生物物理学是物理学与生物学相结合的一门交叉学科，已引起了欧美各国的广泛重视。3月23日，美国国家科学院发布了生物物理学的第一次十年调查报告《生物物理学》^[1]，阐述了美国联邦政府和大学等科研机构该如何加强该领域研究，并对未来发展、研究方向、资金投入、劳动力和教育等多个方面提出建议。2月17日，英国国家科研与创新署（UKRI）和维康基金会通过生命物理战略优先基金投资1800万英磅（约合1.497亿元人民币），支持利用物理方法来应对生物科学重大挑战的独特方法研究^[2]。

一、美国国家科学院明确生物物理学已完全成为一个物理领域

美国国家科学院的《生物物理学》报告指出，生物物理学现在已经完全成为一个物理领域，与天体物理和宇宙学，原子、分子和光学，凝聚态物理学，核物理学，粒子物理学，等离子体物理学等传统物理领域并驾齐驱。针对这门新学科的出现，美国国家科学院对其开展了第一次十年期调查，旨在帮助美国政府、决策者和学术领导层了解生物物理学研究的重要性，并就资金、劳动力和研究方向做出明智的决策。

1、生物物理学的内涵

报告确定了生物物理学的概念：生物物理学采用物理学家理解无生命世界的方式来理解生命现象，聚焦于寻找生物世界中特有的新物理。生物物理学从物理学中汲取了思想和方法，同时也为物理学的新问题提供了灵感。生物物理学也与生物学和化学有着密切的联系，其研究成果已延伸到医学和其他技术领域。生物物理学为科学发现提供了新的工具，为医疗诊断提供了新的仪器，为系统生物学提供了新的思路，并应用于合成生物学、大脑探索的新方法和新理论以及人工智能的新算法等多个领域。生物物理学在全球抗击COVID-19大流行过程中也发挥了关键作用。

2、生物物理学重大科学问题

（1）生物体需要解决哪些物理问题？为了在这个世界上生存，生物体必须将能量从一种形式转换为另一种形式，感知其生活的环境，并在世界各地移动。从光合作用中经典动力学和量子动力学的相互作用，到宏观动物行为动力学中隐藏的对称性，对这些功能的探索带来了新的物理学。生物物理学的核心问题之一是将生物功能的定性概念转化为新的、精确的物理概念。

（2）生命系统如何表示和处理信息？生命不仅取决于能量，还取决于信息。有机体甚至单个细胞都需要有关其环境及自身内部状态的信息。因此，理解生命系统的物理学需要人们了解信息如何从单个分子到生物群的跨尺度流动；从利用能量耗散在分子尺度上实现更可靠的信息传输，到在大脑中使用新的网络动力学作为神经代码，信息的物理实现在生命中有了意想不到的发现。

（3）生命的宏观功能如何从微观成分之间的相互作用中产生？从折叠蛋白质的有序结构到鸟类成群的有序飞行路径，生命中很多事件都涉及多个较小单位的集体行为。理论和实验相结合，生物物理学展示了如何用统计物理学的语言描述这些集体行为，同时指出了在无生命世界中没有类似物的新秩序。生物物理学的许多核心问题都旨在理解这些现象。

（4）生命系统如何确定参数空间？描述生命系统的参数的数量非常巨大，而且，描述生命机制的参数会在适应、学习和进化过程中随着时间推移而发生变化，生物物理学为解决这些问题带来了新的视角，从各种可能性中设想生命的机制。从免疫系统中的一系列抗体到与大脑功能一致的突触连接，对这些系统的表征提出了新的物理问题。

3、生物物理学面临的挑战

主要包括3个方面的挑战：能否成功抓住生物物理学的智力机会，吸引有才华的年轻科学家进入该领域，取决于能否将生物物理学有效地融入物理教育，乃至更广泛的教育；生物物理学的智力活动与当前资助项目的结构之间存在严重的不匹配；是否能建立一个包容性的社区，欢迎和支持来自社会各阶层人士的广泛参与。

4、建议

（1）联邦政府应为国家科学基金会（NSF）提供更多资源，以增加资助规模，同时开展一系列的研究。

（2）国会应拓展能源部（DOE）的使命，与国立卫生研究院（NIH）和NSF合作，建设和管理用户设施及基础设施，以推进生物物理学的发展。

（3）NIH应设立专门探索生物物理学的研究部门。

（4）国防部（DOD）应支持生物物理学研究，旨在发现可应用于DOD任务相关工程系统中的广泛原理。

（5）联邦资助机构应设立资助项目，为生物物理学研究生教育提供直接支持，并为生物物理学博士项目的国际学生提供支持。

二、英国把生物物理学列为战略优先基金的重点主题

1、生物物理学战略优先基金

战略优先基金是英国UKRI的重要举措之一，旨在推动高质量的多学科研究和创新。战略优先基金投资8.3亿英镑，用于34个主题的多学科研究^[3]。生物物理学战略优先基金是其中的主题之一，计划投资3120万英镑，旨在转变对健康和疾病中生物功能的物理学理解，并提供对关键挑战的新见解。截至目前，生物物理学战略优先基金已资助了两批项目，2019年投入1460万英镑资助了8个项目，2022年投入1800万英镑资助了9个项目。

