物理学和生物学_上_

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1、特约专稿 物理学和生物学(上) 3 郝 柏 林1 ,2 (1 复旦大学理论生命科学研究中心 上海 200433) (2 中国科学院理论物理研究所 北京 100080) 摘 要 20世纪物理学研究从微观领域到宏观宇宙都取得很大进展.对生物的研究已经成为新世纪物理学的重要 主题.文章简要阐述了分子生物学中的一些基本概念,说明了一些有趣的问题,同时总结了作者最近在生物信息学方 面的工作. 关键词 分子生物学,生物物理学,生物信息学,发展史,计算生物学 Physics and biology HAO Bai2Lin1 ,2 (1 T2Life Research Center, Fudan Univer

2、sity , Shanghai 200433, China) (2 Institute of Theoretical Physics , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080, China) Abstract Physics of the 20th century has made great progress in understanding matter from microscopic to cosmis scales. The study of living matter has become one of the central t

3、hemes of physics in the new century. We will briefly explain a few basic notions in molecular biology , indicate some interesting problems as well assummarize our recent work in bioinformatics. Key words molecular biology , biophysics , bioinformatics , phylogeny , computational biology 3 摘自 大学物理(当代

4、物理学前沿专题部分)(第2版,高等教育 出版社 ) , 征得作者和出版者同意 国家科技部 “九七三”(批准号: G2000077308)、 国家自然科学基 金(批准号:30170232)资助项目 20世纪的物理学研究,从微观粒子的结构和相 互作用、 宏观物质的运动和性质,到宇宙的发生和演 化,可谓博大精深.然而,进入新的世纪,微观和宇观 世界的探索涉及到愈益巨大的投资和设备,要求开 展广泛的国际合作,却也只有很少数科学工作者有 幸直接参与相关的研究.这两方面的研究成果,有着 重大的认识论意义,在历史尺度上而不是计日程功 地改变着人类的生产和生存方式.与此形成尖锐对 比,宏观层次的自然科学研究集

5、中了众多的人力和 物力,也同人类的生产和生活息息相关.研究宏观物 理世界的核心问题,是从基本的物质结构和相互作 用出发,阐明种种复杂现象的由来和机理.人类所知 的最复杂的物质存在和运动形式,莫过于地球上经 过几十亿年进化而形成的生命现象.生物是物,生物 有理.生命物质和生命现象必定是21世纪物理学研 究的重要对象. 1 历史回顾 物理学和生物学的互相促进,由来已久. 1791 年,意大利的伽乐宛尼(L. Galvani)用他发明的原始 的化学电池给青蛙腿通电,观察肌肉收缩.他同时成 为电学和电生理学两门学科的开创者.在英文单词 中物理学者(physicist)和医师(physician)来自同

6、一字 根. 物理学不断提供研究生物的新工具. 16世纪末 发明的光学显微镜,首先使人们看见了软木塞中的 小泡,即众多死去了的细胞壁,cell (细胞)这个词在 生物学中沿用至今. 1683年荷兰人列文虎克(A. van 312 32卷(2003年 )4 期 Leeuwenhock)用自制的显微镜第一次看见了活的细 菌.不过,90年以后才确认细菌是一类生物.我们不 可能在这里解释不断翻新的显微观察手段,只列举 一些名称:偏光显微镜、 电子显微镜、 扫描电镜、 隧道 显微镜、 原子力显微镜等等,它们都对深入认识生物 细胞和亚细胞结构发挥着作用. 当今生物化学实验室中的日常工具,如超速离 心机、 液

7、相色谱分析、 凝胶电泳等等,一般视为化学 仪器,当然也都是基于物理原理.各种光谱分析和荧 光标记,以及示踪原子、 同位素标记与生物化学的结 合,带来了对生物内部过程的丰富知识. X射线晶体衍射分析,对确定基本的遗传载体 即脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构起了关键作用 (J. D. Watson和F. H. C. Crick ,1953) .解出肌红蛋 白和血红蛋白两种晶体结构,是生物学发展的重要 里程碑,这项先后完成于1957和1959年的卓越工 作,使师生二人(M. F. Perutz和J. C. Kendrew)分享 了1962年的诺贝尔化学奖.核磁共振(简称NMR)谱 仪对于确定蛋白质

