生物力能學(xué)

生物力能學(xué)是生物物理學(xué)的分支學(xué)科。它是研究生命過程中的能量在不同形式間的轉(zhuǎn)變，及其在數(shù)量間的變化，也稱為生物能力學(xué)或生物能學(xué)。

　　自然界所發(fā)生的一切運(yùn)動(dòng)，都伴隨著能量的變化，生命過程也不例外。有機(jī)體生活在一定的環(huán)境之中，它必須不斷地從外界獲得能量，才能維持生命和進(jìn)行必要的生命過程，這是能量的吸收。把從外界所吸收的能量轉(zhuǎn)變成為適于在體內(nèi)儲(chǔ)存的能量形式，這是能量的儲(chǔ)存。

　　在合適的條件下，被吸收的能量將在體內(nèi)轉(zhuǎn)移到需要能量來啟動(dòng)某種反應(yīng)的部位，例如，蛋白質(zhì)所吸收的光能往往可以在整個(gè)蛋白質(zhì)中轉(zhuǎn)移，使其最終效應(yīng)常表現(xiàn)為某一個(gè)或幾個(gè)化學(xué)鍵的斷裂。這種過程是能量的轉(zhuǎn)移。

　　被吸收或被轉(zhuǎn)移的能量在生命過程中經(jīng)常發(fā)生能量形式的變換，例如，肌肉收縮時(shí)，高能磷酸鍵的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能而做功；光合作用中光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能；視覺過程中光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芏�產(chǎn)生視覺，這些都是能量的轉(zhuǎn)化和利用。

　　機(jī)體在其長期進(jìn)化過程中所形成的組織與器官對外界能量有一定的適應(yīng)范圍，在受到超出這一范圍的能量作用時(shí)往往使機(jī)體受到損傷。例如強(qiáng)烈日曬或大劑量高能輻射的作用可能引起各種疾病，這是能量對機(jī)體的損傷作用。

　　簡言之，有機(jī)體以及具有生物學(xué)活性的大分子，對于能量的吸收、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化、利用及其損傷作用基本規(guī)律的研究，就組成為生物力能學(xué)的基本內(nèi)容。

　　生物力能學(xué)的研究可以從兩個(gè)不同的角度進(jìn)行，即宏觀的角度和微觀的角度。宏觀的生物力能學(xué)從整個(gè)體系的能量形式和變化進(jìn)行研究，而不追究體系本身結(jié)構(gòu)的變化細(xì)節(jié)。所謂體系既可以指群體和個(gè)體，也可以指參與反應(yīng)的一組分子。

　　宏觀生物力能學(xué)也稱為生物熱力學(xué)，它廣泛應(yīng)用了物理學(xué)中的熱力學(xué)理論，首先是經(jīng)典熱力學(xué)的基本定律，并用熱力學(xué)參數(shù)來表達(dá)數(shù)量關(guān)系。例如，從葡萄糖和果糖合成蔗糖是一個(gè)ATP(腺苷三磷酸)的水解過程。這一過程與合成反應(yīng)相偶聯(lián)。熱力學(xué)計(jì)算表明這一需能反應(yīng)的自由能為5.5千卡每克分子。

　　經(jīng)典熱力學(xué)定律只適用于孤立體系，而生命體系是一個(gè)開放體系，生命過程是一個(gè)和外界環(huán)境不斷進(jìn)行物質(zhì)與能量交換的不可逆過程。近年來不可逆過程熱力學(xué)研究不斷發(fā)展，熱力學(xué)在生物學(xué)中的應(yīng)用大大擴(kuò)展。例如，經(jīng)典熱力學(xué)難以解釋的“主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)”過程(離子在細(xì)胞膜內(nèi)外對抗?jié)舛忍荻鹊倪\(yùn)動(dòng))，用不可逆過程熱力學(xué)就能作出較好的說明。

　　最新的“耗散結(jié)構(gòu)”理論進(jìn)一步推動(dòng)了這方面的進(jìn)展。耗散理論認(rèn)為：遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)，同樣可以是穩(wěn)定的。這種狀態(tài)的維持，需要不斷有物質(zhì)與能量的供應(yīng)，這種狀態(tài)可以有一定的空間結(jié)構(gòu)，在時(shí)間上有一定的運(yùn)動(dòng)秩序。而這些正是生命現(xiàn)象的重要特征。

　　微觀的生物力能學(xué)把能量狀態(tài)及變化和分子的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)結(jié)合在一起，具體研究能量從吸收到利用的全過程。這就使微觀生物力能學(xué)實(shí)際上成為分子生物物理學(xué)的一個(gè)組成部分。它在研究中廣泛應(yīng)用量子論和量子力學(xué)的方法，又使其和量子生物學(xué)緊密聯(lián)系。

　　微觀生物力能學(xué)是當(dāng)前生物力能學(xué)的主要發(fā)展方向，其主要內(nèi)容可歸納為：生物分子的電子結(jié)構(gòu)研究；能量轉(zhuǎn)移理論的研究，這類研究對于弄清一個(gè)具體體系中的能量傳遞過程具有重要意義；瞬時(shí)活性物質(zhì)的研究；結(jié)構(gòu)與能量關(guān)系的研究，與生物膜相聯(lián)的能量轉(zhuǎn)換作用是當(dāng)前生物物理研究中最受注意的一個(gè)問題；損傷與修復(fù)機(jī)制的研究等等。

　　應(yīng)用生物力能學(xué)的基本規(guī)律所研究的課題，幾乎遍及生物學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)前比較受重視和研究比較深入的主要有下列幾個(gè)問題，即氧化磷酸化作用、光合磷酸化作用、肌肉收縮、視覺過程、生物發(fā)光、離子的跨膜輸運(yùn)、光的生物學(xué)作用、高能輻射對機(jī)體與生物大分子的原初作用等等。