Life 版 (精华区)

发信人: raining (下雨的情绪), 信区: other
标  题: 世纪之交的物理学和生命科学6
发信站: 听涛站 (Sun Oct 22 01:46:33 2000), 转信


　　三、新世纪的物理学与生命科学


　　21世纪生命科学(包括医学、农学等)的发展，无论从
速度、深度和广度来看都会出乎人们的预料，将带来新的
科学革命，但生命科学的发展仍需物理学、化学、数学、
计算机科学等学科提供新的理论基础、先进的实验技术和
研究手段，可以说，物理学现在发展到如此高的水平，我
们能够在分子和多体组织这两个层次上谈论基础生物科学
的巨大复杂性，如生物凝聚态物理、生物细胞中能量和信
息的转移中的物理问题、脑功能的物理过程、用生物芯片
和生物电脑模仿人脑的功能等，都是十分重要的前沿，所
以，物理学和生命科学在主层次上的结合是21世纪科学发
展的大趋势。
　　⑴生命现象属于高级的物质运动形式，这些运动形态
又是以物理学的运动形态为基础的，例如，呼吸、消化、
血液循环、排泄等这些生理过程者和力学、热学、电学分
不开。因此，21世纪的物理学知识仍是了解生命现象所不
可缺少的基础。
　　⑵目前，由于基因操纵技术的发展，使得任何潜在蛋
白质的有系统的改良和生产成为可能，稀有蛋白质能够大
量地生产，就足以满足利用物理学和化学方法进行结构的
研究，并且能够控制活细胞中天然的和改良的蛋白质的表
达，从而辨认结构功能关系，生物技术和生物物理学的结
合为未来富有成果的研究展现了极好的强劲前景。
　　⑶脑的多细胞组织及其信息存取原理提出了关于人体
网络(physicalnetwork)的基本问题，它受到广大数学物
理学家的关注，最近， 局部有序系统的理论物理学于脑
功能研究的典型特性获得了成功，这就导致学科间有重大
意义的最佳协同；这种协同涉及到神经科学、统计物理学，
最终或许能够获得有关处理脑器官故障所需要的知识。
　　⑷量子力学与高速电子计算机相结合，通过计算生物
大分子的局部电子结构，在量子水平研究遗传、变异、衰
老、癌变等生命现象，这必将对生命科学在理论上的重大
突破同贡献，另外，研究生命的本质，还必须追溯到生命
的物质性质，X射线显微技术、激光显微术、微电子技术
等在迫近探索生命物质性质中将具有强大的优势。
　　⑸生命系统具有特殊的结构系统，在其内部及其与环
境之间发生着不间断的物质、能量与信息的交换，这是它
存在的必要条件和基本形式，物质的传递与信息的传递都
必然伴随着能量的传递，而热是能量过程的重要表现形式，
生命现象的各个层次无不包含热效应，因此，热科学的研
究是提示生命奥秘的一座重要的桥梁；在分子层次上的热
休克蛋白的基因表达与调控，细胞层次上膜的结构、相变、
损伤、稳定等问题均与热有联系；在组织与生物个体层次
上，工程热物理已经在肿瘤的高低温治疗、组织与器官的
冷冻保存、作物的低温保鲜等方面得到了应用，今后应在
精确定量方面进一步深入研究，对生命系统的研究也必将
促进热物理学中新概念、新理论、新技术的探索和建立，
这不仅会建立起一个真正独立的生物热物理学科，而且会
使热物理学科本身得到发展。
　　⑹物理学将不断地为生命科学的前沿领域提供新的、
大型的实验技术：
  ①脑功能磁共振成像(FMRI)，可以从宏观到分子水平研
究大脑的功能和载体以及结构的关系，它成像无损伤、
无麻醉，活体、实时，可能得到50ms和5um的进间和空间
分辩率，优于任何其他成像技术，是最有希望在脑神经科
学研究上取得突破的也是发展最迅速的技术。
  ②正电子发射成像(PET)，可以使注入人体的短寿命放射
性元素如 18F、11C等化合物产生电子湮没而发射γ射线，
这种由体内发射出来的γ射线被体外的探测器检测，可以
显示脑和心肌的功能，PET在过去的20年中已发展成为比较
成熟的技术，是脑和心脏科学研究的重要手段。
  ③用超导量子干涉器件(SQUID) 可以检测大脑功能引起
的极为微弱的脑磁变化(＜10-13T)；用多通道脑电图像仪
可以测量大脑功能诱发的脑电地形图，这两种手段对于探
讨和显示大脑功能也是重要的一环。
  ④核科学技术在生命科学中的应用将得到充分的发展，核
分析可研究生命科学中若干前沿问题，如辐射场在生命起
源中的作用，生物进化晚中的渐变论和突变论，生物大分
子的不对称性，稀土生物大分子、亚细胞结构、形貌和元
素分布，纳米生物学和分子研究，分子水平致癌机理和生
命代谢过程，核控释放技术与透皮药物制剂，放射性治癌
机制等，另外，发展分子活化分析、扫描核子微探针、扫
描探针显微学、加速器质谱、正电子湮没、高分辩X射线能
谱仪等现代核分析技术， 也将为生命科学提供更强有力的
研究手段。






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