方面，防止和修复辐射。
应用
医学方面的应用
生物物理学在医学领域的应用非常广泛，包括细胞生物学、生物分子、人体生理机能的研究，为疾病的预防、诊断、治疗和药物研发提供支持。例如，生物物理学在细胞生物学方面的应用可以帮助破解许多疾病的谜团，如国外科学家通过使用超分辨率显微技术，已经解析了许多病毒、癌细胞等细胞结构和运作机制，为疾病的发病机理和治疗提供了全新的视角和思路。此外，生物物理学在诊断与治疗方面也有重要应用，研究人员可以通过研究人体内生物大分子的特性，来发现和诊断某些疾病，比如利用毒蕈碱结合蛋白鉴定特定癌症，以及胰岛素等分子的结构调节，进而研究药物的配方，制定合理的治疗方案。
基础医学应用
生物物理学在基础医学问题方面做出了重要贡献。由于对许多疾病的发生机制不清楚，通过荧光分析、核磁共振及细胞电泳等技术被广泛应用，以了解细胞及其分子层面的变化。生物物理学的研究对于理解细胞及其质膜在癌变过程中的变化，以及核酸和蛋白质等大分子的晶体结构及溶液构象的改变，提供了重要的见解。
生物物理学对自由基的研究也推动了自由基病理学的发展，这涉及到辐射损伤、衰老、毒物作用及心血管疾病等多种病理过程。此外，量子生物学的发展也为阐明某些物质为什么具有致癌活性的规律提供了证据，并为提高药物疗效开辟了途径。生物物理学在基础医学问题上的研究为理解疾病的发生机制、诊断和治疗方法提供了关键的见解，进一步推动了医学的进步。
临床实践中的应用
生物物理学在临床实践中的应用日益显现其价值。例如，血液流变学指标的测量对诊断红细胞增多症、慢性白血病、心肌梗死与冠状动脉栓塞症、糖尿病等具有重要意义。磁共振成像（MRI）作为一种无损伤的诊断技术，已在诊断脑内及内脏疾病上得到广泛应用。
在治疗方法上，生物物理学的研究也发挥了关键作用。例如，光敏氧化或动力学作用治疗是一种利用光能传递能量以达到治疗目的的方法，已被广泛应用于治疗癌症。另一种治疗方法是利用人工膜载带药物并定向引导到疾病部位，达到治疗目的。这种人工膜称为脂质体，由类脂组成，可以携带药物、酶或基因，输入机体后可通过各种途径到达病变部位。
这些应用表明，生物物理学在临床实践中的贡献不仅限于诊断，还涉及到治疗和预防等多个方面，为提高医疗水平和治疗效果提供了重要的支持。
药学方面的应用
药学的发展越来越依赖于基础科学和其他应用学科的发展，生物物理学的迅速发展及其取得的成果使得它在药学这一领域得到了越来越多的应用。药物设计、药物筛选到药物给药系统的研究及药物作用机制的研究，从药物研究开发到临床应用的每一个环节无不用到生物物理学的基本原理、研究成果和研究方法。
药物设计
药物分子是通过与人体内的生物靶点相互作用来发挥药效的。药物分子的几何形状和药效基团配置与其受体蛋白上的结合位点的空间形状和功能基团分布是互补的，这种结构和功能基团的互补性决定了受体和药物分子的相互识别和相互结合的强弱程度。
生物信息学和计算机技术的发展，使计算机辅助药物设计（computer-aided drugdesign，CADD）得以建立和发展。由于对大量药物靶蛋白或其他生物大分子三维结构的精确了解，使得基于蛋白质或核酸结构的合理药物设计（rationaldrugdesign，RDD）方法得到了发展。合理药物设计不仅借助于X—衍射、多维核磁共振等结构测试手段和技术，更需基因重组、蛋白测序、分离纯化等基因工程技术和蛋白质工程的迅速发展为结构研究提供了生物大分子的纯样品。在受体分子结构和部分性质已知的基础上，可以利用药物分子与受体分子结合的互补性（几何形状、静电相互作用、氢键相互作用等）来直接设计药物。这种基于受体三维结构的药物设计（structure-baseddrugdesign，SBDD）方法是在分子生物学、大分子晶体学和多维核磁技术的发展、在对受体结构—功能关系研究不断深人研究的基础上发展起来的。SBDD在抗艾滋病药物的研究中得到了成功的应用，如已经上市的Nelfinavir（商品名Viracept）。
另一方面，在受体结构未被阐明时，则可以通过对系列化合物三维构效关系的研究提出药效团模型。在药物设计方法中，基于受体三维结构的药物设计SBDD在新药先导化合物的发现和优化研究中具有比基于配体三维结构的定量构效关系研究（quantitative structure-activity relationships，QSAR）更重要的地位。
药物筛选
通过化合物活性筛选而获得具有生物活性的先导化合物（铅 compounds）是创新药物研究的基础。
药物靶点的研究可在两个层面进行：基因和蛋白质。人类基因组框架图完成使新药研究进入新的阶段。人类基因组计划的完成使我们面临近10万个基因，其中至少有1万个可以作为寻找新药的靶标。新靶点的发现将进一步促进高通量药物筛选的发展，发现更多治疗疾病的新药。
生物技术药物
生物技术药物是目前生物技术研究最活跃的领域，给生命科学的研究和制药工业带来了革命性变化，产生了新型技术产业。生物技术药物是指采用DNA重组技术或单克隆抗体技术或其他生物新技术研制的蛋白质、抗体或核酸类药物。主要包括基因重组多肽，蛋白质类药物、基因新型冠状病毒疫苗、反义核酸药物等。
农业方面的应用
诱导突变
农业生物物理技术已广泛应用，通过多种物理因子对生物体进行辐照，刺激增产并改变作物性状，诱发了遗传基因的突变。多种技术媒介如Coγ射线、光谱、激光、X射线、静电场、交变电场、磁场、电子束、重离子束、声频、超声波等被用于此领域。作用对象包括水稻、小麦、棉花、玉米谷子、番茄油菜、蔬菜、柑橘、鱼类、虾类、食用菌、真菌、酵母菌、微生物等。此技术取得了高产、优质早熟抗病等多种效果。
参考资料
生物物理学.术语在线.2024-01-31
国际专著《膜生物物理学》一书出版.中国科学院.2023-11-23
生物物理学.豆瓣读书.2023-11-23
生物物理学:能量、信息、生命(修订版).豆瓣读书.2023-11-23
生物物理学.豆瓣读书.2023-11-23
Scientific memoirs, selected from the transactions ... v.1. - Full View | HathiTrust Digital Library.hathitrust.2023-11-28