Biophysics - seibutsubutsuri gaku (English spelling) biophysics

Japanese: 生物物理学 - せいぶつぶつりがく（英語表記）biophysics

An academic field that aims to reach a fundamental and unified understanding of life phenomena based on physical thinking and laws. Its research subjects and fields are still expanding today, from the microscopic (quantum and molecular) level to the macroscopic level, including the physical properties and structural formation of biopolymers, molecular genetics, living organism movement, exercise physiology (muscle contraction), energy metabolism, sensory reception, the physiology of the brain and nervous system, and the control mechanisms of cell differentiation and proliferation.

[Arakawa Hiroshi]

The dawn of biophysics

In 1932, Bohr raised the issue of extending the concept of complementarity in quantum mechanics to the phenomenon of life in a lecture entitled "Light and Life", and in 1944 Schrödinger published his book "What is Life?". The latter played a pioneering role in showing the basic course of molecular genetics, which was established ten years later, and had a great influence on both physicists and biologists from the late 1940s to the 1950s. M. Delbrück, who provides the basis for Schrödinger's argument in this book, was aroused by Bohr's 1932 lecture and moved from his previous research in quantum physics to research in genetics. He began research using bacteriophages as a material in the United States (California Institute of Technology) in the late 1930s, and formed the phage group with Luria and others to conduct research, becoming the founder of the "information theory school" in molecular biology.

[Arakawa Hiroshi]

Elucidation of the structure of the DNA molecule

The flow of research into biophysics began to take concrete shape from the late 1930s to the mid-1940s (in 1945, Delbrück and Hershey independently discovered the phenomenon of genetic recombination in phages). The central axis of this flow from the 1940s to the 1950s was the movement towards the establishment of molecular biology, with molecular genetics and molecular physiology as its main subjects. The biggest turning point in this direction was the proposal of the double helix model of DNA (deoxyribonucleic acid) by Watson and Crick in 1953.

The direct premise for elucidating the molecular structure of DNA was the research results of the molecular biology informatics school, which began with Delbrück (Hershey, Chase, confirmation by tracers that DNA is genetic material, 1952), and the results of X-ray structural analysis of biopolymers such as proteins and nucleic acids, which were centered around the British X-ray structural analysis group, which began with W. L. Bragg, Astbury, and Bernal. Watson, who had grown up in the phage group under Luria, was inspired by the report of X-ray analysis of DNA by Wilkins of the Cambridge group, and joined the Cambridge medical research group and began collaborating with Crick. Watson acted as a bridge between the molecular biology informatics school and the structural school, and the elucidation of the DNA structure became the basis for a molecular explanation of the mechanism of heredity. The central issue was how the information encoded in DNA is expressed in cells, which had been basically clarified by the mid-1960s. These include papers on the genetic code by Gamow et al. in 1954-1955, the messenger RNA (ribonucleic acid) hypothesis by F. Jacob and J. L. Monod et al. in 1961, experiments on the genetic code by Nirenberg, Matthaei and Ochoa et al., the establishment of the Nirenberg genetic code triplet in 1964, and the confirmation of the deciphered code at an international conference in the United States in 1966. In 1958, Crick proposed the central dogma (basic principle) of molecular biology regarding the flow of information from nucleic acids to proteins, and the discovery of reverse transcriptase from RNA to DNA in 1970 established it in content as the basis for the exploration of life phenomena. Thus, it can be said that molecular biology, in the sense of the structure and function of nucleic acids and proteins as biopolymers, and the unified understanding of various biological phenomena based on them, was systematically established in about 20 years after the Watson-Crick model.

[Arakawa Hiroshi]

The significance and validity of the thermodynamic standpoint

As mentioned above, in contrast to the viewpoint of looking at biological systems from a molecular level, there is a viewpoint of looking at the functions of biological systems from a more macroscopic perspective, as the subject of thermodynamics in a broad sense. Living organisms contain a large amount of low entropy, i.e. high free energy substances, which directly convert their energy into work without transferring heat. For example, muscles are an organ that converts chemical energy into higher mechanical energy using a high free energy substance called ATP (adenosine triphosphate), and the nervous system is an organ that operates by converting chemical energy into electrical energy. In this case, the production of high free energy (low entropy) substances such as ATP is always accompanied by a process of increasing entropy as a biological system, and it goes without saying that the second law of thermodynamics holds true as a whole, but they are not so-called heat engines. Also, the ultimate source of energy for ATP is sunlight, and it is important that this energy does not contain any of the lowest energy, namely heat.

