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物理学与生命科学和医学11.1物理学与生命科学、医学的关系生物学曾帮助物理学建立了能量守恒定律，物理学则为生物学提供了显微镜、X光、激光、示踪原子、中子衍射、核磁共振、同步辐射、扫描隧道显微镜等各种现代化实验手段和技术，

也为生命科学提供了重要理论概念、原理和方法。物理学宏观理论如热力学、统计物理、耗散结构理论等，使人们能够从宏观角度出发去研究生物系统的物质、能量和信息传递、转换的关系；物理学微观理论如原子分子物理、量子力学等使人们能从微观角度去研究生物大分子和分子聚

集体的结构。现在，物理学方法已经能够从电子水平、分子水平和分子体系多个层次上研究复杂的生命现象。分子生物学是从分子水平研究作为生命活动主要物质基础的生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学。量子生物学是对生物体的物质动态及其本质过程的机理进行电子水平研究的学科

，有时也称为电子生物学。生物信息学是在生命科学的研究中，以计算机为工具对生物信息进行储存、检索和分析的科学。物理学跟医学有着不可分割的内在联系。人的生命活动包含有大量的物理过程，如呼吸运动、血液循环、肌肉伸缩、听觉现象、能量代谢、人体电现象及人体磁现象

等都是物理现象。因此，要深入研究人体的生理、病理现象，开发新的诊断和治疗方法，提高预防和治疗效果，都必然要涉及物理理论和技术。11.2生命与生命现象的复杂性11.2.1生命与生命科学生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，是一个与外界不断

进行物质和能量交换的开放系统，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。生命科学是研究生命物质的结构和功能、生命活动现象以及生物之间和生物与环境之间的关系的科学。它是由多个基础学科、应用学科及交叉学科协同发展构成的前沿科学群。（1）化学成分的同一性。〔2〕严整有序的结构

。（3）新陈代谢。（4）生长与繁殖。（5）遗传、变异与进化。（6）应激性。生物种类繁多，生命现象十分复杂，从错综复杂的生命现象中可以概括出一些共性即生命的基本属性：11.2.2生命现象的复杂性物种的复杂多样只是生命现象复杂性

的一个方面。随着研究的深入，科学家发现，生命是一个极为复杂的非线性系统。即使是最简单的单细胞生物，它也显示出任何人工制品都无法比拟的复杂和精巧，能对外界刺激做出各种反应。一些简单分子组装成大分子后会出现某些新性质，而生物大分子之间的相互作用与自组织也会产生新功能，

这些新性质或新功能往往是难以从形成它们的物质基础上推断出来的，这是复杂性的又一方面。机械论与活力论之争还原论与整体论之争11.2.3物理学家看生命1932年，玻尔在题为《光和生命》的演讲中指出，试图把有机体简单地还原为化学的相互作用

来回答“生命是什么”，就如同试图画出每个电子的位置来描述原子一样困难。物理学家薛定谔指出，生命物质在遵从迄今已确立的物理学定律的同时，可能还涉及至今尚未了解的“物理学的其他定律”，这些新的定律一旦被揭示出来，将跟以前的定律一样，成为这门

学科的一部分。出于对科学统一的信念，以及对奇妙的生命现象的深入思考，薛定谔于1944年出版了《生命是什么》一书，试图用热力学、统计物理及量子力学的理论和方法来剖析生命的本质，为物理学和生物学的统一做了有益的探

索。薛定谔在书中提出了一些极富启迪的思想和概念：（1）遗传的物质基础是有机分子，遗传是以密码的形式通过染色体来传递的。（2）生命体中存在量子跃迁现象，基因结构的高度稳定性、X射线诱发的突变都是有力证据。遗

传机制是建立在量子论基础上的。（3）生命有机体赖“负熵”为生。11.3生命体的基本单位——细胞11.3.1细胞11.3.2细胞膜细胞膜将细胞与外界分开，具有物质输运、信息传递和能量转换功能11.3.3细胞质细胞膜以内、细胞核以外的全部物质称为细胞质，其中具有可辨认形态和能够完成特定功能的结构叫

