浅谈生物物理

作者｜胡坤生

　　一、什么是生物物理

　　什么是生物物理学？不同从事生物物理研究的专家会给出不同的回答。我刚进入生物物理所工作时，有人问研究所主管科技的老同志，他说生物物理研究就是刀切肉，这个回答很简单，但不科学。生物物理学涉及到生命科学的每一个领域，还与科学技术的飞速发展、学科间的交叉以及新学科雨后春笋般的出现相关。全国科学技术名词审定委员会公布的第二版生物物理学名词定义如下：生物物理学是用物理学的理论和方法研究生物学问题，并研究生命现象中物理学规律的交叉学科。

　　上世纪50年代，生物物理学是一门新兴的边缘学科，我国基本上是一片空白。为了经济建设和国防需要，生物物理学的研究受到国家重视，在我国编制的《1956-1967年科学技术发展远景规划纲要》中将生物物理列为重点发展的学科之一。因此，1958年建立了生物物理研究所，同年在中国科学技术大学设置了生物物理系。贝时璋兼任研究所第一任所长和生物物理系的第一任系主任，从此开创了我国的生物物理学的教育和科研工作。

　　我是1960年从江苏无锡考入中国科技大学生物物理系学习的。当时我根本不清楚生物物理是门什么学科，听也没听说过这个专业。但我听说郭沫若校长的女儿郭庶英以及副校长华罗庚的儿子华陵早我一年考入了生物物理系学习，这些有名科学家的子女进了这个系学习，这专业肯定不会差。我第一志愿填了中国科学技术大学的生物物理系，在校学习五年后又在生物物理所干了50多年的科研工作，一辈子献给了生物物理事业。

　　二、生物物理所与生物物理学

　　生物物理所是为生物物理学专设的研究所，但是包括清华大学等院校及其他研究单位也对生物物理学研究作出了很大贡献，这里我只对生物物理所有关的生物物理学作介绍。

　　生物物理学的发展需要多学科的变叉，所以生物物理所招收的科研队伍人员的专业组成，除普通生物学专业之外，还有生理学、生物化学、生物物理、医学、药学、普通物理、核物理、理论物理、有机化学、分析化学、无机化学、物理化学、数学、应用数学、电子学、无线电、自动控制等理、工、医、农4大门类、16个学科、85个专业，形成了一支"多兵种"的科技队伍。具备了承担生物物理学综合性科研项目和迅速开辟新兴研究领域、赶超世界先进水平的能力。这种多学科交叉与融合建设研究所的成功模式，在中国科学院和全国独一无二，在全世界的科学界也很少见。

　　在生物物理所建所之初，贝时璋先生既已拟定了它的发展方向：一是研究有机体的物理学及物理化学过程；二是研究外界物理因素在不同条件下对有机体的影响及其作用机制。同时，生物物理学的发展要有相应的技术发展来配合，对于生物物理仪器，不但要仿制、改进，还要不断有新的创造。当时还确定了"重点发展，全面安排"的研究所发展方针和学科任务:第一步，先开展原子能和平利用和辐射防护、高空探测中的生物学问题、生物体基本物质核酸和蛋白质与生长、发育和遗传的关系等的研究；第二步，研究细胞和亚显微结构及分子集团、重要生物分子和大分子的结构及其与功能的相互关系，研究辐射生物学以及温度、压力和电磁波的生物学效应等。回顾生物物理所的发展历程可以看到，贝时璋先生当年为其确定的研究方向与国际上生物物理学在这一时期的发展轨迹基本吻合。

