物理學和生物學誰更牛?看完了你也想學物理

我在上一篇文章《充滿詩意的物理學，說說物理學和天文學那點事》介紹了物理學和天文學之間藕斷絲連。這篇文章裡，我們來談一下物理學和生物學的那些事。之所以想到這個話題，還是我在科學群裡，跟這幫科普作者聊天的時候想到的。其實，如果你是一個搞科學研究的，不論你最後是選擇的什麼方向，都會發現，離不開物理學。所以物理學真的很牛。廢話不多說了，切入正題。

圖1 有機物分子結構掛件

一、有機化學

有機化學是化學的一個分支學科，在中學階段選了理科的小夥伴們都是有過接觸的，這是一門研究與生物物質有關的化學。在20世紀之前，人們普遍認為，跟生物有關的物質都是非常的神奇，這些物質不可能用人工方法從無機物中製造出來。然而真相完全不是如此——有機物完全可以像無機化學中的物質那樣用人工合成的辦法來製造。只不過是包含的原子排列更複雜而已。

有機化學跟生物學一樣，都是可以生產出有機物，隨著有機化學研究的進步已經出現了能夠生產有機物的現代工業，比如晶片農業、轉基因、人造肉。物理化學和量子力學的許多內容可以像應用於無機物一樣應用於有機物。但是，有機化學的主要內容是在分析與合成生命系統中、生物體中形成的物質。

圖2 德國物理學家、生物學家 邁爾

二、生物學與能量守恆定律

所謂的生物學，就是研究生物體的科學。早期生物學家的工作主要是一些描述性的工作，他們所做的工作主要是類似螞蟻有多少條腿，蜘蛛腿上有多少根毛這種。等這些基礎性的工作做完之後，接下來生物學家們開始研究生物體內部的運行機制，任何一個學科的起步階段研究的內容都是比較粗糙的，畢竟做任何事情都有一個從易到難的過程。

在物理學和生物學之間，特別值得一提的是：生物學幫助物理學發現了能量守恆定律。德國物理學家，熱力學與生物物理學的先驅邁爾（Mayer）在關於生物吸收和放出熱量的問題上首先涉獵了能量守恆。

只要我們用心去觀察就能發現，在生物體內，很多生物學過程都是物理現象：血液循環、心跳、血壓等等。還有神經反射：當我們踩在盲道或碎石子鋪成的路上，不需要用眼睛看，腳下傳來的信息就能通過「數據線」傳給大腦。這就是我們接下來要提到的話題：

圖3 細胞的生物電現象

三、電效應與生物學

這些信息是怎麼傳遞給大腦的呢？

生物學家通過對神經的研究得出：神經是纖細的小管子，有非常薄而複雜的管壁，外有絕緣性髓鞘包著的，叫有髓鞘纖維；沒有明顯髓鞘的，叫無髓鞘纖維；細胞通過這層管壁抽運離子，管外有正離子（鈉離子和鉀離子）而管內有負離子，就像個電容器一樣。

如果這層膜的某個區域發生放電，即有離子通過這個地方，那麼這裡的電壓就會減少，這種電壓的波動就會影響同一條管子上鄰近的離子，影響鄰近地點的薄膜，使它也讓離子通過。就這樣依次影響到越來越遠的地方，於是出現一個沿著這根管子（神經纖維）傳遞的電壓波。

圖4 神經電信號傳導實驗

當我們踩在盲道上或者是尖石頭上，神經纖維的末梢就會產生電壓波動，這個波動就沿著神經纖維傳播。這個電壓波動就像一長列豎立的多米諾骨牌，當末端的一個被推倒，它就將鄰近的一個帶著推倒，等等。

神經細胞當然比多米諾骨牌複雜，因為它還能自動重新扶起來排好，在神經細胞中，有一個把離子緩慢地重新排出的過程，為下一次神經脈衝傳導做好準備，這樣就能反覆傳遞信息。通過這樣的過程，我們的大腦就能感知到神經末梢傳遞過來的信息。

現在，生物學家們可以利用電子儀器檢測到這種神經利用電壓波動來傳遞信息的過程，比如腦電波檢測。我們可以看到，物理學中關於電效應的相關理論研究成果可以對幫助理解生物的神經傳導現象。

圖5 神經元結構圖

大腦又是如何把指令傳送到執行位置的呢？

大腦發出指令的過程跟這個類似，從大腦中某處沿著神經送出一個信息（電壓波動），一直到達神經的末梢。神經纖維在這裡分成更加纖細的分支，與肌肉纖維附近的一個叫做運動終板的結構連接。

現在已經知道，當這個神經脈衝（電壓波動）傳遞到神經末梢的時候，會射出一小團叫做乙醯膽鹼的化學物質(每次5到10個分子)，引起乙醯膽鹼量子性釋放的關鍵因素是神經末梢去極化引起的Ca2+內流。當神經衝動傳至神經終板時，膜電位下降，導致可使Ca2+通過的電壓閘門通道開放， 使Ca2+進入終板，從而刺激終板分泌乙醯膽鹼。乙醯膽鹼再進一步作用於肌細胞導致肌細胞收縮，就是這麼簡單！

圖6 神經肌肉信號傳導

又是什麼使肌肉收縮的呢？

肌肉是由大量緊挨著的纖維組成的，含有兩種不同的物質：肌球蛋白和肌動球蛋白，雖然還不清楚乙醯膽鹼是如何改變分子大小的，但是目前普遍認為興奮—收縮耦聯至少包括三個步驟：動作電位通過橫管系統傳向肌纖維深處；三聯管結構傳遞信息；縱管系統對鈣離子的釋放和再聚積。

即當肌細胞興奮時，動作電位沿橫管系統進入三聯管，橫管膜去極化並將信息傳遞給縱管系統，使相鄰的終池膜對鈣離子的通透性增大，鈣從貯存的終池內大量釋放出來，並擴散到肌漿中，使肌漿鈣的濃度迅速升高隨後觸發肌肉收縮。Ca2+被認為是興奮—收縮耦聯的媒介物。

總結：物理學給出生命現象的原因，生物學卻走得更遠

從前面的分析和論述我們可以看到，生物學所研究的領域是多麼的複雜和廣闊，還有很多生物機制需要我們去找到其物理本質。比如視覺的整個過程是什麼樣子的？聲波是如何在生物體內傳播和感知的？意識（思維）又是一個怎麼樣的物理過程？雖然我們現在已經能夠對生物體內發生的物理和化學變化給出理論性的解釋，但是生物學的研究範圍其實遠超物理學給出的這些結論，這些，我們留在下一篇文章裡面來繼續討論。