生物膜是一类包围在生物细胞以及各种细胞器表面的双层膜，它们将细胞以及细胞器与其周围的环境分隔开来，在生物体内起着重要的作用。生物膜主要是由各种脂质和蛋白质组成，这些脂质和蛋白质的侧向分布和组织直接决定着生物膜的信息传递、物质传输等生物功能。所以，弄清楚生物膜的内部结构以及各种分子的组织对于认识与生物膜有关的生物过程以及生物器件的设计有着极其重要的意义。然而，由于生物膜体系的结构的复杂性，尽管人们投入了很大的精力来研究生物膜，到目前为止，人们仍然对生物膜系统的内部结构和自组织行为知之甚少。这主要是由于目前的实验技术还无法直接观测到生物膜内部详细的结构。因此，生物膜内的自组织问题成为了当代细胞生物学和生物物理学的挑战之一。在这种情况下，深入的理论研究无疑成为了人们认识生物膜和为实验提供参考的一种重要的、有效的手段。在这篇论文里，我们着重从理论上研究了生物膜内的侧向自组织行为，解释了一些实验现象，预测了一些实验上没有观察到的结果，并提出了一种调控生物膜的各种成分的在生物膜中的分布的方法。本文主要包括以下几个方面的内容： 首先，在第一章里，我们简单介绍了生物膜体系、生物膜的分子构成，生物膜的自组织以及生物膜的实验模型。我们重点介绍了近几年来生物膜的自组织的研究进展，影响生物膜内分子组织的若干因素以及生物膜自组织中存在的没有完全解决的问题。 第二章，我们介绍了生物膜理论研究的进展以及方法。其中，重点介绍了聚合物体系的自洽场理论及其在生物膜研究中的应用。自洽场理论作为一种粗粒化的模型，它虽然忽略了很多分子的细节，却能很好的反映生物膜中的磷脂分子的双亲性、有效形状以及链的柔性等性质。因此，近几年来，自洽场方法被广泛用于研究生物膜的自组织，膜的熔融等问题。本文也采用了这种方法来研究生物膜的自组织行为。 第三章，利用自洽场方法，我们首次从理论上研究了周期性粗糙的底板诱导的二组分的混合磷脂双层膜的侧向自组织行为。通过改变衬底的几何形状，我们得到了一系列丰富的磷脂双层膜结构，而且我们还进一步揭示了这些结构形成的物理机制。我们的结果不仅很好的解释了一系列的实验现象，而且，更重要的是预测了一些实验上没有观察到的结构，为进一步的实验提供了参考。 第四章，利用组合的自洽场/密度泛函理论(SCF/DFT)，我们从理论上研究了内嵌物对支撑于周期性粗糙的底板上的混合脂质双层膜内畴的形成及分布的影响。我们发现，在内嵌物大小和数目不同的情况下，内嵌物在膜内的分布也大不相同。内嵌物的分布又进一步有效地改变了富含内嵌物的磷脂的畴的自发弯曲，从而影响了磷脂在底板上的分布和畴的形成。通过改变内嵌物的体积分数和大小，我们得到了三组分磷脂双层膜丰富的侧向组织结构和这些结构之间的有趣的转变。我们的这一模型提供了一种通过改变内嵌物的大小和多少来调控磷脂畴结构在支撑膜中分布的可行的方法，这对于生物膜内的一些生物过程的系统地研究以及生物传感器的设计有着重要的意义。 第五章，采用组合的自洽场/密度泛函理论(SCF/DFT)，我们研究了膜蛋白在生物膜中的自组织行为。在我们的模型中，我们可以同时考虑磷脂的熵、蛋白质之间的耗尽(depletion)相互作用以及蛋白质与磷脂之间的界面能对于蛋白质分布的影响。我们发现了一种在低磷脂体积分数条件下的六角密堆积结构以及高磷脂体积分数条件下的分叉链状结构。我们还进一步揭示了各种效应在这些结构形成中的作用。 最后，我们在第六章中总结了这篇论文的主要结论，同时对生物膜自组织进一步的理论研究进行了展望。