从1901年首次颁授诺贝尔奖以来，有39次（本文首发于2011年10月，截至到2016年又降低了2次，共计41次）物理奖颁给了生物物理领域。诺贝尔物理奖的颁授既反映了百年来生物物理发展取得的巨大成就，也有力地促进了生物物理从表述生物物理阶段向动态生物物理和机能生物物理阶段的不断迈向，推动了生物物理学科的快速发展。
生物物理是阐述生命现象物理本质的学科，它以研究生命物质的物理组成、性质、结构和功能等静态问题为基础，设计研究各类物理物质在生物体内如何变化、怎样互相转换、怎样互相掣肘以及在变化过程中能量转换等动态问题[1]。在百余年来诺贝尔物理奖的颁授过程中，有39次奖项属于生物物理领域。这既反映了20世纪以来物理与生命科学研究的紧密联系，也反映了物理科学的发展对解析生命现象的巨大贡献。
一、百余年来诺贝尔物理奖与生物物理发展概览
生物物理是在18世纪70年代之后，伴随着近代物理和生理学的发展逐渐盛行的。1775年，A.L.提出一种观点，觉得生物体呼吸过程的本质与燃烧过程一样，均要消耗二氧化碳，释放出氧气和水。这些观点引起了人们对生物体能量代谢的关注，是近代生物物理研究的开端。1877年，法国科学家等提出了生物物理()这个名词[2]。在这一时期，科学家从生物体内提取出了卵磷脂等有机物质，这对之后的研究起了很大的促进作用。
19世纪末到20世纪初，酶、维生素和激素的发觉被觉得是这一时期最为重要的三大发觉[3]。1897年，E.证明了发酵过程在没有酵母菌存在的情况下也可进行，其本质是由青汁即酶导致的催化过程，由此开创了酶物理的研究。这项研究，成为近代生物物理诞生的标志，E.也因而获得了1907年诺贝尔物理奖[4]。1926年，J.B.首次制备出脲酶的结晶，使酶学获得迅速的发展，他也为此项发觉获得了1946年诺贝尔物理奖。1911年，C.Funk结晶出抗神经炎维生素，起名为“维他命()”，意思是“生命的胺”。他当时觉得可能所有维生素都是杂环物质，但后经研究发觉并非这么，于是又更名为。1902年，J.Abel分离出肾上腺素并制成结晶。1905年细胞膜水通道，W.M.和E.H.提出“激素()”一词。1926年，C.Went从谷物胚芽鞘分离出动物激素——生长素。20世纪30年代之后，生物物理在研究生物体的新陈代谢及其调控机制方面取得了重大进展，陆续对糖酵解、三乙酸循环、氧化乙酸化、磷酸戊糖途径等进行了详尽的研究。在研究糖酵解方面，G.、O.、J.K.3位科学家作出了特别大的贡献。H.A.Krebs证明了三乙酸循环，M.证明了光合碳代谢途径，并获得了1961年诺贝尔物理奖。
从20世纪50年代开始，生物物理的研究渐渐深入到了分子水平。有许多杰出的科学家作出了突出贡献：F.于1953年确立了胰岛素的分子结构，为蛋白质的一级结构测定打下了基础，并因而获得1958年诺贝尔物理奖。M.F.和J.C.用X射线衍射法研究得到了球蛋白和纤维蛋白的结构，获得1962年诺贝尔物理奖。1953年，J.D.和F.H.C.Crick提出DNA的双螺旋结构模型，奠定了分子生物学的基础。
二、生物物理发展的3个阶段
按照生物物理发展史中那些代表性的成就，可将生物物理的发展界定为表述生物物理、动态生物物理与机能生物物理3个阶段[5]。
2.1表述生物物理阶段
1775年前后，C.W.对生物体各类组织的物理组成进行了研究，他的这一研究奠定了生物化学的基础[5]。这一时期生物物理处在起步阶段，称为表述生物物理阶段。
