生物物理課件-第零章-緒論教案

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)1生物物理學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理所河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)20.1什麼是生物物理學(xué)0.220世紀(jì)物理學(xué)進(jìn)展及其重大新技術(shù)0.3生物物理學(xué)進(jìn)展0.4生物物理研究所簡(jiǎn)介0.5生物物理學(xué)學(xué)習(xí)安排第0章生物物理學(xué)緒論河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)30.1什麼是生物物理學(xué)生物物理學(xué)是研究生命物質(zhì)的物理性質(zhì),生命過(guò)程的物理和物理化學(xué)規(guī)律及其物理因素對(duì)生物系統(tǒng)作用機(jī)制的科學(xué)生物物理學(xué)是應(yīng)用物理學(xué)的概念,理論,和方法研究生命現(xiàn)象中的物理過(guò)程和物理規(guī)律的科學(xué)引自<<生物物理學(xué)>>高教出版社主編；趙世明生物物理學(xué)就是生命的物理學(xué)

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)40.220世紀(jì)物理學(xué)進(jìn)展及其重大新技術(shù)0.2.2從“量子力學(xué)”建立到電子和信息技術(shù)0.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到核技術(shù)0.2.3

從“光量子假設(shè)”到激光技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)50.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到核技術(shù)相對(duì)論----科學(xué)的新紀(jì)元1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表了“狹義相對(duì)論”，今天我們依然有理由相信，理解這個(gè)世界的方式就是從這一刻發(fā)生的。1904年愛(ài)因斯坦和妻子及長(zhǎng)子在瑞士家中河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)6愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論第一篇論文《論運(yùn)動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的第一頁(yè)0.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到核技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)70.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到“核技術(shù)’’1909年新西蘭物理學(xué)家盧瑟福提出原子有核模型,1918年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。盧瑟福第一個(gè)直觀地描述了緊湊的原子結(jié)構(gòu)：帶負(fù)電荷的電子沿軌道繞帶正電荷的原子核運(yùn)行河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)81913年丹麥物理學(xué)家玻爾提出了一種量子化原子結(jié)構(gòu)理論0.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到“核技術(shù)’’河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)9物理學(xué)家查德威克提出原子核質(zhì)子-中子模型，并在實(shí)驗(yàn)中找到了中子。約里奧-居里夫婦提出“核力”約里奧-居里夫婦、費(fèi)米等人證實(shí)了鈾核裂變時(shí)能產(chǎn)生2-3個(gè)中子，同時(shí)釋放出大量能量0.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到“核技術(shù)’’河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)10第一座核反應(yīng)堆------人類登陸原子新世界1942年12月在意大利科學(xué)家費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)下建造了第一座核反應(yīng)堆并成功運(yùn)行，這標(biāo)志著原子能時(shí)代的開(kāi)始美籍意大利裔物理學(xué)家費(fèi)米0.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到“核技術(shù)’’河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)11原子彈爆炸——1945年在美國(guó)新墨西哥洲命名為“小玩意”的世界第一顆原子彈爆炸了，半徑為1600米范圍內(nèi)所有的動(dòng)物全部死亡，震驚了世界。轟炸日本長(zhǎng)崎的原子彈——“胖子”第一次原子彈爆炸形成的深坑0.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到“核技術(shù)’’河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)12

氫彈爆炸——推動(dòng)人類和平利用核能1952年11月，在美國(guó)成功試爆世界底一枚氫彈，相當(dāng)于投向日本那顆原子彈殺傷力的800倍氫彈爆炸形成的蘑菇云熱核彈爆炸試驗(yàn)產(chǎn)生的蘑菇云在馬紹爾群島上空生起0.2.1從“質(zhì)能公式的提出”到“核技術(shù)’’河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)13核電站——惡魔變天使1954年蘇聯(lián)建成世界上第一座核電站，而今世界上已有430多座核電站。世界上最早的商用核電站，位于蘇聯(lián)奧布寧斯克的物理和電氣工程院，1954年6月開(kāi)始發(fā)電，功率5000千瓦我國(guó)秦山核電站實(shí)現(xiàn)首次核裝料成功河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)14

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)

量子力學(xué)---揭開(kāi)微觀世界的奧秘

量子力學(xué)是20世紀(jì)物理學(xué)的一場(chǎng)革命，那麼第一個(gè)提出量子理論的德國(guó)物理學(xué)家普朗克則當(dāng)之無(wú)愧地成為這場(chǎng)革命的英雄。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)151904年，世界上第一只電子管在英國(guó)物理學(xué)家弗萊明手下誕生了，標(biāo)志著世界從此進(jìn)入了電子時(shí)代弗萊明發(fā)明的第一個(gè)電子管

