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生物物理學(xué)——能量、信息、生命(第二版)

生物物理學(xué)——能量、信息、生命(第二版)

出版社:上?茖W(xué)技術(shù)出版社出版時(shí)間:2023-11-01
開本: 16開 頁(yè)數(shù): 292
中 圖 價(jià):¥123.2(7.8折) 定價(jià)  ¥158.0 登錄后可看到會(huì)員價(jià)
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生物物理學(xué)——能量、信息、生命(第二版) 版權(quán)信息

生物物理學(xué)——能量、信息、生命(第二版) 本書特色

將物理學(xué)思想與方法融入生命科學(xué)研究,一部改變生物物理學(xué)教學(xué)方式的經(jīng)典教材。(編輯推薦) 生命科學(xué)與物理學(xué)的交叉領(lǐng)域在*近二十多年涌現(xiàn)出了大量突破性成果。物理學(xué)家菲利普·納爾遜教授為響應(yīng)這個(gè)大趨勢(shì),在世紀(jì)之交從超弦理論研究轉(zhuǎn)向生物物理學(xué),并陸續(xù)寫出多部廣受好評(píng)的現(xiàn)代生物物理學(xué)佳作。我們研究組于2006年翻譯了他的**部力作《生物物理學(xué):能量、信息、生命》,成為國(guó)內(nèi)頗受歡迎的生物物理學(xué)教材和參考書。2020年,納爾遜教授再次對(duì)書中內(nèi)容進(jìn)行了修正和補(bǔ)充,形成了目前的版本。我相信這個(gè)新版本仍然會(huì)為國(guó)內(nèi)有志于從事生物物理學(xué)研究的的學(xué)生及研究人員提供必要的參考和指南。 歐陽(yáng)鐘燦
中國(guó)科學(xué)院院士,中國(guó)科學(xué)院理論物理所研究員
生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)科學(xué)由于高度復(fù)雜性,至今仍處于實(shí)驗(yàn)至上的時(shí)代,相關(guān)專業(yè)學(xué)生只注重實(shí)驗(yàn)研究,難以上升到理論層面進(jìn)行解析。這一方面是由于生物和醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)涉及面廣、周期長(zhǎng)、影響因素復(fù)雜等而難以做定量研究,另一方面,缺乏系統(tǒng)的涉及生命科學(xué)的交叉學(xué)科教材也是重要原因。菲利普·納爾遜教授的教材系列《生物物理學(xué):能量、信息、生命》 《生命系統(tǒng)的物理建!穼⑻钛a(bǔ)這一空白。希望生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)科研工作者能與理論物理學(xué)家相向而行,共同推進(jìn)生命科學(xué)定量化。 段樹民
中國(guó)科學(xué)院院士,浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授

生物物理學(xué)——能量、信息、生命(第二版) 內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書介紹了生物物理學(xué)的物理知識(shí)基礎(chǔ),結(jié)合生物學(xué)中的實(shí)例,介紹了熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理和流體力學(xué)的有關(guān)知識(shí)。本書的**部分介紹了能量、信息與生命三者間關(guān)系的概貌。第二部分關(guān)注細(xì)胞中分子層面的擴(kuò)散、耗散及驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象,并詳細(xì)介紹了其中的物理原理。第三部分側(cè)重于將第二部分中的物理原理應(yīng)用于解釋更為復(fù)雜的大分子、分子機(jī)器的工作機(jī)制之中。本書是一本較為系統(tǒng)地具體介紹生物學(xué)中物理原理的教材,體現(xiàn)了生物學(xué)和物理學(xué)的交叉學(xué)科研究的思想,適合于配套大學(xué)相關(guān)課程使用。

