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综合实验一 蛋白质的浓度测定—Bradford法
1．制作标准曲线及测定样品时，为什么要将各试管中溶液纵向倒转混合？
答：(1)由于蛋白与考马斯亮蓝G-250染料的结合能力不同，纵向倒转混合，充分反应。
(2)标准蛋白加入的量与考马斯亮蓝G-250的体积相差悬殊，纵向倒转混合，充分反应。
2．查阅相关资料、文献，举例说明测定蛋白质的浓度的方法有哪几种，并说明各自的优缺点。 答：主要的以下几种：
（1）微量凯氏（Kjeldahl）定氮法，优点是测定准确率高，可测定不同形态的样品。 缺点是测定过程繁琐。
（2）双缩脲法（Biuret法）
优点是较快速，不同的蛋白质产生颜色的深浅相近，以及干扰物质少。主要的缺点是灵敏度差。因此双缩脲法常用于需要快速，但并不需要十分精确的蛋白质测定。
（３）Folin—酚试剂法（Lowry法）
此法的显色原理与双缩脲方法是相同的，即Folin—酚试剂，以增加显色量，从而提高了检测蛋白质的灵敏度。这两种显色反应产生深蓝色的原因是在碱性条件下，蛋白质中的肽键与铜结合生成复合物。Folin—酚试剂中的磷钼酸盐—磷钨酸盐被蛋白质中的酪氨酸和苯丙氨酸残基还原，产生深蓝色（钼兰和钨兰的混合物）。在一定的条件下，兰色深度与蛋白的量成正比。
(４）考马斯亮兰法（Bradford法）
考马斯亮兰G-250染料，在酸性溶液中与蛋白质结合，溶液的颜色也由棕黑色变为蓝色。染料主要是与蛋白质中的碱性氨基酸（特别是精氨酸）和芳香族氨基酸残基相结合。在波长为595nm下测定的吸光度值A595，与蛋白质浓度成正比。
优点：a. 灵敏度高。b 测定快速、简便，只需加一种试剂。c. 干扰物质少。
缺点： a 由于各种蛋白质中的精氨酸和芳香族氨基酸的含量不同，因此Bradford法用于不同蛋白质测定时有较大的偏差，在制作标准曲线时通常选用g-球蛋白为标准蛋白质，以减少这方面的偏差。b.物质干扰此法的测定，主要的干扰物质有：去污剂、 Triton X-100、十二烷基硫酸钠（SDS）和0.1N的NaOH。c. 标准曲线也有轻微的非线性，因而不能用Beer定律进行计算，而只能用标准曲线来测定未知蛋白质的浓度。
综合实验二 （1）酸性磷酸酯酶的提取
1、酸性磷酸酯酶在生物体内的作用是什么？
答：酸性磷酸酯酶(Acid Phosphatase，E.C.3.1.3.2)存在于植物的种子、霉菌、肝脏和人体的前列腺之中，能专一水解磷酸单酯键，如水解磷酸苯二钠生成苯酚和无机磷。
生物化学综合实验习题解答
综合实验二 （2）酶促反应进程曲线的制作和初速度的测定
1、为什么酶活力应该在进程曲线的初速度时间范围内进行？
答：要进行酶的活力测定，首先要确定酶的反应时间。酶的反应时间并不是任意规定的，应该在初速度范围内进行选择。随着反应时间的延长，曲线趋于平坦，曲线的斜率不断下降，说明反应速度逐渐降低。反应时间延长以后底物浓度的降低和产物浓度的增高致使逆反应加强。因此，要真实反映出酶活力的大小，就应该在产物生成量与酶反应时间成正比这一段时间内进行初速度的测定。换言之，测定酶活力应该在进程曲线的初速度时间范围内进行。
综合实验二 (3) 酶的活力测定
1、酶活力测定中为什么各样品与底物测定的时间要严格一致？
答：本实验中用磷酸苯二钠为底物。磷酸苯二钠经过酸性磷酸酯酶作用，水解以后即生成酚和无机磷，其反应式如下：
O
||
C6H6-O-P-ONa + H2O ? C6H6-OH + Na2HPO4
|
ONa
由上式可见，当有足够量的底物磷酸苯二钠存在时，酸性磷酸酯酶的活力越高，所生成的产物酚和无机磷也越多。反应速率只在反应的最初一段时间范围内保持恒定。随着时间的延长，底物浓度的降低和产物浓度的升高，使逆反应加强。
综合实验二 (4) 酸性磷酸酯酶分子量的测定SDS-PAGE电泳法
1、为什么要在样品中加少许溴酚兰和一定浓度的甘油溶液？甘油及溴酚兰的作用分别是什么？
答：加少许溴酚兰的目的是作指示剂，用来反映在电泳的过程中样品蛋白质迁移的长度。加入甘油的作用是甘油的密度较大，对样品中的蛋白质起沉淀作用。
2、影响迁移率的因素有哪些？
答：①SDS的浓度，溶液中的SDS的总量至少要比蛋白质的量要高三倍，一般高达10倍以上。 ②溶液的离子强度，溶液的离子强度应较低，最高不能超过0.26，在低离子浓度中SDS单体具有较高的平衡浓度。