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)16真空三極管“放大”了電子世界1906年美國(guó)物理學(xué)博士福雷斯特研制出真空三極管三極管的發(fā)明者福雷斯特，他的發(fā)明把人類帶入電子時(shí)代福雷斯特發(fā)明的真空三極管

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)171924年法國(guó)人德布樂(lè)意提出物質(zhì)波“波粒二相性”1926年奧地利的薛定諤提出相對(duì)論波動(dòng)方程

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)181925年德國(guó)海森堡創(chuàng)立了著名的《矩陣力學(xué)理論》薛定諤將波動(dòng)力學(xué)與矩陣力學(xué)證明等價(jià)的建立起統(tǒng)一量子力學(xué)

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)191928年普朗克應(yīng)用量子力學(xué)研究金屬導(dǎo)電問(wèn)題，提出固體能帶理論，第一次科學(xué)地將物質(zhì)分為絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體M.V.普朗克:研究輻射的量子理論，發(fā)現(xiàn)基本量子，提出能量量子化的假設(shè)。被人們稱為量子之父。1918獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)20

微波通信-----科技進(jìn)步的“催化劑”1931年在英法之間建立起世界上第一條微波通信電路，使無(wú)線通訊技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代微波通信：可用頻帶寬，傳輸損傷小，抗干擾能力強(qiáng)，通信容量大微波技術(shù)的應(yīng)用之二雷達(dá)天線

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)21圖林獎(jiǎng)----電腦領(lǐng)域最高榮譽(yù)。圖林：美國(guó)物理學(xué)家。1936年發(fā)表了奠定整個(gè)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的論文《論可計(jì)算數(shù)及其判定問(wèn)題中的應(yīng)用》。為紀(jì)念圖林在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域奠基性貢獻(xiàn)，美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)設(shè)立“圖杯獎(jiǎng)”，這是電腦領(lǐng)域的最高榮譽(yù)。

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)22第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)——埃尼阿克（ENIAC）1946年2月，莫克利：美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)物理學(xué)教授建造出世界第一臺(tái)多用途電子數(shù)字電腦，簡(jiǎn)稱ENIAC當(dāng)時(shí)出現(xiàn)在人們面前的神奇“電子腦袋”實(shí)際上不是一臺(tái)機(jī)器,而是一屋子機(jī)器

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)23圖林機(jī)：圖林的杰出貢獻(xiàn)。1950年圖林研制成功ACE電腦比ENIAC更先進(jìn)英國(guó)在第二次世界大戰(zhàn)期間,依靠圖林機(jī)原理研制的的“巨人”計(jì)算機(jī),曾為戰(zhàn)爭(zhēng)作出過(guò)貢獻(xiàn)

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)24晶體管-----人類微電子革命的產(chǎn)物1947年，37歲美國(guó)物理學(xué)家肖克萊在著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室向世人展示第一支晶體管。貝爾實(shí)驗(yàn)室制造的第一個(gè)晶體管（其表面積大約為2平方厘米，大約相當(dāng)于2億個(gè)現(xiàn)今最小的晶體管總面積）

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)25電子技術(shù)的重大突破-----集成電路1958年研制成功第一塊集成電路1969年研制成功中規(guī)模集成電路1973年研制成功大規(guī)模集成電路1980年研制成功超大規(guī)模集成電路以集成電路為核心的微電子技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代通信、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、能源、交通等各個(gè)領(lǐng)域，尤其是對(duì)現(xiàn)代電子和信息技術(shù)的發(fā)展起了巨大作用

0.2.2從“量子力”學(xué)建立到電子和信息技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)260.2.3從“光量子假設(shè)”到激光技術(shù)1905年愛(ài)因斯坦提出光量子假設(shè)成功地解釋了光電效應(yīng)1916年愛(ài)因斯坦提出受激發(fā)射概念，為激光器的發(fā)明奠定了理論基礎(chǔ)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)271939年法布里坎特指出產(chǎn)生激光的最重要條件，“實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”1958年美國(guó)科學(xué)家簡(jiǎn)洛和湯斯最早發(fā)現(xiàn)了激光最早發(fā)現(xiàn)激光的湯斯0.2.3從“光量子假設(shè)”到激光技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)28激光-----人類的希望之光1960年5月美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼宣布獲得波長(zhǎng)為0.6943微米的激光。同年7月，第一臺(tái)激光器誕生了0.2.3從“光量子假設(shè)”到激光技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)291961年中國(guó)第一臺(tái)激光器誕生了1975年我國(guó)第一臺(tái)激光測(cè)距儀研制成功1980年我國(guó)首創(chuàng)激光氣化腫瘤裝置1984年世界上第一張卡拉ok激光視盤在我國(guó)制成紅寶石激光器上的晶體管和閃光管0.2.3從“光量子假設(shè)”到激光技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)30