做细胞器（如线粒体、叶绿体、内质网、核糖体、高尔基体、中心体和液泡等），其余部分称为细胞质基质。细胞质基质是活细胞进行新陈代谢的主要场所，蛋白质的合成、脂肪酸的合成、糖的酵解等过程都是在这里进行的。11.3.4细胞核细胞核是真

核细胞最重要的组成部分，细胞遗传、生长、发育、分化及代谢等生命活动的控制中心。11.3.5遗传与基因1953年美国生物学家沃森和英国物理学家克里克提出遗传物质DNA分子的双螺旋结构模型，并为X射线衍射实验所证实。DNA双螺旋结构的发现阐明了遗传的本质，揭示了生命世代相传的分子基础。基因是具有遗传效

应的DNA分子的片断，是控制生物性状的功能结构单位。在个体发育过程中，一定的基因在一定条件下控制着一定的代谢过程，从而体现着一定的遗传特性。DNA是遗传信息的物质载体，蛋白质是遗传性状的表达者。1957年，克里克指出：遗传信息是由DNA传递给RNA，再由RNA传递给蛋白质的，这

就是遗传学中的“中心法则”。11.4现代物理分析技术在生命科学研究中的应用11.4.1电子显微镜运用电镜可以迅速确定蛋白质、核酸的详细结构，可以看到病毒和细菌的内部结构，还能直接观察到某些大的有机分子及晶体的构像，甚至单个原子

。电镜无法观察活的生物样品。现代物理分析技术和仪器正在向我们显示出各层次生命活动的连续变化图像，帮助人类揭开生命本质的神秘面纱，促进人类健康长寿。11.4.2X射线衍射蛋白质晶体X射线衍射是蛋白质空间结构测定的主要方法。随着X射线

衍射晶体学空间分辨率的不断提高，得到了大量蛋白质在原子分辨率水平的空间精细结构。晶体学技术的不足：需要分离出足够量的纯蛋白质（几毫克～几十毫克）并制备出单晶体，数据收集、计算和分析繁杂，蛋白质的晶体状态与自然状态也不尽相同。11.4.3核磁共振

核磁共振术(NMR)弥补了X射线晶体学要求对生物分子结晶的局限，可直接检测溶液中生物分子的结构。现代核磁共振技术已经从一维发展到三维，在计算机的辅助下，可以有效地分析并直接模拟出蛋白质的空间结构。11.

4.4同步辐射同步辐射：电子作高速圆周运动时向外辐射连续X射线.同步辐射X光的优点：波长连续可调、辐射功率大、亮度高、准直性好、偏振性好、稳定性高等。利用同步辐射X光可研究生物大分子的三维结构、生化反应过程中结构随时间变化

的动态过程、辐射对细胞的作用，尤其是可以对含水量多的活体生物样品（如活细胞）的动态过程进行显微观察。利用X射线激发样品微区产生的X射线荧光，可以分析样品中所含的元素及其空间分布，获得样品中成分的二维以至三维信息。对于生物样品，同步辐射X射线荧光分析在

空间上可以达到单层乃至单个细胞的水平，探测极限可以达到ppm(10-6)甚至ppb(10-9)量级。近年来人们又发展了X射线全息术（XFH）和X射线断层术（XFT）。11.4.5扫描隧道显微镜和原子力显微镜STM和A

FM的优势：（1）可以获得分辨率小于1nm的二维和三维结构图像，能直接观察和操纵单个原子和分子；（2）可以在常温、常压、大气、潮湿或水溶液等条件下直接观察活生物样品；（3）能在接近原子、分子、超分子、亚细胞乃至细胞水平的不同层次上，全面研究生物样

品的结构；（4）操作比电镜和X射线衍射简便，所需样品量少且成本低。利用STM可以获取细胞膜和细胞器表面的电子结构信息，研究细胞膜、细胞器表面结构在不同环境条件下变化，以及与这种变化相关联的生理过程的静态信息。运用AFM

技术可以对DNA分子进行操纵：将双螺旋状的DNA分子链拉直，对DNA链上任意位点进行原子力切割。这对DNA物理测序以及精细基因图谱的获得都是至关重要的。11.4.6荧光标记用荧光标记鉴别生物分子构象变化是动态结构生物学研究的最新成就。11.5生物电磁效应生物电