生物物理學(xué)——能量、信息、生命(第二版) 目錄

致學(xué)生 1
致指導(dǎo)教師 6
第Ⅰ部分 謎、隱喻及模型
第1章 預(yù)備知識(shí) 3
§1.1 熱 3
1.1.1 熱是一種能量形式 3
1.1.2 熱概念簡(jiǎn)史 5
1.1.3 預(yù)覽:自由能的概念 7
§1.2 生命如何產(chǎn)生有序 9
1.2.1 生物有序之謎 9
1.2.2 自由能轉(zhuǎn)換的范例:滲透流 11
1.2.3 預(yù)覽:作為信息的無(wú)序 13
§1.3 題外話:廣告、哲學(xué)與語(yǔ)用學(xué) 14
§1.4 如何在考試中表現(xiàn)得更好(以及如何發(fā)現(xiàn)新的物理定律) 16
1.4.1 多數(shù)物理量帶有量綱 16
1.4.2 量綱分析可以幫助你捕捉錯(cuò)誤和回憶定義 18
1.4.3 量綱分析還可以幫助你構(gòu)想假說(shuō) 19
1.4.4 單位和作圖法 20
1.4.5 涉及通量和密度的一些符號(hào)約定 21
§1.5 物理和化學(xué)中的其他關(guān)鍵思想 21
1.5.1 分子是很小的 21
1.5.2 分子是原子的特定空間排布 23
1.5.3 分子有明確定義的內(nèi)能 24
1.5.4 低密度氣體遵從一條普適定律 25
小結(jié) 26
拓展 28
習(xí)題 29
第2章 細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)一覽 33
§2.1 細(xì)胞生理學(xué) 35
2.1.1 內(nèi)部大體解剖 37
2.1.2 外部大體解剖 40
§2.2 分子類別清單 42
2.2.1 小分子 42
2.2.2 中等大小的分子 44
2.2.3 大分子 45
2.2.4 大分子組裝體 48
§2.3 跨越鴻溝:分子器件 50
2.3.1 質(zhì)膜 50
2.3.2 分子馬達(dá) 51
2.3.3 酶和調(diào)節(jié)蛋白 52
2.3.4 細(xì)胞內(nèi)的總信息流 53
小結(jié) 55
拓展 57
習(xí)題 58
第Ⅱ部分 擴(kuò)散、耗散及驅(qū)動(dòng)
第3章 分子的舞蹈 63
§3.1 生活中的概率 63
3.1.1 離散分布 64
3.1.2 連續(xù)分布 64
3.1.3 平均值和方差 67
3.1.4 加法原理與乘法原理 68
§3.2 理想氣體定律解密 71
3.2.1 溫度反映了熱運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能 71
3.2.2 分子速度的總體分布是實(shí)驗(yàn)可測(cè)的 75
3.2.3 玻爾茲曼分布 75
3.2.4 活化勢(shì)壘控制反應(yīng)速率 78
3.2.5 趨向平衡的弛豫 79
§3.3 題外話:遺傳現(xiàn)象的啟示 81
3.3.1 亞里士多德介入爭(zhēng)論 81
3.3.2 鑒定遺傳信息的物質(zhì)載體 81
3.3.3 薛定諤的總結(jié):遺傳信息有對(duì)應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu) 87
小結(jié) 91
拓展 93
習(xí)題 94
第4章 無(wú)規(guī)行走、摩擦與擴(kuò)散 98
§4.1 布朗運(yùn)動(dòng) 99
4.1.1 布朗運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)史 99
4.1.2 無(wú)規(guī)行走導(dǎo)致擴(kuò)散 100
4.1.3 擴(kuò)散定律與模型無(wú)關(guān) 105
4.1.4 摩擦與擴(kuò)散之間存在定量聯(lián)系 107
§4.2 題外話:愛因斯坦所扮演的角色 109
§4.3 其他無(wú)規(guī)行走 110
4.3.1 高分子構(gòu)象 110
4.3.2 展望:華爾街里的無(wú)規(guī)行走 114
§4.4 關(guān)于擴(kuò)散的更多知識(shí) 115
4.4.1 擴(kuò)散支配著亞細(xì)胞世界 115
4.4.2 擴(kuò)散行為可用簡(jiǎn)單方程刻畫 116
4.4.3 隨機(jī)過(guò)程的精確統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè) 119
§4.5 函數(shù)、導(dǎo)數(shù)與“地毯下的蛇” 119
4.5.1 函數(shù)能描繪定量關(guān)系的細(xì)節(jié) 119
