神奇的生物酶——旋转分子马达

 生命是美丽的,美丽因生命而存在,生命因美丽而永恒。生命科学以其特有的魅力吸引人们参与到对它的研究中来,研究生命科学、向生命学习将是本世纪生命科学研究的特色。众所周知,ATP(三磷酸腺苷)作为生物体内的能量货币,其合成作用是生物世界中最普遍的化学反应,其水解反应所释放的能量为系统提供了驱动力,使得分子马达沿着轨道做定向运动。到目前为止,人类制造的任何一部宏观机器都无法同分子马达运动的连续性、高效性以及运动中各个部分所表现出的协调性相比。     

生命科学与热物理学再次相遇

生命科学与热物理有共同的历史渊源，又在微观的细胞和分子的层次上，在宏观的生物个体以至生物圈的层次上，以及在生物工程的层次上有着紧密的联系，文章概括了生命科学对热物理学提出的一系列挑战性的科学问题，并认为对生命系统中热耦合现象的研究应是两上学科当前的结合点。     

驱动蛋白及其研究进展

 生命活动与体内的输运过程密切相关。像我们在宏观层次中用到的热机一样,在生物体内也存在着许多具有马达功能的微观“机器”--分子马达(molecularmotor)。它们广泛存在于肌肉纤维和细胞组织中,是一种特殊的蛋白质大分子。     

前沿与基础：宇宙物质和过程的研究与原子分子物理

原子、分子是物质结构的第一个微观层次，是通向下两个微观层次———原子核和粒子的大门．原子分子物理在宇宙物质和过程的研究中起到基础理论的重要作用，而宇宙物质和过程的前沿研究则向原子分子物理提供了许多新的生长点．天体中有无止境的原子分子物理问题有待于人们探讨与研究     

“宇宙与生命”系列讲座之一——万物之图

2002年,我在中国科学院研究生院开设了一门面向全院的公共选修新课程——“宇宙与生命”。该课本来是为了介绍一些有关宇宙与生命的基础知识和精美图片,但是数年来许多同学的提问和与我的讨论,促使我思考了更广泛和更深层次的一些问题：宇宙为何如此？宇宙与生命之间的关系是什么？我们的宇宙特殊吗？当今前沿科学怎么认识我们的宇宙和其中的生命？开课6年以来,该课深受同学们的欢迎。通过数年的备课、教学和思考,除了解到科学界对这些问题的激烈争论外,还感觉到我自己也产生了一些比较独特的看法。应《现代物理知识》的邀请,我特地对该课和我的一些独特看法加以总结,为该杂志写几篇介绍文章,以便抛砖引玉,启发读者获得更深入的见解。以下是我的各篇文章标题：万物之图,万物之数,宇宙之大,生命之难,调控万物,核之精细,质量的生成,宇宙的格局、演变与未来,从弦与膜的世界到我们的宇宙——未解之谜,我们宇宙的中心角色——高级生命。     

“宇宙与生命”讲座之五――生命之难

莫大的宇宙中,居然有生命。物理规律的本质是对称的统一,物理世界的实现是对称的破缺。对称破缺的方式是多种多样的,因此物理世界的实现不会是唯一的。物理规律不会只产生一个宇宙。众多的荒芜宇宙中,能产生生命的宇宙是个奇迹。前四讲提到,我们的宇宙是为将来有生命而诞生的。     

建筑环境物理的形成与发展

 宇宙间一切自然因素的总和(大气、岩石、水、土壤以及各种生物和矿物资源等)统称为自然环境,物理环境是其重要组成部分;而与人们密切相关的物理环境大多是局限在室内外的有限空间里,人们常称之为建筑物理环境。     

毛细管电泳-原子光(质)谱联用技术在金属形态与生物分子相互作用研究中的应用SCIEI北大核心CSCD

金属形态与生物分子相互作用研究对于揭示金属元素在正常生命过程、重大疾病的发生、诊断和治疗过程中的作用机理具有重要意义,发展研究金属元素形态与生物活性分子相互作用的新技术和新方法非常重要。简要总结了十余年来,在发展毛细管电泳与电热原子吸收光谱和毛细管电泳与电感耦合等离子体质谱在线联用新技术,及其在不同形态金属与生物分子相互作用机理研究方面的工作。这些工作利用毛细管电泳-原子光(质)谱联用技术不仅能够直接证明镉、锌、不同形态的汞、不同形态的锑与谷胱甘肽、DNA、人血清白蛋白、牛血清白蛋白间的相互作用,以及这些金属及其不同形态与生物分子加合物的生成,而且还能够测定相互作用的热力学参数、反应级数和动力学参数。另外,结合圆二色光谱、红外光谱光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱等实验手段,进一步研究了金属及其不同形态与生物分子作用对生物分子二级结构的影响及在生物分子上可能的结合位点等。     