In living organisms, both disorder → order and order → order (homeostasis/stability) are pervasive in the order → disorder process of an individual's life to death, and living organisms have "the astonishing innate ability to avoid disintegrating into atomic chaos by concentrating the flow of order within themselves" (Schrödinger). Even if it is completely unknown whether this biological organism contains a new physical principle that is essentially different from the laws of physics that have existed up to now, as Schrödinger expected, it can be said that a basic effort is required today in the sense that Carnot essentially arrived at the second law through his consideration of the dynamics of heat. One prerequisite for development in this direction is the development of non-equilibrium thermodynamics and statistical mechanics since the 1930s. Thermodynamics of non-equilibrium stationary systems was systematized by Onsager, Prigogine, and others by the 1950s, and Prigogine's theory of dissipative structures in particular is developing beyond the framework of non-equilibrium thermodynamics in the narrow sense. Research is being conducted there to elucidate the mechanisms of order maintained by regulation and control in biological systems as open steady-state systems.

[Arakawa Hiroshi]

Biophysics Challenges

As already mentioned, genetic information is a central issue in biophysics, but one direction is to treat biological systems as automatic machines, or information-processing machines, and to focus on the aspects of information transmission and processing. The basis for this is the development of automaton theory, which began with Turing, Shannon, and von Neumann. Automata theory was originally born in relation to both neural network theory and computation theory, and is essentially close to the field of mathematics, overlapping with mathematical linguistics. When this abstract theory is further developed into a more physical theory that explores its material basis, it will become a foundation for investigating the intelligent behavior of humans as members of the living organism.

Biophysics is a comprehensive system that incorporates a variety of methodological perspectives, such as the molecular level perspective, the broader thermodynamic macro perspective, and information and systems perspectives. It requires the establishment of methods that go beyond the conventional boundaries of physics, and is currently developing as a new science that seeks to understand life, with a wide range of possibilities. A central issue in this field is the problem of deciphering the human genome (all of the human genetic information). This has been undertaken through international collaboration, and in April 2003, six countries, including Japan, the United States, and the United Kingdom, announced that the genome had been "completed." The accuracy is said to be over 99.99%, and the data has been made public. Japan is the third largest contributor after the United States and the United Kingdom. This achievement will serve as the foundation for the entire life sciences, including research into genetic information related to disease.

[Arakawa Hiroshi]

"Physics of Life," edited by the Physical Society of Japan (1971, Maruzen)" ▽ "Iwanami Lecture Series on Modern Biological Science 1: The Physical and Chemical Basis of Life," edited by Ooi Tatsuo and Sato Ryo (1975, Iwanami Shoten)" ▽ "Iwanami Lecture Series on Modern Physics Fundamentals 8: The Physics of Life," edited by Osawa Fumio and Teramoto Hide (1978 , Iwanami Shoten)" ▽ "Dissipative Structures," by G. Nicolis and I. Prigogine, translated by Obata Yonosuke and Aizawa Yoji (1980, Iwanami Shoten)" ▽ "Biophysics: Basics of Bioengineering, edited by Ikai Atsushi and Takatani Koichi (1998, Maruzen)" ▽ "Life and Matter: An Introduction to Biophysics, by Nagayama Kuniaki (1999, University of Tokyo Press)" ▽ "Understanding the Random World: The World of Physics Linking Matter and Life, by Yonezawa Fumiko and Tachibana Takashi (2001, Heibonsha)" ▽ "Non-equilibrium Thermodynamics in Biophysics" by A. Kacharski and Peter F. Curran, translated by Aono Osamu, Kihara Yutaka, and Ohno Hiroki (2002, Misuzu Shobo)" ▽ "What is Biophysics?" edited by Sogabe Masahiro and Go Nobuhiro (2003, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "The Physics of the Origin and Evolution of Life" edited by Fushimi Yuzuru (2003, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "What is Life?" by E. Schrödinger, translated by Oka Koten and Chinme Yasuo" ▽ "The Origin of Life - Its Physical Basis" by J.D. Bernal, translated by Yamaguchi Seizaburo and Chinme Yasuo" ▽ "Life and Freedom" by Watanabe Satoshi (all published by Iwanami Shinsho)" ▽ "The Physics of Life - An Introduction to Biophysics" by Imahori Kazutomo" ▽ "The Frontiers of Biophysics and The New Frontiers of Biophysics" edited by the Biophysical Society" ▽ "Introduction to Molecular Biology: The World of Genes Everyone Can Understand" and "New Introduction to Molecular Biology: What We Know So Far About the Function of Genes" by Maruyama Kousaku (both published by Kodansha Bluebacks)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