4.5.2 兩變量函數(shù)可用地形圖直觀顯示 121
§4.6 擴(kuò)散概念用于考察生物學(xué) 122
4.6.1 人造膜的通透性源于擴(kuò)散 122
4.6.2 擴(kuò)散為細(xì)菌代謝設(shè)定了一個(gè)基本限制 124
4.6.3 能斯特關(guān)系設(shè)定了膜電勢(shì)的量級(jí) 125
4.6.4 溶液電阻反映了摩擦耗散 128
4.6.5 從單點(diǎn)開始的擴(kuò)散產(chǎn)生不斷延展的高斯型濃度分布 128
小結(jié) 130
拓展 133
習(xí)題 139
第5章 慢航道中的生命:小雷諾數(shù)世界 148
§5.1 流體中的摩擦 148
5.1.1 足夠小的粒子能夠永久懸浮 148
5.1.2 沉降速率取決于溶劑黏度 150
5.1.3 黏性液體難以混合 151
§5.2 小雷諾數(shù) 153
5.2.1 摩擦支配的范圍由臨界力界定 153
5.2.2 摩擦和慣性的相對(duì)重要程度由雷諾數(shù)定量刻畫 156
5.2.3 動(dòng)力學(xué)定律的時(shí)間反演特征反映了它的耗散性 158
§5.3 對(duì)生物學(xué)的考察 161
5.3.1 泳動(dòng)與泵動(dòng) 161
5.3.2 攪動(dòng)或是不攪動(dòng) 165
5.3.3 覓食、攻擊與逃生 166
5.3.4 脈管網(wǎng)絡(luò) 167
5.3.5 DNA復(fù)制叉上的黏性阻力 169
§5.4 題外話:物理定律的特性 171
小結(jié) 172
拓展 174
習(xí)題 177
第6章 熵、溫度與自由能 184
§6.1 如何度量無(wú)序 184
§6.2 熵 187
6.2.1 統(tǒng)計(jì)假說(shuō) 187
6.2.2 熵是一個(gè)常量與*大無(wú)序度的乘積 189
§6.3 溫度 190
6.3.1 熱流是系統(tǒng)趨于*大無(wú)序的后果 190
6.3.2 溫度是系統(tǒng)平衡態(tài)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì) 192
§6.4 熱力學(xué)第二定律 194
6.4.1 約束去除時(shí)熵自發(fā)增加 194
6.4.2 三條注釋 197
§6.5 開放系統(tǒng) 198
6.5.1 子系統(tǒng)的自由能反映了熵和能量的競(jìng)爭(zhēng) 198
6.5.2 熵力可以表達(dá)為自由能的導(dǎo)數(shù) 200
6.5.3 在小的受控步驟中自由能轉(zhuǎn)換效率更高 201
6.5.4 作為熱機(jī)的生物圈 203
§6.6 微觀系統(tǒng) 204
6.6.1 由統(tǒng)計(jì)假說(shuō)可得到玻爾茲曼分布 204
6.6.2 玻爾茲曼分布的動(dòng)力學(xué)解釋 206
6.6.3 *小自由能原則也適用于微觀子系統(tǒng) 209
6.6.4 自由能決定復(fù)雜二態(tài)系統(tǒng)的能態(tài)分布 210
§6.7 題外話:“作為二態(tài)系統(tǒng)的RNA折疊” 211
小結(jié) 214
拓展 217
習(xí)題 223
第7章 細(xì)胞內(nèi)的熵力 230
§7.1 熵力的微觀解釋 230
7.1.1 定容方法 231
7.1.2 定壓方法 231
§7.2 滲透壓 233
7.2.1 平衡滲透壓遵循理想氣體定律 233
7.2.2 滲透壓使大分子之間產(chǎn)生排空力 235
§7.3 超越平衡:滲透流 238
7.3.1 對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)“整流”導(dǎo)致滲透力的產(chǎn)生 238
7.3.2 滲透流與力致滲透定量相關(guān) 242
§7.4 溶液中的靜電力 243
7.4.1 靜電作用對(duì)細(xì)胞的正常功能至關(guān)重要 243
7.4.2 高斯定律 246
7.4.3 帶電表面外包圍著可與之中和的離子云 247
7.4.4 同荷表面相斥源于所攜離子云的壓縮 251
7.4.5 平衡離子釋放導(dǎo)致異荷表面相吸 254
§7.5 水的特殊性質(zhì) 254
7.5.1 液態(tài)水含有松散的氫鍵網(wǎng)絡(luò) 254
7.5.2 氫鍵網(wǎng)絡(luò)影響小分子在水中的可溶性 257
7.5.3 水使非極性物體之間產(chǎn)生熵吸引 260
小結(jié) 261
拓展 263
習(xí)題 269