激光應(yīng)用：大氣污染分析，激光通信，激光熔煉，激光鉆孔，激光全息術(shù)，激光通信，光盤，激光武器。魟魚（Stingray）系統(tǒng)0.2.3從“光量子假設(shè)”到激光技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)31美國(guó)洛克希德.桑德斯公司開(kāi)發(fā)的AN/PLQ--5激光對(duì)抗裝置。也是一種致盲兼軟殺傷武器

激光技術(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合孕育出的一門科學(xué)技術(shù)，它不僅充分顯示出物理科學(xué)對(duì)技術(shù)發(fā)明的預(yù)見(jiàn)性，而且它本身又可作為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)家族中的一個(gè)優(yōu)等生0.2.3從“光量子假設(shè)”到激光技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)32

第一，相對(duì)論、量子力學(xué)和它們相結(jié)合產(chǎn)生的量子場(chǎng)論從根本上改變了人類對(duì)時(shí)空和宇宙萬(wàn)物的看法，使人們從絕對(duì)的宇宙觀變?yōu)檗q證的唯物的宇宙觀。0.220世紀(jì)物理學(xué)進(jìn)展及其重大新技術(shù)20世紀(jì)物理學(xué)做出了三方面的重要貢獻(xiàn)：河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)33第二，20世紀(jì)物理學(xué)是帶頭的學(xué)科，它帶動(dòng)了化學(xué)、天文、材料、能源、信息等學(xué)科的發(fā)展，它為生物、醫(yī)療、地學(xué)、農(nóng)業(yè)提供了強(qiáng)大的探測(cè)手段和研究方法。物理學(xué)在半導(dǎo)體、集成電路、激光、磁性、超導(dǎo)等方面的發(fā)現(xiàn)奠定了信息革命的科學(xué)基礎(chǔ)。它推動(dòng)了高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，引發(fā)了以微電子、光電子和微光機(jī)電技術(shù)為核心的第三次技術(shù)革命，許多重大新技術(shù)發(fā)現(xiàn)源頭和過(guò)程中，物理科學(xué)研究成果起了極大作用。由物理學(xué)研究衍生的新技術(shù)和新產(chǎn)品層出不窮，從根本上改變了人們的生產(chǎn)方式和生活方式。0.220世紀(jì)物理學(xué)進(jìn)展及其重大新技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)34第三，通過(guò)計(jì)算機(jī)的幫助，應(yīng)用古典物理理論討論流體運(yùn)動(dòng)和氣象預(yù)報(bào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了自組織、混沌和分形等現(xiàn)象。隨后發(fā)現(xiàn)，這是普遍存在于非線性相互作用的開(kāi)放系統(tǒng)中的現(xiàn)象，生命系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)也不例外。0.220世紀(jì)物理學(xué)進(jìn)展及其重大新技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)350.3生物物理學(xué)進(jìn)展0.3.1生物物理學(xué)基礎(chǔ)0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展0.3.3分子生物學(xué)0.3.4輻射生物學(xué)0.3.5理論生物物理河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)360.3.1生物物理學(xué)基礎(chǔ)

意大利波倫亞大學(xué)的解剖學(xué)教授伽伐尼（Galvani）用他發(fā)明的原始的化學(xué)電池給青蛙腿通電，觀察肌肉收縮。他同時(shí)成為電學(xué)和電生理學(xué)兩門學(xué)科的開(kāi)創(chuàng)者（在英文單詞中物理學(xué)者(physicist)和醫(yī)師(physician)來(lái)自同一字根）。

物理學(xué)和生物學(xué)的互相促進(jìn)，由來(lái)已久。邁爾（Mayor）德國(guó)醫(yī)生，物理學(xué)家，是第一個(gè)把能量轉(zhuǎn)化概念應(yīng)用于生物學(xué)的人，能量守恒定律發(fā)現(xiàn)者之一，是生物物理學(xué)的先驅(qū)。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)37

