生物物理學：能量、信息、生命（第二版）

致學生  １
致指導教師  ６
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  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約定  ２１
§１．５ 物理和化學中的其他關鍵思想  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
習題  ２９
第２章 細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)一覽  ３３
§２．１ 細胞生理學  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  ５１
２．３．３ 酶和調(diào)節(jié)蛋白  ５２
２．３．４ 細胞內(nèi)的總信息流  ５３
小結(jié)  ５５
拓展  ５７
習題  ５８
第Ⅱ部分 擴散、耗散及驅(qū)動
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 溫度反映了熱運動的平均動能  ７１
３．２．２ 分子速度的總體分布是實驗可測的  ７５
３．２．３ 玻爾茲曼分布  ７５
３．２．４ 活化勢壘控制反應速率  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)：遺傳信息有對應的物質(zhì)結(jié)構(gòu) ８７
小結(jié)  ９１
拓展  ９３
習題  ９４
第４章 無規(guī)行走、摩擦與擴散  ９８
§４．１ 布朗運動  ９９
４．１．１ 布朗運動簡史  ９９
４．１．２ 無規(guī)行走導致擴散  １００
４．１．３ 擴散定律與模型無關  １０５
４．１．４ 摩擦與擴散之間存在定量聯(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：華爾街里的無規(guī)行走  １１４
§４．４ 關于擴散的更多知識  １１５
４．４．１ 擴散支配著亞細胞世界  １１５
４．４．２ 擴散行為可用簡單方程刻畫  １１６
４．４．３ 隨機過程的精確統(tǒng)計預測  １１９
§４．５ 函數(shù)、導數(shù)與“地毯下的蛇”  １１９
４．５．１ 函數(shù)能描繪定量關系的細節(jié)  １１９
４．５．２ 兩變量函數(shù)可用地形圖直觀顯示  １２１
§４．６ 擴散概念用于考察生物學  １２２
４．６．１ 人造膜的通透性源于擴散  １２２
４．６．２ 擴散為細菌代謝設定了一個基本限制  １２４
４．６．３ 能斯特關系設定了膜電勢的量級  １２５
４．６．４ 溶液電阻反映了摩擦耗散  １２８
４．６．５ 從單點開始的擴散產(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 摩擦和慣性的相對重要程度由雷諾數(shù)定量刻畫  １５６
５．２．３ 動力學定律的時間反演特征反映了它的耗散性  １５８
§５．３ 對生物學的考察  １６１
５．３．１ 泳動與泵動  １６１
５．３．２ 攪動或是不攪動  １６５
５．３．３ 覓食、攻擊與逃生  １６６
５．３．４ 脈管網(wǎng)絡  １６７
５．３．５ ＤＮＡ復制叉上的黏性阻力 １６９
§５．４ 題外話：物理定律的特性  １７１
小結(jié)  １７２
拓展  １７４
習題  １７７
第６章 熵、溫度與自由能  １８４
§６．１ 如何度量無序  １８４
§６．２ 熵  １８７
６．２．１ 統(tǒng)計假說  １８７
６．２．２ 熵是一個常量與最大無序度的乘積  １８９
§６．３ 溫度  １９０
６．３．１ 熱流是系統(tǒng)趨于最大無序的后果  １９０
６．３．２ 溫度是系統(tǒng)平衡態(tài)的統(tǒng)計性質(zhì)  １９２
§６．４ 熱力學第二定律  １９４
６．４．１ 約束去除時熵自發(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爭  １９８
６．５．２ 熵力可以表達為自由能的導數(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 作為熱機的生物圈  ２０３
§６．６ 微觀系統(tǒng)  ２０４
６．６．１ 由統(tǒng)計假說可得到玻爾茲曼分布  ２０４
６．６．２ 玻爾茲曼分布的動力學解釋  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
習題  ２２３
第７章 細胞內(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 對布朗運動“整流”導致滲透力的產(chǎn)生  ２３８
７．３．２ 滲透流與力致滲透定量相關  ２４２
§７．４ 溶液中的靜電力  ２４３
７．４．１ 靜電作用對細胞的正常功能至關重要  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  ２５４
７．５．２ 氫鍵網(wǎng)絡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
習題  ２６９
第８章 化學力和自組裝  ２７６
§８．１ 化學勢  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 化學反應  ２８０
８．２．１ 化學力均衡導致化學平衡  ２８０
８．２．２ Δ犌可作為化學反應方向的統(tǒng)一判據(jù)  ２８２
８．２．３ 復雜平衡的動力學解釋  ２８６
