理论生物物理（theoretical biophysics）是理论物理和生物学的交叉学科。生物物理学是运用物理学的原理与方法研究生物问题的交叉学科。包括分子生物物理、细胞和膜生物物理、感觉和神经生物物理及理论生物物理等分支。各个分支都有其特有的理论部分，但理论生物物理并不是它们的简单总和，而是更加强调用理论物理学的基本原理去为生物学提供新的思想、概念，从而诞生新的生物学理论。

20世纪20年代创立的量子力学，解决了经典物理解决不了的能量分立现象。这个突破激发一些量子力学的创立者转向思考由德·弗里斯1901年发现的生物遗传性质变化的不连续性，即基因突变问题。N.玻尔在1933年发表的《光与生命》演讲就是用他创立的波与粒子互补原理去探讨这个难题，并预示生命想象存在着可克服生机论困难的新的互补原理。这个预示顿时激发一些青年物理学家纷纷转向研究生命现象。德国青年物理学家M.德布吕克于1935年与到访的俄国遗传学者N.铁木菲瑞索夫斯基以及实验物理学家K.齐默尔合作发表了著名论文《遗传子突变与遗传子的构造本质》，说明从X射线如何影响基因突变实验推知基因所含原子仅约上千个而已。为解释高度稳定性遗传机制，这上千个原子必定由化学键形成分子，否则在热扰动下基因就不稳定。德布吕克等提出的“一个基因一个分子”的模型激发了奥地利理论物理学家E.薛定谔，他于1943年发表了《生命是什么？》的著名演说，翌年为英国剑桥大学出版社出版发行成书。在这本影响生物学发展的名著中，薛定谔讨论了三个基本问题：①论述生命的热力学基础，提出生命靠负熵维持的概念；②论述生命的分子基础，提出生命大分子组成“非周期晶体”是储存遗传基因的物质基础；③强调生物过程和物理定律（特别是刚创立不久的量子力学）相协调的观点。现代理论生物物理就是遵循着这3个观点发展开来的新学科。这本小册子出版时正逢分子生物学起步的时候，不少分子生物学的创始者都表示曾受这本书影响很深，其中包括DNA双螺旋结构发现者J.沃森和F.克里克。

薛定谔关于生命靠负熵维生的观点是理解与研究生物系统复杂性的基础。1952年，数学家A.图灵用一个反应扩散模型研究了生物体表面图纹（如斑马身上的图纹）的生成机理，带动发育生物学多细胞系统生理学的兴起。如正在发育的胚胎里的细胞的分立式机械模型显示个体细胞在化学反应扩散模型控制下，细胞骨架收缩的胚胎生长的自组织模式。从20世纪60年代末起，I.普里戈金为图灵斑图注入理论物理学的概念，他证明一个远离热力学平衡的开放系统，体系的自组织行为是可能的，形成的斑图被称为耗散结构。斑图理论后来发展成跨学科的非线性科学，由非线性科学提炼出来混沌、分形、布鲁塞尔吸引子等概念曾被用于研究脑电波、心电图乃至睡眠等复杂的生命现象。非线性动力学数学理论尤其适用于解释以极限周期振荡为基础的许多生物过程。生物钟可归因于酶振荡过程。肠的蠕动是由胰腺细胞释放胰岛素的突发不规律性控制。人脑活动涉及10个神经细胞的合作振荡，理论物理学家J.霍普费尔德就据此于1982年提出一个神经网络模型来研究脑信息加工过程，促进了新一代计算机——神经网络计算机的诞生。1994年，DNA大分子的自我复制过程也被L.阿德尔曼用于发明DNA计算机。而跨膜信号或配位体内部细胞表面受体－配位体反应动力学也与细胞内外离子浓度振荡（所谓第二信使）有关。免疫学、趋化性和有丝分裂都与细胞水平分子反应与输运动力学乃至细胞组织水平上的联合动力学有关，都可归结于这类非线性系统而予以理论分析。理论生物物理学这部分的研究内容将是细胞生物物理学的发展领域。