1943年量子力學(xué)創(chuàng)始人之一薛定諤在愛(ài)爾蘭都伯林發(fā)表的題為“什么是生命”的著名演說(shuō),在這篇演說(shuō)中他提出了重要設(shè)想和猜測(cè)：生物由外界攝入“負(fù)熵”，處于非平衡態(tài)的系統(tǒng)；生物遺傳性狀以密碼形式通過(guò)染色體傳遞；生物體內(nèi)存在量子躍遷現(xiàn)象。此書被翻譯成包括漢語(yǔ)在內(nèi)的各種語(yǔ)言多次再版，并被許多人視為現(xiàn)代生物物理學(xué)的開(kāi)篇。0.3.1生物物理學(xué)基礎(chǔ)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)38

50年之后，在同一地點(diǎn)舉行了紀(jì)念薛定諤演說(shuō)的專門會(huì)議,多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者和著名學(xué)者的演說(shuō)，以《什么是生命？下一個(gè)50年》為題，結(jié)集出版,這兩本小冊(cè)子，都值得一讀。0.3.1生物物理學(xué)基礎(chǔ)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)39

16世紀(jì)末發(fā)明的第一臺(tái)光學(xué)顯微鏡，首先使人們看見(jiàn)了軟木塞中的小泡，即眾多死去了的細(xì)胞壁。1683年荷蘭人列文虎克(Leeuwenhoek)用自制的顯微鏡第一次看見(jiàn)了活的細(xì)菌,不過(guò)90年以后才確認(rèn)細(xì)菌是一類生物。0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)40

電子顯微鏡——人類第三只眼睛

1931年德國(guó)科學(xué)家恩斯特·魯斯卡與組長(zhǎng)馬克斯·克諾爾博士制成世人公認(rèn)的第一臺(tái)電子顯微鏡。恩斯特·魯斯卡、馬克斯·克諾爾與他們制造的電子顯微鏡電子顯微鏡下的人體紅血球0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)41

我們不可能在這里解釋不斷翻新的顯微觀察手段，只列舉一些名稱：偏光顯微鏡、電子顯微鏡、掃描電鏡、隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等等，它們都對(duì)深入認(rèn)識(shí)生物細(xì)胞和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)揮著作用。光學(xué)顯微鏡掃描隧道顯微鏡原子力顯微鏡0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)42

當(dāng)今生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的日常工具，如超速離心機(jī)、液相色譜分析、凝膠電泳。各種光譜分析和熒光標(biāo)記，以及示蹤原子、同位素標(biāo)記與生物化學(xué)的結(jié)合，帶來(lái)了對(duì)生物內(nèi)部過(guò)程的豐富知識(shí)。0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)43

核磁共振——打開(kāi)黑箱的鑰匙

1949年泊塞爾小組成功研制成的第一臺(tái)核磁共振儀。核磁共振(NMR)譜儀

核磁共振(NMR)譜儀對(duì)于確定蛋白質(zhì)、特別是溶液中的較小的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及一些動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)44

最近十來(lái)年在物理實(shí)驗(yàn)室中發(fā)展起來(lái)的單分子操縱技術(shù)，例如流場(chǎng)分子梳、激光“鑷子”、微管技術(shù)和原子力顯微鏡等，使得人們可以操縱單個(gè)生物大分子，直接觀察它們的運(yùn)動(dòng)和相互作用,雖然這些手段目前基本上還是物理實(shí)驗(yàn)室里的新玩意兒，但不久以后就會(huì)成為生物學(xué)家的有力工具。0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)45

X射線——讓我們永遠(yuǎn)記住倫琴

1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主為德國(guó)物理學(xué)家倫琴。倫琴因發(fā)現(xiàn)了X射線而揭開(kāi)近代物理學(xué)革命序幕成為20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一。0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)46

X射線衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有90多年的歷史，近代產(chǎn)生的X射線晶體衍射分析技術(shù)，對(duì)確定基本的遺傳載體即脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結(jié)構(gòu)起了關(guān)鍵作用。

0.3.2生物物理學(xué)技術(shù)發(fā)展河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)47

DNA發(fā)現(xiàn)——人類發(fā)現(xiàn)生命的秘密DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖0.3.3分子生物學(xué)20世紀(jì)自然科學(xué)偉大的三個(gè)發(fā)現(xiàn)：相對(duì)論、量子力學(xué)和DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)48

