[交叉学科]物理学和生物学交叉的必要性和必然性

作者 六月蘇生: 来源: 小木虫 400 8 举报帖子

1生物学的发展需要引入物理学的思想和方法

物理学在生物学领域的应用，不仅包括物理学技术，实验方法的应用，还包括物理学理论和物理学思维方式的应用。是物理学在新的对象（生命体）上的应用。物理学从哥白尼及伽利略以来就逐渐明确它的特点而成为一门精确而系统的科学。他的威力就在于它的精确性系统性，简练的概括性的给出事物的基本原理和相互关系，而且能够从原理来指导实践。早先人们努力致力于描述性科学（例如对于天体运动的描述），后来才发展成更精确的科学（例如牛顿运动定律的发现）。现在的生物学更多是处于描述性科学的阶段，它局限于叙述生命运动的现象和事实，没有上升到理论指导实践的阶段。它现在还不是一个完备的科学。它在解释一些根本的问题上，仅仅依靠描述现象来解释，是违背科学的方法的。所以生物学有待运用物理学基本原理来解释生命的现象和本质，进而成为一门精确而系统的科学。

人们很早就对动植物的形态生理进行了记载和描述，从那时起就产生了早期的生物学。随着生物学的发展，人们对生物学的研究已经深入到了细胞和分子阶段，但仍然逃脱不了描述性的研究。他们能够描述这些生物生理活动的现象，却不能说明产生这些运动变化的最基本的原因。例如，对于细胞分泌蛋白质的过程，生物学家可以描述在此过程中各种可能的膜交换途径，但是，是什么控制着膜性细胞器的定向的流动？现在还没有人确切知道这个答案，这是细胞生理学中尚未完全了解的奇迹之一。

人们越来越认识到，要更深刻地理解复杂的生物系统，需要有一种与物理学更密切整合在一起的定量生物学。分子生物学的许多内容已经依靠物理学家发明的技术了，如核磁共振与X射线。但现在生物学的数据更丰富了，它越来越需要那种作为物理学特点的分析和计算方法。

普林斯顿大学的第一位女校长，人类基因图谱破译的功臣雪莉．蒂尔曼说：“在生物学界人们越来越感到，我们需要认真考虑如何培养下一代生物学家这一问题。”她认为，这种培训应该包括更多的数学、物理学和化学。

2物理学进军生物学领域的必然性

19世纪末，很多物理学家认为，物理学的大厦已经建成, 仅剩下一些缝缝补补的工作。经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了。在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。我们能不能说，现代物理学的大厦已经建成了呢？

物理学理论能够去解释宇观、宏观和微观的几乎所有非生命物质的运动，但是在复杂的生命物质和生命现象的对象面前却显得极其力不从心。所以它现在还远远不是一个完善的科学。可以仿照打个比方：现在的物理学家或许正为新的物理学大厦的建成而欣喜若狂，但当他们低下头，有没有看到地基里的生命呢？说不定地基里的生命蚂蚁正在啃噬大厦的地基，造成物理学大厦的又一次崩塌。于是他们又尝试重新建立起一个适合生命现象的物理学大厦。

生物物理学是物理学派生出来的，到一定发展阶段去研究更复杂的生命现象的学科。物理学是自然科学的主力军，它在解释复杂的生命体和化合物面前无能为力，于是它避开精锐，先向非生命物质进军。而把研究很多复杂的物质运动和生物体的任务交给了留给化学家和生物学家暂时主要去描述性地研究。现在它已发展到一定时期，非生命物质的堡垒即将被攻破，是它的大部队大反攻的时候了。它可以从宏观和微观两面夹击，来研究生命现象了。构成生物体的物质与非生命物质是统一的，支配着无生命世界的物理定律同样也适用于生命世界。所以生命物质和生命现象必然成为物理学研究的重要对象。

3生物物理学的任务

生物物理学的不断发展和完善，一定会极大地促进生命科学的发展，并将带来对于生命现象的本质新的突破。二十一世纪是生命科学的世纪，更是学科交叉、科学走向统一的世纪。新的世纪留给生物物理学的任务有：

（1）发掘非平衡开放系统特性的主要规律，也就是找出生命的热力学基础

（2）从理论上解释进化和个体发育的现象。

（3）解释自身调节和自我复制的现象（自组织现象）。

（4）从原子、分子水平上揭露生物过程的本质也就是找到活跃在细胞内的蛋白质、核酸及其他物质的结构和生物功能的联系；此外，还要在研究生命体在更高的超分子水平上、在细胞的水平上及在构成细胞的细胞器的水平上的物理现象。

（5）设计出研究生物功能物质及由这类物质构成的超分子结构的物理方法和物理化学方法，并对利用这种方法所得到的结果提供理论解释。

（6）对神经脉冲的发生和传播、肌肉收缩、感觉器官对外部信号的接收及光合作用等高度复杂的生理现象，提供物理的解释。

（7）解释怎样由物质形成了意识。返回小木虫查看更多

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