③二硫键是否完全被还原，只有在蛋白质分子内的二硫键被彻底还原的条件下才能准确测定。在有些情况下，还需要进一步将形成的巯基烷基化。
④每次样品测定必须同时做标准曲线，而不得利用另一块电泳的标准曲线。
生物化学综合实验习题解答
综合实验三 动物组织DNA提取及纯度检测
1、DNA提取的原理是什么？
答：真核生物的DNA是以染色体的形式存在于细胞核内，提取DNA的原则是既要将DNA与蛋白质、脂类和糖类等分离和保持DNA分子的完整。提取DNA过程是将分散好的组织细胞在含SDS（十二烷基硫酸钠）和蛋白酶K的溶液中消化分解蛋白质，再用酚和氯仿或异戊醇抽提分离蛋白质，得到的DNA溶液经乙醇沉淀使DNA从溶液中析出。蛋白酶K的重要特性是能在SDS和EDTA（乙二胺四乙酸二钠）存在下保持很高的活性。在匀浆后提取DNA的反应体系中，SDS可破坏细胞膜、核膜，并使组织蛋白与DNA分离，EDTA则抑制细胞中Dnase的活性；而蛋白酶K可将蛋白质降解成小肽或氨基酸，使DNA分子完整地分离出来。
2、试分析DNA样品不纯的原因？
答:①裂解液要预热,以抑制DNase,加速蛋白变性,促进DNA溶解，②各操作步骤要轻柔,尽量减少DNA的人为降解，③取各上清时,不应贪多,以防非核酸类成分干扰，④异丙醇,乙醇.NaAC,KAC等要预冷,以减少DNA的降解,促进DNA与蛋白等的分相及DNA沉淀。
综合实验四 大肠杆菌感受态细胞制备及外源DNA的转化
1、氨苄青霉素筛选转化子的原理是什么？
答：外源DNA转化是以 E.coli DH5α 菌株为受体细胞，用 CaCl2 处理受体菌使其处于为感受态，然后与 pUC18质粒共保温实现转化。 pUC18质粒携带有抗氨苄青霉素的基因，使接受了该质粒的受体菌具有抗氨苄青霉的特性。将经过转化后的全部受体细胞经过适应稀释，在含氨苄青霉素的平板培养基上培养，只有转化体才能存活，而未受转化的受体细胞则因无抵抗氨苄青霉素的能力而死亡。
2、影响转化的因素有哪些？
答：(1）细胞生长状态和密度：不要用经过多次转接或储于4℃的培养菌，最好从－70℃或-20℃甘油保存的菌种中直接转接用于制备感受态细胞的菌液。细胞生长密度以刚进入对数生长期时为好，可通过监测培养液的OD600 来控制。DH5α菌株的OD600 为0.5时，细胞密度在5×107 个/ml左右(不同的菌株情况有所不同)，密度过高或不足均会影响转化效率。
（2）质粒的质量和浓度: 用于转化的质粒DNA应主要是超螺旋态DNA(cDNA)。转化效率与外源DNA的浓度在一定范围内成正比，但当加入的外源DNA的量过多或体积过大时，转化效率就会降低。一般情况下，DNA溶液的体积不应超过感受态细胞体积的5％。
（3）试剂的质量: 所用的试剂，如CaCl2 等均需是最高纯度的(GR.或AR.)，并用超纯水配制，最好分装保存于干燥的冷暗处。
（4）防止杂菌和杂DNA的污染：整个操作过程均应在无菌条件下进行， 所用器皿， 如离心管， tip头等最好是新的，并经高压灭菌处理，所有的试剂都要灭菌，且注意防止被其它试剂、DNA酶或杂DNA所污染， 否则均会影响转化效率或杂DNA的转入。
一、填空题
1.氨基酸的结构通式为
2.氨基酸在等电点时，主要以_____________离子形式存在，在 pH>pI 的溶液中，大部分以______离子形式存在，在pH<pI 的溶液中，大部分以_____离子形式存在。
3.生理条件下（pH7.0 左右），蛋白质分子中的________侧链和________侧链几乎完全带正电荷，但_______侧链带部分正电荷。
4.测定蛋白质紫外吸收的波长，一般在_____，主要由于蛋白质中存在着______、氨基酸残基侧链基团。
5.皮肤遇茚三酮试剂变成所致。
6.Lys 的pk1（ COOH）=2.18，pk2（ NH3）=8.95，pk3（ NH3）=10.53，其pI 为 。在pH=5.0 的溶液中电泳，Lys 向 极移动。
7.实验室常用的甲醛滴定是利用氨基酸的氨基与中性甲醛反应，然后用碱（NaOH）来滴定 上放出的 。
8. 一个带负电荷的氨基酸可牢固地结合到阴离子交换树脂上，因此需要一种比原来缓冲液pH 值 和离子强度的缓冲液，才能将此氨基酸洗脱下来。
9. 决定多肽或蛋白质分子空间构像能否稳定存在，以及以什么形式存在的主要因素是由 ________来决定的。
10. 测定蛋白质中二硫键位置的经典方法是___________。
11. 从混合蛋白质中分离特定组分蛋白质的主要原理是根据它们之间的 、 、 、 、。