DNA發(fā)現(xiàn)——我們應(yīng)記住四位偉大科學(xué)家克里克物理學(xué)家沃森動(dòng)物學(xué)家維爾金斯物理學(xué)家弗蘭克林化學(xué)家劍橋大學(xué)卡文迪實(shí)驗(yàn)室倫敦皇家學(xué)院0.3.3分子生物學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)49

DNA發(fā)現(xiàn)——?dú)v史積淀，“水到渠成”

1859年達(dá)爾文生物進(jìn)化論

1865年德國(guó)孟德?tīng)柾愣棺哟誀铒@現(xiàn)規(guī)律

1869年瑞士生物化學(xué)家米歇爾分離出DNA分子

1882年德國(guó)解剖學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)染色體

1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線

Bragg衍射公式：

2d·sinθ=kλk=0，1，2，…0.3.3分子生物學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)501910年美國(guó)科學(xué)家摩爾根發(fā)現(xiàn)遺傳信息位于染色體上1920年英國(guó)科學(xué)家格里菲斯發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移因子1944年科學(xué)家初步確認(rèn)轉(zhuǎn)移因子在DNA中間1952年科學(xué)家用放射化學(xué)的原子跟蹤方法遺傳物質(zhì)就是DNA0.3.3分子生物學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)51

DNA發(fā)現(xiàn)——給我們四點(diǎn)啟示

1.學(xué)科交叉是創(chuàng)新思想的源泉；

2.科學(xué)發(fā)現(xiàn)是不斷積累、深化的過(guò)程，有選擇地繼承和發(fā)展才能作出重大創(chuàng)新；

3.選擇有戰(zhàn)略意義的重大課題，堅(jiān)持不懈；

4.既要敢于競(jìng)爭(zhēng)，更要善于合作。引自周光召《鼓勵(lì)學(xué)科交叉促進(jìn)原始創(chuàng)新——紀(jì)念DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)50周年》，《人民日?qǐng)?bào)》2003.70.3.3分子生物學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)52

奧地利出生的英國(guó)生物化學(xué)家佩魯茲和肯德魯分別解出肌紅蛋白和血紅蛋白兩種晶體結(jié)構(gòu)，是生物學(xué)發(fā)展的重要里程碑，這項(xiàng)先后完成于1957和1959年的卓越工作，使師生二人分享了1962年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。0.3.3分子生物學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)53

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)表的第二年，物理學(xué)家伽莫夫(Gamov)就猜測(cè)遺傳密碼應(yīng)當(dāng)是基于4個(gè)字母的三聯(lián)碼，即蛋白質(zhì)中的每種氨基酸應(yīng)當(dāng)由DNA序列中的3個(gè)核苷酸編碼,伽莫夫所建議的一套密碼表雖然不對(duì)，但頗富啟發(fā)作用,三聯(lián)碼的設(shè)想是正確的，適用于絕大多數(shù)生物的通用遺傳密碼表在1960年代初被完全破譯。0.3.3分子生物學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)54

人類基因組工程——掀開(kāi)生命天書

2000年底，科學(xué)家已破譯出首對(duì)人體染色體的完整遺傳密碼。吉爾伯特——DNA堿基序列分析創(chuàng)始人291293DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)由四個(gè)堿基配對(duì)形成0.3.3分子生物學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)550.3.4輻射生物學(xué)0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究

0.3.4.2離子束生物工程

0.3.4.3重離子束放射治療技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)56

趙葵中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理所0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)57輻射的所有生物作用來(lái)自在單個(gè)細(xì)胞水平上發(fā)生的事件。對(duì)輻射損傷最靈敏的是細(xì)胞核及其DNA。DNA(脫氧核糖核酸)是攜帶生命遺傳物質(zhì)的分子,是生命信息的載體，是在電離輻射引起的生物學(xué)效應(yīng)中的最重要靶分子。

0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)58單鏈斷裂(singlestrandbroken,ssb)

雙鏈斷裂(doublestrandbroken,dsb)DNA的雙鏈斷裂(dsb)是輻射引起的各種生物效應(yīng)中最重要的原初損傷。0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)59原子力顯微鏡(AFM)又是SFM中最有代表性的、技術(shù)比較成熟的一種。AFM能夠在原子尺度上研究絕緣體表面。在導(dǎo)電性較差的生物材料表面結(jié)構(gòu)和有關(guān)性質(zhì)的研究中,發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。具有可達(dá)幾納米的高分辨本領(lǐng)，還能測(cè)量力對(duì)探針－樣品間距離的關(guān)系曲線（力曲線）。0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)60