液晶生物膜即脂类分子自组织。生物各个层次，即生物大分子、细胞、整体、群落都在一定时间尺度内出现有序结构和有序运动，各个层次都贯穿自组织、自修复的“生命”特征。从细胞分裂到重建过程，细胞基本是一个三相系统的自组织过程的产物。所谓的三相是指基质相、各种细胞器腔中内含物相以及膜相。膜相占整个细胞的很大比重，其自组织过程也是被了解最清楚的。由于其骨干组成——脂类双亲分子，一头亲水，一头疏水，在含水环境中可借疏水力自组装成连续的双分子层膜，形成的泡可包容各种生物大分子，膜本身可作为表面载体有序组装蛋白质与糖分子。因此，生物学家认为只有膜结构出现以后，才有生命形态在古老的海洋中形成。其次，双分子膜处于液晶相也是维持生命的一个要素。如若这个膜是晶体相，则蛋白质、核酸以及粒子都不可能穿透它，细胞成了封闭系统，负熵就不可能维持，这样的组装就不可能有生命。1973年液晶物理学家W.赫尔费里斯正是根据膜是液晶而提出膜的曲率弹性自由能的概念，解决了人红血球为什么是双凹碟状的生理难题。中国理论物理学家据此推导出生物膜的曲面方程，正确描述了膜泡的各种形状。

蛋白质折叠即生物大分子自组装。蛋白质是由20种氨基酸组成的一维生物大分子，分为结构蛋白与功能蛋白两类。结构蛋白组成胶原、肌肉、皮毛等组织。功能蛋白包括各种动力蛋白、信号（受体）蛋白、物质输运（如离子通道）蛋白以及调控生化反应的酶，是生命活动的主要成分。这类大分子会自组装成相对紧密的三维结构，生物功能与其结构紧密关联。按层次蛋白质可分为：一级结构（无空间概念的氨基酸序列）；二级结构（局部空间结构，主要有螺旋、折叠和无规卷曲）；三级结构（由二级结构组装成完整立体三维结构）。1973年，C.安芬森根据他与合作者完成的一系列蛋白质变性－复性实验，指出三级结构完全由一级结构确定。实际上，中国科学家吴宪在20世纪30年代就提出蛋白质变性问题。安芬森提出的序列决定结构的假设被称为“第二遗传密码”问题。蛋白质折叠的动力主要依靠肽键与水分子及相互间的相互作用。因为20种氨基酸可大致分为亲水与疏水两类，显然疏水的序列倾向于埋在结构内部，所以折叠与序列有关。其他作用，包括静电、氢键、范德瓦耳斯力、疏水力 、配位键、二硫键等也对蛋白质的三级结构有影响。其计算可分为全原子分子动力学模拟和简化模型两类。全原子从头计算模拟代表者是美国的M.卡普鲁斯。用当今最巨型的机器，几个月的时间也只能模拟短链（几十个残基）蛋白质几微秒的折叠过程。因此，计算机技术无重大突破之前，简化模型法至今仍是热门的研究方向。简化模型又分格点模型和非格点模型两种。非格点模型是对全原子分子动力学模拟的进一步简化，计算与后者相通。格点模型显然不能直接逼真地预测折叠结构，但可从抽象层次研究折叠的热力学及结构相变的过程。蛋白质折叠作为一个难题还体现在其折叠动力学。安芬森原理及上述计算都只涉及在寻找蛋白质自由能最低构型，即自然态 。从较高能态如何快速折叠到自然态这是另一个难题。对一条具有N个氨基酸的多肽链，它的组态数M∝KN，其中K=2—6为格点的旋转异构位置数，在计算数学上即所谓的NP问题。因此1968年C.黎文索尔提出一个“黎文索尔佯谬”，即对于一个实际蛋白质，其折叠到自然态与各态历经的热力学过程（对组态空间的全局搜索）是矛盾的 。但实验表明，蛋白质的折叠时间约在微秒到秒左右，这比全局搜索时间小十几个数量级。为解决这个困难问题，P.奥林斯于1995年提出一个能量曲面的漏斗模型：以构型能量对组态空间作出的能量地形面应是一个漏斗（漏斗中心很深的底部对应自然态），因此折叠过程路径发展就像多溪流水从具有复杂地形的山坡流下来一样，既体现多路径的热力学要求，又体现了折叠的快速特点。