12. 蛋白质多肽链主链构象的结构单元包括________、________、________等，维系蛋白质二级结构的主要作用力是_____键。
13. 蛋白质的 —螺旋结构中， 个氨基酸残基旋转一周，每个氨基酸沿纵轴上升的高度为 nm，旋转 度。
14. 交换层析分离蛋白质是利用了蛋白质的 性质。阴离子交换层析在层析柱 电荷，可吸引带 电荷的蛋白质，然后用带 电荷的溶液洗柱将蛋白质洗脱下来。
二、选择题
1.区分极性氨基酸和非极性氨基酸是根据 （ ）
A. 所含的羧基和氨基的极性 B. 所含氨基和羧基的数目
C. 所含的R 基团为极性或非极性 D. 脂肪族氨基酸为极性氨基
2.下列哪一种氨基酸不属于人体必需氨基酸 （ ）
A. 亮氨酸 B. 异亮氨酸 C. 苯丙氨酸 D. 酪氨酸
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生物中的物理篇一：生物物理学的几个热点领域
生物物理学的几个热点领域
黄耀江陈润生
（中国科学院生物物理研究所分子生物学研究中心北京100101）
摘要：物理学与生物科学的交叉由来已久，这不仅解决了自然界许多重大的理论问题，并且在高层次上开辟了新的技术领域，如生物信息学、纳米生物学和脑与认知科学等．文章对当今生物物理学的这几个热点领域进行了介绍．
关键词：生物物理学，生物信息学，纳米生物学，脑与认知科学
HOTFIELDSINTHEBIOPHYSICS
(CederofMolecoforBiology，InstiruteofBioPhysics，ChineseAcdemyofScicnsesBeding100101，China)Abstract：Physicsandbiologyhavealonghistoryofinteraction，whichnotonlysolvedmanytheoreticalquestionsinnature，butalsoopenedupnewfieldsoftechnology，suchasbioinformatics，nanobiologyandcognitivescience．Anoverviewisgivenofthesehottopicsinbiophysics．
Keywords：biophysics，bioinformatics，nanobiology，cognitivescience
1. 引言
物理科学和生命科学的相互作用由来已久，历史上几乎是同时诞生了电学（C．A．deCoulomb，1785）与电生理学（L．Galvani，1791），在库仑（Conlomb）创立电学不久，伽伐尼（Galvani）通过青蛙神经接触两种金属引起肌肉收缩这一著名实验，揭示了生物电现象．生物学为物理学启示了能量守恒定律（见：郝柏林，刘寄星．理论物理与生物科学．上海：上海科学技术出版社，1997），物理学中的理论、模型．方法和计算能力，在生物系统中得到广泛的应用．首先，在生物学的研究中，物理学方法总是不可缺少的，物理学为生物科学提供了现代化的实验手段和技术，从显微镜、X射线、示踪原子、中子衍射、核磁共振、同步辐射到扫描隧道显微镜等各种现代化的实验手段；同时，物理学为生命科学提供了重要的理论概念、原理和方法，物理学处理宏观体系的理论（如热力学、统计力学、耗散结构理论、信息论等），使人们可以从系统的宏观角度研究生物体系的物质．能量和信息转换的关系；物理学的微观理论（如原子分子物理、量子力学、粒子物理等），使人们可以从微观角度研究生物大分子和分子聚集体（膜、细胞、组织等）的结构；运动与动能．非线性理论．混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导，并预示了新的更伟大的科学革命的到来．特别是，当前基础生物科学飞速发展提出的新挑战更激励了物理学的新应用，现在物理方法已经能够在分子水平和分子体系的多体水平两个层次上研究基本生物科学所特有的高度复杂性了．
近代生命科学与物理学相互融合，不仅解决了自然界许多重大的理论问题，并且在高层次上开辟了新的技术领域．正是运用了物理学研究的成就——X射线衍射技术，阐明了遗传物质DNA的双股螺旋三维空间结构，成为生命科学发展中的里程碑．从此，现代生物学成为更加精密的科学，也导致了分子生物学的诞生．现代生物实验科学经过了50多年的自我发展，暴露出了越来越大的局限性，提出了越来越多的需求，又到了一个多学科交叉的新阶段．例如，随着基因组研究的深入发展，DNA和蛋白质数据近年来爆炸式的增加，为了分析和解释这些数据，一门新兴学科——生物信息学（bioinformatis）就产生了；又比如随着现代生命科学逐渐进人介观水平，它必然强烈地依赖于能实现纳米操作的物理学方法和仪器（如近场光学显微镜、原子力显微镜和光钳等），这样，另一门新的学科——纳米生物学就出现了．本文将就生物物理学的几个热点领域作一简单介绍．