具有高傳能線密度(LET)的電離輻射，它所引起的能量沉積密集，局部劑量也大。與低LET的輻射(如X、射線和電子束等)有不同的物理性質(zhì)，通過(guò)物質(zhì)時(shí)有完全不同結(jié)構(gòu)的電離徑跡。高LET輻射能更有效地引致DNA的雙鏈斷裂（dsb）。

LET:指直接電離粒子在其單位長(zhǎng)度徑跡上消耗的平均能量。0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)61研究重離子的輻照損傷在學(xué)術(shù)

和應(yīng)用方面的意義?在航天飛行對(duì)人的危險(xiǎn)性評(píng)估

?重離子束治癌－基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性研究

核輻射事故和低劑量輻射環(huán)境(包括貧鈾彈污染)0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)62pUC19質(zhì)粒DNA，長(zhǎng)度為2686堿基對(duì)，圖為經(jīng)19MeV的Li離子輻照500Gy輻照前后的圖片。0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)63pUC19質(zhì)粒DNA，長(zhǎng)度為2686堿基對(duì)，圖為經(jīng)19MeV的Li離子輻照1000Gy輻照前后的圖片。0.3.4.1重離子致DNA鏈斷裂研究河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)640.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)650.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)66離子束誘變育種離子束誘變裝置特點(diǎn)：損傷輕、突變率高、突變譜廣,

頻繁出現(xiàn)當(dāng)代可遺傳突變0.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)67紅花-新疆大學(xué)0.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)68當(dāng)年掛果的銀杏0.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)69對(duì)照M2代株高逐次降低

5-30cm當(dāng)代可遺傳變異？(第二代基本不分離）鄭州大學(xué)0.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)70蘭考906M2代對(duì)照變異株(第二代基本不分離？）鄭州大學(xué)0.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)71當(dāng)代突變的番茄0.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)72對(duì)生玉米0.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)73特殊突變現(xiàn)象-鄭州大學(xué)煙草葉上葉0.3.4.2離子束生物工程河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)74重離子束適形放射治療技術(shù)及RBE計(jì)算重離子束Bragg峰HIRFLHIRFL+CSR中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所0.3.4.2重離子束放射治療技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)75PET在線監(jiān)控技術(shù)正電子發(fā)射斷層機(jī)(PET)0.3.4.2重離子束放射治療技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)76立體定位頭架患者定位系統(tǒng)0.3.4.2重離子束放射治療技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)77三個(gè)月后德國(guó)GSI治療第一例患者的NMR圖像(1997年12月)0.3.4.2重離子束放射治療技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)78腫瘤部位199419951996199719981999總計(jì)頭頸91019312238129中樞神經(jīng)系統(tǒng)681069746顱底---64212肺61127172833122食管--1164-21肝-121319251786前列腺-91810303097子宮-91311101154骨/軟組織--913191859其它-2416301732119總計(jì)2183126159168188745日本HIMAC裝置臨床試驗(yàn)中的患者治療數(shù)(截止2000年2月)0.3.4.2重離子束放射治療技術(shù)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)790.3.5.1細(xì)胞0.3.5.2分子馬達(dá)0.3.5.3分子馬達(dá)的種類0.3.5.4研究分子馬達(dá)的意義

近30年來(lái)在物理學(xué)和非線性科學(xué)中發(fā)展起來(lái)的標(biāo)度、分維和分形的概念，臨界現(xiàn)象、自組織現(xiàn)象和自組織臨界現(xiàn)象的理論，隨機(jī)背景下的相變和確定性演化過(guò)程等等，都在生物學(xué)研究中發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

0.3.5理論生物物理細(xì)胞中的分子馬達(dá)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)80細(xì)胞的的結(jié)構(gòu)0.3.5.1細(xì)胞河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)81馬達(dá)：將其他形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。分子馬達(dá)：將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的蛋白質(zhì)大分子。0.3.5.2分子馬達(dá)河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)82