　　贝时璋的办所的思想是为国家建设服务，为适应我国原子能和平利用及"两弹"试验，生物物理所开创了我国的放射生物学研究，生物物理所积极承担了为"两弹一星"服务的研究项目。"两弹"试验，包括原子弹和氢弹试验。原子弹和氢弹爆炸释放出的巨大能量，会产生多种致伤作用。除了强闪光的致盲作用、巨大火球的光辐射烧伤和内脏损伤、高压冲击波对脏器和肢体的损伤之外，爆炸后放射出的γ-射线和中子流产生的贯穿辐射，是核武器所特有的辐射杀伤作用。当人体受到一定的辐射剂量照射后，会引起急性放射病，沾染了原子弹爆炸产生的放射性灰尘，会产生外照射损伤及β-射线皮肤损伤，吸食的放射性灰尘也会产生内照射损伤。1964年，我国成功地进行了第一颗原子弹爆炸试验，拉开了我国"两弹"研究与试验的序幕。生物物理所响应国务院、中央军委对核武器试验"要大力协同，一次试验，全面收效"的指示精神，积极承担了国防科研任务"核爆炸辐射对动物远后期效应"的研究。这项在核爆炸现场进行的动物实验，是国防科委下达的绝密国防科研任务，代号"21号任务"。共组织参加了6次核爆炸试验的动物实验。每次起爆前，研究人员先将狗、猕猴、大白鼠、小白鼠、家兔等实验动物分别布放在爆炸试验场的上风向、下风向、距爆心不同距离的开阔地面、地下室、坦克、装甲车、舰船、飞机、货车内及掩蔽所内。布放在不同环境的实验动物，受到的核辐射剂量不同。核爆后，研究人员将实验动物带回北京实验室，进一步观察和研究接受不同辐射剂量的各种动物后期和远期的损伤变化状况，还对现场实验动物的后代进行相同的研究。这项研究持续了20年，到1984年获得了丰富的研究资料，圆满完成了《我国核试验对动物的远后期辐射效应》国家任务的全部研究内容。根据实验工作的需要，生物物理所参加"21号任务"的研究人员先后有近百人，其中参加最艰苦、也是最重要的在核爆炸场布放实验动物工作的有31人。核试验在我国国土的落下灰形成的辐射污染，高放射性本底地区和铀矿矿区的小剂量天然放射性，也会对人体产生一定损伤作用。生物物理所在全国建立了18个观测站，开展了全国放射性本底调查，监测核试验落下灰对我国国土污染的涨落情况，以及高本底地区和铀矿矿区的天然放射性本底，为评估核试验对国土环境的污染和铀矿矿区的环境保护提供依据。生物物理所还以猕猴为实验对象，进行了我国唯一的一项长达15年的小剂量长期慢性照射研究，为制订我国辐射安全标准、深入了解小剂量辐射的生物效应及其危险性提供了珍贵资料。在辐射剂量技术与仪器研究方面，生物物理所研制的低浓度β放射性污水连续监测仪和α放射性微尘连续检测仪等，有效地服务于和平利用原子能事业，填补了国内空白。长达20年的研究圆满完成了国家任务。

　　在国际航天事业发展初期，生物物理所的宇宙生物学研究室于1963年起建立起地面实验系统、生物遥测和生理指标测量仪器，开展了全面的空间模拟实验。之后，生物物理所的研究人员承担了生物探空火箭的全部生物学实验工作，搭乘中国科学院上海机电设计院制造的探测火箭，1964年至1966年，三年之内成功发射了共5枚生物探空火箭，全部成功回收了搭载的生物样品和实验动物(包括"小豹"和"珊珊"两只小狗)。对回收的实验动物和生物样品分别进行了生理学、生物化学、细菌学、免疫学、遗传学、组织化学、细胞和亚细胞形态学研究，获得了我国首批珍贵的宇宙生物学资料，使我国的宇宙生物学研究向前迈进了一大步。回顾国际航天事业当年的发展状况，美国也只是在1951年才完成了生物探空火箭的回收。由此可见，在宇宙生物学和航天领域，20世纪60年代中期，我国与美、苏的差距只有十多年的时间。1968年4月成建制地抽调生物物理所宇宙生物学研究室的100多名研究技术人员以及全部设备和研究资料，和军事医科院、中国医科院等单位部分人员，共同组建了航天医学工程研究所，集中储备了一支优秀的研究队伍，成为1992年启动的我国载人航天工程中航天员系统的主持单位，负责航天员的选拔、训练，并在训练和载人飞行过程中，对航天员实施医学监督和医学保障。生物物理系60级在我所的同班同学中，就有6位调入航天医学工程研究所，其中一位同学后来担任了载人航天工程航天员系统的首任总设计师。后来这部分研究室调入国防科委507研究所，成为我国发展载人航天工程的骨干力量。

　　当时生物物理所研究的另一门学科是仿生学，仿生学是20世纪60年代初兴起的一门新兴学科，仿生学的出现立即引起世界各国的重视，生物物理所在原有的生物物理理论研究组的基础上，于1964年4月1日，建立了仿生学研究室。1967年9月，生物物理所主持成立了"中国科学院仿生学联络站"，组织生物物理所、数学所、动物所、计算所和院图书馆的科技人员，开展国外仿生学文献资料的调研与交流，陆续编印了三册《仿生学资料汇编》，收录文献5000余条，供国内开展仿生学研究工作参阅。1977年8月，中国科学院组织召开全国仿生学规划会议，参会者有中国科学院所属生物物理所、心理所、生理所、海洋所和科大等单位科研人员。会议由生物物理所主持，通过座谈讨论，制订了仿生学研究规划。规划重点为动物感官的研究和模拟、脑功能的研究和模拟、海洋仿生、医学仿生及生物医学工程研究等四大方面，并对我国仿生学的发展提出建议。仿生学研究生物系统的结构，能量转换和信息，生物体许多功能比人造系统性能更为优越，大自然是全能设计师，是取之不尽的技术发明源泉。鸟类的飞翔给了飞机发明以启示，蝙蝠的超声波是雷达的设计蓝图，象鼻虫的眼睛是天然速度计，苍蝇的翅膀是天然导航仪，狗的嗅觉是分子分析器等等。仿生学是发展现代高新技术的重要途径之一，但仿生学研究需要生物学家、数学家和工程技术专家通力合作才能完成。