2. 生物信息学
对世纪是生命科学的时代，也是信息时代．随着人类基因组计划（HG）的实施，有关核酸、蛋白质的序列和结构数据呈指数增长，面对巨大而复杂的数据，运用计算机进行数据管理、控制误差、加速分析过程势在必行，生物信息学（bioinformatics）逐渐兴起并蓬勃发展．广义地说，生物信息学从事对生物信息的获取伽工、储存、分配、分析和释读；并综合运用数学、物理学．计算机科学和生物学工具，以达到理解数据中的生物学含义的目标．它是当今生命科学的重大前沿领域之一．其研究重点既包括基因组的序列和结构，也包括基因组的功能．生物信息学作为一门新的学科领域，它是把基因组DNA序列信息分析作为源头，破译隐藏在DNA序列中的遗传
语言，找到代表蛋白质和RNA基因的编码区，特别是阐明非编码区的实质；同时在发现了新基因信息之后进行蛋白质空间结构模拟和预测；然后依据特定蛋白质的功能进行必要的药物设计．因此在基因组研究时代，基因组信息学、蛋白质的结构模拟以及药物设计必然有机地连接在一起．
近年来GenBank中的DNA碱基数目呈指数增加，大约每14个月增加一倍．1999年12月，其数目是30亿．2000年4月，DNA碱基数目是60亿．2002年初，这一数目已达170亿．自1995年科学家破译了全长为180万核音酸的嗜血流感杆菌基因组以来，到目前已有70多个微生物和若干真核生物，如酵母、线虫、果蝇、拟南芥的完整基因组已经完成测序”．2001年2月，在Nature和Science杂志上同时发表了由国际人类基因组协作组和Celera公司分别完成的人类基因组序列及其初步的分析，给我们展示了关于人类基因组的一系列较以往更为细致、更为精确的信息．已经被测序的人类基因组含有约29亿碱基，其物理图谱覆盖率为96％，序列覆盖率为94％．这些序列中含3—4万个编码蛋白质的基因．其中，二万6千多基因有较强的证据．人类编码蛋白的基因较之其他生物体的基因更为复杂，加上多种不同的剪接，蛋白总数将是很大的．基因组的1．l％为外显子，24％为内含子，75％为间隔序列．目前，数据库中已收集了410多万个人类SNP（singlenucleotidepolymorphism，指基因组内特定核着酸位置上存在两种不同的碱基），这表明人的基因组中平均每300个碱基就有回个碱基差异．但在已知SNP中，仅有不到1％的SNP造成蛋白的变化．同时，由于生物芯片、二维凝胶电泳和测序质谱技术的高速发展和广泛应用，功能基因组和蛋白质组的数据也已大量涌现．
如何分析这些巨量数据，从中获得与生物体结构、功能相关的信息是基因组研究取得成果的决定性步骤．为了适应这种趋势，国际上一些最著名的大学成立了生物学、物理学、数学等学科交叉的新中心，诺贝尔奖获得者朱律文领导的斯坦福大学的中心还命名为BIO－X．很多科学家相信物理学、数学．计算机科学和生物学的交叉可以导致生物学的新一轮革命．科学家们普遍相信对世纪最初的若干年是人类基因组研究取得辉煌成果的时代，也是它创造巨大的经济效益和社会效益的时代．
目前基因组和生物信息学的研究出现了几个重心的转移：将已知基因的序列与功能联系在一起的功能基因组学研究；以作图为基础的基因分离转向以序列为基础的基因分离；从研究疾病的起因转向探索发病机理；从疾病诊断转向疾病易感性研究．生物信息学的应用将为上述研究提供最基本和必要的信息及依据．
生物信息学的研究结果不仅具有重要的理论价值，也可直接应用到工农业生产和医疗实践中去．很多疾病与基因突变或基因多态有关，约有6000种以上的人类疾患与各种人类基因的变化相关联．更多的疾病则是环境（包括致病微生物）与人类基因（基因产物邮互作用的结果．由于人类基因组序列信息的公开及相应的分析能力的提高，已经使科学家能较快地确定“候选基因”，以利于发展疾病基因的定位克隆和有效地判定各种疾患的分子机制，进而发展合适的诊断和治疗手段．人类基因组信息为药物发展提供了新的候选分子和新的候选靶点．最近，国际人类基因组协作组在对于人类基因组进行初步分析的同时，利用已被鉴定的603个人类蛋白（SWIS－PROT），搜寻已知的483个药靶基因的横向同源物，发现了18个新的候选“药靶某因”．
