生物物理學（biophysics），是用物理學的理論和方法研究生物學問題，并研究生命現象中物理學規律的交叉學科。生物物理學一詞最初是由卡爾·皮爾遜（英語：Karl Pearson）在1892年引入的。17世紀，德國科學家基歇爾（A.Kircher）對生物發光的研究，是最古老的生物物理學探索課題。此后，隨著大量生理學家對細胞、組織等的研究以及生物物理學技術的發展與應用。多種開拓性研究成果促使傳統生物學從純描述性階段進入到定量的、闡釋本質的發展階段，生物物理學也便作為一門新的獨立的交叉學科應運而生。
生物物理學研究對象是細胞、器官、植物、動物及人體。主要研究內容包括分子生物物理、理論生物物理、生命系統中的生物物理、外界物理因素對機體的影響以及生物物理的儀器技術。生物物理學的發展對生物學從定性向定量、從描述現象到形成具有數學和物理基礎理論依據的精確科學的發展具有重大意義。它促進了生命科學各分支學科之間的交叉與融合，如：分子生物學、物理力學、生理學、系統生物學等，為闡明生命現象的本質和規律提供了更深入的理論和方法。生物物理學也在醫學、藥學、農業等方面廣泛應用。
發展簡史
17世紀，德國科學家基歇爾（A.Kircher）對生物發光的研究，是最古老的生物物理學探索課題。18~19世紀，意大利科學家路易吉·伽伐尼（L.Galvani）和亞歷山德羅·伏特（A.Volta）、德國生理學家杜布瓦雷蒙（E.H.du Bois-Reymond）等的觀察和實驗，已經認識到活組織可以產生電流并導致肌肉收縮。1834年，恩斯特·海因里希·韋伯（Ernst Heinrich Weber）在《論觸覺的精確性》和《觸覺與通感》兩本書中探索了皮膚的神經系統如何導致對空間的感知，人類如何通過肌肉、神經和皮膚來感知重量和溫度的差別。1847年，赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）發布了關于能量守恒的論文，該論文是在他的醫學研究和哲學背景背景下寫成的。在研究肌肉新陳代謝的過程中，他開始研究能量守恒，試圖證明肌肉運動時不會損失能量。1848年，杜布瓦雷蒙（Du Bois-Reymond）研究了肌肉神經，并發現了靜息電位和動作電位。伯恩斯坦（Bernstein）測定了動作電位的傳導速度等美國科學家卡頓（R.Caton）又發現腦中存在微弱電流，從而認識到，可以從生物電流的物理特性入手了解生理功能。凡此種種的研究活動，均屬于生物物理學的范疇。。
生物物理學能夠發展成為一門新的獨立學科，更主要的則是得益于生物物理學技術的發展與應用。19世紀末，德國物理學家威廉·倫琴（Wilhelm R?ntgen）發現了X射線，之后英國物理學家布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.Bragg）在德國物理學家勞（M.Laue）發現X射線通過晶體產生衍射的基礎上，進行了一系列實驗，提出X射線衍射定律（布拉格公式），由此誕生了X射線晶體衍射分析技術。這一典型的物理學技術逐漸被應用于精確研究生物大分子的三維結構，英國科學家佩魯茨，M.F.（M.F.Perutz）和肯德魯（J.C.Kendrew）解析出血紅蛋白和肌紅蛋白的分子結構。1926年，威廉·T·波維（William T. Bovie）和外科醫生哈維·庫欣（Harvey Cushing）共同研制出了第一臺高頻電刀器械，大力推動了電外科手術的發展。美國遺傳學家沃森（J.D.Watson）和英國物理學家弗朗西斯·克里克（F.H.Crick）在英國劍橋大學合作，于1953年4月25日發表《自然》雜志（Nature），展示了他們的研究結果——脫氧核糖核酸雙螺旋結構的分子模型。依據英國晶體衍射學家莫里斯·威爾金斯（M.Wilkins）和本杰明·富蘭克林（R.Franklin）的DNAX射線衍射資料，以及當時其他科學家對DNA中堿基含量的測定結果、氫鍵連接的堿基中嘌呤有吸引嘧啶的趨勢等資料和信息，沃森與克里克進行了分析與綜合，提出了生命遺傳物質DNA分子的雙螺旋結構模型，成為20世紀自然科學的一項重大突破。
