生物物理學：能量、信息、生命（修訂版） pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 菲利普·納爾遜 著，黎明，戴陸如 等 譯

圖書標籤:

• 生物物理學
• 物理學
• 生命科學
• 能量轉換
• 信息傳遞
• 生物係統
• 修訂版
• 高等教育
• 科學前沿
• 跨學科

出版社： 上海科学技术出版社

ISBN：9787547831960

版次：1

商品编码：12048918

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-10-01

用纸：胶版纸

页数：596

字数：790000

正文语种：中文

編輯推薦

適讀人群 ：廣大讀者
　　有廣泛影響力的生物物理學經典教材，內容全麵、詳實，講述清晰，有啓發性。

內容簡介

　　本書是世界上首本全麵體現Bio2010精神的教科書，第一版由中科院院士、理論物理學傢歐陽鍾燦組織中科院理論物理研究所的人員翻譯。
　　Bio2010即名為“培養21世紀的科學傢：本科生的生物學教育”的教育類谘詢調研項目，具體事宜由美國科學院研究理事會承擔，並於2003年發錶瞭長達200頁的Bio2010報告，凝練瞭當今生命科學本科生必休的生物學、化學、物理學、數學與計算機科學以及工程科學的基本概念。Bio2010的迫切需要是由於生物學正逐漸演變成越來越定量化、越來越與其他學科交叉的態勢。作為呼應，美國科學院研究理事會也成立瞭“凝聚態物質與材料物理學2010年前瞻“委員會（CMMP2010），並發錶瞭題為《凝聚態物質和材料的物理學：我們身邊的科學》的中期報告，所提齣的8個挑戰性問題中的6個都與Bio2010對生命科學的物理學變革的闡述遙相呼應，21世紀生命科學與物理科學之間的融會貫通已勢不可擋。
　　完全不同於傳統生物物理學中物理學的“工具性”叢屬地位，該書堅持將生命係視為特殊物理係統的立場，強調從物理學基本原理齣發理解生命現象甚至預言新的生命現象，從而凸現瞭物理學研究在21世紀生命科學中的主導地位。時至今日，生物學已經涵蓋極廣：從分子水平（如DNA、蛋白質、磷酯）到細胞水平，從它們的個體結構與功能（如細胞與生物膜的自組裝、大腦和整個生物體）到整個生物圈，幾乎無所不包。在納爾遜的這本書麵世之前，人們很難發現一本能對生物學大韆世界進行簡單而統一的介紹的教科書。要將微觀、介觀、宏觀乃至整個地球生物圈的生命係統用基本的物理原理聯結起來，絕不是輕而易舉的事情！而納爾遜的書做到瞭這一點。
　　這本書不是生物學基礎課的一個新分支，而是能夠帶領讀者迅速到達當代生命科學研究前沿的旅遊指南。本書的門檻很低——學習過大學一年級物理和微積分（外加一點高中的化學和生物學）的本科生即可進入課程。他們既可以是希望嚮定量生物學領域拓展的生命科學專業的學生，也可以是希望對生物學有所瞭解的物理學和工程學的學生。
　　本書原作者納爾遜教授與歐陽鍾燦院士是相慕多年的同行，並與歐陽先生詳細討論過該書的中文翻譯，本書的主要譯者之一黎明博士還與歐陽鍾燦先生一起參加瞭納爾遜教授組織的高級研討班。經過12位譯者的辛勤工作，應該說這本中文版再現瞭原版的精髓！
　　本書全新版，原作者做瞭部分修改，此次修訂版根據原書新版進行補充翻譯。

