物理生物医学：下一个科研爆点？
物理生物医学：下一个科研爆点？
“物理生物医学”是物理学与生物医学深度融合的新兴交叉研究领域，融入了材料学、化学、信息科学、机械工程等多个领域物质科学的知识和技术。它的科学内涵在于揭示生命现象的物理规律，并利用物理的方法和技术实现对生命过程的调控。因此，“物理生物医学”既要解析伴随生命活动所产生的内源性物理信号的奥秘，同时还要探索外源性物理场对细胞、组织、器官、个体的调节作用并揭示其背后的机制。
研究背景及科学内涵
生命自诞生之日起就处于多种物理场之中，其发生和发展的过程受到多种物理信号的影响。如地球磁场、引力场、太阳辐射及其产生的温度变化等，这些物理信号调控了生物的生命周期。除了环境中无处不在的物理场，在生命活动的过程中也伴随多种物理信号的产生。比如，内源性电信号广泛存在于生命体（动物、植物以及微生物）的不同结构层次（细胞器、细胞、组织和器官等），在系统发育、生长代谢以及组织再生等生物学过程中有重要的生物学意义；生物与其他生物或物质间广泛存在力的相互作用，在细胞层面亦存在多种内源性力信号，如肌动蛋白和肌球蛋白可将化学能转变为机械能，影响细胞运动、形态和功能；由生物体内的电荷运动以及细胞自身合成的磁性材料也会产生生物磁场，与神经系统、心血管系统、免疫系统的功能密切相关；热传递是生命最基本的特征之一，是维持代谢、呼吸、体温等调节生命活动的基础。
虽然研究复杂生命结构活动规律的生物学与探究物质在空间和时间中的运动、行为和能量的物理学看似相距甚远，但是从上述的例子中不难看出，两者实际上存在千丝万缕的联系，物理原理每时每刻都在支撑着生命活动。在近代科学发展的过程中，物理学曾无数次与生物医学碰撞出灵感的火花。1945年，著名的物理学家薛定谔出版了题为What Is Life? with Mind and Matter and Autobiographical Sketches的著作，在其中他大量运用物理学的概念分析生命现象，试图为生命系统的特殊性、有序性和基因的本质提供线索。正是在薛定谔和玻尔“将物理方法引入生命研究”的倡导下，克里克与沃森等使用X射线衍射技术解析了脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）分子的双螺旋结构模型，揭开了分子生物学新时代的序幕。以X射线晶体学、核磁共振技术、电子显微技术为代表的一系列基于物理原理的检测手段也开启了生物物理研究的先河，将生物学研究带入了更微观的世界。
尽管研究人员早已认识到生命的发生与发展遵循物理学原理，并已在生物医学的研究中广泛使用了物理实验技术，然而“物理生物医学”作为前沿交叉研究领域，其概念在近年来才逐渐被提出并得以发展。在传统的“生物物理”研究中，物理学更多扮演着从属角色，并主要发挥“工具”作用，即利用光学成像、电子显微成像、X射线和核磁共振等技术实现对分子、细胞、组织等结构和功能的观测。与之截然不同的是，“物理生物医学”的内涵在于揭示复杂生物现象背后的物理规律，并基于物理学理论、利用物理的方法和技术实现对生命过程的调控，与“化学生物学”研究中以活性小分子为主体的调控策略形成很好的互补。由此可见，在“物理生物医学”的研究中，物理已不再是观察者的工具，而是和生物医学同等重要的研究主体，并成为左右研究的关键变量。此外，“物理生物医学”的发展也绝非仅依靠物理学和生命科学的交叉融合，而是得益于在材料学、化学、信息科学、机械工程等多个领域物质科学的知识积累和技术进步。
总体而言，“物理生物医学”的研究范畴可分为两个方面：（1）研究生理和病理条件下生物体内源性物理信号的变化，系统阐释生命规律背后的物理机制；（2）探索外源性物理场对细胞、组织、器官、个体的调节作用并揭示其背后的机制，开创基于物理刺激的疾病治疗新策略。前者侧重于检测伴随生命活动产生的内在物理信号；后者则强调施加外部物理刺激对生命活动的干预。
国内外研究现状
