【生物物理學：能量資訊生命】

內容簡介

本書介紹了生物物理學的物理知識基礎，結合生物學中的實例，介紹了熱力學、統計物理和流體力學的有關知識。 本書的第一部分介紹了能量、資訊與生命三者間關係的概貌。 第二部分關注細胞中分子層面的擴散、耗散及驅動現象，並詳細介紹了其中的物理原理。 第三部分側重於將第二部分中的物理原理應用於解釋更為複雜的大分子、分子機器的工作機制之中。

本書是一本較為系統地具體介紹生物學中物理原理的教材，體現了生物學和物理學的交叉學科研究的思想，適合於配套大學相關課程使用。

《生物物理學：能量、信息、生命》的第一版已經成為頗受歡迎的生物物理學教材和參考書。 2020年，納爾遜教授再次對書中內容進行了修正和補充，形成了現時的版本。

作者簡介

菲利普•納爾遜（Philip Nelson）：美國著名物理學家，賓夕法尼亞大學教授，著有《生物物理學：能量、信息、生命》、《生命系統的物理建模》《從光子到神經元——光、成像和視覺》等廣受歡迎的大學及研究生教材。

目錄

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：作為資訊的無序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回憶定義18

1.4.3量綱分析還可以幫助你構想假說19

1.4.4組織和作圖法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能24

1.5.4低密度氣體遵從一條普適定律25

小結26

拓展28

習題29

第2章細胞內部結構一覽33

§2.1細胞生理學35

2.1.1內部大體解剖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質膜50

2.3.2分子馬達51

2.3.3酶和調節蛋白52

2.3.4細胞內的總信息流53

小結55

拓展57

習題58

第Ⅱ部分擴散、耗散及驅動

第3章分子的舞蹈63

§3.1生活中的概率63

3.1.1離散分佈64

3.1.2連續分佈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分子速度的總體分佈是實驗可測的75

3.2.3玻爾茲曼分佈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：遺傳現象的啟示81

3.3.1亞里斯多德介入爭論81

3.3.2鑒定遺傳資訊的物質載體81

3.3.3薛定諤的總結：遺傳資訊有對應的物質結構87

小結91

拓展93

習題94

第4章無規行走、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系107

§4.2題外話：愛因斯坦所扮演的角色109

§4.3其他無規行走110

4.3.1高分子構象110

4.3.2展望：華爾街裏的無規行走114

§4.4關於擴散的更多知識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隨機過程的精確統計預測119

§4.5函數、導數與“地毯下的蛇”119

4.5.1函數能描繪定量關係的細節119

4.5.2兩變數函數可用地形圖直觀顯示121

§4.6擴散概念用於考察生物學122

4.6.1人造膜的通透性源於擴散122

4.6.2擴散為細菌代謝設定了一個基本限制124

4.6.3能斯特關係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生不斷延展的高斯型濃度分佈128

小結130

拓展133

習題139

第5章慢航道中的生命：小雷諾數世界148

§5.1流體中的摩擦148

5.1.1足够小的粒子能够永久懸浮148

5.1.2沉降速率取決於溶劑黏度150

5.1.3黏性液體難以混合151

§5.2小雷諾數153

5.2.1摩擦支配的範圍由臨界力界定153

5.2.2摩擦和慣性的相對重要程度由雷諾數定量刻畫156

5.2.3動力學定律的時間反演特徵反映了它的耗散性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脈管網絡167

5.3.5DNA複製叉上的黏性阻力169

§5.4題外話：物理定律的特性171

小結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統計假說187

6.2.2熵是一個常數與最大無序度的乘積189

§6.3溫度190

6.3.1熱流是系統趨於最大無序的後果190

6.3.2溫度是系統平衡態的統計性質192

§6.4熱力學第二定律194

6.4.1約束去除時熵自發新增194

6.4.2三條注釋197

§6.5開放系統198

6.5.1子系統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200

6.5.3在小的受控步驟中自由能轉換效率更高201

6.5.4作為熱機的生物圈203

§6.6微觀系統204

6.6.1由統計假說可得到玻爾茲曼分佈204

6.6.2玻爾茲曼分佈的動力學解釋206

6.6.3最小自由能原則也適用於微觀子系統209

6.6.4自由能决定複雜二態系統的能態分佈210

§6.7題外話：“作為二態系統的RNA折疊”211

小結214

拓展217

習題223

第7章細胞內的熵力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雲247

7.4.4同荷表面相斥源於所攜離子雲的壓縮251

7.4.5平衡離子釋放導致异荷表面相吸254

§7.5水的特殊性質254

7.5.1液態水含有鬆散的氫鍵網絡254

7.5.2氫鍵網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生熵吸引260

小結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玻爾茲曼分佈可推廣到含粒子交換的情况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一判據282

8.2.3複雜平衡的動力學解釋286

8.2.4原生湯處於化學失衡狀態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酸和堿的强度反映其解離平衡常數288