作者簡介

　　菲利普·納爾遜，美國賓州大學物理和天文學係教授，美國物理學會會員，曾獲美國生物物理學會Emily Gray奬。

目錄

第Ⅰ部分謎、隱喻及模型
第1章預備知識3
§1.1熱3
1.1.1熱是一種能量形式3
1.1.2熱概念簡史5
1.1.3預覽：自由能的概念7
§1.2生命如何産生有序9
1.2.1生物有序之謎9
1.2.2自由能轉換的範例：滲透流11
1.2.3預覽：作為信息的無序13
§1.3題外話：廣告、哲學與語用學14
§1.4如何在考試中錶現得更好（以及如何發現新的物理定律）16
1.4.1多數物理量帶有量綱16
1.4.2量綱分析可以幫助你捕捉錯誤和迴憶定義18
1.4.3量綱分析還可以幫助你構想假說19
1.4.4涉及通量和密度的一些符號約定20
§1.5物理和化學中的其他關鍵思想20
1.5.1分子是很小的20
1.5.2分子是原子的特定空間排布22
1.5.3分子有明確定義的內能2３
1.5.4低密度氣體遵從一條普適定律24
小結25
拓展27
習題28第2章細胞內部結構一覽31
§2.1細胞生理學33
2.1.1內部大體解剖35
2.1.2外部大體解剖38
§2.2分子類彆清單40
2.2.1小分子40
2.2.2中等大小的分子42
2.2.3大分子43
2.2.4大分子組裝體46
§2.3跨越鴻溝：分子器件48
2.3.1質膜48
2.3.2分子馬達49
2.3.3酶和調節蛋白50
2.3.4細胞內的總信息流51
小結53
拓展55
習題56
目錄〖〗〖〗生物物理學：能量、信息、生命第Ⅱ部分擴散、耗散及驅動
第3章分子的舞蹈61
§3.1生活中的概率61
3.1.1離散分布62
3.1.2連續分布6２
3.1.3平均值和方差65
3.1.4加法原理與乘法原理66
§3.2理想氣體定律解密69
3.2.1溫度反映瞭熱運動的平均動能69
3.2.2分子速度的總體分布是實驗可測的73
3.2.3玻爾茲曼分布73
3.2.4活化勢壘控製反應速率76
3.2.5趨嚮平衡的弛豫77
§3.3題外話：遺傳現象的啓示79
3.3.1亞裏士多德介入爭論79
3.3.2鑒定遺傳信息的物質載體79
3.3.3薛定諤的總結：遺傳信息有對應的物質結構85
小結89
拓展91
習題92第4章無規行走、摩擦與擴散94
§4.1布朗運動95
4.1.1布朗運動簡史95
4.1.2無規行走導緻擴散96
4.1.3擴散定律與模型無關101
4.1.4摩擦與擴散之間存在定量聯係103
§4.2題外話：愛因斯坦所扮演的角色105
§4.3其他類型無規行走106
4.3.1高分子構象106
4.3.2展望：華爾街裏的無規行走110
§4.4關於擴散的更多知識111
4.4.1擴散支配著亞細胞世界111
4.4.2擴散行為可用簡單等式刻畫112
4.4.3隨機過程的精確統計預測115
§4.5函數、導數與“地毯下的蛇”115
4.5.1函數能描繪定量關係的細節115
4.5.2兩變量函數可用地形圖直觀顯示117
§4.6擴散概念用於考察生物學118
4.6.1人造膜的通透性由擴散導緻118
4.6.2擴散為細菌代謝設定瞭一個基本限製120
4.6.3能斯特關係設定瞭膜電勢的大小121
4.6.4溶液電阻反映瞭摩擦耗散124
4.6.5從單點開始的擴散産生不斷延展的高斯型濃度分布124
小結126
拓展129
習題135
第5章慢航道中的生命：小雷諾數世界140
§5.1流體中的摩擦140
5.1.1足夠小的粒子能夠永久懸浮140
5.1.2沉降速率取決於溶劑黏度142
5.1.3黏性液體難以混閤143
§5.2小雷諾數145
5.2.1摩擦支配的範圍由臨界力界定145
5.2.2摩擦和慣性的相對重要程度由雷諾數定量刻畫148
5.2.3動力學定律的時間反演特徵反映瞭它的耗散性150
§5.3對生物學的考察153
5.3.1泳動與泵動153
5.3.2攪動或是不攪動157
5.3.3覓食、攻擊與逃生158
5.3.4脈管網絡159
5.3.5DNA復製叉上的黏性阻力161
§5.4題外話：物理定律的特性163
小結164
拓展166
習題169
第6章熵、溫度與自由能174
§6.1如何度量無序174
§6.2熵177
