细胞是生命最基本的结构单元和功能单元。从物理学角度看，细胞是复杂的介观小系统，其内部的物理化学过程受到热涨落的显著影响和调控，导致其内部构成（例如生物大分子数量、分布等）以及动态行为呈现出程度不一的异质性，而这种异质性很可能是主导很多生物过程（例如发育）的关键因素。受观测手段所限，传统生物学只能研究大量细胞或大量分子的平均行为。随着新型物理学观测和操控技术的发展，对细胞及其内部过程的研究已经从系综水平逐步推进到单细胞乃至单分子水平，形成了现代生物物理学。本课程的目的就是阐述现代生物物理学的一些基本概念、实验技术和理论方法，并结合实例分析分子与细胞层次的重要生物物理过程，尤其是单分子过程及单细胞过程。课程的核心是运用平衡及非平衡统计物理学的概念和模型来定量理解分子水平的生物过程。本课程面向具备一定普通物理学基础（力学、热学、电磁学等）的学生。通过本课程的学习，学生将对现代生物物理学获得较全面的了解，并初步掌握运用物理概念和模型分析生物现象的基本能力。

第一章生物学基础（2学时）
细胞的尺寸及结构；生物大分子运动的时空尺度、能量尺度；生物分子机器和分子马达（本章重点）；单分子实验技术（简介）

第二章生物系统中的热力学（6学时）
热力学定律；热力学熵及熵力（本章重点及难点）；生物系统中的典型熵力（本章重点）：细胞渗透压、细胞内的排空力、亲/疏水效应与分子自组装、生物大分子的熵弹性；自由能（本章难点）及生化反应的自由能耦合

第三章生物大分子构象的统计物理学（6学时）
热涨落与微正则系综（熵的统计解释。本章难点）；正则系综（玻尔兹曼分布、配分函数、自由能、化学势。本章难点及重点）；大分子的无规行走链模型、虫链模型、自回避链模型；大分子熵弹性（如DNA）的实验测量及其统计物理模型（本章重点）

第四章生物大分子协同变构的统计物理学（6学时）
化学热力学（标准自由能变，平衡常数）；化学动力学（质量作用定律，主方程）；准二态生物分子（如RNA发夹）的单分子实验及其统计物理学、构型跃迁动力学（本章重点及难点）；蛋白质分子helix-coil转变（本章重点）、DNA热致解链、生物大分子（血红蛋白等）别构效应、逆锁键（catch bond）的实验及统计物理学模型

第五章热涨落与微米尺度的主动运动：细胞的定向运动（4学时）
热涨落与扩散；扩散系数、粘滞系数及爱因斯坦关系（本章重点）；含热涨落的运动学：郎之万方程及Fokker-Planck方程（本章重点）；细胞的转动扩散与平动扩散；细胞定向运动：低雷诺数下的主动运动；细胞趋化行为

第六章热涨落与纳米尺度的主动运动：分子机器的定向运动（10学时）
分子机器定向运动的一般特征：“力学-化学耦合”及其对热涨落的整流（本章重点及难点）；“整流”的棘轮模型及相应的Fokker-Planck方程；典型生物分子机器的单分子实验和理论分析：线动马达（驱动马达等）、转动马达（ATP合酶等）、聚合马达（微管、微丝等）、噬菌体门马达、信息加工分子机器（DNA聚合酶等）、嵌膜分子机器（离子泵等）

第七章生物系统中的电现象（2学时）
电化学平衡、能斯特电位与跨膜电位；离子泵能量效率；单个离子通道的实验及动力学模型；动作电位；生物放电

第八章细胞中的基因调控(14学时)
蛋白质－DNA相互作用：特异性、热力学及相互作用位点搜索的运动学（本章重点及难点）；转录调控和后转录调控的统计理论；基因调控回路：动力学与噪声（本章重点及难点）

1， Molecular Biophysics: structures in motion, by Michel Daune, Oxford University Press（1993）
2，《细胞的物理生物学》，R. Phillips等著，涂展春等译，科学出版社（2012）