第一章 现代生物物理学
写在一开始的问题：物理学原理和定律主要是在研究非生命体系的物体和现象中发现的，那么这套理论是否足以解释具体的生命现象呢？
“……细胞和生物体的生物物理学不可能直接同微观世界的物理学发生联系。量子力学同生物学的关系，只是阐明执行生物功能的原子和分子的结构及其特性而已。”
本书的讨论内容：
（1） 分子生物物理学：研究生物功能物质及其复合体的结构及性质；
（2） 细胞生物物理学：研究超分子的、细胞的和亚细胞的系统；
（3） 复杂系统的生物物理学：对细胞、生物体的生理系统、生物体、种系群体以及总的生物圈等范围内的生物学过程，着重进行物化数学模型的分析。
第二章 物理学和化学
“细胞或生物体的一切生命过程都由化学反应所决定，也就是由大大小小的分子和粒子的相互作用所决定。没有化学，要建立生物物理学是不可能的。”
“……（异构体的）构象和构象的变化特性，决定了生物聚合物及聚合物的最重要的性质。”
批注：生物分子的空间构象直接决定其生物学功能，而空间构象的形成又和化学键的特性紧密相关，在其中蕴涵的规律需要通过经典化学和量子力学的手段来进行描述和研究。
下面以共轭链为例来说明一下量子力学在分析大分子理化特性中的具体应用：
共轭链的定义：由C、H等原子构成的，单键和双键交替出现的短链或长链。其中的π－电子具有可移动性，这在其光谱特性中便有体现。
取一长度为L=Nl的共轭链，由于将π－电子“搬运”出长链需要做很大的功，所以我们可以近似地认为π－电子处于一无限深的方势阱中，将该系统与一两端固定的弹性弦类比，则电子的波长可能值可以看成这根弦上形成的驻波的可能波长λ=2L/n。于是，便可导出π－电子一系列的分立的能量值，及吸收带波长（Λ）与L（链长）之间的关系。
“……由于存在可以活动的π电子，共轭链都像乙烯那样具有平面结构。这类链中不存在内转动（双链存在的缘故？），长链也没有构象上的柔性。”
第三章 电子波的一些性质
这一章介绍了对势阱的一些应用，可借此绕开薛定谔方程来求解某些量子力学问题（半定量的意义上精确，和严格解可能有一定差异）：
1、 谐振子的量子化问题；
2、 氢原子的量子化问题。
“势阱的形象化模型，使得我们毋须寻求薛定谔方程的复杂解，便能理解量子力学的重要概念。”
第四章 分子的强的和弱的相互作用
首先先给出这两种相互作用的定义：
“分子与分子间彼此相互作用，分子内的原子和原子基团彼此之间也有相互作用。我们用术语‘强的相互作用’表示化学的相互作用，用‘弱的相互作用’表示不导致分子组成变化的分子间和分子内的相互作用。”
1 强的相互作用（化学的相互作用）的实质及其发生的条件：
“……化学反应表示参与强的相互作用的分子中的电子云的变化。电子云的变化又会引起原子核布局的改变。只有满足必要的热力学和动力学条件，化学反应才会发生。化学反应的必要热力学条件是：产物的自由能低于反应物的自由能。”
G=H-TS
H=E+pV
G产物<G反应物
当然，以上公式只是定量地给出了反应的热力学条件，但这只是反应得以进行的必要而非充分条件。也就是说，满足热力学条件的反应在原则上来说可以进行，但反应的速率可能很低，以至实际上无法发生。因而，动力学条件同样是化学反应的必要条件。
在绝大多数情况下，动力学条件可以归结为这样的要求：为了使反应能够进行，反应物要具有过量的能量（活化能）。显然，系统的能量越大，电子转移也能发生得越快，越容易。因为这种电子转移意味着拆开某些化学键后又形成新的化学键。
于是我们完全可以理解，如果系统能够跨过活化势垒，化学反应便能发生。因此，反应速率同温度有关，随着温度的升高而增大。