物理学的な考え方、法則性を基にして、生命現象の基本的・統一的理解に到達することを目ざす学問分野。生体高分子の物性と構造形成、分子遺伝、生体の運動、運動生理（筋収縮）、エネルギー代謝、感覚受容、脳と神経系の生理、細胞の分化・増殖の制御機構など、ミクロ（量子的・分子的）レベルから巨視的レベルまでその研究対象・分野は今日なお広がりつつある。

［荒川　泓］

生物物理学の幕開け

1932年、ボーアが「光と生命」と題する講演において、量子力学における相補性概念を生命現象へと拡張する形での問題提起を行い、1944年にはシュレーディンガーの著書『生命とは何か』が出版された。後者はその10年後に成立する分子遺伝学への基本路線を示すものとしての先駆的役割を果たし、1940年代後半から1950年代にかけて物理学者、生物学者双方に大きな影響を与えた。この書でシュレーディンガーの立論に論拠を与えているM・デルブリュックは、ボーアの1932年講演に関心を喚起されて、それまでの量子物理学の研究から遺伝の研究に入っている。彼は1930年代後半からアメリカ（カリフォルニア工科大学）でバクテリオファージを材料とした研究を進め、ルリアらとともにファージグループを結成して研究を展開し、分子生物学における「情報論学派」の創始者となった。

［荒川　泓］

DNA分子構造の解明

生物物理学としての研究の流れは1930年代後半から1940年代なかばにかけて具体的な形をとり始めた（1945年、デルブリュック、ハーシェイ、それぞれ独立にファージの遺伝的組換え現象発見）。1940～1950年代においてその流れの中軸となったのは分子遺伝学・分子生理学を主内容とする分子生物学成立へ向けての動きである。その最大の画期をつくったのが1953年のワトソンとクリックによるDNA（デオキシリボ核酸）二重螺旋(らせん)模型の提起である。

　DNA分子構造解明の直接の前提となったのが、以上のデルブリュックに始まる分子生物学情報学派の研究成果（ハーシェイ、チェイス、DNAが遺伝物質であることのトレーサーによる確認、1952年）と、W・L・ブラッグ、アストバリー、バナールに始まるイギリスX線構造解析グループを中心とするタンパク質・核酸など生体高分子のX線構造解析の成果である。ルリアのもとでファージグループで育ったワトソンが、ケンブリッジグループのウィルキンズによるDNAのX線解析の報告を聞いて触発され、ケンブリッジ医学研究班に加わり、クリックと共同研究を始めた。ワトソンは分子生物学情報学派と同構造学派との橋渡しをしたことになり、このDNA構造解明は遺伝の機構を分子的に説明するための土台となった。その中心課題は、DNA中に暗号化されている情報が細胞内でどのようにして発現していくかということであり、1960年代なかばまでに基本的に明らかにされた。1954～1955年ガモフらの遺伝暗号に関する論文、1961年F・ジャコブ、J・L・モノーらのメッセンジャーRNA（リボ核酸）仮説、ニーレンバーグ、マタイJ. Heinrich Matthaeiおよびオチョアらの遺伝暗号に関する実験、1964年ニーレンバーグ遺伝暗号トリプレットの確立、1966年アメリカでの国際会議で解読された暗号の確認などである。1958年にクリックは核酸からタンパク質に至る情報の流れに関して分子生物学のセントラルドグマ（基本原理）を提唱、1970年のRNAからDNAへの逆転写酵素の発見も含め、生命現象探求の基礎として内容的に確立された。かくして、生体高分子物質としての核酸・タンパク質の構造と機能、およびそれを土台とした生物諸現象の統一的理解という意味での分子生物学は、ワトソン‐クリックモデル以後約20年で体系的に確立されたといってよい。

［荒川　泓］

熱力学的立場の意義・有効性

以上述べてきたように、分子レベルから生物系をみる立場に対して、生物系の営む機能を、広い意味での熱力学の対象として、よりマクロにみる立場がある。生物体は低エントロピーすなわち高自由エネルギーの物質を多量に含み、それは熱を通じないで直接そのエネルギーを仕事に変える。たとえば筋肉はATP（アデノシン三リン酸）という高自由エネルギー物質を用いて化学的エネルギーをそれより高級な機械的エネルギーに転化する機関であり、神経系は化学的エネルギーを電気的エネルギーに転換して作動する機関とみられる。この場合、ATPなど高自由エネルギー（低エントロピー）物質の生成には、生体系としてかならずエントロピーの増える過程が随伴しており、熱力学第二法則は全体として成り立っていることはいうまでもないが、それらはいわゆる熱機関ではない。また、ATPのエネルギーの究極の源泉は太陽光であり、それが熱というもっとも低級なエネルギーをまったく含まないエネルギーであることが重要である。