随着结构和功能基因组研究的深入，系统生物学成了当前生物信息学新的研究热点，典型的如电子细胞或虚拟细胞．德克萨斯大学西南医学中心的AIGilnlan就在进行这样的研究，模拟整个细胞的行为．自动化基因测序仪的发明者之一LeroyHood相信模拟细胞一定会实现．他组建了一家独立的公司名为系统生物学研究所（ISB），旨在将细胞生物和信息科学融合在一起．Hood的研究小组正在利用计算机运算法则来模拟能复制的“真实细胞”．最终这将能预测伴随着细胞功能变化的基因组变化的范围．生物学家将有可能利用这种新的工具来研究对于常规实验技术来说非常漫长或复杂困难的生命过程的机制．无疑这种方法也将提供一个非常简捷经济的筛选药物和研究基因功能手段．更重要的是，我们能实时地看到某些因素和环节对细胞整体行为及生命活动的影响，而不仅是单个基因或单个因素．研究人员将像看电影一样得到完整的细胞内分子事件的全过程．在此基础上我们将能建立一个专门研究生命复杂体系的计算机虚拟实验室，开展大型的假想一预测一检验并反复循环的“生命实验”，利用快速增长的生物数据库，模拟细胞、组织及器官，做到从基因出发到细胞再到整个器官及系统定量的模拟生物体的结构和生理功能．系统生物学的研究不仅依赖数学方法的参与，而且也需要大量物理学的理论．方法和工具．
生命起源是重大的自然科学问题．几十年前，美国科学家米勒就在仿造出40亿年前地球环境的条件下产生出的氨基酸，但是到目前为止，如何演变成生命仍然是个谜．现在生物信息学家可以帮助我们在计算机世界中模拟“生命”起源，他们认为，这是理解生命结构的第一步，未来的目标是要模拟出生命的形成过程．近一两年来在人类的起源和迁移方面的研究特别突出．
3. 纳米生物学及单分子的操作．
纳米科技是在20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域，它的迅猛发展将可能在本世纪促使大量工业领域和相当科技领域产生一场革命性的变化．1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费恩曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后甚至可以根据人类的意愿，逐个排列原子或分子，制造超晶态产品，这是关于纳米技术最早的梦想．20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想，1974年，科学家唐尼古奇（Tanigucki）最早使用纳米技术（nano－technology）一词描述精密机械加工．1982年，科学家发明观察纳米结构的重要的物理学工具——扫描隧道显微镜（STM），为我们揭示了一个可直接探测的原子、分子世界，对当时称为“介观物理”（mesoscopicphysics）的研究和发展产生了积极的促进作用．并且，只有在介观体系中才显得那么重要的表面和界面问题也开始发展成为科学．1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着诞生了一门崭新的、面向对世纪的高科技——纳米科学与技术．
纳米科技是指在纳米尺度（1nm到l00nm之间）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术．纳米技术向生物学研究的各个领域广泛地渗透，纳米科技与分子生物学的交叉产生了纳米尺度上的生物学即纳米生物学，它将在单分子水平探索生命运动规律．生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的事情．纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩．科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念．例如，利用纳米加工技术，按照分子设计的方法制成具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；利用生物零件可以组装具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等．
将物理学中的新型显微、成像、探测和操纵技术用于生物体系包括大分子体系的研究也是纳米生物学的研究热点．