讲到这里，其实我们已经涉足到了催化剂的物理实质，它们的作用便是通过降低活化自由能来加速化学反应的进程。从理化研究中得出的这些结论对于生物学也有着极为重大的意义，因为我们知道许多生物学过程都是催化的反应过程，而催化的作用正是由酶来承担的。
2 弱的相互作用（分子间及分子内的非价键弱的相互作用）：
从作用的强弱程度来看，这类分子间相互作用的能量（数量级小于10千卡/摩尔）比化学键的能量低得多，化学键的能量的数量级一般为数十千卡/摩尔。
通常把分子间的力称为范德瓦耳斯力，它源自分子中因电荷分布不对称而造成的普通静电效应。
这一原理在生物物理学的应用中可以体现在：分子所具有的构象相应于一切弱相互作用的能量取极小值。
同时，在生命活动中扮演关键角色的弱相互作用还包括氢键，了解氢键的特性对于我们理解在水相溶液中发生的各类理化现象至关重要。
如何看待物理学和化学在生物物理研究中所扮演的角色：
“……化学中主要问题的原则性解已经从物理学中得到了。就这个意义来说，物理学同化学已经统一了……以后，凡是提到生物学中的物理学时，实际上都是指生物学中的物理学和化学，因为化学的理论基础是属于物理学的范畴……”
“可以说，化学和分子物理学是细胞和生物体生物学的基础。生命从分子这一层次开始，说什么‘亚分子生物学’是毫无意思的。因此，生物学（在这里使用‘生物物理学’可能更恰当）是讨论分子的电子变化和构象变化的科学，但决不是讨论物质在更深层次（如原子核）上的变化。”
第五章 大分子物理学
“我们先来讨论由长链的结构所确定的大分子的普遍特性，显然，如果不了解这些特性，要理解分子生物物理学是不可能的。如果不了解橡胶的主要特性，也就不能懂得酶的活性。”
橡胶的弹性模量约为0.02~0.8千克/毫米2，决定于硫化程度，这与大气压p的值相近（p约等于0.01千克/毫米2）。于是，我们便可以用理想气体定律来表征橡胶的热力学性质。
橡胶的焓（内能）同拉伸无关－理想气体的内能同占据的体积无关。
“橡胶和气体的弹性都与能量无关，只取决于熵。无论是橡胶的拉伸还是气体的压缩，熵都要减小，而能量却保持不变。另一方面，象钢质弹簧之类固体的拉伸，内能增加而熵实际上却保持不变。”
“……橡胶和气体的类似性只是说明：橡胶也是由大量的独立运动单元所组成的，橡胶的拉伸使得这些运动单元从较大几率的分布，转变为较小几率的分布……在橡胶拉伸过程中，线圈伸展，熵减小。”
“以上就是三十年代由库恩（Kuhn）、马克（Mark）及古思（Guth）等人创立的橡胶运动论的内容。大分子物理学的进一步发展与聚合链的统计理论密切相关。这个统计理论使我们可以根据聚合物的化学结构，计算出分子的大小、偶极矩及极化率等等聚合物的几何学、电学及光学属性。”
“因此，大分子的卷曲（统计线圈）可以作为转动异构体的混合物来处理。在计算线圈大小和它的偶极矩过程中，长链中各个转动环节的相应特性，必须对它们的各种可能构象求平均。因此，大分子的统计理论又被称为转动－同质异构体理论。”
“除少数情况外，合成聚合物在溶液中都成为统计性卷曲状态。这个规律并不适用于生物聚合物。后面我们可以看到，在天然的，也就是在细胞和生物体内的蛋白质和核酸中，氢键和其他的弱的相互作用维护了某些特定的构象。只有当生物聚合物变性之后，也就是说，当它们的天然结构破坏之后，才会出现统计线圈的状态。”
由于组成聚合物长链各单元间的弱相互作用（吸引力），那末这种线圈状就会收缩成球体状。完整描述这一跃变的理论可以帮助我们确立球状蛋白质的相关性质。
第六章 分子生物物理学和分子生物学