　生物体においては、無秩序性→秩序性、秩序性→秩序性（恒常性・安定性）の両面が、個体の生から死という秩序性→無秩序性の過程のなかで貫徹しており、生物体は、「秩序の流れを自らに集中させることで崩壊して原子的な混沌(こんとん)状態になっていくのを免れるという驚くべき天賦の能力」（シュレーディンガー）をもっている。この生物学的機関が、シュレーディンガーが期待したように、本質的にこれまでの物理法則と異なった新しい物理的原理を含むものであるかどうかはまったく未知であるにしても、カルノーが熱の動力に関する考察を通じて本質的に第二法則に到達したような意味での基本的努力が今日要求されているということができよう。こうした方向での発展への一つの前提となるのが1930年代以降の非平衡熱力学・統計力学の発展である。非平衡定常系の熱力学はオンサーガー、プリゴジーヌらにより1950年代までに体系化され、とくにプリゴジーヌらの散逸構造の理論は狭義の非平衡熱力学の枠を超えて発展しつつある。そこでは、解放定常系としての生体系における調節・制御によって維持されている秩序のメカニズムの解明に向けて研究が進められている。

［荒川　泓］

生物物理学の課題

遺伝情報が生物物理学の中心的課題であることはすでに述べたが、生体系を一つの自動機械・情報処理機械としてとらえて、情報伝達・情報処理の面に焦点をあわせて追究していく方向がある。チューリング、シャノン、フォン・ノイマンに出発するオートマトン理論の発展がその基礎となっている。オートマトン理論はそもそも神経回路網理論と計算の理論の両面に関連して生まれ、本来、数学の分野に近いものであり、数理言語学とも重なっている。この抽象的な理論がその物質的基礎を探る方向でより物理的な理論としてさらに発展していくとき、生物の一員としての人間の知的行動を調べていくうえで一つの基礎となるであろう。

　分子レベルから生物をみる立場、広い意味で熱力学的にマクロにとらえる方向、情報論的・システム論的視点、こうした多様な方法論的観点をもつ総合体系としての生物物理学は、これまでの物理学の枠からはみでた形での方法の樹立を要求しながら、生命をとらえる新しい科学として広範な可能性を含んで今日発展しつつある。この分野の中心課題としてヒトゲノム（ヒトのすべての遺伝情報）解読の問題があったが、これは国際協力で進められ、2003年4月、日米英など6か国で「解読完了」が宣言された。精度は99.99％以上とされ、データ公開されている。日本はアメリカ、イギリスに次ぐ貢献を行っている。この成果は、病気にかかわる遺伝情報の研究など、生命科学全体の基盤となるものである。

［荒川　泓］

『日本物理学会編『生命の物理』（1971・丸善）』▽『大井竜夫・佐藤了編『岩波講座現代生物科学1　生命の物理的・化学的基礎』（1975・岩波書店）』▽『大沢文夫・寺本英編『岩波講座現代物理学の基礎8　生命の物理』（1978・岩波書店）』▽『G・ニコリス、I・プリゴジーヌ著、小畠陽之助・相沢洋二訳『散逸構造』（1980・岩波書店）』▽『猪飼篤・宝谷紘一編『生物物理学――生物工学基礎コース』（1998・丸善）』▽『永山国昭著『生命と物質――生物物理学入門』（1999・東京大学出版会）』▽『米沢富美子・立花隆著『ランダムな世界を究める――物質と生命をつなぐ物理学の世界』（2001・平凡社）』▽『A・カチャルスキー、ピーター・F・カラン著、青野修・木原裕・大野宏毅訳『生物物理学における非平衡の熱力学』（2002・みすず書房）』▽『曽我部正博・郷信広編『生物物理学とはなにか』（2003・共立出版）』▽『伏見譲編『生命の起源と進化の物理学』（2003・共立出版）』▽『E・シュレーディンガー著、岡小天・鎮目恭夫訳『生命とは何か』』▽『J・D・バナール著、山口清三郎・鎮目恭夫訳『生命の起原――その物理学的基礎』』▽『渡辺慧著『生命と自由』（以上岩波新書）』▽『今堀和友著『生命の物理学――生物物理学入門』』▽『生物物理学会編『生物物理の最前線』『新・生物物理の最前線』』▽『丸山工作著『分子生物学入門――誰にでもわかる遺伝子の世界』『新・分子生物学入門――ここまでわかった遺伝子のはたらき』（以上講談社ブルーバックス）』