近年来，分子生物学的研究比较活跃，而这些研究主要集中在具体的基因或蛋白质等生物分子的结构和功能上。随着生命科学的不断发展，生物网络和系统生物学已经成为物理化学与生物学交叉的热点。本篇论文主要内容包括如下三方面：第一，通过探索布朗运动动力学轨迹的统计学特性，我们揭示了有丝分裂原活化蛋白激酶信号转导细胞网络的能量地貌。同时介绍了由能量差和区域粗糙度的比值定义的量：鲁棒性比率。它能够测量网络能量地貌的拓扑性质。同时，我们研究了网络能量耗散和能量地貌的关系，发现随着这一比值的增大，网络的能量耗散将越来越小。第二，我们发展了一种普适的框架通过长度空间的路径积分定量地描述非平衡系统的动力学，并将该框架应用于具体的非平衡网络系统的例子：九噬菌体基因开关。这一系统有两个明显的吸引域。从一个到另一个吸引域的动力学主路径是不可逆的并且不遵循通常的最速下降路径或沿着能量地貌的梯度路径。由此得出非平衡系统的动力学不仅决定于势能梯度，而且受到环流力的影响。并且为了系统的稳定性我们计算两个吸引域之间的动力学转变时间。理论的预测与野生态和突变体的实验是一致的。我们更进一步揭示了动力学转变时间和能量地貌拓扑的相关性可以通过沿着主路径的势垒高度来描述。我们发现主路径和地貌在外部环境波动的影响下具有相对较好的鲁棒性，并且系统对更小的波动产生的耗散也更少。第三，我们建立了一个理论框架以证明发育和分化中的沃丁顿(Waddington)地貌和chreode生物路径的存在并将它定量化。不同的细胞类型对应着概率地貌中不同的吸引域。我们运用地貌的观点研究了细胞如何从未分化到分化的发育过程。通过基本概率地貌的结构量化了细胞发育的沃丁顿地貌。我们展示了发育从未分化到分化的吸引域的运动过程。并说明了能够通过在沃丁顿地貌上的从未分化到分化细胞的生物路径来量化地描述和解释发育过程。我们发现发育过程的动力学由地貌中梯度力和旋度力共同控制。地貌理论也量化描述了逆分化过程的可能性，比如细胞从分化细胞回到原始干细胞的重组过程。我们也说明了逆分化的生物路径同分化过程是不相同的。我们发现由地貌描述的发育过程和相关的生物路径是相对稳定的，并能够抵御环境波动的影响。