1779年，I.Honse说明了红色动物在阳光下可以放出氢气。1782年，J.证明动物在此过程中吸入气体，成为光合作用的初期研究。1785年，A.L.首先阐述了呼吸的本质，证明呼吸是一个吸入、消耗二氧化碳，呼出气体，同时形成热能的过程，开启了对生物氧化与能量代谢的研究。1828年，F.在实验室中成功地用无机化合物氰酸氨合成了有机化合物尿素，这是首次在生物体外由无机物合成有机物，突破了无机化合物和有机化合物之间的研究界限[6]。
这一时期，得力于微量剖析技术的帮助，生物体中的一些重要物质如维生素、激素和药物陆续被发觉并得到了研究。例如，1868年，意大利科学家F.首次得到核苷酸；1902年，E.提出蛋白质的氨基酸理论。反正，表述生物物理阶段的特征是对生物体内物质的物理组成、含量和性质等进行研究，这为后续生物物理的研究发展提供了新思路，开拓了新方向。
2.2动态生物物理阶段
世纪初至20世纪50年代，生物物理在已有的基础上，在例如电子显微镜技术、层析技术等诸多实验方式的帮助下得到迅速发展，步入到动态生物物理阶段。生物物理能有这么的发展，从1901年开始颁授的诺贝尔奖可以说起到了显著的促进作用，有代表性的有以下几个方面。
2.2.1脂类、维生素的研究
Emil，1902年获诺贝尔物理奖
1902年，因合成糖和固醇衍生物而获得诺贝尔物理奖，由此开始了糖物理的研究。在糖物理中，糖酵解过程十分重要。糖酵解普遍存在于生物界，被觉得是生物界最古老、最基本、最原始的获取能量的形式，是最早的被揭示的酶促反应系统[2]。1905年，美国科学家A.和W.J.Young在实验室中证明了无机乙酸的作用，证明了乙酸盐是发酵过程中的关键物质，参与发酵过程中间产物的产生，缺乏乙酸盐则发酵过程未能进行。这一观点的提出使对糖酵解的阐述又近了一步。A.也因而获得了1929年诺贝尔物理奖。
在此以后，更多科学家投入到糖酵解的研究中，经过许多科学家的连续工作，总算在1940年，由荷兰生物物理家G.、O.和J.K.等人阐释了糖酵解的整个途径，也就是以她们名子命名的EMP途径——葡萄糖在己糖激酶的作用下产生6-乙酸猕猴桃糖，经过糖酵解打算阶段和放能阶段后变化分解为乙醛酸。为糖酵解过程在生物中普遍存在，且是一个酶促过程，因而对糖酵解过程的阐释让人们明晰认识到生物的糖代谢过程以及酶促反应系统的工作过程。
AdolfOtto，1928年诺贝尔物理奖得主及其合成的维生素D3
维生素是维持机体正常生命活动所必需的一类小分子有机化合物。它在生物体内既不构成各组织，也不提供能量，但却是维持生物体生长发育及新陈代谢不可缺乏的物质[2]。1928年，A.因其在1907年研究了尿酸和其他维生素的结构并合成了维生素D3而获得诺贝尔物理奖。这次诺贝尔物理奖的颁授，推动了科学家对于维生素的研究。1933年，W.V.合成了维生素C，并对碳水化合物进行了研究。P.在1931年确定了维生素A的结构并在1933年将其合成成功，而后，他又在1935年合成了维生素B。这两位科学家因其对维生素领域的贡献，共同获得1937年诺贝尔物理奖。在此次颁奖过后，R.Kuhn因其在1935~1937年间研究了类胡芋头素和维生素而获得1938年诺贝尔物理奖。
2.2.2酶的研究
酶是由活细胞形成的，具有催化活性和高度专情性的一种生物大分子，诸多新陈代谢活动都需在酶的催化下才可以进行。生物的各类生命活动都与酶的催化过程密切相关。正由于这般，酶物理对于生物物理的发展起了很大的促进作用。
