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[交流] 【转贴】生命科学中的热物理问题【无重复】

生命科学中的热物理问题
翻到一篇老文，十年前的一届香山会议。十年过去了......



生命是一切生物存活的动态过程，其本质是什么?现代科学研究表明，生命过程实质上是生物体与环境之间能量和物质的交换过程，其中能量运动的重要方式之一是热运动。然而，当人类如今更加关注自身时发现，人类对人体的许多热现象仍知不多！例如生命体保持恒温的发热机制及生物效应，局部热异常与致病原因与康复的关系……等，生命系统中许多热现象有待人类进行深层次的探索。

l997年6月24日至27日，由唐孝威院士和赵南明教授担任执行主席，同来自物理、工程生物、化学、农学、医学等领域的近40名专家学者一起，以“生命科学中的热物理”问题为主题，针对生物热物理的科学前沿，进行了一次大科学跨度的学术讨论(香山会议)。

   一、宏观一一生命个体、医学水平上的热物理问题

   王补宣院士作了题为“生物医学工程热物理”的综述报告。首先介绍了生物医学工程热物理的研究对象、探索内容以及目前国际上这一领域的学术交流园地。清华大学王存诚教授在题为“生命科学对热力学的挑战”的报告中认为，热力学的基础——经典热力学基本定律——的表述并不完善，其在生命科学中的应用因为涉及多种运动形式与能量形式，应该能够同时促进和丰富热力学的基础研究。中日友好医院周伟副教授回顾了肿瘤热疗效。中科院研究生院卢文强教授则从学科角度探讨了肿瘤若干治疗方案中的热物理问题。重庆医科大学王智彪教授介绍了高强度聚集超声波治疗肿瘤的实践和应用前景。清华大学刘静博士在谈及生物传热学的前沿课题时，指出定量化是生物热科学技术进步的重要标志。华中理工大学黄素逸教授认为探索生命科学中的热物理问题，要从宏观和微观两方面研究生命过程中生物体与外界的能量流、物质流和信息流的交换(包括获取、转换、传递和加工)。

   二、微观——分子、细胞水平上的热物理问题

中国医学科学院沈羽非教授在“生命医学中热问题”的综述报告中，介绍了发热的机制和效应以及发热机制研究面临的困难，并指出“热”在生物工程中的应用前景，包括热休克蛋白(HSP)在未来的基因治疗、疾病的诊断、预后判断、疫苗的研制等方面的可能用途，以及热休克基因转录元件的应用。中科院上海细胞所裴钢研究员认为，生命活动的要素在于物质和能量(包括信息)，而能量的基本形式之一是热运动。生命起源进化过程中显然存在温度(热运动的标尺)的适应性，并论及生物热物理研究中必须涉及的生物学过程。中科院生物物理所王志珍研究员就生物的热休克效应及分子机理以及与疾病的关系作了发言。中国医学科学院文耕云博士专门介绍了细胞HSP表达的信号传递问题。他认为，生物之起源和进化过程，同时亦是组成生物膜的多种生物分子组分的自组织和自优化过程，这种过程由无序变为有序，是一个熵减少的过程，是一种生命现象所特有的热力学过程，指出温度是决定物质相变的主要因素。上海铁道大学医学院杨虎川教授介绍了热对肿瘤细胞的生物学效应及其生物学基础，探讨了肿瘤细胞的热耐受性的特征以及与HSP的关系，指出了影响热耐受性的主要因素。中科院发育所费云标教授以“植物温度抗性分子生物学”为题，介绍了蛋白质合成形式的变化情况，解释了抗冻蛋白的合义及抗冻蛋白的一些生物化学性质。北京大学朱圣庚教授在“进化分子生物学与进化工程”的发言中指出，生物分子进化是分子生物学研究最重要的内容之一，只有用进化的观点通过分析比较才能深刻揭示生物大分子结构与功能的关系，阐明生物遗传信息获取和加工表达的机制。