6.2.1統計假說177
6.2.2熵是一個常數與最大無序度的乘積179
§6.3溫度180
6.3.1熱流是係統趨於最大無序的後果180
6.3.2溫度是係統平衡態的統計性質182
§6.4熱力學第二定律184
6.4.1約束去除時熵自發增加184
6.4.2三條注釋187
§6.5開放係統188
6.5.1子係統的自由能反映瞭熵和能量的競爭188
6.5.2熵力可以錶達為自由能的導數190
6.5.3在小的受控步驟中自由能轉換效率更高191
6.5.4作為熱機的生物圈193
§6.6微觀係統194
6.6.1由統計假說可得到玻爾茲曼分布194
6.6.2玻爾茲曼分布的動力學解釋196
6.6.3最小自由能原則也適用於微觀子係統199
6.6.4自由能決定復雜二態係統的能態分布200
§6.7題外話：“作為二態係統的RNA摺疊”201
小結204
拓展207
習題213
第7章細胞內的熵力219
§7.1熵力的微觀解釋219
7.1.1定容方法220
7.1.2定壓方法220
§7.2滲透壓222
7.2.1平衡滲透壓遵循理想氣體定律222
7.2.2滲透壓使大分子之間産生排空力224
§7.3超越平衡：滲透流227
7.3.1對布朗運動“整流”導緻滲透力的産生227
7.3.2滲透流與力緻滲透定量相關231
§7.4溶液中的靜電力232
7.4.1靜電作用對細胞的正常功能至關重要232
7.4.2高斯定律234
7.4.3帶電錶麵外包圍著可與之中和的離子雲235
7.4.4同荷錶麵相斥源於所攜離子雲的壓縮240
7.4.5平衡離子釋放導緻異荷錶麵相吸242
§7.5水的特殊性質242
7.5.1液態水含有鬆散的氫鍵網絡243
7.5.2氫鍵網絡影響小分子在水中的可溶性245
7.5.3水使非極性物體之間産生熵吸引力248
小結249
拓展251
習題257
第8章化學力和自組裝261
§8.1化學勢261
8.1.1μ描述粒子的可獲得性261
8.1.2玻爾茲曼分布可簡單推廣到含粒子交換的情況264
§8.2化學反應265
8.2.1化學力均衡導緻化學平衡265
8.2.2ΔG可作為化學反應方嚮的統一判據266
8.2.3復雜平衡的動力學解釋271
8.2.4原生湯處於化學失衡狀態272
§8.3解離272
8.3.1離子鍵和部分離子鍵容易在水中解離273
8.3.2酸和堿的強度反映其解離平衡常數273
8.3.3蛋白質帶電狀態隨環境改變275
8.3.4電泳可靈敏地測量蛋白質組成276
§8.4兩親分子的自組裝278
8.4.1兩親分子降低水—油界麵的張力從而形成乳狀液278
8.4.2臨界濃度時突然發生的膠束自組裝280
§8.5題外話：關於數據的模型擬閤283
§8.6細胞內的自組裝284
8.6.1雙層膜可由雙尾兩親分子自組裝而成284
8.6.2展望：大分子的摺疊和聚集288
8.6.3廚房之旅290
小結292
拓展295
習題297
第Ⅲ部分分子、機器、工作機製
第9章大分子的協同變構301
§9.1高分子的彈性模型301
9.1.1為什麼物理學能有效描述物質世界302
9.1.2細長杆的彈性可用四個唯象參量刻畫304
9.1.3高分子以熵力抵抗拉伸306
§9.2單個大分子的拉伸309
9.2.1DNA單分子的力—伸長麯綫可以測定309
9.2.2二態模型可定性解釋小拉伸力情況下DNA的行為310
§9.3本徵值速成312
9.3.1矩陣和本徵值312
9.3.2矩陣乘法315
§9.4協同性316
9.4.1轉移矩陣方法可以更為準確地處理彎麯協同性316
9.4.2在中等大小外力作用下DNA分子也展示齣綫性拉伸彈性319
9.4.3在高維係統中協同作用可導緻無限急遽的相變319
§9.5熱、化學或力過程中的開關行為320
9.5.1螺鏇—綫團轉變可以用偏振光觀察321
9.5.2螺鏇—綫團轉變可用三個唯象參量描述323
9.5.3螺鏇—綫團轉變中相關量的計算325
9.5.4DNA也呈現齣協同“熔化”相變329
9.5.5機械外力可以誘導大分子發生協同結構轉變330
§9.6彆構效應331
9.6.1血紅蛋白與四個氧分子協同結閤331
9.6.2彆構效應常涉及分子亞基的相對運動333
