生物物理學(xué)：能量、信息、生命（第二版）

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(ài)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(huà)  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(kāi)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(huà)  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)常量與最大無(wú)序度的乘積  １８９
§６．３ 溫度  １９０
６．３．１ 熱流是系統(tǒng)趨于最大無(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(kāi)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 最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(huà)  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(kāi)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(mén)控假說(shuō)  ４８３
１２．２．５ 從電壓門(mén)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(kāi)  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