是指生物体内产生的电位变化和电流传导以及与之相关的生命运动。生物磁是指生物体的磁性以及与生命活动相关的磁现象。生物电和生物磁是生命活动的基本特征，普遍存在于所有生物的细胞、组织和器官中，并伴随生命的全过程。生物电、磁现

象及其生物效应携带了大量与生命活动、生理和病理紧密相关的信息，这些信息对生物学研究以及对疾病的诊断和治疗都有极大的价值。11.5.1生物电的发现1791年，伽伐尼发表著名论文《论肌肉运动中的电力》，指出生物电是客观存在的并对生物电进行了初步解释，在欧洲大陆立即掀起了生物电研究热潮

。电流计的发明大大加速了生物电研究的进程，人们很快在肌肉、神经、甚至感官上都证明了生物电的存在，并且表明，在兴奋时这种电位会波动。实验证实，不仅动物，所有生物都有生物电活动，生物电是自然界普遍存在的一种电现象.11.5.2生物电的产生机理生物电可分为三类：⑴损伤电

位：生物组织的完整部分和受损部位之间存在的电位差。伽伐尼的“无金属收缩实验”正是利用损伤电位，产生了蛙腿的收缩。⑵静息电位：不受外界刺激时，即静息状态下细胞膜内外两侧的电位差。⑶动作电位：细胞膜受刺激时，在原来静息

电位的基础上，膜两侧发生一次短促而可逆的电位变化。生物电的产生机理尚未完全明了，目前被公认的一种基本观点是：生物电来源于细胞的功能，是以细胞为单位产生的。被大多数人所接受的是“离子学说”，认为生物电产生的前提是细胞膜内外的离子分布和浓度不同，以及细胞膜对各种离子的通透

性有差异。大量事实表明，各种可兴奋细胞处于兴奋状态时，受刺激处都会产生动作电位。受刺激产生的外部反应如机械收缩和分泌活动等，实际上都是由细胞膜的动作电位进一步触发引起的。多数可兴奋细胞（以神经和骨骼肌、心肌细胞为主），当动作电位在受刺激部位产生后，

还可以沿着细胞膜向周围传导，使整个细胞膜都产生一次类似的电变化。神经系统正是靠传导各种兴奋对生物体各器官的生理过程起到了调节作用，使生命活动正常进行。11.5.3生物电的应用生物总是生存在一定的外界环境中，生物体作为导电

体或介电体就会按照一定规律产生响应，且能跟外界电场发生相互作用，影响体内的电过程，这就是电生物效应。生物体内复杂的电过程，使细胞膜内外的电位不断变化，产生局部的电信号，这种电信号载有生物体的大量生命信息，并能在体内迅速传递。记录和分析这

些电信号能给生命科学研究以及疾病的诊断和治疗提供可靠的依据。用于诊断：如心电图（ECG）、脑电图（EEG）。用于治疗：如电疗扩张血管、利用微弱的直流电或低频交流电可以对癌症进行热疗、手术中用的高频电刀、射频消融仪、微波治疗仪等11.5.4生物磁现象磁性是所有物质的基本属性

，生物在生命活动过程中同样会产生微弱的磁场。生物磁的来源有三种：⑴生物体的器官和组织在活动中会产生电子传递、离子转移、神经电活动等生物电过程。这些生物电过程会产生频率、强度不同，波形各异的生物电流，由此产生相应的微弱的生物磁场，如心磁场、脑磁场、神经磁场、肌磁场等。⑵生物体内的弱磁性物

质在地磁场或其他外磁场的作用下，能产生感应磁场，如肝、脾等产生的磁场。⑶磁铁矿(Fe3O4)类的强磁性物质的微粒通过呼吸道进入肺部，通过食道进入胃、肠系统等处。这些物质在地磁场或其他外磁场的作用下被磁化，从而产生剩余磁场，如