20世紀20年代中期，埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）提出了量子過程在生命現象中的概念，并于1935年在都柏林期間他寫了《生命是什么?》（英語：《What Is Life?》）在文中他依據熱力學定律對細胞功能做出了合理解釋。埃爾溫·薛定諤認為基因控制著任何系統中都存在的，或者說是無序狀態，并且認為生命的要素可因此通過其化學和物理性質被完全獲知。羅杰·彭洛斯評價道：“《生命是什么?》象征著對理解生命中某些真正神秘事物的一次有力嘗試，是本世紀最具影響力的科學著作之一”。
上述這些開拓性研究成果，促使傳統生物學從純描述性階段進入到定量的、闡釋本質的發展階段，吸引了科學界對應用物理學的理論與方法解決生物學問題的關注，生物物理學也便作為一門新的獨立的交叉學科應運而生。
研究對象
生物物理學研究對象是細胞、器官、植物、動物及人體。
細胞
研究細胞內物物理過程和生物物理變化的科學，是細胞水平的生物物理學。細胞內的生物物理過程和變化主要包括物質的轉運、能量的轉換和信息的傳遞三個方面。
植物
研究各種環境因子對植物生理過程的影響，是植物生物物理學的的部分。例如，探討光照，溫度，濕度和土壤水分這些因子對于光合作用、呼吸作用、蒸騰作用和生長發育等生理過程的影響。
器官
器官組成了不同功能的系統。生物物理學中對器官和系統水平這方面的研究著重于闡明器官和系統對于機體有什么作用，它是怎么樣進行活動的，它的活動受到哪些因素的控制等。例如，關于心血管組成的血液循環系統的生理功能研究，需要闡明心臟各部分如何協同活動、心臟如何射血、血管如何調配血液供給、血管內血液流動的動力和阻力、心血管活動如何調節等規律。
動物和人體
動物和人體的生命活動，是一個復雜的過程。但是，不論生命現象如何復雜，它們都是以體內具體的物理，化學過程為基礎的。例如用力學知識去解釋、動物和人體的運動，血液循環，聲音在聽覺器官中的傳導，用電磁理論去探討體內電的產生，用光學知識去說明眼成象原理等等。
研究內容
分子生物物理的研究
生物物理學中的分子生物物理研究主要關注生物大分子的結構與功能之間的關系。生物大分子的復雜結構決定了其功能，因此生物大分子結構的測定是研究其功能的基礎。生物大分子的結構測定包括粗略物理結構的測定、化學結構的測定和高級結構的測定。粗略物理結構的測定主要涉及生物大分子的基本物理性質，如分子量、外形和種類。常用的測定技術包括滲透壓、擴散、光散射和沉降速度等。
理論生物物理研究
理論生物物理的目標是在收集生物事實的基礎上進行抽象、簡化和統一，形成概念性的體系，從而深化對已知事實的理解，并對未知事實進行預測。理論生物物理的研究可以涉及生物分子理論、生物分子群體理論和高級群體理論等多個方面。
生命系統中功能單位的生物物理研究
生命系統中功能單位的生物物理研究涉及許多不同的領域。這些功能單位包括感覺器官（如聽覺和視覺）、生物膜、肌肉、神經和大腦等。其中，生物膜是近年來最熱門的研究領域之一。
生物膜是由磷脂和蛋白質構成的，其結構可以用流動鑲嵌模型進行解釋。研究表明，在生物體的氧化磷酸化過程中，通過呼吸鏈酶系的作用，膜的兩側形成質子梯度差，這個梯度差是生物能量的來源。因此，膜在生物能的產生中起著重要的作用。此外，膜還與細胞的相互作用、細胞的分裂和繁殖功能以及藥物對細胞的作用等重要的生命功能密切相關。
生物感受器也是生物物理學研究的重要課題。生物與環境之間、生物與生物之間以及生物體內各部分之間通過感受器進行信息交流。感受器可以分為遙感型感受器（如眼和耳，用于接收遠距離的信息）、化學感受器（如味覺和嗅覺）、體感受器（如觸覺、壓力覺、溫度覺和痛覺）以及內勝感受器（如饑餓感、口渴感和大小便緊迫感等）。這些感受器在信息交流中起著將一種形式的能量轉換成另一種形式的能量，并將信息從一種編碼轉化為另一種編碼的功能。
