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1、世纪之交的物理学与生命科学21世纪物理学取得了辉煌的成就，为推动人类社会的进步和生命科学的发展作出了巨大贡献，21世纪的物理学，将面临着生命科学的挑战和发展机遇，本文立足于世纪之交，顾后瞻前，追求物理学对生命科学的贡献，阐述生命科学对物理学的挑战，展望新世纪物理学和生命科学相互交融、共振共荣的前景。在世纪之交的伟大历史转折时期，许多科学家认为，21世纪的科学发展趋势，是各门科学不断交叉、加速综合，不同学科的作用和地位将发生变化1。如果说20世纪的主导学科是物理学的话，那么21世纪的主导学科将是生命科学2，生命科学之所以将在21世纪成为主导学科，在各学科中起核心作用，一是作用因为它是从现象到本质
2、研究生命与生命活动密切相关的学科，二是因为物理、化学、计算机科学为生命科学的研究提供了有力的仪器和方法，为生命科学的进一步发展奠定了基础，而这一主导学科的世纪交替，也充分说明了物理学与生命科学的历史渊源和它们在整个自然科学中的作用和地位。一、物理学的重要贡献20世纪的物理学、在微观、宏观、复杂系统和现代生物学四个基本方向上，把人类对自然界的认识推进到前所未有的深度和广度，物理学的两大理论支柱量子论和相对论，促使人类整个自然科学的改观，物理学的发展为人类提供了核能新能源、半导体、激光、计算机等新技术，导致人类社会的进步，改变了人类的生产方式和生活方式，尤其是物理学，为生命科学奠定了坚实的理论基础
3、，提供了大型的实验研究手段和精密的科学仪器，为生命科学成为21世纪的主导学科打了坚实的基础。1生命现象的物理理论研究生命现象首先遇到的一个根本性问题，即“什么是生命”？对此，量子力学的主要创始人薛定谔，于1994年在他著名的什么是生命一书中就预言了遗传密码的存在和生命赖“负熵”以生存，同时指出：量子力学应当成为生命科学的基础，这是物理学家解释生命现象的前所未有的突破。60年代，普里高津（Prigogine）提出的“耗散结构理论”，使热学与生命科学融合在一起3，80年代，联邦德国科学家艾根提出“超循环”理论，建立了一种从多分子体系向原始生命进化的理论模型，90年代，美国地球物理学家路易斯?勒曼提
4、出了一条最新颖的“泡沫理论“，他认为沫很可能是万物生命的起源，我国物理学家钱三强教授认为：生物世界也有“馄饨现象”，人类致死的心跳、癫痫以及精神分裂症都涉及混沌，生物的进化也靠混沌，著名科学家周光召院士也认为：在地球刚开始的时候并没有生物，是混沌的4，而山东大学张颖清教授创立的“全息生物学”理论，深化了人类对生物体的认识，香港发明家余新河先生的“磁学生命学猜想”，则为揭开生命之谜开辟了新的途径。2.物理学理论对生命科学的影响物理学处理宏观体系的理论(如热力学、统计力学、耗散结构理论、信息论等)，使人们可以从系统的宏观角度研究生物体系的物质、能量和信息转换的关系；物理学的微观理论(如分子帮原子物
5、理、量子力学、粒子物理等)，使人们可以从微观角度研究生物大分子和分子聚集体(膜、细胞、组织等)的结构；运动与动能、非浅性理论、混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导，并预示了新的更伟大的科学革命的到来，而生物物理学的创立则是人类用物理学知识去揭示生命之谜的一个极其重要的里程碑，它为生命科学、生物工程展现出一个无限美好的前景。英国物理学家汤姆逊发现电子和1901年普朗克量子论的建立，标志着从经典物理学现象的宏观描述跨入了微观世界的分析，这一跨跃在物理学中激起的巨大浪潮，极大地影响了20世纪的物理学思想，即大的物质由小的物质组成，小的由更小的组成，找到最基本的粒子就知道了最大的构造，这个思想不仅影