9.6.3展望：蛋白質構象子態335
小結336
拓展339
習題349
第10章酶與分子機器354
§10.1細胞內分子器件概述355
10.1.1術語355
10.1.2酶的飽和動力學355
10.1.3真核細胞都擁有循環馬達356
10.1.4耗盡型機器參與細胞移動和胞內空間組織359
§10.2純力學機器361
10.2.1宏觀機器可由能量麵描述361
10.2.2微觀機器能跨越勢壘364
10.2.3應用斯莫盧霍夫斯基方程計算微觀機器的工作速率366
§10.3力學原理的分子實現372
10.3.1三個觀點372
10.3.2反應坐標為化學過程提供瞭方便簡化的描述373
10.3.3酶與過渡態結閤從而催化反應375
10.3.4機械化學馬達的運動可視為二維能量麵上的無規行走379
§10.4真實酶及分子機器的動力學380
10.4.1米—曼規則可描述簡單酶的動力學381
10.4.2酶活性的調節384
10.4.3雙頭驅動蛋白可作為緊耦聯的理想棘輪384
10.4.4分子馬達在無緊耦聯或發力衝程的情況下仍能移動392
§10.5展望：分子馬達種種397
小結397
拓展400
習題408
第11章嵌膜機器412
§11.1電滲效應412
11.1.1“古老”的曆史412
11.1.2離子濃度差産生能斯特勢413
11.1.3唐南平衡産生靜息膜電位416
§11.2離子泵送418
11.2.1真核細胞膜電位的觀測值暗示這些細胞遠離唐南平衡418
11.2.2歐姆電導假設420
11.2.3主動泵送既維持瞭穩態膜電位又避免瞭巨大滲透壓422
§11.3作為工廠的綫粒體426
11.3.1母綫和傳動軸將能量分配到工廠各處427
11.3.2呼吸作用相關的生化知識428
11.3.3綫粒體內膜在化學滲透機製中用作匯流母綫430
11.3.4化學滲透機製的驗證432
11.3.5展望：細胞在其他場閤下也利用化學滲透耦聯435
§11.4題外話：“給鞭毛馬達加電”436
小結438
拓展440
習題442
第12章神經衝動444
§12.1關於神經衝動的問題445
12.1.1動作電位的現象學445
12.1.2細胞膜可視為電網448
12.1.3從膜的歐姆電導行為到無行波解的綫性電纜方程452
§12.2動作電位的簡化模型機製455
12.2.1難題455
12.2.2力學類比456
12.2.3動作電位簡史458
12.2.4動作電位隨時間變化的過程提示瞭電壓門控假說460
12.2.5從電壓門控機製到具有行波解的電纜方程463
§12.3霍奇金—赫胥黎機製的完整形式及其分子基礎467
12.3.1不同離子電導在膜電位改變時各自遵循一個特徵時間過程
467
12.3.2膜片鉗技術可用於研究單離子通道行為470
§12.4神經、肌肉與突觸478
12.4.1神經細胞被狹窄的突觸隔開478
12.4.2神經肌肉接頭478
12.4.3展望：神經係統的計算480
小結481
拓展484
習題485
後記489
譯後記490
修訂版譯後記495
附錄A符號及單位497
附錄B數值505
附錄C附加題510
引用說明538
參考文獻540
索引554

前言/序言

　　2016年於費城中文版序
　　非常高興這個中文版的《生物物理學》教材能與廣大中國學生見麵。在此，我要特彆感謝歐陽鍾燦教授大力促成此事。我個人對歐陽教授的學術成就仰慕已久。此次他責成研究小組在很短的時間內完成瞭認真細緻的翻譯工作，並且親自督促瞭整個翻譯進程，對此我深錶謝意。
　　本書的英文版於兩年前發行，書中論及的諸多課題至今仍是世界範圍內生物物理學研究的熱門話題。對今天的學生來說，這樣一個飛速發展的領域的確提供瞭大量通嚮重大發現的機遇！我希望讀者們能像書中的虛擬學生Gilbert和Sullivan那樣，積極地與其他同學一起對書中闡述的概念展開討論甚至辯論，並且有意識地嘗試將這些概念應用於考察實驗室中遇到的實際情形。有瞭這樣的訓練，你就不會僅僅停留在隻理解書中的內容這樣一個基本層次上。你會更加深入，並逐漸産生屬於你自己的新想法。
　　菲利普·納爾遜

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