生物物理學致力于研究這些感受器在信息交流中的頻率變化、信息傳遞和處理等過程。通過深入探究功能單位的生物物理特性，我們可以更好地理解生命系統的工作原理和生物功能的實現。
外界物理因素對機體的影響
研究光、電離輻射、基本粒子等對機體作用的原初過程，包括能量吸收、傳遞與轉換，活性分子（如激發態、自由基等）的產生與作用機制，以及在產生生物化學變化以前的—系列反應及其防護原理。由此也誕生了生物光學、生物電學、生物聲學、輻射生物學等相關學科。
生物物理的儀器技術研究
生物物理的儀器技術研究可以分為儀器研究和技術研究兩個方面。儀器研究主要關注生物物理研究中常用的三類儀器：顯微形態分析儀器、分離分析儀器和成分和結構分析儀器。顯微形態分析儀器包括光學顯微鏡、電子顯微鏡、放射自顯影和X射線斷層分析技術等。分離分析儀器包括離心電泳和色譜分析等。成分和結構分析儀器包括各類分光光度計、核磁共振儀、電子順磁共振儀和X光衍射技術等。技術研究則關注如何有效地運用這些生物儀器進行生物實驗，包括樣品制備技術、電子計算機的應用技術以及測試結果的分析技術等。
與其他學科的聯系
分子生物物理學
生物物理學分支之一，專門從分子水平研究生命現象的物質基礎及其本質的科學。研究內容包括：構成生命的主要物質——蛋白質和核酸等生物大分子的結構、構象以及由此而產生的各種物理性質，生物大分子的能量狀態變化及與其結構和功能之間的關系，運用量子力學研究生物大分子的結構和行為等。
細胞生物物理學
生物物理學分支之一，通過研究細胞與細胞器（細胞膜細胞核和細胞質等）的物理性質和物理行為以及細胞內的物理過程和物理現象來了解細胞結構與功能的關系，以闡明生命在這一水平的表現特點和本質。研究內容主要包括細胞和細胞器的各種功能，如離子轉運、融合、出胞和入胞作用、細胞連接、通訊和識別、細胞分化和自組織等與其結構的關系等。其中對細胞膜的研究已成為當前的研究重點。
生物力學
應用物理力學的理論和方法來研究生物和人體的力學性質和力學行為，以及在時間和空間上發生位置移動和運動的力學規律的科學。研究內容主要包括宏觀生物力學和微觀生物力學兩大類。屬于宏觀生物力學的有生物系統運動的生物力學、生物流變學、生物組織的材料力學、生物系統外部和內部流體力學、生物系統結構的靜力學和動力學等，而屬于微觀生物力學的有細胞和細胞器及其構成成分蛋白質等生物大分子的力學性質研究。
生物流體力學
生物力學分支之一，應用流體力學的理論和方法研究流體（液體和氣體）在生物機體內部以及與外環境之間不斷流動的力學規律和生理意義的科學。研究內容可分為生物系統內部流體力學和生物系統外部流體力學兩大類。了解流體的流量、流態和流速之間的相互關系以及流體沿之流動的管道的力學性質對流速、流量和流態的影響，是前者的主要任務。而研究生物機體和人體在液體或氣體中發生位置移動和運動與流體之間的力學作用規律（如魚在水中的游動、鳥在空氣中的飛翔等），則是后者的主要任務。
生物流變學
生物力學分支之一。應用流變學的理論和方法來研究生物機體及其組成系統、器官、組織、細胞和生物大分子蛋白質和核酸等的流變性質和流變行為以及它們所表現的生命活動中的各種流變現象和流變過程的科學。研究內容可分為生物流體流變學和生物固體（粘彈性體）流變學兩大類。在前一類中對血液的流變性及其在血液循環中的作用的研究已成為當前的研究重點，而在后一類中對細胞膜和血管的流變性研究占主要地位。
血液流變學
生物流變學分支之一。研究人和動物體內血液的流動和變形（即流變性）的科學。如將血液當作一個連續的、均一的液體，從組織水平研究血液流變性對血液循環的影響和調節，稱“宏觀血液流變學”；如將血液當作不連續的、非均一的多相系統，從細胞和分子水平探討構成血液的有形和無形成分對血液流變性的影響和調節，稱“微觀血液流變學”。從廣義說，研究心臟和血管粘彈性對血液流變性的影響和作用，以了解血液、血管和心臟之間的相互作用和依賴關系也包括在本學科范圍內。
臨床血液流變學
血液流變學分支之一。研究血液的流變性和粘滯性在各種疾病時的變化規律及其在疾病的診斷和鑒別診斷、治療和預防以及病因研究中的意義和作用的科學。研究內容主要包括高血液粘滯度綜合征和低血液粘滯度綜合征以及通過改善血液的流變性和粘滯性來糾正血液循環障礙和加強全身或局部血液供給的血液流變學療法。