1929年的诺贝尔物理奖颁给了A.和H.vonEulor-，不仅由于她们关于糖酵解的研究外细胞膜水通道，还由于她们揭示了酶和辅酶的作用，并确定了辅酶的结构。继1878年Kuhne首先使用“酶”这个词后，1926年，新西兰物理家J.B.从刀豆中提取出脲酶并获得结晶，证明脲酶具有蛋白质的性质，并提出酶本身就是一种蛋白质。在同一时期，J.H.结晶出了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶，并证明了它们的生物活性。另外，W.M.在1930~1935年间制得病毒蛋白酶。这3位科学家的研究为酶物理的进步作出了巨大的贡献，因而，共同获得了1946年诺贝尔物理奖。
三位科学家因酶物理方面的贡献，获1946年诺贝尔物理奖
2.2.3蛋白质的研究
世纪初，科学家开始了对蛋白质结构的剖析。1902年，英国生物物理家E.和F.同时提出了有关蛋白质结构的模型假说，觉得蛋白质的结构是氨基酸链结构，是由肽键联接上去的多肽的长链。以这个假说为基础，E.在1907年首次成功地合成了18肽的长链，为其氨基酸链假说提供了初步的实验证据，更为重要的是，这个成果使人类在蛋白质的人工合成公路上迈出了第一步。
随后，美国生物物理家F.在1945年开始测定牛胰岛素氨基酸链中的多肽的结构次序，并最终于1953年确立了胰岛素的分子结构。其实这一研究经历了数年时间才成功，但这几位科学家在此项研究中所用的实验方式对于日后蛋白质物理的发展具有重要的意义。F.由于这项成就获得了1958年的诺贝尔物理奖。
2.3机能生物物理阶段
自20世纪50年代以来，生物物理发展迅速，步入到真正意义上的生命物理阶段。随着放射性核素示踪技术、红外波谱技术、NMR核磁共振技术、高效毛细管电泳技术(HPLC)、基因工程技术等先进实验方式的诞生，生物物理踏入了在分子水平研究的时期[7]。在这一时期，对蛋白质和核苷酸这两大生物基础物质的研究是生物物理领域最为重大突破。
2.3.1蛋白质物理
尽管在20世纪前期，人们对蛋白质已有一定的研究，但蛋白质物理的迅速发展，还是在20世纪50年代之后。
继1956年日本生物物理家F.阐明了牛胰岛素的全部51个多肽的排列次序和两个肽键之间的硫硫键然后，中国科学家在1965年合成了结晶牛胰岛素。这是世界上第一个人工合成的具有生物活性的蛋白质，它标志着人类在认识生命、探索生命奥秘的征途中迈出了关键性的一步，推动了生命科学的发展，标志着世界步入了人工合成蛋白质的新阶段。此项成果在我国基础研究、尤其是生物物理的发展史上有巨大的意义与影响。
2.3.2核苷酸物理
1944年，O.T.Avery通过肺癌杆菌遗传转化实验证明了改变脑炎杆菌遗传性状的转变因子是脱氧内质网核苷酸(DNA)，即证明了DNA是基因的基础物质。这一发觉极大地促进了有关核苷酸的结构与功能的研究。
1953年，J.D.和F.H.C.Crick在定则的启示下，借助R.和M.得到的DNA的X射线衍射图对DNA的结构进行推论，除了确认了DNA是一种螺旋结构，还得到了几个主要参数。有了这样的发觉，经过不懈的努力，她们总算建立出了DNA的双螺旋结构模型。这一发觉拉开了现代分子生物学的帷幕，为现代生命科学的发展奠定了基础[1]。
James(左)、Crick(右)
1955年，加拿大科学家A.R.Todd确定了核酸结构，合成了低分子的碱基，鉴于A.R.Todd在核酸与核酸辅酶结构方面的杰出成就，英国皇家科大学授予他1957年诺贝尔物理奖。
