华中师范大学赵蕴杰教授：希望本书成为你探索凝聚态与生物物理世界的良师益友

赵蕴杰，华中师范大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，中国生物信息学学会“生物分子结构预测与模拟专业委员会” 委员，湖北省生物信息学会和湖北省晶体学会理事，湖北省杰青。研究方向为凝聚态软物质物理和生物物理，在Nature Immunology 和Nature Communications等刊物上发表SCI(《科学引文索引》) 论文60 余篇，所著《生物分子大数据分析》一书属“十三五” 国家重点出版物。受邀担任Briefings in Bioinformatics 和iScience等学术期刊客座编辑，Physical Review Letters 等10 余个国际学术杂志审稿人。主持国家自然科学基金面上项目，湖北省杰出青年科学基金等多项基金项目，入选3 项省部级人才支持计划。主要讲授“力学”、“软物质物理基础” 和“机器学习与生物物理” 等课程。

生物体的正常运作在很大程度上依赖于蛋白质和RNA 等生物大分子的精确调控，在细胞功能以及信息传递等方面扮演着重要的角色。当前，专注于蛋白质和RNA 的生物大分子研究领域正受到越来越多的关注，其结构和功能的研究一直是凝聚态与生物物理领域的重要研究课题。通过计算与实验技术的双重助力，我们在理解蛋白质和RNA 结构与功能的复杂性方面取得了重要的突破。

▲ RNA-蛋白质复合物分子结构示意图(PDB ID：6CYT)

图中的紫色、黄色、红色和绿色结构为蛋白质分子，浅紫色结构为RNA 分子

生物大分子的物理规律如同密码一般揭示了其复杂结构的形成与演变，有助于我们理解其结构、功能与疾病的内在联系。这些规律不仅能够帮助我们理解生物大分子如何精巧地构建其三维形态，更揭示了这些结构如何与特定的生物功能紧密相连。通过这种深层次的联系，我们能够洞察生物大分子在生命活动中的角色，探索其异常变化如何导致疾病的发生。通过整合物理理论模型与实验数据，我们可以精确地分析和注释生物大分子的结构与功能，深刻理解相关的疾病发病机理，推动疾病治疗策略的发展。例如，最近的技术革新不仅促进了病毒结构的解析，也加速了疫苗的研发进程，在应对流行性疾病时起到了关键作用。精准靶向药物的研发也为癌症治疗提供了一种可行的新途径。

▲ CDK2动力学网络分析

动力学网络社区之间是通过关键的节点和边进行连接的，通过计算网络性质边的介数中心性得到关键的节点和边。可以对每个社区赋予不同的颜色，识别社区间的关键节点与边，突出显示社区间的关键节点和边。

《软物质生物分子物理基础》（赵蕴杰著. 北京 : 科学出版社, 2025. 2）一书是我在华中师范大学面向物理学专业本科生和凝聚态物理专业研究生开设相关课程的基础上形成的。在教学实践中，我们发现没有合适的教材系统地介绍这个理论物理交叉学科前沿方向的基础知识，因此，我对近三年的教学素材进行了编撰，形成此书。

本书从物理的角度出发，系统地介绍了生物大分子的基础物理知识，共7 章。

• 第1 章为什么是软物质，简要介绍了软物质的相关物理基础知识。

• 第2 章和第3 章为蛋白质和核酸分子结构，我们首先介绍了生物大分子的基本结构和性质，包括化学组成、空间构象以及生物功能等。接着，深入探讨了生物分子之间的相互作用，包括共价键和非共价键相互作用等物理基础知识。

• 第4 章为分子动力学模拟，对生物分子的动力学过程进行了详细的阐述，以常用的分子动力学方法GROMACS 为例介绍了分子动力学的力场、计算步骤和应用场景等实际问题。

• 第5 章和第6 章为结构预测和分子对接，介绍了生物大分子结构预测的基本理论模型，生物分子间的识别与结合，复合物界面间的相互作用等物理基础知识。

• 第7 章为复杂网络模型，介绍了网络的组成、性质和特征等基本理论知识，以及复杂网络模型在凝聚态与生物物理中的应用举例。

《软物质生物分子物理基础》内容涵盖生物分子结构的基本知识和预测方法以及生物分子复杂的网络动力学。生物分子结构对生命活动起着至关重要的作用，通过预测它们的结构可以揭示其生物学功能和作用机制。生物分子在生物体内通过复杂的网络相互作用来参与生命活动的各个阶段，通过研究生物分子的复杂网络动力学可以揭示生物体内生命活动的动态过程。物理学是生物分子结构及其复杂网络动力学的重要基础，该书从物理学角度对它们进行介绍能够更好地从基本原理层次上认识它们。基于深度学习的蛋白质结构预测方法，Alphafold2 是人工智能用于解决复杂科学难题的标志性事件，推动了科学研究的发展和创新。该书也介绍了基于人工智能的结构和网络预测，这对于了解基于人工智能的新的科学研究范式非常有帮助。

该书的编写者长期从事生物分子物理方面的研究，在RNA 结构预测、RNA-蛋白质复合物结构预测和生物分子复杂网络动力学等方面取得了一系列重要的研究成果，教材内容紧密联系相关研究前沿，为学生提供了丰富的第一手学习资源。通过该书的学习，学生能够了解和掌握生物分子物理的一些重要内容和研究方法，为未来的学术研究和职业发展提供更广的视角。

肖 奕

华中科技大学 教授

2024 年4 月

本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角来理解生物大分子的物理基础知识和核心概念。在编写过程中，我们力求做到既注重基础知识的梳理，又关注前沿研究的进展，激发读者对凝聚态与生物物理的兴趣和热情。愿本书能够成为读者探索凝聚态与生物物理世界的良师益友，给读者开启一段奇妙的科学之旅。

本文摘编自《软物质生物分子物理基础》（赵蕴杰著. 北京 : 科学出版社, 2025. 2）一书“前言”“序”，有删减修改，标题为编者所加。

(21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书)

ISBN 978-7-03-081027-4

责任编辑：陈艳峰 田轶静

本书是面向高等学校理工科学生所编写的一本初识软物质生物分子的教材。本书所包含的基本物理概念、物理理论和物理方法是理解和分析软物质生物分子的重要内容，也是未来从事软物质生物分子物理相关工作所不可或缺的知识。本书是物理学专业知识的拓展与延伸，能够使学生在了解基本物理概念和理论的基础上，掌握相关的物理模型和分析工具，了解物理知识和方法在理论物理交叉学科前沿中的应用，提高学生对学科交叉融合的认知，为进一步深入研究软物质生物分子物理问题打下坚实的基础。

本书主要是针对高年级本科生和研究生编写的教材，对象为学有余力且对理论物理和生物物理感兴趣的同学，对从事理论物理、凝聚态物理和生物物理等交叉学科研究领域的读者也有参考价值。

（本文编辑：刘四旦）

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