生物力能学

生物力能学是生物物理学的分支学科。它是研究生命过程中的能量在不同形式间的转变，及其在数量间的变化，也称为生物能力学或生物能学。

　　自然界所发生的一切运动，都伴随着能量的变化，生命过程也不例外。有机体生活在一定的环境之中，它必须不断地从外界获得能量，才能维持生命和进行必要的生命过程，这是能量的吸收。把从外界所吸收的能量转变成为适于在体内储存的能量形式，这是能量的储存。

　　在合适的条件下，被吸收的能量将在体内转移到需要能量来启动某种反应的部位，例如，蛋白质所吸收的光能往往可以在整个蛋白质中转移，使其最终效应常表现为某一个或几个化学键的断裂。这种过程是能量的转移。

　　被吸收或被转移的能量在生命过程中经常发生能量形式的变换，例如，肌肉收缩时，高能磷酸键的化学能转变为机械能而做功；光合作用中光能转变为化学能；视觉过程中光能转变为电能而产生视觉，这些都是能量的转化和利用。

　　机体在其长期进化过程中所形成的组织与器官对外界能量有一定的适应范围，在受到超出这一范围的能量作用时往往使机体受到损伤。例如强烈日晒或大剂量高能辐射的作用可能引起各种疾病，这是能量对机体的损伤作用。

　　简言之，有机体以及具有生物学活性的大分子，对于能量的吸收、储存、转移、转化、利用及其损伤作用基本规律的研究，就组成为生物力能学的基本内容。

　　生物力能学的研究可以从两个不同的角度进行，即宏观的角度和微观的角度。宏观的生物力能学从整个体系的能量形式和变化进行研究，而不追究体系本身结构的变化细节。所谓体系既可以指群体和个体，也可以指参与反应的一组分子。

　　宏观生物力能学也称为生物热力学，它广泛应用了物理学中的热力学理论，首先是经典热力学的基本定律，并用热力学参数来表达数量关系。例如，从葡萄糖和果糖合成蔗糖是一个ATP(腺苷三磷酸)的水解过程。这一过程与合成反应相偶联。热力学计算表明这一需能反应的自由能为5.5千卡每克分子。

　　经典热力学定律只适用于孤立体系，而生命体系是一个开放体系，生命过程是一个和外界环境不断进行物质与能量交换的不可逆过程。近年来不可逆过程热力学研究不断发展，热力学在生物学中的应用大大扩展。例如，经典热力学难以解释的“主动转运”过程(离子在细胞膜内外对抗浓度梯度的运动)，用不可逆过程热力学就能作出较好的说明。

　　最新的“耗散结构”理论进一步推动了这方面的进展。耗散理论认为：远离平衡态的系统，同样可以是稳定的。这种状态的维持，需要不断有物质与能量的供应，这种状态可以有一定的空间结构，在时间上有一定的运动秩序。而这些正是生命现象的重要特征。

　　微观的生物力能学把能量状态及变化和分子的结构与运动结合在一起，具体研究能量从吸收到利用的全过程。这就使微观生物力能学实际上成为分子生物物理学的一个组成部分。它在研究中广泛应用量子论和量子力学的方法，又使其和量子生物学紧密联系。

　　微观生物力能学是当前生物力能学的主要发展方向，其主要内容可归纳为：生物分子的电子结构研究；能量转移理论的研究，这类研究对于弄清一个具体体系中的能量传递过程具有重要意义；瞬时活性物质的研究；结构与能量关系的研究，与生物膜相联的能量转换作用是当前生物物理研究中最受注意的一个问题；损伤与修复机制的研究等等。

　　应用生物力能学的基本规律所研究的课题，几乎遍及生物学的各个领域。当前比较受重视和研究比较深入的主要有下列几个问题，即氧化磷酸化作用、光合磷酸化作用、肌肉收缩、视觉过程、生物发光、离子的跨膜输运、光的生物学作用、高能辐射对机体与生物大分子的原初作用等等。