6、响了物理学的发展，而且影响了20世纪生物学的发展，即要了解生命就应研究它的基因，了解了基因就可能会了解生命，因此，生命科学的一些前沿学科，如细胞生物学、分子生物学、量子生物学、遗传基因工程等相继兴起，并加速发展，另一方面，生命系统又是宏观的，是有机体的最高存在形式，是一个开放的复杂的巨系统，它最具有整体性，所以，研究生命现象，仅采用那种机械的无限分割的方法已不适用，还需要用整体的方法，以系统论、控制论、信息论为理论基础。以量过程是生命系统中的基本过程，而能量的转化与传递正是物理学的分支学科热学研究的范畴，因此，生命科学与热学早已紧密地联系在一起，目前工程热物理在生物领域已经能够做到的事情包括：
7、对生物伟热过程的定量描述，从而在一定程度上解决了医疗工程中提出的最佳“热疗剂量”和超声治疗中温度控制与焦域的描述；生物工程(冷冻保存)中的相变问题也是热物理学的研究对象，抑制冰晶生长机理的研究已初已成效，从热力学的角度看，生命系统又是非平衡开放系统，热力学的角度看，生命系统又是非平衡开放系统，热力学的基本定律和物理学的非线性理论也成了生命科学的基础知识。从力学角度研究生命现象的历史，一直可以追溯到伽里略、牛顿和哈维，本世纪30年代，希尔(A.V.Hill)将力学方法和生理学、解剖学等方法相结合，研究组织和器官层次上的生命现象，指出重力、超重和失重对细胞、组织、器官均可产生影响5,6。我国著名的
8、生物物理学家贝时璋研究员认为：生物系统各层次分子、分子聚集体、亚细胞、细胞组织等的有序结构主要决定于分子内和分子间的各种力发生有组织的协同作用。3.物理学为生命科学提供了现代化的实验手段和技术早在1791年，解剖学家、物理学家伽伐尼(L.Galvani)用电刺激蛙神经，发现了生物的导电现象，德国生理学家杜布瓦雷蒙(E.H.Dubois-Reymond)终生都在用物理学中电的技术进行生物电的实验研究，为电生理学的建立和发展作出了贡献，19世纪中叶，杜布瓦雷蒙同另外三位生理学家布吕克(E.W.von Brucke)、路德维希(C.F.W.Ludwing)和亥姆霍兹(H.von Helmholtz)
9、相遇，一致表示要用物理的分子和原子的机理来研究、解释全部生命过程，可以说这种表示，是他们认识了物理学的理论和技术在研究生命过程中的重要作用。总之，19世纪的生物学不仅在理论上有重大的建树，而且已经建立起实验的与物理学不仅在理论上有重大的建树,而且已经建立起实验的与物理学、化学相结合的研究方法,这种方法成为推动20世纪生物学快速发展的主要技术手段。X射线对生物学的发展有着十分重要的影响，而且意义深远，1927年，马勒(H .J.Muller)用X射线人工话发果蝇突变，是一个被公认的用人工方法改变基因的事例，开辟了遗传学研究和实际应用的新领域，X经射线衍射技术使人们发现了DNA(脱氧核糖核酸)分子
10、的双螺旋结构，根据这一结构，破译了其上所载的遗传密码，DNA结构的发现和遗传密码的破译，标志着分子生物学的诞生，人们依据分子生物学理论在DNA的复制模式、蛋白质的合成、核糖核酸(RNA)的功能、遗传信息的转录和翻译以及遗传密码的获解等方面取得了一个又一个的丰硕成果，最近，瑞士科学家用X射线晶体成像法在世界上首次发现了DNA关键部位的原子结构，从而为人类从原子角度揭开生命之谜奠定了基础。功能磁共振成像、高分辩率的脑电图和脑磁图成像等，使人们有了观察大脑认识活动的望远镜，对开发人脑的智力提供了科学依据，核磁共振成像可产生多核种(氢核、磷核)、多参数(密度、弛豫时间)的物理图像，它不仅能显示人体任意
11、断层的解剖图像，还能显示内脏功能和生理、生化过程信息的空间分布，为人体病变组织的诊断提供了先进、可靠的手段。本世纪初，物理学揭示了粒子的波粒二象性，特别是认识了电子这一基本粒子的波粒二象性后，人们利用电子的波动性研制成电子显微镜，使得显微镜的分辩率达到1nm的数量级，从而可直接观察细胞内的超微结构，使生物学的实验方法和实验手段实现了飞跃，推动了生物科学的发展，现在，电子显微镜已深入生物医学的各个领域，比如细胞生物学、分子生物学，遗传学、微生物学、病理学等7,8。在病毒学的研究中，电镜成了观察病毒的唯一工具，对病毒学的发展起阗重要的作用，而且用电镜拍摄到了DNA，观察到了核糖体由大小来单位的组成