肺磁场。11.5.5生物磁的应用生物磁场的变化与生物的生命活动、生理和病理状态密切相关，这正是生物磁应用的基础。用于诊断：如心磁图（MCG）、脑磁图（MEG）.用于治疗：如静磁疗法、经络磁场疗法等。11.6物理医学诊断与治疗技术

物理学在现代医学中已获得广泛的应用并构成了现代医学的重要基础，无论是疾病的预防、诊断、治疗，还是病因病理分析都离不开物理学技术、原理和方法。医学物理学就是把物理学的原理和方法应用于人类疾病预防、诊断、治疗和保健的交叉学科。物理学新成果与医学的结合逐渐形成了许多新的医学分支学科，如超声医学、放射医

学、核医学、激光医学、低温医学、影像医学及生物医学工程学等。11.6.1物理医学治疗技术物理治疗则依赖于医疗器械，它是利用某些物理装置、器具以及生物体对光、电磁场、声波、放射性粒子等外界物理因素的响应，来消除病灶、实现康复的一类医疗方法。一、红外紫外微波治疗红外线照射能使病灶产生光化效应和热效应，

抑制细菌、病毒的繁衍，促进组织恢复正常功能。紫外线的适度照射可促进骨骼的生长发育，能够治疗风湿性关节炎和白癜风、玫瑰糠疹和银屑病等皮肤病。微波在妇科（尤其是子宫肌瘤）、外科、皮肤科、肛肠科、耳鼻喉科、风湿关节病治疗等方面有许多应用。二、电疗和磁疗低频脉冲电流

主要有增强和放松肌肉、促进局部血液循环、镇痛消炎消肿、活化神经、调节消化等作用，对于扭挫伤、腰背痛、颈椎病、肩周炎、关节肿痛、坐骨神经痛、腹部减肥等有疗效。磁疗是利用磁场作用于人体治疗疾病的方法。在2000多年前，我国西

汉时代就已利用磁石（Fe3O4）治病。磁疗具有止痛、消炎消肿、镇静解痉、降压降脂等作用，其适应症为扭挫伤、积压伤、外伤性血肿、肩周炎、关节炎、乳腺小叶增生、麦粒肿、咽炎、牙龈肿痛、神经性头痛等。三、激

光治疗激光与生物体作用会产生多种效应：（1）热效应、（2）压力效应、（3）光化效应、（4）电磁效应目前激光已在皮肤科、五官科、口腔科、妇科、肿瘤科、外科、骨科、心脏内科、脑科以及美容等方面开展了临床应用，形成

了全新的医学分支——激光医学。激光治疗技术：（1）激光刀与激光烧灼、（2）激光针灸与激光照射、（3）激光麻醉、（4）激光治疗眼病、（5）激光焊接与愈合、（6）激光治牙病、（7）激光治疗心血管病、（8）激光治肿瘤、（9）

激光治疗皮肤病及美容四、超声治疗超声波可以进入任何弹性材料（不论气体、液体或固体）包括人体，而且不受材料的电导率、导热率和透光性等性能的影响。超声治疗的机理还不是很清楚，一般认为超声与人体组织作用将产生多种效应：（1）机械振动效应、（2）空化效应、

（3）热效应、（4）弥散效应等。因其无创特性，超声治疗技术已广泛应用于眼科、理疗、消化、普外等各个临床领域中。五、放射性治疗放射性药物用于治疗主要是利用射线对机体组织的各种生物效应，抑制和破坏肿瘤细胞的生长、扩散以达到治疗的目的，这就是放射疗法，简称“放疗

”。六、粒子手术刀（1）、γ刀（2）、电子束刀和X射线刀（3）、质子刀11.6.2物理医学诊断技术物理诊断是利用物理学原理和技术设计的装置，采集人体各个层次上的信息，为获得临床诊断结论提供定性或定量分

析数据与图像的方法，其重点是无创伤的影象诊断。一、利用生物电磁效应的诊断技术（1）心电图（2）脑电图（3）心磁图（4）脑磁图二、激光诊断各种激光光纤内窥镜（胃镜、肠镜、支气管镜等）、肿瘤诊断分析仪、激光流动式细胞计、激光拉曼光谱仪、激光荧光光谱仪、激光全息眼底摄影仪、激光脑颅分析仪、激