8.3.3蛋白質帶電狀態隨環境改變290

8.3.4電泳可靈敏地量測蛋白質組成291

§8.4兩親分子的自組裝293

8.4.1兩親分子降低水油介面的張力從而形成乳狀液293

8.4.2臨界濃度時發生的膠束自組裝295

§8.5題外話：關於數據擬合298

§8.6細胞內的自組裝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章大分子的協同變構317

§9.1高分子的彈性模型317

9.1.1為什麼物理學能有效描述物質世界318

9.1.2細長杆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

9.2.1DNA單分子的力伸長曲線可以測定325

9.2.2二態模型可定性解釋小拉伸力情况下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協同性332

9.4.1轉移矩陣方法可以準確處理彎曲協同性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在高維系統中協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螺旋線團轉變可以用偏振光觀察337

9.5.2螺旋線團轉變可用三個唯象參量描述339

9.5.3螺旋線團轉變中相關量的計算341

9.5.4DNA也呈現出協同“熔化”345

9.5.5機械外力可以誘導大分子發生協同結構轉變346

§9.6別構效應347

9.6.1血紅蛋白與四個氧分子協同結合347

9.6.2別構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”是大量子態的連續分佈350

小結352

拓展354

習題364

第10章酶與分子機器370

§10.1細胞內分子器件概述371

10.1.1術語371

10.1.2酶的飽和動力學371

10.1.3真核細胞都擁有迴圈馬達372

10.1.4耗盡型機器參與細胞移動和結構排布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388

10.3.1三個觀點388

10.3.2反應座標為化學過程提供了方便簡化的描述389

10.3.3酶與過渡態結合從而催化反應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行走395

§10.4真實酶及分子機器的動力學396

10.4.1米曼規則可描述簡單酶的動力學397

10.4.2酶活性的調節400

10.4.3雙頭驅動蛋白....

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【生命系統的物理建模】

內容簡介

《生命系統的物理建模》源於飛利浦•納爾遜（Philip Nelson）教授在賓夕法尼亞大學授課數年的講義，面向的學生主要是2-3年級的理工科學生。 不同於先前的生物物理教材往往著眼於介紹生命系統的物理現象，本書側重於通過物理建模的管道從定量實驗數據中提煉出科學規律，為最終實現生命科學數學化提出了自己的方法。

本書可以用於生物物理學專業的基礎課教學，也適合作為許多其他專業學生拓展知識的優秀讀物，包括物理學、生物學、化學、應用數學等專業。 書中部分內容超越了本科範圍，只要納入教師自己的專業知識，本書同樣很方便作為研究生教材。

作者簡介

菲利普•納爾遜（Philip Nelson）：美國著名物理學家，賓夕法尼亞大學教授，著有《生物物理學：能量、信息、生命》、《生命系統的物理建模》《從光子到神經元——光、成像和視覺》等廣受歡迎的大學及研究生教材。