   三、生物工程、卫生工程(特别是低温生物工程)中的热物理问题

   解放军总医院刘作斌教授介绍了低温生物学的发展简史和研究的主要问题，并给出了一些主要内容范例及进展情况，包括低温保存农业、基础医学和食品方面的应用冷冻医疗的现状与进展。上海理工大学华泽钊教授用框图形式介绍低温生物医学技术领域的主要研究内容和研究方法，分析了低温生物材料保存的意义、难点和现状。中科院低温技术实验中心王俊杰副研究员分析了冷冻医疗的疗效、优点和缺点。北京大学蔡益鹏教授指出冬眠是高等动物对低温(缺食)等恶劣环境的适应性行为反应，是进化产物，强调对冬眠研究具有临床意义，应用开发前景广阔。

   四、生物热物理的发展趋势及关键科学问题

   早在l985年，清华大学热能工程系邀请部分医学界人士讨论医学中的工程热物理问题，随之推动了我国生命科学与热物理学的结合，并取得实质性进展。当1991年9月在希腊雅典首次召开“生物医学工程中传热传质国际讨论会”时，我国学者带着几项研究成果参加了会议交流。继之，1992年国内首次召开的“生命医学工程中的热物理问题”学术会议，把热物理学与生命科学的交叉融合推向一个新的阶段。

   感觉的东西不一定认识它，而认识的东西就能更好地感觉它。科学实践，使国内专家学者更加感到生命科学和热物理学的结合面临的科学挑战。这次香山科学会议的深入研讨，让人眼界大开，去努力把握发展趋势和机会，找准两者结合的切入点。

   l. 能量过程是生命系统中的基本过程——热物理科学与生命科学交叉的依据

   生命系统并不违背一般的物理一化学规律，但生命系统具有特殊的“分子逻辑”，因而生命系统中的能量过程是耦合的，能够自发地向有序的方向进行，呈现“自组织”现象。

   在生命过程的各个层次上，能量过程都是最基本的。因而，生命科学与热物理学历史上已存在的密不可分的交叉需要更自觉地向纵深发展。细胞层次上的能量转化和肌肉作功机制的研究，有待在分子层次上展开；生命体温调节需从能量平衡角度向定量化方向进展，并与生命过程紧密结合；外界温度对生命过程的各项影响，过去偏于现象和静态观察，应转向关注生命内容能量过程；对已知的“热休克蛋白”、“抗冻蛋白”和“热适应蛋白”，尚需搞清其产生和作用的机理。

   2. 热物理在生命科学中大有作为

   化学热力学的方法用宏观的状态参数可以描述微观生物结构(细胞或分子)的集体的综合的效果，从而可以用精密量热的方法进行研究。因此，蚊子呼吸、种子发芽的热效应，以及细胞、蛋白质分子折叠都已经可以用量热学来做。从热力学的角度看，生命系统是非平衡开放系统，而目前工程热物理所处理的也大多是这类系统，甚至经常是非定常的动态过程，因此基本规律、方法都是可以利用的。比如，医疗工程中的最佳“热疗剂量”的确定、温度控制以及冷冻保存中的相变问题。热物理工作者目前首先应在宏观方面做工作，包括：1．生命的热力学基础；2．生命如呼吸系统和循环系统中的流动现象；3．生命研究中的热物理测试问题。学术思想必须创新，特别是要从其他学科(非线性理论、信息学科、耗散结构理论等)注入活力。

   3．生命科学与热物理学结合中面临的科学挑战

   (1)温度生物学和热物理意义

生命在起源进化中存在对温度的适应性。因而面临几个问题，比如：生命现象起源于一定的温度条件下的原因是什么；细菌、真菌、植物乃至动物等获得对温度的适应性涉及到哪些重要生物学问题；生物保持恒温的机制和生物学意义是什么等。

   生物学家关心“致死”温度以及导致“热休克蛋白”产生的温度水平；物理学家则关注温度变化速率及其引发的生物效应，是否应建立“热剂量(包括温度水平、加热时间和升降温速率)”概念?单个生物大分子还能应用温度以及其它所有热学概念吗?对于微小尺度下温度概念的变化，可否能引入序参数概念的做法?

