I32 物理学与其他学科之间的关系 – 生物学

I32  物理学与其他学科之间的关系 - 生物学

现在，我们来到了生物学，这个学科研究的是生物。在生物学的早期，生物学家们必须处理的是对我们周围的生物的单纯描述，所以他们经常要做像跳蚤四肢的毛发有多少这样的计算。当人们非常有兴致地解决了所有这些问题之后，生物学家们开始研究活生物体内的运转机制，自然先从一个粗犷的视角，因为要深入研究那些细节需要很多的功夫。

物理学和生物学之间早期存在着一种非常有趣的关系，生物学帮助物理学发现了能量守恒定律，这是Mayer在考察了生物体吸收和释放的热量之后首次提出的。

如果我们仔细地观察动物的生物学过程，我们会看到很多物理现象：血液循环、血压、呼吸等。还有神经：我们知道当我们踩到一块尖锐的石头时是什么感觉，不知通过何种方式，信息会从脚底通过腿然后上传上来。弄清这是如何发生的是件有趣的事。在对神经的研究中，生物学家得出的结论是，神经是一些微细的管子，管子壁是非常薄的膜，细胞泵离子到膜壁上，使得外壁是正离子，内壁是负离子，形成一个类似电容器的结构。这种膜有一个有趣的特性: 如果它在一个地方“放出离子”，也就是说，如果某个（或某些）离子能够从膜一个部位移动到邻近的部位，这样就降低了那里的电压，而这所产生的电场会影响到这个邻近的部位，使离子也能从这个相邻部位移动到下一个邻近的部位，以至于更远... ...，因此当膜的一端被踩在锋利的石头上“激发”时，这个反应沿着膜管向上流移动，这个波浪有点类似于一长串垂直的多米诺骨牌，如果第一个被推倒，它推下一个，以此类推。当然，除非再次设置多米诺骨牌，否则这个系统只会传输一条消息；同样，在神经细胞中，有一些过程会再次缓慢地泵出离子，使神经恢复原样，为下一次脉冲做好准备。靠着这些神经感觉，我们知道我们在做什么，我们在哪里。当然，这种神经波动电效应可以在电子仪器中模仿，而物理学中的电效应对理解这一神经传输现象有很大的影响。

相反的效果是，从大脑的某个地方，如果有信息发出并沿着神经传输，这时在神经的末端会发生什么？在那里，神经分成了细小的分支，连接到肌肉与神经相接的地方（称为终板）。由于尚不完全清楚的原因，当脉冲到达神经末端时，一种名为叫乙酰胆碱的化学物质的小包会被放射出来（一次五到十个分子），它们会影响肌肉纤维并使它收缩——多么简单啊！肌肉是大量紧密连接的纤维，肌肉中含有两种物质，肌球蛋白和肌动球蛋白，但由乙酰胆碱诱导改变肌肉纤维长度的化学反应的机制尚不清楚。因此，肌肉发生机械运动的基础过程尚未为人们所知。

生物学是一个非常广泛的领域，还有许多我们根本无法提及的其它问题。从生物学的角度来看，我们刚才讨论的这些与生物学有关的事情实际上并不是处于生命的底部的根本问题。因为即使我们理解了它们，我们仍然无法理解生命本身。例如，研究神经的人觉得他们的工作非常重要，因为毕竟没有神经就没有动物。但没有神经仍然可以有生物，植物既没有神经也没有肌肉，但它们仍然在工作，它们是活着的。因此，对于生物学的基本问题，我们需要更深入地研究。