物理学和生物学谁更牛？看完了你也想学物理

了看允侥

来源：科技眼

我在上一篇文章《物理学和天文学的那点事，说说充满诗意的物理学》介绍了物理学和天文学之间藕断丝连。这篇文章里，我们来谈一下物理学和生物学的那些事。之所以想到这个话题，还是我在科学群里，跟这帮科普作者聊天的时候想到的。其实，如果你是一个搞科学研究的，不论是选择的什么方向，你都会发现，离不开物理学。所以物理学真的很牛。废话不多说了，切入正题。

图1 生物分子

一、有机化学

有机化学是化学的一个分支学科，在中学阶段选了理科的小伙伴们都是有过接触的，这是一门研究与生物物质有关的化学。在20世纪之前，人们普遍认为，跟生物有关的物质都是非常的神奇，这些物质不可能用人工方法从无机物中制造出来。然而真相完全不是如此——有机物完全可以像无机化学中的物质那样用人工合成的办法来制造。只不过是包含的原子排列更复杂而已。

有机化学跟生物学一样，都是可以生产出有机物，随着有机化学研究的进步已经出现了能够生产有机物的现代工业，比如芯片农业、转基因、人造肉。物理化学和量子力学的许多内容可以像应用于无机物一样应用于有机物。但是，有机化学的主要内容是在分析与合成生命系统中、生物体中形成的物质。

图2 德国物理学家、生物学家 迈尔（Mayer）

二、生物学与能量守恒定律

所谓的生物学，就是研究生物体的科学。早期生物学家的工作主要是一些描述性的工作，他们所做的工作主要是类似蚂蚁有多少条腿，蜘蛛腿上有多少根毛这种。等这些基础性的工作做完之后，接下来生物学家们开始研究生物体内部的运行机制，任何一个学科的起步阶段研究的内容都是比较粗糙的，毕竟做任何事情都有一个从易到难的过程。

在物理学和生物学之间，特别值得一提的是：生物学帮助物理学发现了能量守恒定律。德国物理学家，热力学与生物物理学的先驱迈尔（Mayer）在关于生物吸收和放出热量的问题上首先涉猎了能量守恒。

只要我们用心去观察就能发现，在生物体内，很多生物学过程都是物理现象：血液循环、心跳、血压等等。还有神经反射：当我们踩在盲道或碎石子铺成的路上，不需要用眼睛看，脚下传来的信息就能通过“数据线”传给大脑。这就是我们接下来要提到的话题：

图3 细胞的生物电现象

三、电效应与生物学

这些信息是怎么传递给大脑的呢？

生物学家通过对神经的研究得出：神经是纤细的小管子，有非常薄而复杂的管壁，外有绝缘性髓鞘包着的，叫有髓鞘纤维；没有明显髓鞘的，叫无髓鞘纤维；细胞通过这层管壁抽运离子，管外有正离子（钠离子和钾离子）而管内有负离子，就像个电容器一样。

如果这层膜的某个区域发生放电，即有离子通过这个地方，那么这里的电压就会减少，这种电压的波动就会影响同一条管子上邻近的离子，影响邻近地点的薄膜，使它也让离子通过。就这样依次影响到越来越远的地方，于是出现一个沿着这根管子（神经纤维）传递的电压波。

图4 兴奋在神经纤维传导实验

当我们踩在盲道上或者是尖石头上，神经纤维的末梢就会产生电压波动，这个波动就沿着神经纤维传播。这个电压波动就像一长列竖立的多米诺骨牌，当末端的一个被推倒，它就将邻近的一个带着推倒，等等。

神经细胞当然比多米诺骨牌复杂，因为它还能自动重新扶起来排好，在神经细胞中，有一个把离子缓慢地重新排出的过程，为下一次神经脉冲传导做好准备，这样就能反复传递信息。通过这样的过程，我们的大脑就能感知到神经末梢传递过来的信息。

现在，生物学家们可以利用电子仪器检测到这种神经利用电压波动来传递信息的过程，比如脑电波检测。我们可以看到，物理学中关于电效应的相关理论研究成果可以对帮助理解生物的神经传导现象。

图5 神经元结构图

大脑又是如何把指令传送到执行位置的呢？

大脑发出指令的过程跟这个类似，从大脑中某处沿着神经送出一个信息（电压波动），一直到达神经的末梢。神经纤维在这里分成更加纤细的分支，与肌肉纤维附近的一个叫做运动终板的结构连接。

现在已经知道，当这个神经脉冲（电压波动）传递到神经末梢的时候，会射出一小团叫做乙酰胆碱的化学物质(每次5到10个分子)，引起乙酰胆碱量子性释放的关键因素是神经末梢去极化引起的Ca2+内流。当神经冲动传至神经终板时，膜电位下降，导致可使Ca2+通过的电压闸门通道开放， 使Ca2+进入终板，从而刺激终板分泌乙酰胆碱。乙酰胆碱再进一步作用于肌细胞导致肌细胞收缩，就是这么简单!

图6 肌肉神经传导

又是什么使肌肉收缩的呢?

肌肉是由大量紧挨着的纤维组成的，含有两种不同的物质：肌球蛋白和肌动球蛋白，虽然还不清楚乙酰胆碱是如何改变分子大小的，但是目前普遍认为兴奋—收缩耦联至少包括三个步骤：动作电位通过横管系统传向肌纤维深处；三联管结构传递信息；纵管系统对钙离子的释放和再聚积。

即当肌细胞兴奋时，动作电位沿横管系统进入三联管，横管膜去极化并将信息传递给纵管系统，使相邻的终池膜对钙离子的通透性增大，钙从贮存的终池内大量释放出来，并扩散到肌浆中，使肌浆钙的浓度迅速升高随后触发肌肉收缩。Ca2+被认为是兴奋—收缩耦联的媒介物。

总结：物理学给出生命现象的原因，生物学却走得更远

从前面的分析和论述我们可以看到，生物学所研究的领域是多么的复杂和广阔，还有很多生物机制需要我们去找到其物理本质。比如视觉的整个过程是什么样子的？声波是如何在生物体内传播和感知的？意识（思维）又是一个怎么样的物理过程？虽然我们现在已经能够对生物体内发生的物理和化学变化给出理论性的解释，但是生物学的研究范围其实远超物理学给出的这些结论，这些，我们留在下一篇文章里面来继续讨论。