8、、 特别是溶液中的较小的蛋白质 的结构以及一些动态过程,发挥着越来越大的作用. X射线衍射分析和NMR目前是结构生物学的主要 工具.到2002年年中,全世界每个月可以解出近200 个蛋白质的三维结构,其中包括一些复杂的蛋白质 与蛋白质以及蛋白质与核酸的复合体的结构.同人 类生活和健康密切相关的蛋白质约有10万种,把它 们的结构和功能全部研究清楚,这样的宏伟任务已 经提上工作日程. 最近十来年在物理实验室中发展起来的单分子 操纵技术,例如流场分子梳、 激光 “镊子” 、 微管技术 和原子力显微镜等,使得人们可以操纵单个生物大 分子,直接观察它们的运动和相互作用.虽然这些手 段目前基本上还是物理实

9、验室里的新玩意儿,但不 久以后就会成为生物学家的有力工具. 1) 感谢刘寄星博士提供素材. 生物学为物理学启示了能量守恒定律,这是科 学史上颇富教益的一段故事 1) . 1840年随船医生梅 耶(R. J. Mayer)在爪哇看病时,发现当地人的静脉 血比德国人的鲜红得多.他曾从拉瓦锡处得知,人的 体温靠血液氧化维持.热带人体散热少,血液氧化也 少,因此动脉和静脉的血色差别不大.梅耶又从马拉 车想到是食物氧化功,通过摩擦使路面和轴承发热, 热和功之间必然有联系.梅耶经过艰苦努力,计算出 热功当量,证明机械功与热量可以互相转换.他不熟 悉物理,因而没有受到当时流行的热素学说影响,直 接达到正确结

10、论.他送到物理学杂志的论文被拒绝 发表,1842年才在 化学和药物年刊 上发了一篇短 文.这篇文章比物理学家焦尔(J. P. Joule)的著名论 文早了一年. 1847年现役军医霍姆霍兹(H. von Helmholtz)把能量守恒定律从机械运动推广到热、 电、 磁乃至生命过程. 24年后霍姆霍兹才成为德国 柏林大学物理学教授,在此之前他做了多年生理学 副教授和教授. 到了20世纪,物理学也开始为生物学提供新的 思想、 理论和概念.这里特别应当提到量子力学创始 人之一薛定谔1943年在爱尔兰都伯林发表的题为 “什么是生命” 的著名演说.在这篇演说中他提出了 生物由外界摄入 “负熵” 、 遗传

11、信息保存在某种 “非周 期晶体” 中等重要设想和猜测.翌年以这一演说为基 础,出版了同名小书.此书被翻译成包括汉语在内的 各种语言多次再版,并被许多人视为现代生物物理 学的开篇. 50年之后,在同一地点举行了纪念薛定 谔演说的专门会议.多位诺贝尔奖获得者和著名学 者的演说,以 什么是生命?下一个50年 为题,结 集出版.这两本小册子,都值得一读. DNA双螺旋结构发表的第二年,物理学家伽莫 夫(G. Gamow)就猜测遗传密码应当是基于4个字母 的三联码,即蛋白质中的每种氨基酸应当由DNA序 列中的3个核苷酸编码.伽莫夫所建议的一套密码 表虽然不对,但颇富启发作用.三联码的设想是正确 的,适用

12、于绝大多数生物的通用遗传密码表在1960 年代初被完全破译. 近30年来在物理学和非线性科学中发展起来 的标度、 分维和分形的概念,临界现象、 自组织现象 和自组织临界现象的理论,随机背景下的相变和确 定性演化过程等等,都在生物学研究中发挥着越来 越大的作用. 2 生物学引论 为了后面叙述方便,我们必须极其扼要地介绍 一些生物学、 特别是分子生物学的基本概念.有志于 物理学和生物学交叉方向的学者,应当下功夫抓取 专门知识.入门既不难,深造也是办得到的,但 “找到 感觉”,即培育生物学 “直觉” 是不容易的. 2. 1 地球上的自然史 物理学者经常讨论不随时间改变、 或者按某种 周期规律变化的定

