现代生物物理学

课程编码：070200M02032H 英文名称：Biological Physics 课时：50 学分：3.00 课程属性：一级学科普及课 主讲教师：史华林等

细胞是生命最基本的结构单元和功能单元。从物理学角度看，细胞是复杂的介观小系统，其内部的物理化学过程受到热涨落的显著影响和调控，导致其内部构成（例如生物大分子数量、分布等）以及动态行为呈现出程度不一的异质性，而这种异质性很可能是主导很多生物过程（例如发育）的关键因素。受观测手段所限，传统生物学只能研究大量细胞或大量分子的平均行为。随着新型物理学观测和操控技术的发展，对细胞及其内部过程的研究已经从系综水平逐步推进到单细胞乃至单分子水平，形成了现代生物物理学。本课程的目的就是阐述现代生物物理学的一些基本概念、实验技术和理论方法，并结合实例分析分子与细胞层次的重要生物物理过程，尤其是单分子过程及单细胞过程。课程的核心是运用平衡及非平衡统计物理学的概念和模型来定量理解分子水平的生物过程。本课程面向具备一定普通物理学基础（力学、热学、电磁学等）的学生。通过本课程的学习，学生将对现代生物物理学获得较全面的了解，并初步掌握运用物理概念和模型分析生物现象的基本能力。

普通物理

第一章 生物学基础 2学时 黎明
第1节 细胞及生物分子简介
第2节 生物分子机器及实验技术简介
第二章 生物系统热力学 6学时 黎明
第1节 热力学定律
第2节 热力学熵及熵力
第3节 生物系统中的典型熵力
第4节 自由能及生化反应自由能耦合
第三章 生物大分子统计物理学 6学时 黎明
第1节 信息熵与系综方法
第2节 大分子的构象统计模型
第3节 大分子熵弹性的实验及理论建模
第四章 生物大分子的协同性 6学时 黎明
第1节 化学热力学与化学动力学
第2节 RNA发夹的单分子实验及构型跃迁动力学
第3节 多肽链helix-coil转变的实验及统计物理学
第4节 血红蛋白别构效应的实验及统计物理学
第五章 细胞的定向运动 6学时 黎明
第1节 扩散系数、粘滞系数及爱因斯坦关系
第2节 郎之万方程及Fokker-Planck方程
第3节 细胞的转动扩散与平动扩散
第4节 细胞趋化运动机制
第六章 分子机器的定向运动 8学时 黎明
第1节 力学-化学耦合及整流效应
第2节 棘轮模型及Fokker-Planck方程
第3节 线动分子马达实验及理论
第4节 转动分子马达实验及理论
第5节 信息加工分子机器简介
第七章 生物系统中的电现象 2学时 黎明
第1节 电化学平衡与跨膜电位
第2节 离子通道的实验及动力学模型
第3节 生物产电机制
第八章 细胞中的基因调控 12学时 史华林
第1节 基因调控简介
第2节 蛋白质－DNA相互作用的特异性、热力学
第3节 蛋白质－DNA相互作用位点的搜索运动学
第4节 转录调控及其统计物理模型
第5节 后转录调控及其统计物理模型
第6节 基因表达中的噪声
第7节 基因调控回路的动力学与噪声
第九章 系统生物学简介 2学时 史华林
第1节 生物系统的结构、动力学与生物功能
第2节 系统生物学研究范式

史华林，1992年毕业于国防科大应用物理系，1995年获中国原子能研究院原子核物理硕士学位，1998年在中科院理论物理研究所获理学博士学位后，赴美国特拉华大学巴托研究所作博士后研究工作，2000年底到中科院理论物理研究所工作。主要工作及成果：先后从事相对论核多体，凝聚态及统计物理的研究，最近几年主要从事稀薄原子气的玻色－爱因斯坦凝聚和He3－He4混合物量子小液滴等方面的研究，这些研究已经取得了国际该领域专家的认可，论文被多次引用。研究领域：原子气玻色－爱因斯坦凝聚及相关问题以及生物系统中的物理问题。