01 / 导读
导读
引用
Ethier, C. R., & Simmons, C. A. (2007). Introductory Biomechanics: From Cells to Organisms. Cambridge University Press.
章节概要
全书共十章和一个附录，约500页。据前言介绍，每一章都先回顾相关的生物学知识，然后找出并描述该力学问题的本质方面。第2章篇幅远超其他各章，约100页。
第1章：导论
把生物工程定义为工程原理在生物系统中的应用，把生物力学定义为研究物理力如何与生命系统相互作用的学科。该章论证生物力学对生长、发育、组织重塑和某些疾病都很重要，并以骨细胞根据力学应力和应变增加或移除骨质为例。
第2章：细胞生物力学
篇幅最长的一章。它只讨论真核细胞，先回顾细胞的结构，包括各种膜和细胞器，再进入细胞的力学。后面的章节会回头引用其中关于细胞外基质的一节。
第3章：血流动力学
讨论血液的流动及产生流动的力，主要把血液看作生理上重要物质的被动载体。它从血液流变学开始，即材料在受力时如何变形或流动，并引入应力的概念。
第4章：循环系统
从工程角度审视心脏和血管：由两个串联的搏动泵驱动、呈分支状的管道网络。该章从血管系统的解剖和肺循环与体循环的划分入手，强调各组成部分如何运作、如何协同输送血液。
第5章：间质
这是一个短章（约十页），讲毛细血管周围的空间，由嵌入细胞外基质的细胞构成。它考察间质液的流动，以及流动阻力为何取决于基质成分、细胞密度和堆积方式。
第6章：眼生物力学
把眼睛描述为一个带有液体生成和引流的、加压的厚壁壳体，并说明力学在调节以及青光眼、黄斑变性、近视和老视等疾病中的作用。该章从眼的解剖开始。
第7章：呼吸系统
从大体解剖、分支状的传导气道和发生气体交换的腺泡开始，然后转入呼吸力学。
第8章：肌肉与运动
介绍三种肌肉类型，然后专注于骨骼肌，并按肌肉产生ATP的方式（有氧与无氧）分类。它提供了第10章运动分析所依赖的肌肉和骨骼力学。
第9章：骨骼生物力学
讲骨骼系统的结缔组织（骨、软骨、韧带和肌腱），先从骨的功能、结构和生物力学行为入手。
第10章：陆地运动
对行走和跑步作描述性和定量的分析，同时讨论跳跃，其中把原地跳跃分为蹬地和腾空两个阶段，通过重心的运动来分析。
附录：心电图
一个简短的附录（约九页），介绍心电图，将其作为血管树中搏动血流、压力和动脉搏动的参考信号，并说明心肌细胞的电活动。
核心概念
细胞与流体（第1–5章）
- 力学生物学：细胞和组织对力学应力和应变作出反应的观点。
- 血液流变学：血液在应力作用下如何变形和流动。
- 作为网络与泵的循环：动脉、静脉和搏动的心脏，被当作带泵的分支管网。
- 间质流动阻力：组织结构如何决定间质中液体的移动。
器官系统（第6–7章）
- 眼压与调节：眼睛的力学功能及其与疾病的关系。
- 呼吸力学：气道分支与肺的力学。
运动（第8–10章）
- 骨骼肌能量学：有氧与无氧的ATP生成。
- 作为力学组织的骨：结构与承载行为。
- 运动分析：通过重心的运动来描述跳跃、行走和跑步。
评析
优点
- 从零开始讲生物学。 前言说明不假定读者具备生物学、解剖学或生理学知识，每章都以相关背景开篇。因此机械或化学工程及物理科学背景的读者可以直接开始。
- 跨尺度的统一视角。 各章从单个细胞出发，经过血液、血管、组织和器官，直到全身运动，因此一套一致的力学处理把它们联系起来。作者把这种方法描述为：将生物系统简化为本质要素，运用力学定律，再把结果与生物学功能联系起来。
- 有书评者称赞其清晰。 出版社页面引用了德州农工大学 James E. Moore Jr. 的评价：本书源自一门长期面向非生物工程专业学生的课程，叙述清晰直接，插图质量极佳。
- 为课程而写。 作者因找不到适合工程专业读者的教材，根据在多伦多大学讲授的生物力学入门课程写成此书；出版社还提到有大量习题和数百篇参考文献。
局限
- 有意取舍。 前言说明本书不是对任何分支的详尽专论，而是对众多主题的入门介绍。有几章各自围绕一个器官系统，而关于间质的一章只有约十页。
- 力学先修要求。 前言期望读者学过动力学、静力学、流体力学、热力学和固体力学入门课程。缺少这些基础的读者需要另行补习。
- 各章内部的范围选择。 第2章只讲真核细胞，第8章只专注于骨骼肌，因此平滑肌和心肌没有展开。本书出版于2007年，此后的进展不在其内。
在课程中的定位
Ethier 和 Simmons 的这本书适合工程专业学生的第一门生物力学课。Özkaya 等人的 Fundamentals of Biomechanics 从基本原理出发，为没有工程背景的读者建立静力学、动力学和变形体力学；Knudson 的 Fundamentals of Biomechanics 是以代数水平计算为主的人体运动入门；需要先打好力学基础的学生可以先读其中之一。Peterson 和 Bronzino 的编著则在各自独立撰写的章节中涵盖更专门的主题，例如冲击损伤和内耳力学，更适合在学完这样一门课之后作为参考书使用。
希望学习严格的连续介质力学的读者，可以读 Humphrey 和 O'Rourke 的 An Introduction to Biomechanics，该书完整推导了固体和流体的控制方程；Fung 的 Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues 则是论述生物材料本构行为的经典专著。Ethier 和 Simmons 介于以人体运动为主的入门书与这些连续介质力学著作之间：这是一部从细胞到生物体的教科书，把力学应用于具体的生理问题。
如何使用本书
先读前言了解所假定的背景，再读导论（第1章）。一条合理的核心路线是：第3、4章（血液与循环）、第8、9章（肌肉与骨骼）和第10章（运动），它们相互衔接。第2章篇幅很大，可以选择性地使用：先读细胞结构的回顾，再读与课程相关的力学部分。第5、6、7章可根据课程的侧重点选读，心电图附录则是第3、4章的简短补充。
阅读每一章时，先认真读生理学介绍，再开始分析，因为作者希望用生物学来为力学搭建框架。请做章末习题（出版社称习题数量很多），并利用参考文献做延伸阅读。如果力学基础不牢，可在读前几章的同时复习静力学、固体力学和流体力学。