“分子生物物理学研究如蛋白质、核酸等生物功能物质的分子结构和物理化学特性，通常是把它们从细胞中提取出来再进行研究的。研究蛋白质、核酸的结构与性质，同研究非生物功能物质的分子结构和性质，并无本质的区别；这种研究并不涉及生命本身，而是研究生命系统的建造元件。 只有阐明这些分子的独特行为，才可能直接得出由分子水平所决定定的基本生命现象。”
“蛋白质一旦受热，或者当它的环境变化时，（例如受到酸、碱、尿素等的作用时），它的二级结构，尤其是α－螺旋结构就会受到破坏。这就发生螺旋－线圈的跃变。这种跃变的物理学行为是很奇特的，它不是缓慢地进行的，而是根据所谓的‘全有或全无’的原理跃变。换言之，通常当温度上升到某一确定温度（通常低于100℃）之前，螺旋是稳定的，然后全部螺旋一道瓦解……”
“这里我们遇到了类似于物理学中相变的合作现象。晶体的熔解、液体的沸腾也是以‘全有或全无’的方式突然出现的。对这类现象进行研究的物理学理论证明，这是由系统中粒子之间的合作相互作用造成的。因此，以晶体为例，仅当晶体和液体的自由能相等时：
H晶－T熔S晶＝H液－T熔S液
晶体才会熔化；上式中H为焓，T为温度，S是熵。换句话说，仅当能量（焓）的增加正好被熵的增大补偿时：亦即
H液－H晶＝T熔（S液－S晶），
晶体才可能熔化。因此熔点温度为
T熔＝（H液－H晶）/（S液－S晶）
当晶体被加热时，它的原子所具有的能量（焓）会不断增大，由于原子从晶格中跳出来之后比在晶格中有更大的自由度，熵也会随之增大。不过晶体中的原子彼此间拉得很紧，原子很难独自离开晶格，因此加热过程中熵实际上并没有增大。这样一来，能量的上升并不能被熵所抵消，只有整个晶格以合作的形式一起瓦解才行。类似地，要把α－螺旋中肽链的一个环节单独游离出来而不拆开相邻的氢键，也是不可能的。为了使一个环节游离，需要消耗能量来把固定着这个环节的氢键拆开。但此时熵并不增加，因为这环节仍不能自有运动，它仍被‘挤’在邻近固定的环节之间不能动。只有许多氢键都同时拆开时，才能出现α－螺旋的‘熔解’。这当然是一种合作过程。β－折叠的二维晶体也以这种方式发生跃变。”
“蛋白质球体的物理学特性十分重要。球状结构意味着什么？什么力量稳定其结构？这种结构与蛋白质的一级结构有何联系？这些问题都有必要加以解决。其中的关键问题是弄清蛋白质的功能特性（尤其是它的酶动力学特性）如何取决于球状结构。”
“变性蛋白质不再具有天然蛋白质的生物学功能。熟鸡蛋是孵不出小鸡的。但是，如果有意使这种变性作用十分小心地进行，那么有时复性过程（球状结构的复原）却是可能的。这充分说明，蛋白质长链的一级结构和球状空间结构之间是有关联的……”
“……酶促过程归根结底是个化学反应，也就是底物分子的电子壳层的畸变。酶的影响使活化能明显地减小。这是蛋白质分子构象变化的结果，亦即蛋白质分子中的某些原子基团绕其中的单键转动的结果。因此，分子生物物理学的最主要任务之一是从理论和实验两方面去探索电子－构象相互作用（简称ECI）……”
“……物理学的方法不但能使我们研究生物聚合物的静态结构，而且还可以研究它们的构象跃变的动力学。”
第七章 蛋白质的生物合成和遗传密码
“酶催化作用和蛋白质生物合成过程及大量其他生物学现象，有一个共同的特性就是分子的识别能力。”
“现在我们再回头讨论表Ⅱ中给出的遗传密码。通过对该表的分析，说明氨基酸密码字典的出现并不是偶然的。
显然，只有蛋白质的一级结构才有遗传编码。同时，进化过程中的自然选择又同蛋白质的生物特性有关，所谓生物特性是由蛋白质的三级及四级结构决定的。假如蛋白质的一级结构同空间结构没有关联的话，那末遗传和进化生物学之间也不可能相关。这样的结构关联业已搞清（见第六章）。这种关联是由链内氨基酸残基间的特殊弱相互作用，尤其是由残基的疏水相互作用引起的。”