驅(qū)動(dòng)蛋白（kinesin）線性馬達(dá)動(dòng)力蛋白（dynein）肌球蛋白（myosin）旋轉(zhuǎn)馬達(dá)F-ATP合酶0.3.5.3分子馬達(dá)的種類河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)83驅(qū)動(dòng)蛋白（Kinesin）Kinesin結(jié)構(gòu)微管Kinesin的定向運(yùn)動(dòng)Kinesin的作用將細(xì)胞器和各種細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)沿著微管從合成部位快速有效的運(yùn)送到功能部位，完成各種細(xì)胞內(nèi)外傳質(zhì)功能，如運(yùn)送細(xì)胞器和物質(zhì)小泡。參與細(xì)胞的有絲分裂，在有絲分裂的過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)蛋白使中心粒分開(kāi)，導(dǎo)致紡錘體極性的形成。0.3.5.3分子馬達(dá)的種類河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)84動(dòng)力蛋白（Dynein）Dynein結(jié)構(gòu)Dynein的定向運(yùn)動(dòng)Dynein的作用0.3.5.3分子馬達(dá)的種類河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)85肌球蛋白（Myosin）Myosin的種類結(jié)構(gòu)微絲Myosin的定向運(yùn)動(dòng)Myosin的作用0.3.5.3分子馬達(dá)的種類河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)86旋轉(zhuǎn)馬達(dá)ATP合酶ATP合酶結(jié)構(gòu)F0的運(yùn)動(dòng)F1的運(yùn)動(dòng)ATP合酶作用0.3.5.3分子馬達(dá)的種類河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)87旋轉(zhuǎn)馬達(dá)ATP合酶旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)的分子結(jié)構(gòu)Themolecularstructureoftherotarymotor

這種旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)是合成能源物質(zhì)ATP的關(guān)鍵物質(zhì)。右圖所示為ATP合成酶的分子結(jié)構(gòu)。這種蛋白質(zhì)包括兩部分：可溶部分F1及一個(gè)與膜結(jié)合部分F0。不同來(lái)源的ATP合成酶基本上有相同的亞基組成和結(jié)構(gòu)，它們都是由多亞基組成。

F1馬達(dá)既能水解ATP又能合成ATP。F0馬達(dá)既可作為離子渦輪機(jī)又可作為離子泵。當(dāng)馬達(dá)比較強(qiáng)時(shí)，它利用橫跨膜的粒子電化學(xué)勢(shì)在相反的方向上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的扭力矩（離子進(jìn)入膜內(nèi)），此時(shí)合成ATP。當(dāng)馬達(dá)比較強(qiáng)時(shí)，它利用ATP水解產(chǎn)生扭力矩，同時(shí)使在電化學(xué)梯度下作為離子泵釋放離子。旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)以兩種不同的方式把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。，所以，它表現(xiàn)出兩個(gè)主要的能量轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。

它可能是自然界發(fā)現(xiàn)的最小的分子馬達(dá)，其運(yùn)轉(zhuǎn)效率幾乎接近100%。0.3.5.3分子馬達(dá)的種類河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)88總之，生命體內(nèi)的一切活動(dòng)，從肌肉收縮、細(xì)胞內(nèi)部的運(yùn)輸、遺傳物質(zhì)(DNA)的復(fù)制、一直到細(xì)胞的分裂等等,追蹤到分子水平，都是源于具有馬達(dá)功能的分子馬達(dá)（molecularmotor）或蛋白馬達(dá)（motorprotein）作功推動(dòng)的結(jié)果。且它的效率極高，有的幾乎是100%。0.3.5.3分子馬達(dá)的種類河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)89生物學(xué)：分子馬達(dá)在生命活動(dòng)中起著十分重要的作用，細(xì)胞內(nèi)物體的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)都是基于分子馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)。我們對(duì)分子馬達(dá)的認(rèn)識(shí)越深刻，就能進(jìn)一步搞清生命活動(dòng)的規(guī)律和本質(zhì)。物理學(xué)：在準(zhǔn)平衡狀態(tài)下，單個(gè)分子馬達(dá)可產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)，用以往平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理無(wú)法解釋，只可考慮非平衡統(tǒng)計(jì)物理方法，而此方法解釋粒子定向輸運(yùn)理論仍不完善，仍存在研究空間。醫(yī)學(xué)：研制出十分誘人的以ATP為能源的各種微型機(jī)器：諸如某種混合型機(jī)器人將修復(fù)人體細(xì)胞，對(duì)抗感染、輸送藥物、乃至用正?；蚋鼡Q病變基因。最近有關(guān)文章報(bào)道某個(gè)研究小組在研制能夠在人體細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)裝配的醫(yī)療設(shè)備，有朝一日，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)會(huì)把人們從繁重不堪的日常工作中解脫出來(lái)。材料學(xué)：利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子的分子機(jī)器。納米科技的最終目的是制造分子機(jī)器，納米生物學(xué)應(yīng)該是納米科技中的一個(gè)核心領(lǐng)域。西方科學(xué)家設(shè)想用納米技術(shù)，以氨基酸為原料制造分子機(jī)器人，利用其它在血液中循環(huán)，對(duì)身體各部進(jìn)行檢測(cè)，診斷同時(shí)實(shí)施特殊治療，例如：對(duì)病變細(xì)胞的分離，疏通血管血栓，清除脈管脂肪沉積物，吞噬病毒，獵殺癌細(xì)胞。0.3.5.4研究分子馬達(dá)的意義河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)