　　生物物理学的研究需要自己研制仪器和器件来满足其独特的设备和仪器去完成任务，生物物理工程技术研究室的科技人员，共研制成功100多种设备和器件，在国内率先研制出了当时先进的生物物理仪器设备，比如顺磁共振波谱仪、超速离心机、荧光分光光度计、自动液体闪烁谱仪等，不仅推进了生物物理学科的发展，也为我国的生物科学仪器设计与制造做出了重要贡献。他们白手起家，边干边学，填补了国内空白，赶超国际水平，满足了生物物理学研究的需求，为国家任务的完成作出了贡献。

　　生物物理所早期以上四个研究内容及方向，在生物物理所出版的四本所丛书中都有详细纪实。四本丛书分别是：1.小狗飞天记-中国生物火箭实验纪实；2.生物的启示-仿生学四十年研究纪实；3.蘑菇云背后-放射生物学四十年纪实；4.开启创新之门-仪器和技术五十年发展纪实。贝时璋所长、路甬祥院长、杨福愉院士和白春礼院长分别为以上四本丛书作了序言，本人也有幸参加了部分丛书的编辑工作。除上面几方面的科研工作和任务外，贝时璋院士的细胞重建及细胞起源研究工作也取得了重大成果。

　　进入改革开放年代，生物物理所进行了一系列富有成效的改革，在生物大分子，包括晶体结构分析，生物膜和神经生物学方面取得突出成绩，达到国际水平。先后建立了包括分子酶学、生物大分子和生物膜三个方向的生物大分子国家重点实验室和视觉信息加工国家重点实验室。生物物理学涉及的领域很多，如：分子结构生物学、膜与细胞生物物理学、神经生物物理学、光生物物理学、生物信息学、生物控制论、生物力学与生物流变学、辐射生物物理学，自由基生物学、空间与极端环境生物物理学：纳米生物学、生物物理的技术与方法等。

　　生物物理领域中的专家还进行了生物药物的研究、细胞和生命起源的研究、激光生物效应的研究：动物反应与地震关系的研究等。

　　随着学科的更新和发展，生物物理所有新的学科出现，如感染与免疫学、核酸生物学、表观遗传学、纳米酶、马达生物传感器、听觉生物物理、系统生物物理等。

　　在生物物理所和其他生物物理研究单位共同努力下，1980年成立了我国的生物物理学会，并于1984年加入了国际生物物理学会，1984年首次参加了英国举办的国际生物物理学术会议，我也有幸参加了这次会议，这是我国参加这次会议的合影:

　　后来又加入了亚洲生物物理学会及参加东亚及中日双边生物物理学术会议，这些学会和学术会议使我国生物物理走向了世界。

　　为了普及生物物理学，生物物理所创办了学术刊物，如《生物物理学报》、《生物化学与生物物理进展》、《protein cell》，这对普及和交流生物物理研究起到了促进作用。

　　三、生物物理学展望

　　在老一辈科学家贝时璋、邹承鲁、梁栋材和杨福愉等先生的带领下，生物物理所和生物物理学走过了66个春秋，在几代人的共同努力下，生物物理所及生物物理学取得了很大成绩，但生物物理学是一门典型的交叉学科，只有集中各学科及各研究单位、高等院校力量才能共同攻克前沿性课题，才能取得更突破性的进展和创新性成果，才有望拿到诺贝尔奖。生物物理所曾经在胰岛素和青蒿素两个研究工作中作出过贡献，胰岛素主要完成单位是上海生化所、北京大学和生物物理所。青蒿素的主体结构是生物物理所工作人员测定的。生物物理所现有三个全国重点实验室，分别是生物大分子全国重点实验室、表观遗传调控与干预全国重点实验室、认知科学与心理健康全国重点实验室（与心理所共建）。我相信在大家的共同努力下，生物物理所和生物物理学都会有更加美好的明天。

　　笔者在2012年参与郭雷主持的中国科学院重大项目课题《基础前沿创新规律及其创新模式》中负责生物学科的课题，我提出了"三定一保证"的模式。定问题：找出本领域的挑战性重大课题；定人才：物色最有潜力解决该问题的科学家；定团队：配备相应的研究人才队伍和辅助人员，保证资源配置及评价体系和科研人员的工作时间，不要过多担负社会及领导岗位工作。在本课题中还进行了二素分析，分析了胰岛素及青蒿素的共同点和不同点，预言了屠呦呦可能获得诺贝尔奖。目前国家很重视基础研究、聚焦原始创新、鼓励自由探索，我所有三位科学家李栋，张宏，朱冰得到了新基石研究项目首期资助。他们会继续努力工作，预祝他们取得丰硕的科研成果。