多光子显微成像和多光子荧光成像技术、原子力显微镜技术及扫描近场光学显微术、纳米生物传感技术等对于单个生物大分子实时监测具有良好的应用前景．扫描探针显微术（scanningProbemicroscopy，SPM）是纳米探测技术的主要方法之一，包括原子力显微镜（AFM）、扫描隧道显微镜（STM）、扫描电化学显微镜（SEC）、扫描近场光学显微镜（SNO）等．它可以工作在真空、大气和水溶液中．荧光共振能量转移技术（FRET）是一种已经应用于活细胞检测两类分子相互作用的最新技术．SPM技术和光钳（opticaltweezers）技术是目前分子操纵和纳米工程的主要工具，利用这些技术可以实现对单个分子的动态识别和操纵，可以在单个分子水平上进行分子结构和功能的研究．不仅能得到大量的物理信息，并且可以获取化学、生物信息．利用在AFM针尖止修饰不同的化学分子集团或生物分子集团，可以得到样品表面局域的化学、生物分子相互作用的信息．
光钳技术是当前国际上发展很快的操作技术．光钳在细胞水平上的操作已实现，在分子水平的操作也已经开始．其特点是对生物体是无损的，因而可用于活体观察．光钳是非接触作用，因而可在不破坏细胞的情况下操纵细胞内部的细胞器，作用范围广，它既能抓住细胞，也能抓住分子．国际上将光钳技术用于生物学研究已有很多例子：在细胞水平上，实现了大肠杆菌的空间转动；研究了酵母细胞在光学附中的生长等；在亚细胞水平，观察了线粒体和有丝分裂中染色体的运动；在分子水平，观察了DNA分子弛豫过程和管样运动，及肌动蛋白与肌球蛋白的相互作用等．
扫描近场光学显微技术是近年来发展起来的高分辨的光学显微技术．近场技术有很高的分辨率，理论L其指标可从贝尼到λ／2000，也就是分辨率可达到原子水平；对样品无损伤作用，因为使用的是光波；可进行实时减态观测；测量过程可靠；具有通用性；更重要的是除了可得到形貌信息之外，还可得到光谱信息，这是其他近场技术所达不到的．近场光学方法已多次用于生物体系．现在国际上正努力实现下述几个目标：在活细胞中能在分子水平上显示图像；显示细胞受体、膜通道及离子流或化学物质流对它们的调节作用等．
此外，用扫描隧道显微镜（STM赚够观察DNA双螺旋结构的清晰图像；原子力显微镜（AFM）能对生物大分子进行纳米操纵和活体观察．如：用原子力显微镜对DNA分子链上的任何确定部位进行了切割，这类手术再结合分子操纵，是迈向在纳米尺度上改造基因的重要进展．
上述各项构成了光学技术实现的分子水平的操作、检测与显像的整套方法，这套方法在国际上也正在发展．建立这套技术不仅可大大促进分子生物学重大问题的解决，也可实现相关物理理论与技术的变革．
目前，在纳米尺度上，生物学研究正在由离体观测走向活体观测，由静态观测走向动态观测，由对分子集合的观测走向单分子观测．纳米生物学的研究成果将获得广泛的应用．例如纳米传感器：它是利用纳米技术制造出
分子水平的传感器，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗；纳米药物载体：它是利用纳米操作制成载药纳米微粒，以实现对组织或器官定向给药；生物计算机：科学家已实现把黄金纳米颗粒结合到在金块表面L自我装配的烷烃硫醇分子上，这种结合分子的电阻要比非结合分子的小4倍，这为DNA计算机提供了可能．一台DNA“计算机”解决了一个可能是目前通过非电子手段所解决的最庞大的问题，即从超过100万的可能性中找出了正确的答案．用“纳米笔”制造蛋白质阵列：研究人员用原子力显微镜的探针作为“纳米笔”在黄金的表面上“绘”出了蛋白质阵列．蛋白质阵列在分析蛋白质与蛋白质的相互作用、药物测试等方面是非常有用的工具．Ki－BumLee和同事们用“纳米笔”以溶菌酶和兔子的免疫球蛋白为材料制造的蛋白质阵列精度在100urn的数量级．
4. 脑科学及认知科学
人类的科学事业正面临着四大问题的挑战，它们是：物质的本质、宇宙的起源、生命的本质和智力的产生．新兴的脑科学或认知科学（cognitivescience）正是为了研究这四大问题的最后一个，也可能是最困难的一个——智力是如何由物质产生的．近30年来，脑科学出现了飞速的发展，特别是近10年来被誉为“脑的10年”．脑科学及认识科学的研究被认为是21世纪生命科学最有可能取得突破进展的领域之一．
脑科学将代表生命科学发展的一个高峰，了解脑的组织和基本的分子机制是当前生物学的重要内容，它受到广大数学家办理学家的极大关注．最近，多学科融合的神经信息学成为了继生物信息学之后的又一重要的新兴学科领域．
