［提要] 生物物理学可能成为现代科学的先行者，它关系到生命本身的每一方面：DNA中原子的相互作用，血管中的血流，神经的电子信号，身体辐射形状的作用，双臂的运动……。生物学的“螺帽螺栓”的永远和谐一致，证明自然界是个最大的机械师。

致力于生物物理学的专家们是不像我们那样来观察生命的，当要求他们解释鸟是怎样飞翔时，他们就经常会拿起粉笔走向黑板画出三角形、箭号和公式来，当你搞清楚以前，已经把这种空中的动物和它的翱翔技术化成矢量、焦耳、尔格和角位移等。生物物理学家喜欢在作为基础的物理学关系上观察生命现象。他们探索着，观察到隐晦的深处，寻找使生物持续运动的机械定律。关于这种探讨，已经有了某些动人的和有规律性的发现了。热心此道的人相信，如果谁能把一种生物学的现象分解成为某些简洁的代数公式、某些算术模型，谁就能在允许其进行的基础系统中获得探讨的方法。物理化学家H. 特列部支在《生物如何学会生存》—书中写道，“生物物理学可能成为现代科学的先行”。事实上，这种诫律关系到生命的各个方面：DNA中原子的相互作用；血管中的血流；神经中的电子信号；身体上辐射形状的作用；两臂的运动，甚至虾尾的结构——这一切都是被认为是生物物理学中的荦荦大者。

科学活动的中心，它的信念的核心是，生命——所有生命——都服从于与宇宙其他万物相同的物理学规律。与决定一块石头将如何落下的相同的法则，也支配着地球上任何生物的形状、组成和功能。电影制片商能为我们提供诸如“六”的故事和吸火蚁等电影，而自然界则不可能。

智胜法则

特列布支说“生命并不破坏物理学上的任何法则，但它能以极为微妙和灵巧的方法取胜它们。”从而，经过长达千年之的“选择”压力，海鸠这种狭长嘴巴的海鸟，能够把它梨形的鸟卵安放在光滑而多风的岩礁上的鸟窠里，不怕受到外力而卷入海中。由于重心低于鸟卵中心，要是卵在窠里滚动，它会简单地转一个长U形，最后刚好回到原来的位置上，安全地留在有坡度的岩礁上。特里布支说，“这一事实证明生物学的结构已经服从于历经几百万年的无情选择，而且为它们的特殊目的作了十分精确的设计”。

像犹他州立大学罗纳德 · 莱曼那样的化学家们都熟谙这种事实。莱曼试制的与实物不相上下的人造血管到目前已经十年了，在过去的岁月里，当他和他的同事把人工血管缝入试验动物的循环系统中时，这种移植物失败了。问题经常是由于人造血管韧性不够。天然的血管在心脏搏动中能改变管径，使扩大30%，莱曼早期合成的看似相同的血管则不可能，不含正常血流所给定的需要，所以这种血管就不能存在下去了。

目前，他的小组虽已创制了一种合成血管，看来在挠性方面已接近天然物，如果这种假体果真获得成功，这一发明每年将使三十万患有循环系统疾患的人有所裨益。

其他科学家对生命蓝图的观察力之敏锐也不亚于莱曼，他们对生物不以超额设计和加大安全系数（如工程师用于建筑摩天大楼和桥梁的法则），而以第一流的解决办法来克服超变应力所产生的影响表示惊讶。例如，羽毛是千千万万单独而微弱相连的小型钩状物叫做羽小支的所构成。用眼看，用手摸，都觉得这种排列很精巧但又担心它易于折断。但是事实十分相反，羽小支的分布对羽毛的予人以深刻印象的挠性和强度起了很大作用，而且随便哪里丢掉其中个别的一根，也不足以使整个结构受到削弱。特里布支予以归纳，得出这样的结论：“首先在建筑方面，应该向自然界学习的是处理一群需要同时最适当地解决技术问题的艺术。”

这种教训再没有比在肌肉的设计和功能方面更加生动和明显了。不仅这些十分特殊的组织是这样——甚至一本袖珍医学词典也列出了278种肌肉——足以移动我们的四肢，还可以抽唧我们的血液，搅动我们的食物，暖和我们的身体。它们巧妙、安静而有效地工作，把能量转换成机械运动和热。但是我们的骨骼和心脏的肌肉工作得最出色的是“运行”，它们以惊人精致的方式工作着。它们由两根搭接的肌纤维组成，细的叫肌动朊，粗的叫肌浆球蛋白。当肌肉收缩时肌纤维互相滑动，像两把联锁着的梳子的牙齿那样互相纠缠着，拉得肌肉绷紧而运行。

目前还没有肌肉的代替物，但麻省理工学院的研究小组正在提出解决问题的东西。田中丰一和他的同事正在创制一种凝胶体，当放进电场后，收缩到原来的1/3甚至1/100的大小。田中说，有一天这种凝胶体可以用于制造肌肉，它的运行可以用微型电子计算机产生的电脉冲来指导。目前研究者正在试验一种凝胶体，以决定它的收缩力是否同自然肌肉一样具有举起重物的足够强度。田中说，目前看来，还不是太理想。