“现在我们再来分析一下氨基酸的疏水特性（第六章的表I）。当我们把前十种氨基酸作为疏水性来考虑时，就可以看到它们在表Ⅱ中的位置并不是偶然的。只要密码子xyz的第二个字母y为U，那末不论x和z是什么，相应的氨基酸总是疏水性的。
……
对于蛋白质的空间构象来说，导致疏水性变化很大的突变显然比微小改变的突变更危险。遗传密码就是以防止最危险的突变出现的方式来安排的。由于疏水性相互作用，遗传密码最终由水的特性所决定。”
第八章 细胞生物物理学和生物能力学
“分子水平的研究揭示了遗传、变异和酶催化作用等最重要生物学现象中的物理化学原理。我们从了解生物学的分子规律入手，然后再把这些规律应用到生物组织更高级的层次上——细胞水平。”
“讨论生物能力学必须从研究细胞膜入手，因为化学能的贮存、做一定形式的功，都是局限在特定的细胞膜中进行的。”
“作为本章结尾，我们顺便谈几句有关昆虫的飞行肌肉的话。昆虫飞行肌肉每秒钟收缩很多次，人人都听到过蚊子的嗡嗡声就是一例。已经发现昆虫肌肉的收缩频率要超过神经脉冲到达频率的几百倍。换一句话说，我们这里所提及的显然是一种自振荡过程。这也是生物物理学的一个很有意义的研究课题。如研究脊椎动物肌肉的非定态收缩就是一个课题。”
第九章 生物学中的热力学和信息论
“物理学研究现象有两种方法。一种是唯象的，只研究最一般的规律而不考虑现象的细节；另一种方法是从原子－分子的性质入手，目的是揭露现象中的本质基础，并确定定量特性。唯象理论说明可能存在着什么，原子－分子理论则描述确实存在着什么。当然，这两种方法并不相互矛盾。
到此为止，我们所说及的主要是原子－分子的研究方法。现在我们要考虑一种普遍的唯象理论：热力学。”
“自然科学的各个领域，在最后的分析过程中总是相互联系的；而且，人类的文明总是作为一个统一的整体前进的。十九世纪不但生物学家遇到了进化的问题、物理学家也遇到了演化问题，关于热力学第二定律的研究主要是讨论物理学系统的不可逆演化问题。”
“……孤立物理系统总是要朝着它的具有最大熵的最最无序的状态演化。生物学进化路线的方向恰恰相反，它是从最简单的单细胞生物体（细菌）朝着包括人在内的多细胞生物体方向演化。因此进化是沿着更加有序的方向，从简单朝复杂方向进行的。我们真有些担心物理学演化和生物进化之间是否存在着矛盾。
这个矛盾当然是虚构的。因为活的生物体是一种开放系统，而最大熵定律只适用于孤立系统。开放系统的熵可能增加，也可保持不变，甚至减小；这决定于系统内部所产生的熵的数量，从外部流入的熵的数量，或流到外界的熵的数量。如果我们需要确定一个活的生物体的热力学平衡，我们就有必要研究包含该生物体、食料物质、水及空气在内的一个孤立系统。载宇航员的宇宙飞船就是这样的一种范例。”
“……适用于近平衡区域的线性非平衡热力学，可以解释开放系统的极其重要的特性：流的耦合及其稳定非平衡态的出现。”
“……一个系统能够自发地从混乱的状态跃变到有序的状态的必要条件是：混乱的无序状态是不稳定的。”
“热力学只允许我们得到稳定或不稳定的条件，这些普遍条件决定了开放系统中出现有序的可能性问题。对这些生序过程进行透彻的理论研究并不属于热力学，因为这需要分析具体的动力学机制。非线性热力学实际上是动力学。”
“……值得强调指出的是，只有远离平衡的系统才可能出现无衰减的振荡。我们知道，从活体现象的日常韵律到酶的振荡反应，振荡在生物系统结构的各个水平上都存在。这就是我们所说的‘生物钟’。所有这一切都说明生物系统是远离平衡的。平衡意味着死亡。”