光干涉视力测定仪、激光衍射细胞分析仪、激光散斑分析仪、激光偏振仪、激光光学层析（断层）造影（OT）技术等。三、红外热象诊断利用红外热像仪，能得到体表温度及温度场的分布图——热像图，据此可以确定病灶的部位和病变程度。这种方法已应用到内、外、妇、儿、五官及皮肤等各科

，对乳腺癌、皮肤癌、溃疡等疾病的早期诊断尤其有效。四、超声诊断超声诊断的物理基础是超声波的界面反射。人体组织是复杂的超声传播介质，其声学性质各异，于是组织边缘就成了反射界面。超声探头发射脉冲式的超声波通过两相邻组织的界面时，一部分被反射，另一部分透过界面继续前进，到下一个界面再反射。反射波进

入换能器，转换成交变电压加到示波器上，屏幕上便出现一个脉冲回波。通过分析回波幅度的分布可以获得组织的特征信息。超声诊断已由一维发展到三维，由静态发展到实时，出现了A型、B型、M型及D型等多种扫描模式，回波信息大大增加，体内的病灶愈加

清晰易辨。五、X射线诊断X射线透视可以清楚地观察到骨折的程度、肺结核病灶、体内肿瘤的位置和大小、脏器形状以及断定体内异物的位置等。人体不同组织或脏器对X射线的衰减本领不同，强度均匀的X射线透过身体不同部位后的强度也就不同，透过人体的X射线投射到照

相底片上，显像后就可以观察到各处明暗不同的像，这就是X射线摄片的基本原理。XCT是利用X射线对人体某个部位进行逐层的横断扫描，取得信息，经计算机处理后获得二维和三维图像。现代CT技术可检查全身几乎所有器官，清晰地显示它们的各种断面，轻微

的病变也能反映出来。六、放射性诊断1、放射性核素示踪诊断放射性核素的示踪诊断方法是，病人口服或静脉注射含有某种特定的放射性核素标记的药物，当这种药物进入人体某种脏器后，其所发射的γ射线能穿出体外，通过显像仪器可以观察放射性核素在人体脏器中的分布情况

，从而诊断出病变。2、ECT和PECTECT是通过口服或注射放射性药物在体内引入放射源，在成像过程中测定的是引入的放射源从体内发射出来的射线强度，最后获得的是体内某断层面的放射性核素的密度分布图像，根据密度分布来分析病变。七、磁共振成像（MRI）在外磁场中，原子核吸收特定

频率电磁波的现象叫核磁共振（从经典物理观点看，是外来电磁波的频率与核的固有频率相等发生共振）。当去掉射频电磁场时，激发态原子核将退激回到基态，发出电磁辐射。这种电磁辐射能够在环绕待测物的线圈上感应出电压信号，这就是核磁共振信号简称N

MR信号。MRI的基本原理：将人体置于静磁场中，用射频电磁波激励受检部位的某种原子核，使其产生共振吸收。去掉射频场后，该原子核向外辐射特定频率的电磁波，进而在线圈中感应出NMR信号（电压信号），再经过转换和计算机处

理，便可获体内病变信息。原则上，人体组织中的各种原子核都能用于磁共振成像。但氢核含量最大，所获得的NMR信号强度比其他核种强得多，因而成为MRI的首选核种。人体不同组织以及同一组织在病变前后，其含水量不一样即氢核密度不同，因此NMR信号强度

有差别，这种差异可作为区分各种组织和判断组织是否病变的依据。八、三维中子成像2004年在美国召开的医学物理学家年会上，美国Duke大学的C.Floyd教授领导的研究组首次展示了他们利用中子形成三维图像的新技术：中子受激辐射断层摄影术（NSECT）

。NSECT是用1~10MeV能量的快中子照入人体，引起体内的原子核辐射出γ射线，根据这些光子的特征能量就可反映出体内不同深度处原子核的化学特性。中子能在肿瘤开始形成以前分辨出它的生理特征，而不必等到肿瘤形成以后再使用切片或其他常规诊断方法来确诊。