物理学仪器如高分辨率的EEG／E（脑电／诱发电）、FMRI（功能磁共振成像）、PET（正电子发射射线断层照相术）等这些成像技术的出现使得人类在科学史上第一次可以直接“看到”在各种认知活动（如知觉、言语和思考）时，整个大脑相应的结构和功能活动过程．对开发人脑的智力提供了科学依据．核磁共振成像可产生多核种（氢核、磷核）、多参数（密度．弛豫时间）的物理图像，它不仅能显示人体任意断层的解剖图像，还能显示内脏功能和生理、生化过程信息的空间分布，为人体病变组织的诊断提供了先进、可靠的手段．
物理学现在发展到如此高的水平，使我们能够在分子和多体组织这两个层次上探讨基础生物科学的巨大复杂性．生物凝聚态物理、生物细胞中能量和信息转移中的物理问题、脑功能的物理过程、用生物芯片和电脑模仿人脑的功能及虚拟细胞和生命等，都是十分重要的前沿，所以，物理学和生命科学的结合是21世纪科学发展的大趋势．
物理学将不断地为生命科学的前沿领域提供新的、大型的实验技术：如超导量子干涉器件（SQUID）、X射线激光全息术等；另外，加速器质谱．正电子湮没、高分辨X射线能谱仪等，也将为生命科学提供更强有力的研究手段．
在揭示生命活动本质的研究中，现代生物物理学、生物化学、分子生物学和结构生物学的相互交叉和融合，使得在这些学科之间几乎不能划分绝对的界线，这是现代生命科学发展的特点和趋势．传统生物学的研究是由形态到细胞，再到分子水平的结构，由宏观生理到微观调控，由表型到基因型．伴随着现代生物学的多学科交叉，将有可能建立反向生物学．它是由基因人手，由分子序列到分子构象，由结构到功能．从统一原理出发，广泛利用数学、物理学工具，定量地阐明千变万化的生命现象．
总之，21世纪的科学发展，使各门科学进一步交叉和加速综合，不同学科的作用和地位将发生变化．21世纪生命科学可能成为主导学科，但生物学与物理学及其他学科将会更紧密地相结合，对物理学等其他学科提出新的要求和挑战．可以预见，21世纪的物理学和生命科学的交叉和渗透，将向解决生物学的重大问题及开创新的理论体系的阶段发展，并将带来新的科学革命．
参考书目：
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生物中的物理篇二：生物科与物理、化学学科之间的联系和综合
生物科与物理、化学学科之间的联系和综合
1生物学与物理、化学之间的联系
中学理科课程中，生物学与物理、化学之间本来就有很广泛的联系，生物与物理、化学之间的关系是：基础物理→桥梁化学→前沿生物，三者的知识交叉点，
如右图所示：
2生物学科知识与物理、化学之间的联系和综合点2.1生物学与物理学（见表1）
表1生物学与物理学之间的联系
2.2生物学与化学（见表2）
表2生物学与化学的联系
3理、化、生三学科的综合热点问题
（1）环境污染与保护方面。（2）能源方面。（3）日常生活方面：物理侧重各种电器、材料，生活中声、电、波等；化学侧重各种化学用品（塑料、橡胶、纤维、电池、厨房用品等）；生物侧重食品及药品等。（4）自然现象：物理侧重天体运动、闪电、潮汐等；化学侧重矿物风化、物质（元素）循环等；生物侧重光合作用、生物的遗传变异等。（5）工农业生产问题。（6）实验问题。（7）前沿科学：纳米技术、超导技术、生物技术、近几年诺贝尔（生理、化学、医学）奖。4理、化、生三科研究方法体系上的综合4.1认识规律上的综合
理、化、生三门学科都是研究自然规律的科学，尽管它们是从不同领域、不同角度、用不同方法和手段来研究自然科学，但自然界本身是和谐统一的，三门学科对自然现象的研究遵循相同的认识规律，即：提出问题，收集材料，经过分析研究，去粗取精，去伪存真，然后提出假说，再设计实验，进行深入研究，检验和修正假说，从而归纳、总结，上升为正确的理论。充分认识到三门学科在认识规律上的结合点和重要性，有助于学生学好理科知识，处理好理科综合问题，提高综合能力。4.2实验方法上的综合
实验是自然科学的重要方法和手段。观察和实验是发现科学真理的惟一方法，三门学科在实验方法上也有不少的结合点。
（1）三门学科对学生实验能力的要求相同：独立完成实验发能力；能根据要求灵活运用已学过的自然科学理论、实验方法和仪器，设计简单的实验方案并处理相关的实验问题（《2004年新课程版理科考试大纲》）。（2）三门学科的实验中，有的实验相互渗透的利用，如生物学实验中“提取和分离叶绿体的色素”实验，用到了化学上的纸上层析法；观察细胞的有丝分裂必须用光学显微镜。（3）三门学科的实验类型中，都是既有学生实验，又有演示实验；既有验证性实验，又有设计、探索性实验。4.3研究方法上的综合