生物電學
又叫“電生物物理學”。是研究生物機體或構成部分一一組織、器官、細胞或細胞器的電學性質以及生命活動過程中所產生的電壓或電流變化規律的科學。研究內容主要包括生物電學性質和電現象的產生原因、生物電的類型和表現特點以及它們在生命活動過程中的意義及其利用等。
生物聲學
又叫“聲生物物理學”。研究不同頻率的聲波在生物介質內的傳播規律，生物機體對聲波門區應以及發生在生物機體內的聲波通信的科學。研究內容主要包括不同頻率的聲飯在生物介質內吸收和散射的特點，聲波的生物效應，特別是低頻噪聲對生物機體的損傷作用以及動物聲波發射器官及接收器官的聲學性質和工作原理、聽覺器官的工作原理和種間聲波通信等。
生物光學
又叫“光生物物理學”。研究可見光和紫外光等低能輻射對生物機體作用的原初光物理和原初光化學過程的科學。低能輻射對生物機體作用的特點是引起分子的激發態、能量及電子的轉移和傳遞等反應。研究內容主要包括植物的光合作用、動物的視覺、生物發光、光運動和光周期、光動力作用和光復活作用以及低能輻射對生物的刺激和損傷效應等。
生物能力學
探討能量在生物體內的釋放和儲存、傳遞和轉換、消耗和利用的科學。如研究光能如何經過葉綠體的作用變成化學能，生物體內的化學能又如何變成熱能、機械能等，或被利用來進行物質合成和機械運動等生命活動。
輻射生物學
亦稱“放射生物學”。研究X射線、Y射線等高能輻射能對生物和人體產生激發和電離作用等原初反應的科學。電離輻射在適宜的劑量和條件下，可促進生物的生長和發育，誘發遺傳性變異或殺死病變組織（如腫瘤等）；在較高劑量的情況下，會引起病變以至死亡。隨著原子能在工、農、醫等方面利用的推廣，又鑒于霸權主義的戰爭威脅依然存在，如何利用電離輻射的有益方面，防止和修復輻射。
應用
醫學方面的應用
生物物理學在醫學領域的應用非常廣泛，包括細胞生物學、生物分子、人體生理機能的研究，為疾病的預防、診斷、治療和藥物研發提供支持。例如，生物物理學在細胞生物學方面的應用可以幫助破解許多疾病的謎團，如國外科學家通過使用超分辨率顯微技術，已經解析了許多病毒、癌細胞等細胞結構和運作機制，為疾病的發病機理和治療提供了全新的視角和思路。此外，生物物理學在診斷與治療方面也有重要應用，研究人員可以通過研究人體內生物大分子的特性，來發現和診斷某些疾病，比如利用毒蕈堿結合蛋白鑒定特定癌癥，以及胰島素等分子的結構調節，進而研究藥物的配方，制定合理的治療方案。
基礎醫學應用
生物物理學在基礎醫學問題方面做出了重要貢獻。由于對許多疾病的發生機制不清楚，通過熒光分析、核磁共振及細胞電泳等技術被廣泛應用，以了解細胞及其分子層面的變化。生物物理學的研究對于理解細胞及其質膜在癌變過程中的變化，以及核酸和蛋白質等大分子的晶體結構及溶液構象的改變，提供了重要的見解。
生物物理學對自由基的研究也推動了自由基病理學的發展，這涉及到輻射損傷、衰老、毒物作用及心血管疾病等多種病理過程。此外，量子生物學的發展也為闡明某些物質為什么具有致癌活性的規律提供了證據，并為提高藥物療效開辟了途徑。生物物理學在基礎醫學問題上的研究為理解疾病的發生機制、診斷和治療方法提供了關鍵的見解，進一步推動了醫學的進步。
臨床實踐中的應用
生物物理學在臨床實踐中的應用日益顯現其價值。例如，血液流變學指標的測量對診斷紅細胞增多癥、慢性白血病、心肌梗死與冠狀動脈栓塞癥、糖尿病等具有重要意義。磁共振成像（MRI）作為一種無損傷的診斷技術，已在診斷腦內及內臟疾病上得到廣泛應用。
在治療方法上，生物物理學的研究也發揮了關鍵作用。例如，光敏氧化或動力學作用治療是一種利用光能傳遞能量以達到治療目的的方法，已被廣泛應用于治療癌癥。另一種治療方法是利用人工膜載帶藥物并定向引導到疾病部位，達到治療目的。這種人工膜稱為脂質體，由類脂組成，可以攜帶藥物、酶或基因，輸入機體后可通過各種途徑到達病變部位。