毛细管电泳-原子光(质)谱联用技术在金属形态与生物分子相互作用研究中的应用

金属形态与生物分子相互作用研究对于揭示金属元素在正常生命过程、重大疾病的发生、诊断和治疗过程中的作用机理具有重要意义,发展研究金属元素形态与生物活性分子相互作用的新技术和新方法非常重要。简要总结了十余年来,在发展毛细管电泳与电热原子吸收光谱和毛细管电泳与电感耦合等离子体质谱在线联用新技术,及其在不同形态金属与生物分子相互作用机理研究方面的工作。这些工作利用毛细管电泳-原子光(质)谱联用技术不仅能够直接证明镉、锌、不同形态的汞、不同形态的锑与谷胱甘肽、DNA、人血清白蛋白、牛血清白蛋白间的相互作用,以及这些金属及其不同形态与生物分子加合物的生成,而且还能够测定相互作用的热力学参数、反应级数和动力学参数。另外,结合圆二色光谱、红外光谱光谱、拉曼光谱和X射线光电子能谱等实验手段,进一步研究了金属及其不同形态与生物分子作用对生物分子二级结构的影响及在生物分子上可能的结合位点等。     

生物分子结合水的结构与动力学研究进展

生物结合水在维护生物大分子的结构、稳定性以及调控动力学性质和生理功能等方面起着决定性的作用.从分子水平上理解生物结合水分子的结构与性质及其影响生物结构和功能的本质与规律,是揭示生物大分子生理功能机理的关键.目前生物结合水的结构与动力学相关研究尚处于初步阶段.本文从三个方面介绍当前生物结合水的相关研究及其进展:首先介绍结合水对蛋白质折叠、质子给予与迁移、配体结合与药物设计以及变构效应等生物结构和功能的影响;然后介绍生物分子周围的水分子结构研究情况;最后从时间尺度、动力学属性、生物分子与水分子之间的动力学耦合作用、蛋白质表面结合水次扩散运动等角度介绍生物分子水合动力学的研究进展,并归纳出一些目前尚待进一步解决的科学问题.     

“宇宙与生命”系列讲座之八——地球，可爱的家园

我们的宇宙与生命系列讲座已经进行了七讲,涉及宇宙与生命的问题何止千万,但我们谈及的问题不足万一。这个问题太广阔了,有太多有趣的问题我们来不及探讨,不能不抱有遗憾。我们仅从一个很狭窄的视角来看待宇宙与生命之间的关系,这七讲的一个主要线索是物理世界的构造和常数与高级生命的存在密切相关。有如下四方面要点：1）物理的规律（对称性）是基本的,各个参数的分别选取看似带有一定任意性。     

皮布尔斯的物理宇宙

2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布将今年的诺贝尔物理学奖授予詹姆斯·皮布尔斯(物理宇宙学方面的理论发现)以及米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹(首次发现围绕类太阳恒星运动的系外行星)。在现代宇宙学一步步走向精确定量科学的过程中,皮布尔斯扮演了关键角色。文章对皮布尔斯在现代宇宙学研究中的奠基性工作进行了简要回顾,侧重介绍其在宇宙组份,宇宙演化,和宇宙结构形成方面的重要贡献。     

我国物质结构研究的大型实验平台

古往今来,人们一直在思考和探索这样一个问题:我们赖以生存的物质世界,大到天体宇宙,小至微尘粒子,空间是怎么构成的?这,仍然是21世纪科学的前沿课题。孔子曰:"工欲善其事,必先利其器",说的是工具的重要性。近年来,国家投资建设一批重大科学设施,用于开展从粒子层次、原子核层次、原子-分子层次、地球层次、星系层次乃宇宙层次的物质结构前沿研究,包括北京正负电子对撞     