三门学科的研究方法上也有许多相同之处，并且能够相互结合、补充，具体说有下列常用方法。（1）模型法：模型法是科学研究中一种十分重要的研究方法。它对于上些复杂的自然现象和过程，根据已掌握的事实材料，首先建立一个适当的模型加以描述，使研究对象形象化、具体化。如生物学中的细胞模型、DNA模型；物理学中电场线、磁感线、原子的核式结构型等。（2）理想化法：理想化法是一种科学抽象的方法。它通过源于实际又高于实际的科学抽象，排除次要因素的干扰，使研究条件达到理想化程度，以便抓住事物及其变化规律的本质。三门学科中，理想化方法的具体体现是提出理想模型和设计理想化实验。前者如理想气体，后者如惯性定律实验和模拟仿生实验。（3）移植法：移植法是将一个学科领域中发现的新原理或新技术，应用或移植到其他学科领域中去。在化学中，利用物理学气体的性质，研究温度、压强对化学反应的影响；利用电荷移动的原理和电荷守恒定律，研究电解液电解、导电的特性；研究物质的成分时，移植光谱知识；生物教学中，将光学中的显微技术、光谱等知识移植来，分析生物的构成；利用放射性元素的特征，在生物学和化学上作为示踪原子，研究化学反应的进行和生物大分子的结构及其功能。
在上述方法中，充分体现了各学科知识的相互结合和渗透，奠定了自然科学和各学科相互综合的基础。
生物中的物理篇三：生物中物理与化学作业
纳米材料与摩擦发电机
由王中林院士首次研发，并在他带领下的一支科研团队，在最近研究得出的采用纳米技术的最新成果——旋转式直流摩擦纳米发电机，在克服了第一代摩擦电发电机输出电流小、电压高、难以直接给用电器有效充电的缺陷，通过摩擦表面图案化的阵列设计和旋转式的工作方式，将输出电流提高到3毫安，最高平均稳定输出功率达1.5瓦后，首次实现了恒定电流的输出，实现了对小型电器的实时供电，为今后的能源问题提供了一个革新的突破口。利用此项技术对衣料、纸张、矿泉水瓶等10000多种常用材料进行表面处理后，都可以令其成为发电器件，这样在今后，所有人日常生活中的一举一动，都会通过摩擦发电机制造电力。这项技术对于现今日渐紧迫的能源问题来说是一缕曙光，毕竟电力是日常生活乃至科学发展都不可或缺的重要资源，纵使科学界
一直在发掘新的能量来源，但是进展缓慢，而目前最为普遍并被认为效用极大的核发电又因为屡次出现的重大事故遭到一般民众的排斥，在这种背景下，此次研发成果就不可不说是一个重大的突破。其优越性具体体现在：
一、安全。低电压的电力对人体无害，而其产生可能令人顾虑的辐射等问题，相较于充斥于现代生活各式各样的家用电器，尽管未有精确测量的数值，但相信相差并不大到足以让人忧虑。再者，将能量级别减少，从一个大的整体发电（如核电站）再往个体供电的形式转变为小的需电个体单位自给自足，化解了大型的隐患。
二、环保。摩擦充斥于日常生活，人类的所有举动都伴随着摩擦，可以说摩擦产生的能量毫无副作用，自然对环境不会造成什么影响。
三、便捷、高效。第二点已经说到，摩擦伴随着人类的生活，这么多日常的一举一动都能够制造电力，而并不需要多余的工骤和刻意的作为，非常便捷高效，而且将日常摩擦力转化掉的能量再次活用，也提高了能量利用的效益。
对于这项技术的原理，我结合纳米材料三大性质进行以下有限分析：先是纳米材料的表面效应，纳米材料直径变小，比表面积却增大，使用纳米材料在普通材料上增加肉眼难以辨认的凹凸花纹，不会破坏美观，却增加了摩擦面积，为摩擦发电机提升了能量转化的效率。
二是纳米材料的小尺寸效应。纳米材料能够显著地将固态物质的熔点降低，
这就意味着纳米技术能够将固态物质的导热率提升。因为导热率提升同步提升的还有材料的导电率，减少了在导电过程中因为转化成热能散失掉的能量，对于摩擦发电机来说是一个不可多得的重要性质，为它减少了能量转化途中的消耗。
三是纳米材料的隧道效应。我认为隧道效应在摩擦发电机的能量转化方面并无应用，但是它是摩擦发电机所需要的微型电子原件的基础并为其进一步发展提供了可能。
综上所述，我认为摩擦发电机虽然仍有一定的安全漏洞，而且目前的应用面不广，但有一个非常宏大的发展空间以及发展潜力，为现今科学界努力寻求解决方案的能源问题提供了一个发掘新能源之外的突破口和新思路，能够促使科学界对于日常生活中各种已经存在的普遍的能量转化进行一个新的思考，同时又为纳米材料的应用以及再突破提供了理论方向。这个科技新成果可以讨论的方面很多，只是鉴于我个人对纳米材料知识的匮乏，只能言之至此。
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