核酸（核糖核酸RNA与脱氧核糖核酸DNA）是制造蛋白质的模型、遗传信息的载体。RNA是由核苷酸组成的单链生物大分子。核苷酸由碱基、核糖及磷酸根三部分组成。RNA中有四种碱基：A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶）。DNA也是核苷酸组成的高分子，与RNA不同之处有三：以脱氧核糖代替核糖，以T（胸腺嘧啶）代替U，以高分子形式存在。分子生物学家最伟大的发现是由沃森和克里克于1953年提出的DNA双螺旋模型：两股走向相反、序列互补的DNA链，通过互补碱基对A－T、G－C间氢键结合在一起。DNA双螺旋实现了薛定谔遗传信息存在于生物大分子组成的“非周期晶体”的预言。RNA单链也会通过A－U、G－C甚至“非沃森－克里克配对”U－U、G－U形成局部发夹，并与不配对内环以及膨胀环（突起）部分形成复杂的二级结构。为从物理角度解释DNA双螺旋结构与RNA二级结构，普曼夫妇1969年创立了计算生物大分子电子结构的量子生物学。他们设计的DNA的相互作用势由两部分组成，平面内互补碱基之间的氢键作用与垂直方向堆积碱基对的相互作用。每部分又分为三种力的相互作用，它们是静电、极化和伦敦色散力。计算显示DNA10种可能的碱基对堆积↑C·G/G·C↓，↑G·C/C·G↓，↑G·C/G·C↓，↑A·T/G·C↓，↑A·T/C·G↓，↑T·A/C·G↓，↑T·A/G·C↓，↑A·T/A·T↓，↑A·T/T·A↓和↑T·A/A·T↓的相互作用能分别是－30.5，－27.7，－26.9，－22.1，－19.4，－19.2，－19.2，－12.9，－11.6和－10.5卡/2克分子碱基。可见相邻碱基对中↑C·G/G·C↓能量最低，最稳定。在DNA复制（双链需要打开）与预测RNA二级结构时，碱基对的氢键能起主要作用，计算结果是A－T，G－C，U－G，U－U和A－U的氢键能分别为－8.4，－22.9，－14.3，－6.1和－5.6千卡/克分子。G－C显然是能量最低，其能量绝对值远大于A－T之能量绝对值，符合沃森-克里克模型（G－C有3个氢键，A－T有两个）。预测RNA二级结构时还要计及单链部分（环或突起）的构型熵的能量，m个碱基被打开的熵变为ΔS=－2.3R[3+lg(m+1)]，其中R为气体常数。I.提诺克与O.乌伦贝克等人于1971年曾据此计算RNA结构。1975年，R.莱因则用量子生物学结果解释DNA复制过程。1999年，碱基对堆积能被中国学者用以计算DNA单分子力学实验发现了B－S结构相变。

根据薛定谔的第三论点，即生物过程和物理定律的协调性。分子生物学创立后开始从分子水平探讨生命起源的大问题。如生物大分子的“手征对称破缺”问题，即为什么生物体内组成蛋白质的氨基酸立体结构是左手性的（L型）而组成DNA和RNA的核酸的五碳糖是右手性（D型）的问题。对此，人们已将这个问题与宇宙起源联系在一起，认为是宇宙“大爆炸”引起的宇称与各种力（尤其是弱相互作用力）“对称破缺”的产物。1971年M.艾根将微观分子结构和宏观理论结合起来，应用统计力学原理建立分子水平的自然选择（达尔文进化论）的物理理论。1983年木村资生提出分子进化中立学说。1982年，M.乡通子曾提出过蛋白质与核酸协同作用的进化能力理论。这些理论已经影响生化专家从实验角度研究进化问题，如1996年E.埃克兰德与D.巴特的RNA试管内进化试验。这是涉及有名的分子生物学的“先有鸡还是先有蛋”的问题。DNA是遗传物质（即“蛋”），蛋白质借由DNA指令被合成产生后去执行生命功能（即“鸡”）。但DNA复制又需要酶（蛋白质）参与催化。到底是先有DNA还是先有蛋白质变成了悖论。如今寄托在RNA上，1982年T.切克与S.奥尔特曼实验发现RNA既可传递遗传信息，也可形成结构发挥催化作用。因此，历史上可能有过只存在RNA的时期，后来才进化出DNA及其与蛋白质协同的编码关系，而RNA至今仍然是前两者的中介关系。这种“RNA世界”是当前分子进化论的研究热门。

由于PCR的发明及DNA测序自动化机的诞生，GenBank中DNA碱基数的爆炸性增加（2001年人类基因组计划完成后，已增至170亿），为分析这些数据生物信息学应运而生，开始从理论生物物理独立出去。由于单分子操纵技术在20世纪80年代发展迅速，已经可对单个DNA、单个蛋白质（如分子马达）以及单个RNA进行单分子观察及施以力作用，单分子生物学也正在独立成为一门科学，但其中的单分子生物力学仍是理论物理学的研究范畴。基因组学出现以后，蛋白质组学、转录组学、代谢组学等学科相继出现。为整合这些组学，一门以统计物理方法研究点集关联（即网络）为基础的新领域系统生物学已经建立。在生物信息及定量理论研究成分的突发增加下，许多传统的生物分支都在发生变化，如生物化学→化学生物学、生物数学→数学生物学、生物工程学→计算生物学等。这一表达表明，生命不再是其他科学的应用研究对象，而应该成为其他科学的研究主体。