2、获资助的具体项目

2019年资助的第一批项目，研究人员利用物理学的新方法来解决关键的生命科学问题，包括细菌如何抵抗抗生素、空气污染如何影响人类肺部的细胞、植物如何知道何时开花是安全的、蛾类如何改变声波来伪装自己不受捕食者攻击等。8个项目是：乳腺发育和乳腺癌形态发生过程中的随机波动，抗药性物理学，针对个人污染暴露及其缓解的跨生物长度尺度的健康评估，用于增强噪声控制技术的生物超材料，转录和核相变，用于跨生物尺度的百万像素时间分辨成像和控制的量子技术，表观遗传记忆和转录控制中蛋白质聚类的生物物理学，酶的分子力学。

2月17日，UKRI和维康基金会宣布第二批资助的9个项目，旨在回答以下问题：人类大脑是如何处理信息以及如何使人学习复杂任务？生物体发育时，组织和胚胎是如何形成的？单细胞藻类如何捕获地球上30%的二氧化碳排放量？具体内容如下。

（1）逆向工程的形态发生。资助金额为100万英镑，旨在回答生物体发育时组织和胚胎是如何形成的。这个问题的答案对理解人类的身体是如何形成的，以及对再生医学和组织工程等改变生命的疗法有着深远的影响。研究人员将利用实验测试和计算机建模，确定在形态发生过程中，细胞如何编排它们的运动并选择它们的身份来塑造复杂组织。

（2）早期胚胎作为一种主动自调谐软材料。资助金额为170万英镑，研究人员将使用成像和建模相结合的先进方法研究关键的生物物理机制，这些机制控制着成千上万的分裂和分化细胞自组织形成胚胎的方式。这将提高人们预防和治疗心脏缺陷和脊柱疾病等许多先天性疾病的能力。

（3）了解自组织的组织的跨尺度模式。资助金额为140万英镑，研究人员将通过研究构成器官组成部分的分子（如蛋白质）间的相互作用，理解每个器官是如何控制它的形状和形态的。以此为依据，人们可以对疾病进行早期干预。研究人员将在果蝇翅膀上使用实验和建模技术来确定细胞的方向如何影响动物器官的形态和功能，这将可能为发现新的治疗和干预措施提供关键信息。

（4）认知的统计物理学。资助金额为210万英镑，旨在对大脑如何运作产生新的见解，尤其是在各种疾病和健康状态下。通过对大脑神经元网络上的“雪崩”现象进行模拟和成像，研究人员将探明这一理论是否能解释人类大脑的运作方式。这可能会对阿尔茨海默症等神经系统疾病如何导致认知功能退化产生新的见解，并有助于开发未来的治疗方法。

（5）视觉采样的新视角：如何优化注视眼动？资助金额为200万英镑，该项目是第一个将理论物理学与神经科学和心理学相结合的项目，目的是确定人类的眼睛是如何持续工作以实现最佳性能，并最大限度地利用可用信息的原理。该项目的发现将有助于人们理解微小、持续的眼球运动对视力的影响，进而研发增强人类视觉的计算机模型，并提高人们对视觉障碍的理解，为人工视觉系统的设计提供有用信息。

（6）优化光与组织的相互作用，以实现新皮质深处神经元动力学的多尺度成像。资助金额为240万英镑，将汇集物理学家、显微镜开发人员和神经科学家，开发新的方法来了解人类大脑的新皮质是如何运作的。

（7）约克大学蛋白核物理学项目：纳米结构生物的液-液相分离：二氧化碳固定细胞器的下一层级复杂性物理学。资助金额为190万英镑，将了解从大气中捕获二氧化碳的新方法，并探索“藻蛋白核”的复杂结构是如何自发形成的。单细胞藻类中含有被称为蛋白核的微小“液滴”，它们具有显着的特性，例如能够根据需要形成和溶解。研究人员旨在获得与碳捕集、生物组装和作物改良生物技术相关的新知识。

（8）复杂物理环境中的感染：鼻窦中的生与死。资助金额为210万英镑，旨在通过在鼻窦腔模型中研究可能导致慢性鼻窦炎的细菌来加深对慢性鼻窦炎的理解。这将有助于改善慢性鼻窦炎及类似疾病的治疗方法，并提高人们对复杂生命系统，如肠道、肺或泌尿道等的认知。

（9）整合跨尺度功能知识和结构知识，破译哺乳动物大脑中的信息处理。资助金额为200万英镑，将使用同步加速器X射线显微镜、电子显微镜和体内成像技术，确定大脑回路在实践中如何工作。这将促进对精神疾病等疾病的了解，有助于构建先进人工智能。(郑颖 黄龙光)