12、，拍出了mRNA翻译时把核糖串连成多聚体的电镜照片，对核酸的研究有助于医学、遗传学等生命科学的发展，现在，用扫描隧道显微镜(STM)可以观察DNA双螺旋结构的清淅图像；用原子力显微镜(AFM)可以观察血液细胞和细菌等，可以说，多种功能、高分辩率的显微镜，在生物学的发展中功不可没。近年来，随着激光研究的深入，X射线激光全息术的问世，为生物学的研究提供了全新的研究方法和强有力的实验手段，因为X射激光全息术能够拍摄生物活细胞的三维结构全息像，生物样品可完全处于水合物状态，使活细胞能在与原状况相同的生理条件下成像，X射线激光还能够拍摄限度为1nm的“快照”，从而消除了细胞或细胞器布朗运动产生的模糊；生
13、物界对此评价说，这对现代生物基因研究是划时代的革命性变化。纳米技术和微电子学的发展为生物学提供了精细、先进的技术，最近，用原子力显微镜对DNA分子链上的任何确立部位进行了分了分割，这类手术再结合分子操纵，是迈向在纳米尺度上改造基因的重要进展9。1994年发明的一种新型微碳纤电极(聚丙烯CFE)，分辩率提高了约十倍，为细胞的分泌研究提供了最灵敏的控针。贝克莱尔发现放射性核素，奠定了现代核技术包括核医学技术的基础，利用放射性元素或示踪剂，通过射线达到了解体内特定生物活动的目的，是当前在活体元素水平观测人体和生物过程最具潜力的技术，而且用它可以找到从生命本来水平探索生命奥秘的最佳途径10,11，核医
14、学成像技术也是目前仅有的，可以从整体、器官、细胞及分子四级结构水平，反映生物功能和代谢信息的显像技术。物理学中的模型、方法和计算能力，在生物系统中得到广泛的应用，用分子涨落的方式对DNA与RNA的结构和动力学特征所做的量子力学计算，其精确度已达到令人满意的程度，在细胞生理学和神经生物学中，物理学方法对于了解生物分子的传输，膜的结构以及在脑、神经和肌肉中的信号过程始终是关键的，通过单跨膜分子通道对离子流进行最新的物理测量，为了解单跨膜分子通道离子流的机理，提供了最重要的直接途径；由于这种机理支配着脑和神经的信号处理过程，所以这种物理测量有可能是揭开大脑之谜的关键途径。纵观生物学在20世纪中的发展
15、，正是继承了19世纪的传统，走与物理学、化学相结合的符合生物学性质的实验研究道路，才取得了辉煌的成就，而且生物学用物理学与化学相合的方法，不但没有把复杂的生命现象简单化，反而用基本的物理学、化学的原理和敏锐的方法及其仪器探索复杂的生命运动，揭开了许多生命的奥秘，这进一步证明了物理学和化学的基本理论是研究生命运动的基础。二、生命科学的挑战物理学的理论、方法、技术等，虽然是推动生物科学发展的强大动力，但生物科学的对象是复杂的、多层次性的，在许多方面超出了传统物理学的范围和观念，因此，生命科学将会向物理学提出很多挑战性的问题。21世纪高技术的核心，导致社会的智能化，在智能社会里，彻底揭开大脑的奥秘、发展人工智能的研究，是自然科学面临的最大挑战之一，脑科学更广泛地传递、储存、组织、处理，现在虽然有不少理论、假设，但离对它本质的认识还相差甚远，如果仅仅靠实验，也许得至的只是零星的、点滴的、不太系统的认识；而最终要揭开这个奥秘，也许还需要理论物理方面的突破。生命现象和大分子结构存在着相互关系，同样的大分子，它们的结构开矿不一样，有的有活性，具有生命现象；有的没有活性，没有生命现象，它们的结构与功能之间存在着什么样的关系，生命科学家可以研究，但要从物质上认识它，还需要物理学家的参与，因为物理学是研究物质运动的普遍性质和基本规律的科学，所以解开生命系统的难