900.4生物物理研究所簡(jiǎn)介河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)91河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)

920.4.1研究方向河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)93生物大分子動(dòng)力學(xué)主要研究分子馬達(dá)定向輸運(yùn)、DNA斷裂與修復(fù)機(jī)制、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、異化及其層次調(diào)節(jié)等生物分子運(yùn)動(dòng)機(jī)制問(wèn)題。本研究方向利用生物大分子運(yùn)動(dòng)的大量豐富新穎的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在理論上對(duì)其運(yùn)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行深入研究，內(nèi)容涉及生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)94生物分子特性的量子化學(xué)分析與計(jì)算

本方向以結(jié)構(gòu)化學(xué)、物理化學(xué)、量子化學(xué)的方法和手段，研究生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能和生物學(xué)特性，從物理學(xué)本質(zhì)來(lái)分析闡述生物分子的本質(zhì)。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)95生物信息學(xué)生物信息學(xué)以生物學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等為基礎(chǔ)，以生物大分子數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)DNA的遺傳特性和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能特征的研究，探索生命奧秘，揭示生命現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)

960.4.2學(xué)術(shù)帶頭人河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)97卓益忠中國(guó)原子能科學(xué)研究院研究員博士生導(dǎo)師外聘專家中國(guó)原子能科學(xué)研究院生物物理、理論物理領(lǐng)域老一輩資深專家，國(guó)家第二批博士生導(dǎo)師，曾榮獲1985年國(guó)家科學(xué)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，1999年第六屆吳有訓(xùn)物理學(xué)獎(jiǎng)以及科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)，國(guó)防科委重要科技成果獎(jiǎng)、國(guó)家教委和部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、二等獎(jiǎng)、三等獎(jiǎng)等10多項(xiàng).

河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)98趙葵中國(guó)原子能研究院研究員博士生導(dǎo)師外聘專家畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系?，F(xiàn)工作于中國(guó)研原子能科學(xué)研究院核物理研究所。中國(guó)原子能科學(xué)研究院生物物理、理論物理領(lǐng)域老一輩專家，1995年榮獲部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)一項(xiàng)。研究方向：核反應(yīng)、團(tuán)簇物理以及高能粒子輻照生物學(xué)研究。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)99

長(zhǎng)期從事物理專業(yè)教學(xué)與科研工作，所主持的教學(xué)改革項(xiàng)目獲得河北省教學(xué)成果一等獎(jiǎng)，獲得國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)。獲得專利1項(xiàng)；在國(guó)內(nèi)外重要刊物發(fā)表論文50多篇，其中被SCI收錄18篇，出版專著、教材三部。目前，主持國(guó)家自然科學(xué)基金1項(xiàng)，河北省自然科學(xué)基金2項(xiàng)及其他省部級(jí)項(xiàng)目4項(xiàng)。所主持的河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目于2004年獲河北省自然科學(xué)三等獎(jiǎng)。指導(dǎo)博士研究生５名、碩士研究生9名。展永教授、理學(xué)博士、博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)任河北工業(yè)大學(xué)副校長(zhǎng)、生物物理研究所所長(zhǎng)、中國(guó)高等工程教育學(xué)會(huì)理事、河北省高等工程教育學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)100紀(jì)青教授碩士生導(dǎo)師生物物理研究所副所長(zhǎng)畢業(yè)于吉林大學(xué)物理系并獲博士學(xué)位。主持國(guó)家自然科學(xué)基金1項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目2項(xiàng)。為本科生、研究生主講多門主干課程，2004年獲“河北省中青年骨干教師”稱號(hào)。現(xiàn)指導(dǎo)研究生7人。河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)101趙同軍教授碩士生導(dǎo)師