旋转分子马达的代表——ATP合成酶

 所有生物的运动系统都与能量的输运有着密切的联系。这主要是由于具有马达功能的大分子蛋白质做功的结果,这些蛋白质分子被称为分子马达或蛋白质马达。它们在体内占有特殊的地位,是生命活动和生命现象的主要承担者。这些运动系统有一个共同的特点即ATP(三磷酸腺苷)水解释放的能量通过分子马达的构象变化可高效地将化学能转换为机械能。因此,分子马达就起到了能量转换器的作用。分子马达的运动协调起来就产生了宏观的运动。但是,这些运动如何协调起来产生生命现象和生命活动,则需进一步研究。到目前为止,人类已确定了上百种马达,它们在机体内执行着各种各样的功能,已经知道的分子马达有线性分子马达和旋转分子马达。     

邮票上的物理学史(77)--生物物理学

生物物理学是生物学和物理学之间的边缘学科,它用物理学的概念和方法研究生物各层次的结构与功能的关系,以及生命活动的物理过程和物理化学过程.它的研究范围很广泛,历史上,像对生物发光(萤火虫)现象的研究,伽凡尼对肌肉的电学性质的研究,托马斯*杨对眼睛的几何光学性质的研究,亥姆霍兹把能量守恒定律应用于生物系统等,都可以归到生物物理学.我们不在这里追溯这些历史,只结合邮票上的资料就20世纪40年代以来的新进展作一简述,以便从中看到物理学和物理学家对生物学发展所起的重要作用.     

科学晴空中的两朵乌云(续)

2 生物分子手性起源 分子手性的起源问题和生命起源问题密切相关.所谓分子手性,是指分子结构的左右不对称性(镜像不对称性).18世纪中叶,巴斯德发现酒石酸盐在偏振光中的不同反应是由于分子结构上的立体异构现象(左右不对称性).他认为:"一个不对称现象必须有一个不对称原因".此项研究对立体化学的发展起了决定性作用.巴斯德还十分注意这种立体异构和生命过程的关系,天才地猜测说:"生命是宇宙不对称性的功能表现的结果.宇宙是不对称的,生命由不对称力所主宰.我甚至设想一切活的物种,其结构和外形都是宇宙不对称性的功能表现."他还说:"如果没有生命,就不能产生不对称分子."其涵义是:在无生命的自然界中,左右不对称的两种对映异构体是等量存在的.而在生物体中,左手性的和右手性的分子是不等量的,总有一种占绝对优势.因此,靠生命为融媒,才能产生不对称分子.     

世界上的高能物理实验室

物质结构、宇宙起源与演化、生命起源及其本质是21世纪自然科学研究的三个重大科技前沿,也是人类长期孜孜以探求的科学问题。在20世纪中叶,随着质子、中子(总称核子)等粒子的发现和核物理研究的深入,科学家对于物质结构的研究进入到比核子更深的层次,即高能物理的领域。二战以后,一批高能物理实验室相继成立,或在原有核物理实验室的基础上发展起来,建造了高能粒子加速器,     

历史性的突破划时代的发现——纪念DNA分子双螺旋结构发现50周年

生命物质的产生和演化是宇宙间物质演化最神奇的篇章.揭开生命的秘密是多年来一代代科学家梦寐以求的理想.从出现第一个生命35亿年以来,地球上已发展成一个宠大的生命世界.     

物理学和生物学(下)

3　生物问题的诸多层次对生命现象的研究必须在众多层次上进行 .最微观的层次包含分子和原子的相互作用 ,从小分子(糖、脂肪、核苷酸、氨基酸 )、钙镁钾钠等金属离子、水分子 ,到生物大分子 (DNA ,RNA ,蛋白质以及它们的复合体 )的结构和相互作用 ,特别是中心法则所涉及到的复制、转录、剪接、翻译 ,以及翻译之后的修饰、运输 ,还有各个阶段上的查错和修补 .然后是各种基本构件所组成的途径和网络 :调控网络、代谢网络、免疫网络、信号传导网络等等 .再往上是细胞、组织、器官乃至个体 ,从生物化学到生理学的研究 .更上层次则是种群动力…     

电介质物理

物理学是研究物质基本运动规律的科学，按照物质的基本运动形式，物理学最早的分支为力学、声学、热学．电磁学、光学和原子物理学，后来按照所研究的物质的结构层次．又将物理学分为天体物理、地球物理、凝聚态物理、原子和分子物理、核物理和基本粒子等．