近年来，一些著名的大学和研究所正在物理和生物医学的交叉领域建立学科专业或研究中心以顺应“物理生物医学”这一新领域发展的需要。例如，哈佛大学建立了“物理生物学”专业；霍普金斯大学成立了“物理与工程生物学”研究生计划；莱斯大学作为美国国家科学基金会理论生物物理中心的所在地，已成立20多个物理生物学的研究小组；加州理工学院在已故诺贝尔奖得主A. H. Zewail的领导下，建立了“物理生物学”研究中心，并召集了生物学、物理学、化学等多个领域的诺贝尔奖得主和相关学科的顶级学者（如D. Baltimore, G. Whitesides, L. Hood, S. Quake等）参与“物理生物学”研讨会。虽然国外高校在该领域布局较早，但从研究内容来看，上述机构多数从事荧光成像、结构生物学、定量神经科学、单细胞测序等研究，没有完全摆脱传统“生物物理”研究的局限，物理学的“工具属性”仍然明显。我们在国际上定义“物理生物医学”的研究范围，希望进一步推动相关学科的建设，扩大我国在这个新兴交叉领域学术影响力并提升话语权。
除了大学和科研院所，学术出版机构也在这一领域积极布局。作为物理领域具有广泛影响力和极高认可度的专业出版机构之一，英国物理学会（Institute of Physics, IOP）出版社早在1956年便发行了名为Physics in Medicine & Biology的期刊，主要报道医学物理学领域的研究进展。近年来，亦涌现出一批新的学术期刊，以报道这一领域的最新进展和发现。如英国物理学会出版社在2004年又上线了名为Physical Biology的学术期刊，以报道生物物理学、系统生物学、种群动力学等最新成果。2008年，Imperial College Press出版社（现合并到World Scientific出版社）出版了由A. H. Zewail编辑的先锋书籍Physical Biology: From Atoms to Medicine。“物理生物医学”的研究内容也受到了各国政府、民间团体和跨国公司的重视。比如，采用物理手段的疾病诊疗及增强人体机能的研究已得到了各国政府的大力支持，并通过科研战略布局、划拨专项资金以加强对该领域的支持。2014年，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health, NIH）启动了一项为期7年、耗资2.48亿美元的研究计划，以推进生物电子药物（bioelectronic medicine）的研发，重点关注心脏病、哮喘和胃肠道疾病的治疗策略。美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）也启动了多个与物理生物医学相关的研究项目，如“电子恢复”（ElectRx）计划，旨在开发用于治疗慢性疾病的植入式设备。欧盟则通过“地平线2020”（Horizon 2020）框架计划支持相关研究，特别是在生物电子医学和神经技术领域。在中国，国家自然科学基金委员会设立了交叉科学部，专门支持包括物理生物医学在内的交叉学科研究。同时，中国科学院、科技部等机构也通过各类专项计划支持该领域的发展，如“变革性技术关键科学问题”重点专项、“合成生物学”重点专项等。这些布局表明，物理生物医学已成为全球科研竞争的新焦点。
未来发展前景
“物理生物医学”作为一门新兴交叉学科，其发展前景广阔且充满挑战。随着研究的深入和技术的进步，该领域有望在以下几个方面取得重要突破：
疾病诊断与治疗：通过解析生物体内的物理信号，可以开发更精准的疾病诊断方法。例如，利用电信号监测心脏和神经系统疾病，通过力信号检测细胞异常等。在外源性物理场调控方面，生物电子药物、磁刺激、超声治疗等新型治疗方法将为临床医学带来革命性变化。
生物传感器与医疗设备：结合物理学原理，可以开发更灵敏、更便携的生物传感器，用于实时监测人体健康状况。同时，新型医疗设备如可穿戴医疗设备、植入式监测系统等也将得到快速发展。
组织工程与再生医学：通过理解物理信号在组织发育和再生中的作用，可以开发新的组织工程方法，促进损伤组织的修复和再生。
人工智能与生物医学的融合：将人工智能技术应用于物理生物医学，可以实现更精准的数据分析和预测，为疾病诊断和治疗提供新的思路。
然而，该领域也面临诸多挑战。例如，如何准确解析复杂的生物物理信号，如何实现精准的物理场调控，如何确保治疗方法的安全性等。此外，跨学科人才的培养也是推动该领域发展的重要因素。
总体而言，“物理生物医学”作为一门前沿交叉学科，其研究内容涵盖了从基础科学到临床应用的多个层面，具有广阔的发展前景。随着研究的不断深入和技术的持续创新，该领域有望为人类健康事业带来重大突破。