這些應用表明，生物物理學在臨床實踐中的貢獻不僅限于診斷，還涉及到治療和預防等多個方面，為提高醫療水平和治療效果提供了重要的支持。
藥學方面的應用
藥學的發展越來越依賴于基礎科學和其他應用學科的發展，生物物理學的迅速發展及其取得的成果使得它在藥學這一領域得到了越來越多的應用。藥物設計、藥物篩選到藥物給藥系統的研究及藥物作用機制的研究，從藥物研究開發到臨床應用的每一個環節無不用到生物物理學的基本原理、研究成果和研究方法。
藥物設計
藥物分子是通過與人體內的生物靶點相互作用來發揮藥效的。藥物分子的幾何形狀和藥效基團配置與其受體蛋白上的結合位點的空間形狀和功能基團分布是互補的，這種結構和功能基團的互補性決定了受體和藥物分子的相互識別和相互結合的強弱程度。
生物信息學和計算機技術的發展，使計算機輔助藥物設計（computer-aided drugdesign，CADD）得以建立和發展。由于對大量藥物靶蛋白或其他生物大分子三維結構的精確了解，使得基于蛋白質或核酸結構的合理藥物設計（rationaldrugdesign，RDD）方法得到了發展。合理藥物設計不僅借助于X—衍射、多維核磁共振等結構測試手段和技術，更需基因重組、蛋白測序、分離純化等基因工程技術和蛋白質工程的迅速發展為結構研究提供了生物大分子的純樣品。在受體分子結構和部分性質已知的基礎上，可以利用藥物分子與受體分子結合的互補性（幾何形狀、靜電相互作用、氫鍵相互作用等）來直接設計藥物。這種基于受體三維結構的藥物設計（structure-baseddrugdesign，SBDD）方法是在分子生物學、大分子晶體學和多維核磁技術的發展、在對受體結構—功能關系研究不斷深人研究的基礎上發展起來的。SBDD在抗艾滋病藥物的研究中得到了成功的應用，如已經上市的Nelfinavir（商品名Viracept）。
另一方面，在受體結構未被闡明時，則可以通過對系列化合物三維構效關系的研究提出藥效團模型。在藥物設計方法中，基于受體三維結構的藥物設計SBDD在新藥先導化合物的發現和優化研究中具有比基于配體三維結構的定量構效關系研究（quantitative structure-activity relationships，QSAR）更重要的地位。
藥物篩選
通過化合物活性篩選而獲得具有生物活性的先導化合物（鉛 compounds）是創新藥物研究的基礎。
藥物靶點的研究可在兩個層面進行：基因和蛋白質。人類基因組框架圖完成使新藥研究進入新的階段。人類基因組計劃的完成使我們面臨近10萬個基因，其中至少有1萬個可以作為尋找新藥的靶標。新靶點的發現將進一步促進高通量藥物篩選的發展，發現更多治療疾病的新藥。
生物技術藥物
生物技術藥物是目前生物技術研究最活躍的領域，給生命科學的研究和制藥工業帶來了革命性變化，產生了新型技術產業。生物技術藥物是指采用DNA重組技術或單克隆抗體技術或其他生物新技術研制的蛋白質、抗體或核酸類藥物。主要包括基因重組多肽，蛋白質類藥物、基因新型冠狀病毒疫苗、反義核酸藥物等。
農業方面的應用
誘導突變
農業生物物理技術已廣泛應用，通過多種物理因子對生物體進行輻照，刺激增產并改變作物性狀，誘發了遺傳基因的突變。多種技術媒介如Coγ射線、光譜、激光、X射線、靜電場、交變電場、磁場、電子束、重離子束、聲頻、超聲波等被用于此領域。作用對象包括水稻、小麥、棉花、玉米谷子、番茄油菜、蔬菜、柑橘、魚類、蝦類、食用菌、真菌、酵母菌、微生物等。此技術取得了高產、優質早熟抗病等多種效果。
參考資料 >
生物物理學.術語在線.2024-01-31
國際專著《膜生物物理學》一書出版.中國科學院.2023-11-23
生物物理學.豆瓣讀書.2023-11-23
生物物理學:能量、信息、生命(修訂版).豆瓣讀書.2023-11-23
生物物理學.豆瓣讀書.2023-11-23
Scientific memoirs, selected from the transactions ... v.1. - Full View | HathiTrust Digital Library.hathitrust.2023-11-28