在这种工作的启发与帮助下，诸多科学家对核苷酸物理领域举办了不断的探求。获得诺贝尔物理奖的有L.F.，他因发觉核糖甙酸及其在碳水化合物生物合成中的作用而获得1970年诺贝尔物理奖；C.B.、S.Moore、W.H.Stein因研究内质网核酸酶的活性区位以及确定蛋白质的一级结构而获得1972年诺贝尔物理奖。
P.Berg因成功地操纵基因重组脱氧内质网核苷酸分子，获得1980年诺贝尔物理奖。P.Berg的工作，除了实现了将原先不相关的DNA组合在一起，并且意味着人类可能制造出全新的生命。这标志着现代基因工程技术的诞生，同时也将生物物理带入了一个全新的发展时期。
三、诺贝尔生物物理奖得奖成果的应用
从百余年来生物物理领域的得奖看，诺贝尔物理奖的颁授与生物物理的发展交相映衬，促进了生物物理学科的快速发展。
3.1核苷酸及蛋白质的新设计
由于蛋白质和核苷酸是构成生命的基本物质，因而对于它们的研究，尤其是其空间结构和活性的改变会带来怎样的变化将成为研究生物物理的方向，并将常年倍受关注。
3.2生物膜的应用
生物膜是构成细胞所有膜的合称，是生命系统重要的组成部份之一，对调节细胞生命活动意义重大。生物膜的功能主要有物质运输、能量转化、细胞辨识和信息传递等，因而膜生物工程的应用是现今生物物理的研究热点[2]。2003年，俄罗斯科学家P.Agre和R.M.共同获得了诺贝尔物理奖，其缘由是二人均在细胞膜通道领域做出了开创性的贡献。具体来说，R.M.发觉了细胞膜水通道及运作机理，而P.Agre则发觉了水通道蛋白及其结构和工作原理。她们的成就开辟了一个全新的研究领域，即细胞物理，这使有关生物膜的研究成为科研热点。
PeterAgre(左)and(中)接受科学记者专访
生物膜将细胞与其外部世界隔离开来，但却并不是完全隔离的。实际上，细胞膜由不同的通道所贯通，这种通道专门为特定的离子或分子使用而且不容许其他物质通过。之所以这样，是由于通道最重要的特点——选择性。细胞膜通道包括水通道和特种离子通道。所谓水通道，实际上是一种水通道蛋白(，AQPs)。因为水通道蛋白的存在，机体的水平衡才得以维持。诸如细胞膜不容许泄露出质子：水份子由于通道壁的原子所产生的局部电场作用而平缓地通过窄小的通道，并且质子(或H3O+)却不能通过，由于它们自身所带的正电荷使它们在途中停出来而被拒绝通过。对于离子通道，以容许钾离子通过而制止钠离子通过的通道为例：在步入离子过滤器之前，两种离子均被水份子所包围，离子被水份子禁锢，其与水底的氧原子的距离一定。在过滤器中，钾离子与氧原子之间的距离是与其在通过通道前被水份子所包围时的距离相同，因而可以通过过滤器；但是钠离子却不能通过，这是因为它在过滤器中与氧离子的距离不匹配，因而仍留在水氨水中。
借助细胞膜通道的原理，对细胞通道进行的研究可以帮助科学家找寻具体的病症，并研发相应的抗生素。例如一些神经系统疾患和心血管疾患就是因为细胞膜通道功能衰弱导致的。另外，借助不同的细胞膜通道，可以调节细胞的功能，进而达到根治疾患的目的。例如，草药就是通过调节人体汗液的成份和不同成份的含量而达到根治疾患的目的[8]。对于生物膜，不仅医治癌症，其应用还可以彰显在废水整治方面，正式某种微生物菌株制成剂型后，按要求直接投放到受污染底泥，产生生物膜，便于对废水进行降解和净化。
3.3基因工程技术的应用
一般所说的基因工程，实质上就是借助DNA重组技术改建生物的基因结构以达到预期目的的一项高新技术。具体方式是借助分子生物学的方式分离目的基因，并对目的基因进行剪切，将剪切好的基因片断与载体联接，之后引入寄主细胞进行复制和抒发的生物学技术。