８．２．４ 原生湯處于化學失衡狀態(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 臨界濃度時發(fā)生的膠束自組裝  ２９５
§８．５ 題外話：關于數(shù)據(jù)擬合  ２９８
§８．６ 細胞內(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
習題  ３１１
第Ⅲ部分 分子、機器、工作機制
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 為什么物理學能有效描述物質(zhì)世界  ３１８
９．１．２ 細長桿的彈性可用四個唯象參量刻畫  ３２０
９．１．３ 高分子以熵力抵抗拉伸  ３２２
§９．２ 單個大分子的拉伸  ３２５
９．２．１ ＤＮＡ單分子的力 伸長曲線可以測定  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)同作用可導致無限急遽的相變  ３３５
§９．５ 熱、化學或力過程中的開關行為  ３３６
９．５．１ 螺旋 線團轉(zhuǎn)變可以用偏振光觀察  ３３７
９．５．２ 螺旋 線團轉(zhuǎn)變可用三個唯象參量描述  ３３９
９．５．３ 螺旋 線團轉(zhuǎn)變中相關量的計算  ３４１
９．５．４ ＤＮＡ也呈現(xiàn)出協(xié)同“熔化” ３４５
９．５．５ 機械外力可以誘導大分子發(fā)生協(xié)同結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變  ３４６
§９．６ 別構(gòu)效應  ３４７
９．６．１ 血紅蛋白與四個氧分子協(xié)同結(jié)合  ３４７
９．６．２ 別構(gòu)效應常涉及分子亞基的相對運動  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
習題  ３６４
第１０章 酶與分子機器  ３７０
§１０．１ 細胞內(nèi)分子器件概述  ３７１
１０．１．１ 術語  ３７１
１０．１．２ 酶的飽和動力學  ３７１
１０．１．３ 真核細胞都擁有循環(huán)馬達  ３７２
１０．１．４ 耗盡型機器參與細胞移動和結(jié)構(gòu)排布  ３７５
§１０．２ 純力學機器  ３７７
１０．２．１ 宏觀機器可由能量面描述  ３７７
１０．２．２ 微觀機器能跨越勢壘  ３８０
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  ３８２
§１０．３ 力學原理的分子實現(xiàn)  ３８８
１０．３．１ 三個觀點  ３８８
１０．３．２ 反應坐標為化學過程提供了方便簡化的描述  ３８９
１０．３．３ 酶與過渡態(tài)結(jié)合從而催化反應  ３９１
１０．３．４ 力學化學馬達的運動可視為二維能量面上的無規(guī)行走  ３９５
§１０．４ 真實酶及分子機器的動力學  ３９６
１０．４．１ 米 曼規(guī)則可描述簡單酶的動力學  ３９７
１０．４．２ 酶活性的調(diào)節(jié)  ４００
１０．４．３ 雙頭驅(qū)動蛋白可作為緊耦聯(lián)的理想棘輪  ４００
１０．４．４ 分子馬達在無緊耦聯(lián)或發(fā)力沖程的情況下仍能移動  ４０８
§１０．５ 展望：分子馬達種種 ４１３
小結(jié)  ４１４
拓展  ４１７
習題  ４２４
第１１章 嵌膜機器  ４３４
§１１．１ 電滲效應  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  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 真核細胞膜電位的觀測值暗示這些細胞遠離唐南平衡  ４４０
１１．２．２ 歐姆電導假設  ４４２
１１．２．３ 主動泵送既維持了定態(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 母線和傳動軸將能量分配到工廠各處  ４４９
１１．３．２ 呼吸作用相關的生化知識  ４５０
１１．３．３ 線粒體內(nèi)膜在化學滲透機制中用作匯流母線  ４５２
１１．３．４ 化學滲透機制的驗證  ４５４
１１．３．５ 展望：細胞在其他場合下也利用化學滲透耦聯(lián) ４５７
§１１．４ 題外話：“給鞭毛馬達加電” ４５８
小結(jié)  ４５９
拓展  ４６１
習題  ４６３
第１２章 神經(jīng)沖動  ４６７
§１２．１ 關于神經(jīng)沖動的問題  ４６８
１２．１．１ 動作電位的現(xiàn)象學  ４６８
１２．１．２ 細胞膜可視為電路網(wǎng)絡  ４７１
１２．１．３ 從膜的歐姆電導行為到無行波解的線性電纜方程  ４７５
§１２．２ 動作電位的簡化模型  ４７９
１２．２．１ 難題  ４７９
１２．２．２ 力學類比  ４７９
１２．２．３ 動作電位簡史  ４８１
１２．２．４ 動作電位隨時間變化的過程提示了電壓門控假說  ４８３
１２．２．５ 從電壓門控機制到具有行波解的電纜方程  ４８７
§１２．３ 霍奇金 赫胥黎機制的完整形式及其分子基礎  ４９１
１２．３．１ 不同離子電導在膜電位改變時各自遵循一個特征時間過程  ４９１
１２．３．２ 膜片鉗技術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)的計算 ５０４
小結(jié)  ５０５
拓展  ５０８
習題  ５０９
致謝  ５１４
后記  ５１７
譯后記  ５１８
附錄犃 符號及單位 ５２０
附錄犅 數(shù)值 ５２８
引用說明  ５３３
參考文獻  ５３６
索引  ５５１