第8章 化學(xué)力和自組裝 276
§8.1 化學(xué)勢(shì) 276
8.1.1 μ描述粒子的可獲得性 276
8.1.2 玻爾茲曼分布可推廣到含粒子交換的情況 279
§8.2 化學(xué)反應(yīng) 280
8.2.1 化學(xué)力均衡導(dǎo)致化學(xué)平衡 280
8.2.2 Δ犌可作為化學(xué)反應(yīng)方向的統(tǒng)一判據(jù) 282
8.2.3 復(fù)雜平衡的動(dòng)力學(xué)解釋 286
8.2.4 原生湯處于化學(xué)失衡狀態(tài) 287
§8.3 解離 287
8.3.1 離子鍵和部分離子鍵容易在水中解離 288
8.3.2 酸和堿的強(qiáng)度反映其解離平衡常數(shù) 288
8.3.3 蛋白質(zhì)帶電狀態(tài)隨環(huán)境改變 290
8.3.4 電泳可靈敏地測(cè)量蛋白質(zhì)組成 291
§8.4 兩親分子的自組裝 293
8.4.1 兩親分子降低水 油界面的張力從而形成乳狀液 293
8.4.2 臨界濃度時(shí)發(fā)生的膠束自組裝 295
§8.5 題外話:關(guān)于數(shù)據(jù)擬合 298
§8.6 細(xì)胞內(nèi)的自組裝 299
8.6.1 雙層膜可由雙尾兩親分子自組裝而成 299
8.6.2 展望:大分子的折疊和聚集 303
8.6.3 廚房之旅 305
小結(jié) 307
拓展 309
習(xí)題 311
第Ⅲ部分 分子、機(jī)器、工作機(jī)制
第9章 大分子的協(xié)同變構(gòu) 317
§9.1 高分子的彈性模型 317
9.1.1 為什么物理學(xué)能有效描述物質(zhì)世界 318
9.1.2 細(xì)長(zhǎng)桿的彈性可用四個(gè)唯象參量刻畫 320
9.1.3 高分子以熵力抵抗拉伸 322
§9.2 單個(gè)大分子的拉伸 325
9.2.1 DNA單分子的力 伸長(zhǎng)曲線可以測(cè)定 325
9.2.2 二態(tài)模型可定性解釋小拉伸力情況下DNA的行為 326
§9.3 本征值速成 328
9.3.1 矩陣和本征值 328
9.3.2 矩陣乘法 331
§9.4 協(xié)同性 332
9.4.1 轉(zhuǎn)移矩陣方法可以準(zhǔn)確處理彎曲協(xié)同性 332
9.4.2 在中等大小外力作用下DNA分子展示出線性拉伸彈性 335
9.4.3 在高維系統(tǒng)中協(xié)同作用可導(dǎo)致無(wú)限急遽的相變 335
§9.5 熱、化學(xué)或力過(guò)程中的開關(guān)行為 336
9.5.1 螺旋 線團(tuán)轉(zhuǎn)變可以用偏振光觀察 337
9.5.2 螺旋 線團(tuán)轉(zhuǎn)變可用三個(gè)唯象參量描述 339
9.5.3 螺旋 線團(tuán)轉(zhuǎn)變中相關(guān)量的計(jì)算 341
9.5.4 DNA也呈現(xiàn)出協(xié)同“熔化” 345
9.5.5 機(jī)械外力可以誘導(dǎo)大分子發(fā)生協(xié)同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變 346
§9.6 別構(gòu)效應(yīng) 347
9.6.1 血紅蛋白與四個(gè)氧分子協(xié)同結(jié)合 347
9.6.2 別構(gòu)效應(yīng)常涉及分子亞基的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 349
9.6.3 蛋白分子的“天然態(tài)”是大量子態(tài)的連續(xù)分布 350
小結(jié) 352
拓展 354
習(xí)題 364
第10章 酶與分子機(jī)器 370
§10.1 細(xì)胞內(nèi)分子器件概述 371
10.1.1 術(shù)語(yǔ) 371
10.1.2 酶的飽和動(dòng)力學(xué) 371
10.1.3 真核細(xì)胞都擁有循環(huán)馬達(dá) 372
10.1.4 耗盡型機(jī)器參與細(xì)胞移動(dòng)和結(jié)構(gòu)排布 375
§10.2 純力學(xué)機(jī)器 377
10.2.1 宏觀機(jī)器可由能量面描述 377
10.2.2 微觀機(jī)器能跨越勢(shì)壘 380
10.2.3 應(yīng)用斯莫盧霍夫斯基方程計(jì)算微觀機(jī)器的工作速率 382
§10.3 力學(xué)原理的分子實(shí)現(xiàn) 388
10.3.1 三個(gè)觀點(diǎn) 388