目錄

引言：HIV研究的突破得益於學科交叉1

第1篇預備知識6

第1章病毒動力學

1.1導讀：擬合………………………………………………………………6

1.2HIV感染過程建模………………………………………………………7

1.2.1生物背景…………………………………………………………7

1.2.2半對數圖可以揭示數據的指數關係………………………………9

1.2.3鑒別系統要素及其主要相互作用是物理建模的第一步………10

1.2.4數學分析可以預測一系列行為……………………………………11

1.2.5大部分模型都需要用數據擬合……………………………………13

1.2.6過約束與過擬合……………………………………………………14

1.3有關建模的幾句忠告…………………………………………………15

總結……………………………………………………………………………16

拓展……………………………………………………………………………19

習題……………………………………………………………………………21

第2章物理學與生物學26

2.1導讀：推斷………………………………………………………………26

2.2交叉…………………………………………………………………27

2.3量綱分析…………………………………………………………………28

總結……………………………………………………………………………28

習題……………………………………………………………………………30

第2篇生物學中的隨機性

第3章離散型隨機性34

3.1導讀：分佈………………………………………………………………34

3.2隨機性事例………………………………………………………………35

3.2.1五個典型事例闡明隨機性概念……………………………………35

3.2.2隨機系統的電腦類比……………………………………………39

3.2.3生物和生化的隨機性事例…………………………………………39

3.2.4假像：流行病學中的成簇…………………………………………40

3.3離散型隨機系統的概率分佈…………………………………………40

3.3.1概率分佈描述了隨機系統在什麼程度上是可預測的…………40

3.3.2隨機變數將數值與樣本空間中的點相關聯………………………42

3.3.3加法規則……………………………………………………………43

3.3.4減法規則…………………………………………………………43

3.4條件概率…………………………………………………………………44

3.4.1條件概率是兩概率的比值…………………………………………44

3.4.2獨立事件與乘法規則………………………………………………45

3.4.3嬰兒床死亡事件與檢察官謬論……………………………………45

3.4.4幾何分佈描述一系列獨立嘗試後獲得成功所需的等待時間…46

3.4.5聯合分佈……………………………………………………………48

3.4.6醫學檢查的恰當解釋需要條件概率為前提……………………49

3.4.7貝葉斯公式凝練了條件概率的計算………………………………52

3.5期望和矩…………………………………………………………………53

3.5.1期望表達的是隨機變數多次試驗的平均值……………………53

3.5.2隨機變數的方差是其漲落的一種度量……………………………55

3.5.3平均值的標準誤差隨樣本數的新增而减小……………………57

3.5.4關聯性和協方差……………………………………………………58

總結……………………………………………………………………………60

拓展……………………………………………………………………………63

習題……………………………………………………………………………65

第4章實用離散分佈74

4.1導讀：類比………………………………………………………………74

4.2二項式分佈………………………………………………………………74

4.2.1溶液中取樣的過程等同於伯努利試驗……………………………74

4.2.2多次伯努利試驗的總和遵循二項式分佈…………………………75

4.2.3期望和方差…………………………………………………………76

4.2.4如何計算細胞內的螢光分子數……………………………………77

4.2.5二項式分佈的電腦類比…………………………………………78

4.3泊松分布………………………………………………………………79

4.3.1樣本數趨於無窮時二項式分佈變得簡單…………………………79

4.3.2低概率的伯努利試驗之和服從泊松分布…………………………80

4.3.3泊松分布的電腦類比……………………………………………83

4.3.4單離子通道的電導測定……………………………………………83

4.3.5泊松分布的簡單卷積運算…………………………………………84

4.4中獎分佈及細菌遺傳學………………………………………………86

4.4.1理論正確很重要……………………………………………………86

4.4.2不可重複的實驗數據仍然可能包含重要資訊…………………87

4.4.3抗性產生機制的兩個模型…………………………………………88

4.4.4盧-德假說對倖存數的分佈做出可檢驗的預測…………………89

4.4.5展望…………………………………………………………………92

總結…………………………………………………………………………93

拓展……………………………………………………………………………95

習題……………………………………………………………………………98

第5章連續分佈107

5.1導讀：長尾分佈………………………………………………………107

5.2概率密度函數……………………………………………………………107

5.2.1連續隨機變數概率分佈的定義……………………………………107

5.2.2三個關鍵分佈：均勻分佈、高斯分佈和柯西分佈……………109

5.2.3連續隨機變數的聯合分佈…………………………………………111

5.2.4三個關鍵分佈的期望和方差………………………………………112

5.2.5卷積和混合分佈……………………………………………………114

5.2.6概率密度函數的變換………………………………………………115

5.2.7特定分佈的電腦類比……………………………………………117

5.3高斯分佈…………………………………………………………………118

5.3.1高斯分佈起源於二項式分佈的極限情形…………………………118

5.3.2中心極限定理解釋高斯分佈的普遍性………………………………119

5.3.3高斯分佈的局限性……………………………………………………120

5.3.4擴散定律……………………………………………………………121

5.4長尾分佈…………………………………………………………………123

5.4.1許多複雜系統產生長尾分佈………………………………………123

5.4.2雙對數圖可以揭示數據的幂律關係…………………………………123

總結…………………………………………………………………………………125

拓展………………………………………………………………………………128

習題…………………………………………………………………………………132

第6章能量面上的隨機行走141

6.1導讀：首通時間…………………………………………………………141

6.2粒子………………………………………………………………………141

6.2.1分子擴散的隨機行走模型……………………………………………141

6.2.2有偏隨機行走模型…………………………………………………142

6.3勢阱中的隨機行走……………………………………………………144

6.3.1力場可用位置依賴的步進概率來建模……………………………144

6.3.2玻爾茲曼分佈………………………………………………………144

6.4逃逸……………………………………………………………………146

6.4.1首通時間為單分子水准上的速率概念提供了定量詮釋………146

6.4.2簡單情况中拉力會加速解離………………………………………148

6.5逆鎖鍵……………………………………………………………………150

6.5.1分子對有多種解離路徑……………………………………………150

6.5.2單分子實驗量測整個解離時間分佈………………………………152

6.5.3逆鎖鍵在生物分子中的實現…………………………………………153

6.6生物學效應………………………………………………………………153

6.6.1免疫細胞啟動涉及逆鎖鍵…………………………………………153

6.6.2白細胞滾動也依賴於逆鎖鍵………………………………………156

6.6.3細胞黏附複合物的形成……………………………………………157

總結……………………………………………………………………………158

拓展……………………………………………………………………………160

習題……………………………………………………………………………163

第7章模型選擇和參數估計168

7.1導讀：似然………………………………………………………………168

7.2最大似然…………………………………………………………………169

7.2.1模型好壞的評判……………………………………………………169

7.2.2不確定情况下的決策………………………………………………170

7.2.3貝葉斯公式給出新數據更新置信度的自洽方案………………171

7.2.4計算似然的實用方法………………………………………………172

7.3參數估計…………………………………………………………………174

7.3.1直覺…………………………………………………………………174

7.3.2模型參數的最大可能值可以由有限數据集得出………………174

7.3.3置信區間給出與當前數據一致的參數範圍……………………176

7.3.4小結…………………………………………………………………177

7.4盧裏亞-德爾布呂克實驗的似然分析…………………………………178

7.5定位顯微鏡………………………………………………………………178

7.5.1顯微術………………………………………………………………178

7.5.2納米精度的螢光成像………………………………………………179

7.5.3完整成像：PALM/FPALM/S..................