“信息论直接与热力学有关……信息同给定事件的几率W成对数依赖关系。也可以说信息同等几率的事件数目（即同W相反的量）Г成对数依赖关系。”
“……构成生物体过程中熵的减少不超过301.5卡/度，相当于170克水蒸气凝结为水的熵变化，这是一个很小的量。从这方面来看，生物体缺乏任何特殊的有序性；生物体的序的数量级与一块同质量岩石的有序程度并无多大差别。”
“对生物学而言，重要的并不是信息的含量，而是信息的含义，亦即在编译指令过程中信息的价值。”
“物理学从不同侧面研究生物演变的复杂问题。一种研究方法是利用物理化学的数学模型，下一章要讨论。未来的一大任务是把各种方法统一到理论生物学中，这一领域的工作正在进行，并且已经开始得到了极其重要而有意义的结果。”
第十章 生物学过程的物理化学数学模型
“在研究生物学过程中运用数学，象在研究经济学中一样，它表明有可能定量地处理问题；这与物理学则无关。群体动力学的复杂计算属于动物学或植物学的范畴，但不属于生物物理学的范畴。
但是，如果数学模型是根据物理学概念提出来的，我们可把这种模型作为生物物理学的模型来考虑。这种模型方法是建立复杂系统生物物理学所用的方法。”
“模型已经成功地解决了一系列重要的生物学问题，其中包括酶的活性、生物合成过程、进化过程及免疫性等问题。正如我们已经说过，关于非线性非平衡热力学方面的工作，都应归属于动力学，也属于物化数学模型方法，尤其是属于自催化过程的模型的范畴。在一切生物物理学的模型中，我们都遇到非线性微分方程的问题。
模型法解释了象远离平衡的开放耗散系统中的生序过程及振荡花纹的起因等问题。模型法使我们能挑选出控制系统行为的参量，使我们能预计这些参量的一定变化会造成怎样的行为变化。因此，利用物理化学的数学模型，可由实验来判断这个模型的正确性。如果模型得到实验的支持，我们就得到了支配该现象的理论。”
“有理由认为，生物发育，包括个体发育和系统发育，都类似于某些相变过程。借助数学模型，已经证明了群体演化过程中新物种的形成也类似于一种相变。
从混沌结构中形成高度有序的结构，是非平衡相变所研究的课题，这是自然科学中的一个崭新的极其重要的领域，这就是所谓的协同作用学。这是关系到物理学、化学和生物学的一个广阔的领域，主要研究诸如生物进化、激光中的合作生序等现象。”
第十一章 生物演变的问题
“生命的最重要最普遍的问题就是演变的问题。达尔文所提出的进化论，是构成科学生物学的决定性阶段。这个理论同物理学并无联系。只有现在情况才开始发生变化，我们正在逐步理解系统发生和个体发生的物理学含义。”
“……从这些研究中，我们发现序的产生是远离平衡的开放系统从一个不稳定的状态跃变到相对稳定的状态所产生的。星系、银河系和总宇宙都是非平衡的系统。说到底，生命也是由太阳的非平衡状态所决定的。如果没有太阳的辐射，便不可能存在生命。”
“物理学原理表明，有序之所以能从混沌产生是由于样板合成，由于信息大分子可以从单体的随机混合物中形成。”
第十二章 生物进化和信息论
“……在生物发育过程中，一种结构的不可替代性和信息价值总是不断提高的。鱼类、两栖类、鸟类和哺乳类动物的早期胚胎也有这类性质，而且随着发育的不断完善，它们的分化和特化也不断明显起来。”
“从信息论的观点来看，生命系统的主要特征就是具有创造新信息和在不消耗额外能量的前提下选取有价值信息的能力。”
第十三章 关于生物物理学中的伪科学
“前面各章，我们不但简要地描述了现代生物物理学的概念和方法，而且还谈到了生物物理学的进展动态。