基因工程的具体步骤包括两个：首先从个别生物体获取(或人工合成)所须要的DNA片断，即目的基因，将目的基因与获得的基因的载体进行体外重组；之后将重组的DNA转化到受体细胞中，借此可以改变受体细胞的遗传性质。通过这样的手段，可以获得须要的产品或特定的优良性状[3]。正由于可以形成人类所须要的物质或则成立出新的生物类型，因而定向改变生物性状，因而基因工程有着广泛的应用前景。如今，人们在农业、医疗、环境保护等方面都在使用基因工程技术。基因工程技术可以让人们直接定向并达到预期的目的。
3.3.1农业技术的新方式
在农业上，科学家借助基因重组得到想像中的新品种。将目的基因(例如抗病基因和耐松土剂基因)与个别农水稻的基因重组，以增加新品种的生产成本，比如抗病猕猴桃等。还有经过小鼠的生长素基因改建的超级大鼠，生长速率和体重都比正常大鼠大好多，此项技术应用于牲畜的培植有可能形成巨大的生产价值。
3.3.2医疗技术的新进步
在成功进行了动动物基因的改建以后，1999年，法国科学家破解了人类第22组基因排序，“人类基因组计划”由此迈出了成功的一步。通过对每位基因的测定，我们可以找到医治和防治多种癌症的新方式，有关人类生长、发育、衰老、遗传和肿瘤的秘密也将急剧揭露。可以预见，在今后的时间里，科学家就可能阐明人类大概5000种基因遗传病的致病基因，可以依据基因图有针对性地对有关疾病下药，因而为疾病、糖尿病、心脏病等各类致命癌症找到基因疗法。据悉，因为基因工程方式成本低且产值高，目前市场上的好多药品（例如多种卡介苗、蛋白质类抗生素、抗生素等）都是通过基因工程制备下来的。
3.3.3环境保护的新措施
基因工程的成果还可以应用在环境保护方面，例如基因工程弄成的DNA探针。DNA探针是由一个特定的DNA片断制成的，将其与被测病毒的DNA杂交，就可以测量病毒。此法可以灵敏并快速地检查环境中的病毒、细菌等污染。借助基因工程培植的指示生物能灵敏地反映环境污染的情况，却不易因环境污染而大量死亡，甚至还可以吸收和转化污染物。基因工程弄成的“超级真菌能吞食和分解多种污染环境的物质，如石油中的多种烃类化合物，或吞食转化汞、镉等重金属，分解DDT等残害物质。
从1901年至今，百余年来的诺贝尔物理奖的历史使我们认识到，物理触碰人类生产与生活的各个方面，生物物理作为从物理学科衍生下来的一门学科，在不长的时间内得到了迅速的发展，从表述生物物理、动态生物物理到机能生物物理阶段，每一次生物物理领域的新成就和诺贝尔物理奖的获得都标志着生物物理的一个新里程碑出现。展望未来，我们应当相信，生物物理的研究将愈加辉煌。
本文原载《大学物理》2011年10月，《科学春秋》获授权刊登。配图为编者所加。
参考文献
[1]赵家治.物理史教程.第3版.大同:广东教育出版社,2004
[2]黄卓烈,朱利泉.生物物理.上海:中国农业出版社,2004
[3]吕淑霞,任大明,唐咏.基础生物物理.上海:中国农业出版社,2003
[4]彭万华.物理通报,2001(11):735
[5]张平.四川畜牧兽医,2004(1):45
[6]中学物理选修1.第2版.北京:湖南科学技术出版社,2005
[7]王梦姣.四川农业科学,2009(5):112
[8]全俊.在炼金术以后———诺贝尔物理奖获得者100年图说.上海:上海出版社,2006
撰文：王悦、彭蜀晋、周媛、张丹、游晓莉（湖南师范学院物理与材料科学大学）