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Biophysics: An Introduction

東海大學物理系‧施奇廷93 學年度第二學期‧生物物理

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Syllabus 教科書： Biophysics, An Introduction （作者：

R. Cotterill ，出版社： Wiley ） 上課時間： Mon 10:10~12:00 ， Tue 13:10~1

4:00 成績考核：平時成績（出席、筆記、作業） 40

% ，期中考 30% ，期末報告 30% 網址： http://phys.thu.edu.tw/~ctshih， e-

mail: ctshih@mail.thu.edu.tw，辦公室： ST238 ，電話： 3474

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Syllabus Introduction Elements of Quantum Physics and

Thermodynamics Chemical Binding Energies, Forces and Bonds Chemical Reaction Transport Processes Biopolymers – DNA, RNA Biopolymers – Proteins Special Topics / Discussion

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First Question:

What is Life?

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Introduction to Biophysics

Definition Physical Principles in Life Scales of the Biological World Research Techniques Current Issues in Biophysics

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Definition Biophysics (also biological physics) is an int

erdisciplinary science that applies theories and methods of the physical sciences to questions of biology. (from Wikipedia)

生命科學為一跨領域學科，其實已經很難獨立定義。許多問題均同時牽涉到生物、物理、化學、數學、計算機科學等領域

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物理定律是否足以敘述生命現象？ 生機論：生命是由某種含有「生命力」特殊的物質所構成，與一般物質不同，無法以解釋物質世界的物理化學定律解釋

尿素的合成（ 1828 ）使生機論遭到質疑，越來越多原本被視為生命體專利的分子都可以用人工方法合成

物理學的進展使人們更瞭解物質的組成，發現生物體內並沒有什麼益於其他物質的元素

結論：生機論已遭揚棄

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物理定律是否足以敘述生命現象？ 整體論：生命體的組成雖與一般物質相同，但是生物成為一整體，各部份具有互相協調、配合的自組織特性

許多非生物系統亦有自組織能力，並非生物體的專利

結論：宜以非線性物理學，渾沌複雜科學解釋生命現象，這雖是生物系統的重要特性，但並非生物體所獨有

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物理定律是否足以敘述生命現象？ 生命現象是否違反熱力學第二定律？

Low Entropy State High Entropy State

Entropy Lowered

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Where does the negative entropy come from?

The sun is the source of negative entropy

The density of the entropy flux at the Earth’s surface ~ -1 W/m2K

The second law of thermodynamics is not violated because the Earth is not a closed system

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Size Scales of Biology 生物小分子（脂肪酸、葡萄糖）： ~nm 蛋白質： ~10 nm 病毒： ~ 100 nm 澱粉： ~ m 細胞： ~10 m DNA 長度： m ~ m 生物體： 10 m ~ 30m 生態系： Earth

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SARS VIRUS

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Potato Starch

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Micromachine

Diameter of hair ~ 100 micron

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MAZINGER Z18 M

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Statue of Liberty: 91 M

Blue Whale: 30 M

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Time Scales in Biology

若將宇宙歷史縮短為一年（時間尺度縮為 150億分之一），則以下事件發生的時間如下：

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Jan 1 00:00:00 ： Big Bang

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June: Formation of Galaxy

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28September: Emergence of Solar System and Earth

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Oct. 1: First Living Creature Gloeocapsa ( 藍綠藻 )

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Nov. 1: Eukaryote （真核生物）出現

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Dec. 1: 含氧大氣層形成，火山活動

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Dec. 15: 多細胞生物出現

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Dec. 20: 無脊椎動物（ invertebrate ）出現

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Dec. 21: First oceanic plankton; prospering of trilobites （三葉蟲）

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Dec. 22: Ordovician period （古生代奧陶紀） , first vertebrates (fish)

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Dec. 23: Silurian period （西留利亞紀） , sporophytes （孢子植物） conquer land

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Dec. 24: Devonian period （泥盆紀） , first insect

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Dec. 25: Carboniferous period（石炭紀） , first conifers （針葉植物） , first reptile （爬蟲類）

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Dec. 26: Permian period （二疊紀） , first dinosaur

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Dec. 27: Triassic period （三疊紀） , first mammals

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Dec. 28: Jurassic period （侏羅紀） , dinosaurs diversity

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Dec. 29: Cretaceous period（白堊紀） , first bird (Archaeopteryx)

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Dec. 30: Tertiary period （第三紀） , first primates

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Dec. 31, 22:30:00 First Human Being (australopithecus)

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Dec. 31, 23:00:00 Stone Tools

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Dec. 31, 23:59:00 Agriculture

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Dec. 31, 23:59:54 Writing

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Dec. 31, 23:59:56 Bronze Age

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New Year: 00:00:00 Time Recording

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New Year: 00:00:03 Modern Time

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Research Techniques X-Ray Diffraction Nuclear Magnetic Resonance Scanning Tunnelling Microscopy Atomic Force Microscopy Optical Tweezers Patch Clamping Molecular Dynamics Monte Carlo Simulation

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Current Focused Issues in Biophysics

Protein Folding Tissue Differentiation Microscopic Recognition Consciousness …… and many many others ……

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Protein Folding

蛋白質是生命體中絕大部分生化反應的主角

蛋白質的功能與其分子型態有密切的關係

蛋白質合成後可以在極短的時間內折疊成正確的形狀，但是若要以電腦模擬這個過程則需花費極長的 CPU 時間

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Blue Gene: The Fastest Computer in the World (32786 CPUs, 70.7 TFLOPS)

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Tissue Differentiation 每個細胞都擁有一套完整、而且完全相同的 DNA 密碼

但是不同的細胞會打開不同基因的「開關」，而分化成不同類型的細胞

這是如何做到的？ 蛋白質與核酸間的作用 化學物質在胚胎內的分佈與擴散行為 ......

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Microscopic Recognition 細胞與細胞之間如何交互作用，分工合作？

免疫系統如何辨識敵我？

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Consciousness 「意識」是什麼？如何發生？ 大腦如何思考？