13、常态,或者假定时间足够长时力 学系统会经历相空间中等能面上的一切状态(“遍历 412 特约专稿 物理 假设” ) , 等等,这些都是与进化或演化(两者都对应 英文evolution一词,我们在以后坚持用 “进化”)对立 的概念.进化是生物学的基本概念.物理学者熟悉进 化的最好办法,是回顾地球上的自然史.首先要说 明,下面开列的具体数字都是估计值,它们会随着科 学发展而不断修改. 我们观察所及的宇宙起源于大约140亿年前的 一次 “大爆炸”.大约49亿年前形成了太阳系和地 球.直到39亿年前,地球上开始出现原始生命. 27 亿年前出现了会进行光合作用的细菌,大气中开始 积累氧气. 17亿年前开始

14、出现多细胞生物.在寒武 纪地质年代 (5. 5 亿年前 ) , 发生过一次物种大爆发: 在约1500万年的相对短暂的时期内,出现了大量新 物种.我国云南澄江和贵州瓮安地区发现的保存完 好的寒武纪化石中,有些软组织都似乎依稀可见. 413亿年前的志留纪物种大爆发,与海洋生物大量 登陆有关.那时大气中的氧气和臭氧,为生物在陆地 上生存提供了重要条件. 陆生动物发展了几亿年,恐龙统治了地球.恐龙 们在大约6500万年前突然灭绝,小型的脊椎动物和 哺乳动物才得以繁衍.化石中古猿类和古人类的分 离,是600万 700万年前的事. 50万年前生活在周 口店的北京人属于直立人,和我们不是同种.我们自 己的生

15、物学学名是智人(Homo sapiens) .两万多年前 住在周口店的山顶洞人和我们同属智人.智人很可 能诞生在古非洲大陆.从人类走出非洲以来,大致过 了3000代.秦始皇在公元前221年统一中国,至今 不过百代.人类的文明史真是极其短暂,却已发展到 试图认识自然界和自身的阶段. 人类认识生物的第一步,是对周围的花草虫鱼 命名和分类.由瑞典博物学家林奈(Carolus Linnaeus , 17071788)建立的沿用至今的分类体系,基于生物 个体形态特征的同异.他把一切生物分成界、 门、 纲、 目、 科、 属、 种七个层次.一个具体物种的学名由属名 和种名两个拉丁字组成.例如,前面提到的Ho

16、mo sapiens ,Homo是人属,sapiens是智人种.地球上现在 生活着的不同肤色的人类,都是同一种智人.林奈的 双名制和拉丁文命名系统,已经不适应信息技术的 发展.新的数字化分类系统取而代之只是时间问题. 后来,对生物的形态观察延伸到显微镜下.人们 进一步把所有的生物分成原核生物和真核生物.原 核生物多为单细胞或聚居成丝状.它们的DNA没有 用膜包裹起来形成细胞核,而是聚在称为拟核的区 域里.它们没有微管蛋白、 肌动蛋白和组蛋白,细胞 里面也没有线粒体或叶绿体这类细胞器.这些特征 使它们明确有别于真核生物.从单细胞的酵母到人 都属于真核生物.真核生物的DNA借助组蛋白形成 多个染色体,染色体包在由双层磷脂膜形成的细胞 核里面.细胞核的膜上开有用蛋白质镶嵌好的孔洞. 从DNA转录出来的信使RNA ,经过加工之后由核孔 送到细胞质去.真核生物又区分成原生生物、 真菌、 植物、 动物等 “界”. 目前在地球上栖息的生物,尽管形态和生活方 式千差万别,但遗传密码的统一性和基本生物化学 过程的一致性,使人们相信它们都是由一个共同的 祖先进化而来