但是，如果认为生物物理学的发展没有遇到过障碍，那显然是错误的。真正的生物物理学总是同虚假的生物物理学共存，正如一枚硬币总是两个面共存一样。伪科学象真科学的一面哈哈镜，是值得注意的一种社会现象。
伪科学容易识别。凡是缺乏任何严格的理论依据和实验证据的思想，并且这种思想又是同科学思想的主流相绝缘，那么这种思想便属于伪科学的范畴。同时，这种思想又很有迷惑力，一般说来，伪科学家都对普遍的科学问题感兴趣，而且他又极力赞成对理论和应用进行‘改革’。伪科学来源于外行和无知，忽视严格的理论和实验，以及对科学发展中前人成果的无知。有时候伪科学家又是精神病患者。果戈里的《狂人日记》里，英雄人物波普里希钦自称为西班牙的国王。如果现在写这本书，那么波普里希钦可能会自称为伟大的科学家。
生物物理学现在变得十分重要，因此也很时髦。
目前出现的伪生物物理学的倾向也反映了物理学和化学的进展与生物学、农学及医学的发展还不协调。正如我们已经看到的那样，在严格的物理学基础上产生的理论生物学现在还刚刚开始。在这种情况下，产生了这样一种倾向：采用伪科学的猜测，凭借这种猜测能够解决生物学、医学和农学中的复杂问题，以此来回避物理学和生物学相互影响之中出现的困难。”
“在过去的数十年中，伪生物学和伪生物物理学中出现了几种倾向。现归纳如下。
说生命系统有特殊的‘逆熵’。我们在第九章中讨论了生命系统具有特殊的高度有序性的概念。逆熵的思想来自对热力学和信息论的错误理解。
说生物聚合物以及整个生物系统都具有特殊的电学性质，即具有半导体甚至超导体的性质。杜撰的‘生物等离子体’学说同这些概念如出一辙。
说是存在着还没有被物理学认识的所谓的‘生物场’。
说是存在着生物学上特别重要的特殊种类的弱辐射；以及所谓‘磁生物学’。
说水在生物系统中具有特殊性质，特别是‘磁化水’对植物生理和动物生理的影响。
以上列出的清单还不完全，但它们代表了糊涂研究的几种典型倾向。”
“当然，这一章并不是为制作生物物理学的哈哈镜的那些人而写的，因为他们是不愿意接收批评的。这一章的目的是请读者警惕。我们用拉马克（Lamarck）的话来结束讨论：‘事实上，有许多或多或少有些道理但又缺乏依据的新思想，由于人们坚持要求作者提出依据，不能轻易承认这些思想是真理，因而会在它们刚刚诞生就很快被人遗忘了。当然，有时这种做法甚至还会产生使人拒绝、或者忽视很好的主张和正确的意见的后果。但是，与其一个人灵机一动提出一种想法便被人相信，倒不如即使已经被人掌握的真理，允许继续进行长期责难而未被广泛承认来得好。’没有高标准的理论和实验，科学便不能生存。”
“如果丢弃前人已经取得的真理，而不是把这些真理包括到更加普遍的概念之中，那么科学便不可能有所发展和前进。科学的发展是不可逆的，科学已经取得并且又被实验证实了的理论是无法再消除的。朗道写道：‘……凡是逻辑上是严密的，其正确性又被一定精度的实验证实了的理论，就不可能再丧失它的重要性。每一种更加精确的新理论总是把旧理论作为自己的近似结果包括了进来。从新理论看来，旧理论在特定情况下是正确的。’科学上最普遍的方法是先严格地提出选题，再进行严密的理论推导，并利用准确的实验测量来检验结果的正确性。”
“你知道，如果我的工作领域不是生物物理学而是量子力学的话，那么我不会写伪科学的问题。想否定量子力学的企图也时常出现，但是不值得一顾。
生物物理学的情况就很不相同，这门学科还处在初始阶段，这里经常有伪科学的浊流泛滥。有些人还一本正经地在研究‘生物等离子体’和植物的‘超感官知觉’呐！这对科学和文化是真正的危险。”