当然，有的生物物理学家比起如何才能把他们的研究应用于人类的技术来，更有兴趣于为什么生命的创造要像它们目前的那个样子。两位研究者正在对树木_状和结构进行研究。他们已经提出了一个探讨老问题的新方法。例如，为什么树要长成现在的那种形状？什么时候，它长出树枝？某些树木的树枝怎样避免为其他树木的阴影所遮蔽？生物物理学家，日本金浦癌症研究所的饭田久雄和美国迈阿密州费厄查尔特热带植物园的植物学家杰克 · 费希尔正在研究这些秘密。

用卷尺和量角器武装起来的他们，已经观察了多种类型的热带树木。他们把树干长度加起来，计算树枝的角度，点清树叶的张数，最后把它们的数据输入计算机，得出的结果甚至使他们自己也大吃一惊。

饭田和费希尔首先要求计算机为一种特殊的树种设计出理想的枝条模型。计算机作了一次煞费苦心的安排，允许所有树枝上的叶子都能获得最大量的日光。研究者然后把这种示意图同树木本身相比较，发现两者有惊人的相似。看来树木已经完全懂得如何组织它们的叶子和丫枝了！

海像机械师

如果认为树木是复杂的生命形式的话，那么可以想象得出要解释海像那样动物的机制的困难了，这种哺乳动物以海生与陆生的方式度过其生命过程的时间正好相等，因此它的身体必须同时适应两种完全不同的世界，对这种本领绝不能予以小看啊！

所有浮游的与深潜的动物必须战胜水流的摩擦力和拉力，它们必须尽可能减小水的阻力然后才能做到这一点。它们中有的通过体型——发展流线型或鱼雷形的体型——以达到这一目的。也有的为了减少拉力，周身分泌一种浓浓的粘液。必须加速分泌的鱼类，正是最大的粘液分泌者。

大型陆生动物具有一系列不同的问题：它们的身体——特别是肢体——必须设计成能够克服重力的巨大引力，而不是水的阻力。但是海像必须同时掌握如何克服陆生与水生生物所遇到的困难。

现在迈阿密佛罗里达国际大学的动物学家肯尼思 · 戈登，已经在观察这些动物如何战胜它们的水生环境。他已经做了一个机械分析，不仅可以解释这些水生哺乳动物的肢体是如何活动的，而且还能解释对较早的现在已经灭绝的物种它们是怎样产生作用的。

他相信长久以前海像的祖先利用它们的前肢在水中把自身向前推进。但是今天的海像则利用其后肢作为推进器，而前肢则主要用于操纵。为什么要这样改变呢？戈登说，“我们没有确切了解。有可能由于吃东西的习惯而作了这样的改变。”他猜想，海像的祖先在水面吃东西，所以要用前肢把身体推进。可是后来，它开始在海底觅食了，所以用前肢作为操纵之用，后肢取代了推进的作用。

戈登说，进化不能由海像来毕其功于一役，经过分析其肢体运动的角度、转动程度和肌肉的大小与位置之后，他现在相信这种兽类的前肢已经变得更灵活。“海像的肢体和肢体的转动比它的祖先更类似于人类的四肢了。”

可能，生物物理学最引人注意的方面是还没有受到充分估计到的对人类发明家和工程师的影响。它经常证明某些声誉显赫而有进取心的工程师所新近想到的念头事实上首先发现于几百万年前一种爬虫类或粘泥模型之中发现的。

例如一种商品名叫Styropor的材料是造船公司所经常利用的一种轻质合成材料，它能把起着防震和隔绝作用的气泡封闭起来，但是几千年来，爪哇的飞蛙能够把分泌的粘液吹成泡沫用来保护自己产下的蛙卵。植物方面也同样可以见到某些动人的创造，梳棉机板和某些飞机的机翼的结构是在其波浪形的内层周围包着两层外层材料，结果使它量轻质坚、但是百万年前许多海藻就是按这种“设想”长出来的。它们一股股株体的形成正就是这种结构。这种结构使它们免受滚滚海浪和犬牙参差的岩石所撕裂或压碎。

自然界还在军事上提供了模型。麦克唐纳 · 道格拉斯飞机公司最近披露，它的一种喷气式战斗机的着陆装置工作起来好像蚱蜢的几条腿。因为一架喷气式战斗机要在一条前后颠簸左右摇晃的运输舰甲板上着陆，相当于从一座三层建筑物上把三万三千磅重的砖块掷给移动中的载重汽车。工程师设计这种新飞机的着陆装置时利用了一种有挠性的以水动力学原理为依据的“膝盖”，它提供了一种具有减震作用的弹力和十分可贵的灵活性，在不用时还可以几乎完全折迭起来。这家公司的代表十分强调说这个巨大防务工程的承包商并非抄袭自《运动场上》而是自己设计出来的时候，所展示的这种登陆装置实在具有一种简单的类似昆虫的外形。

虽则飞机设计者可能不承认这一点，但是许多科学家希望：生物物理学已在许多方面有了接触，它们包括医药、遗传工程、农业、家畜饲养、防务、空间科学、体育与娱乐活动等。几乎选择了所有生命的一切方面。如果没有一批生物物理学家深入观察，并把观察所得敲剥开来，哪能有这样的成就，生物物理学的作用大矣哉！

（Science Digest，1983年10月）