10.3.2 反應(yīng)坐標(biāo)為化學(xué)過(guò)程提供了方便簡(jiǎn)化的描述 389
10.3.3 酶與過(guò)渡態(tài)結(jié)合從而催化反應(yīng) 391
10.3.4 力學(xué)化學(xué)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)可視為二維能量面上的無(wú)規(guī)行走 395
§10.4 真實(shí)酶及分子機(jī)器的動(dòng)力學(xué) 396
10.4.1 米 曼規(guī)則可描述簡(jiǎn)單酶的動(dòng)力學(xué) 397
10.4.2 酶活性的調(diào)節(jié) 400
10.4.3 雙頭驅(qū)動(dòng)蛋白可作為緊耦聯(lián)的理想棘輪 400
10.4.4 分子馬達(dá)在無(wú)緊耦聯(lián)或發(fā)力沖程的情況下仍能移動(dòng) 408
§10.5 展望:分子馬達(dá)種種 413
小結(jié) 414
拓展 417
習(xí)題 424
第11章 嵌膜機(jī)器 434
§11.1 電滲效應(yīng) 434
11.1.1 “古老”的歷史 434
11.1.2 離子濃度差產(chǎn)生能斯特勢(shì) 435
11.1.3 唐南平衡產(chǎn)生靜息膜電位 438
§11.2 離子泵送 440
11.2.1 真核細(xì)胞膜電位的觀測(cè)值暗示這些細(xì)胞遠(yuǎn)離唐南平衡 440
11.2.2 歐姆電導(dǎo)假設(shè) 442
11.2.3 主動(dòng)泵送既維持了定態(tài)膜電位又避免了巨大滲透壓 444
§11.3 作為工廠的線粒體 448
11.3.1 母線和傳動(dòng)軸將能量分配到工廠各處 449
11.3.2 呼吸作用相關(guān)的生化知識(shí) 450
11.3.3 線粒體內(nèi)膜在化學(xué)滲透機(jī)制中用作匯流母線 452
11.3.4 化學(xué)滲透機(jī)制的驗(yàn)證 454
11.3.5 展望:細(xì)胞在其他場(chǎng)合下也利用化學(xué)滲透耦聯(lián) 457
§11.4 題外話:“給鞭毛馬達(dá)加電” 458
小結(jié) 459
拓展 461
習(xí)題 463
第12章 神經(jīng)沖動(dòng) 467
§12.1 關(guān)于神經(jīng)沖動(dòng)的問(wèn)題 468
12.1.1 動(dòng)作電位的現(xiàn)象學(xué) 468
12.1.2 細(xì)胞膜可視為電路網(wǎng)絡(luò) 471
12.1.3 從膜的歐姆電導(dǎo)行為到無(wú)行波解的線性電纜方程 475
§12.2 動(dòng)作電位的簡(jiǎn)化模型 479
12.2.1 難題 479
12.2.2 力學(xué)類比 479
12.2.3 動(dòng)作電位簡(jiǎn)史 481
12.2.4 動(dòng)作電位隨時(shí)間變化的過(guò)程提示了電壓門控假說(shuō) 483
12.2.5 從電壓門控機(jī)制到具有行波解的電纜方程 487
§12.3 霍奇金 赫胥黎機(jī)制的完整形式及其分子基礎(chǔ) 491
12.3.1 不同離子電導(dǎo)在膜電位改變時(shí)各自遵循一個(gè)特征時(shí)間過(guò)程 491
12.3.2 膜片鉗技術(shù)可用于研究單離子通道行為 494
§12.4 神經(jīng)、肌肉與突觸 501
12.4.1 神經(jīng)細(xì)胞被狹窄的突觸隔開 502
12.4.2 神經(jīng)肌肉接頭 503
12.4.3 展望:神經(jīng)系統(tǒng)的計(jì)算 504
小結(jié) 505
拓展 508
習(xí)題 509
致謝 514
后記 517
譯后記 518
附錄犃 符號(hào)及單位 520
附錄犅 數(shù)值 528
引用說(shuō)明 533
參考文獻(xiàn) 536
索引 551
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生物物理學(xué)——能量、信息、生命(第二版) 作者簡(jiǎn)介

菲利普•納爾遜(Philip Nelson):美國(guó)著名物理學(xué)家,賓夕法尼亞大學(xué)教授,著有《生物物理學(xué):能量、信息、生命》、《生命系統(tǒng)的物理建!贰稄墓庾拥缴窠(jīng)元——光、成像和視覺(jué)》等廣受歡迎的大學(xué)及研究生教材。

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