(2)涉及热问题的生物学过程

包括：在分子生物学中的多聚酶链式(PCR)反应、温控基因表达；细胞生物学中细胞信号传导、细胞周期、细胞保存等；神经生物学中的神经细胞和脑功能、生物钟和衰老；问题医学和药学中体温的调控、热物理疗法、温控释药；农学和环境抗低温农作物等。温度对受体媒介细胞信号传导的影响涉及的生物学背景有：受体三维结构和构像、细胞和受体结合的强度、特异性、结合动力学等问题。

   (3)分子构象意义何在

动物肌肉是通过分子构象变化实现机械运动的，研究分子构象这种状态，如何在热力学中增加相应的状态参数；生物分子折叠一定伴随着能量释放和熵的变化，但折叠后不会是经典热软科学上最稳定的状态，而是某种亚稳态，对此应如何研究；涉及低温保存与抗冻的研究、水的结构与多元水溶液均有热物理的许多前沿课题。

   (4)细胞中的热物理过程

量热学虽然已能做极精密的测量，但样品数量仍需l毫升，因而测得的还是集体效应。生物膜相变也很难测定，能否构造细胞水平上的热物理模型。然而，新的热物理技术为进行细胞层次的研究提供了新的可能。

   (5)生物热过程的特殊性

生命体具有生命自律的“活力”，是一个开放系统，离不开同赖以自下而上的环境进行物质／能量的交换，而且这种特殊体中不仅有生理因素，还有各种感觉器官造成心理上随机性的动态反响，并存在着思维和意态、直到主动行为的反应。由于这些原因，决定了活体运输过程本质的非定常性。因而，生命科学中要研究的热物理问题应该从宏观和微观两方面研究生命过程中生物体与外界能量流、物质流和信息流的交换，要特别注意生物热物理研究的特点：1．与经典热力学的矛盾，包括：生命的进化与事物变化趋向平衡，生命运动的目的性与运动方向取决于初始与边界条件，生命的整体行为与各部分的叠加性；2．与常规热质交换的偏离；驱动势极小，过程十分缓慢；3．信息上的新特点：自主性、自诊断、自愈合。

   (6)生命热现象与信息过程

生命系统中的物质、能量与信息之间是互相耦合的，生命信息的产生、传递和保存不仅要靠能量来保证，而且会反映为能量过程，最终都成为热效应。因此应有可能通过研究能量过程来研究生命信息。脑内人体温度的热控制系统是什么，脑思维中有没有热的问题，能不能用热物理的办法探测脑内的思维，能否发展脑外无损方法测量脑内温度场，并发展一种新的脑功能成象技术等等，皆为前沿的难点。另外，像脑疾病、老年痴呆、脑的帕金森病等，能不能用热的方法检测和治疗?

(7)能否建立生命能量过程仿生学

生命体利用能源的本领一直令人惊奇。分子马达具有高效性，能否用于能量的仿生利用；抗冻蛋白和热激蛋白可否人工合成；细胞膜微弱温差下能高效传导热源，具有相变热管效应，以此原理能否设计工程用强力换热装置……等。人们期望科学联想带来意想不到的奇迹。

   会议的深入讨论使与会专家学者在大学科跨度上架起桥梁，大大提高了思想境界，在微观、宏观和工程三个层次上推动着两大学科的结合，并强烈意识到在研究方法上要相互借鉴，学科交叉的思路应更加开阔。

   五、生命系统中的热耦合问题——当前学科交叉的结合点

大跨度的学科交叉通常是萌发科学、技术新概念的温床。本次会议的成功标志，莫过于面对机遇和挑战，与会专家学者正确地找到了生命科学与热物理学科相交叉的结合点——生命系统中的热耦合问题，其明确的合义是：(1)生命系统有着一种特殊的开放性结构，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须伴随着能量的传递，而热是能量过程的表现形式，生命现象的各个层次无不包含热效应。因此热物理的研究是揭示生命奥秘的一座重要的桥梁；(2)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明显的值得研究的联系；(3)在组织与生物个体层次上，工程热物理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已经得到应用，但有待在精确定量方面进一步深入；(4)对生命系统的研究必将促进热物理科学中新概念、新理论、新技术的探索和建立，不仅会建立起一个真正独立的生命热物理学科，而且会使热物理学科本身得到发展。

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