Principles and Models of Biological Transport（生物输运的原理与模型）

引用

Friedman, M. H. (2008). Principles and Models of Biological Transport (2nd ed.). Springer.

章节概要

第二版共十一章。作者在前言中说明，本书与初版一样，讨论生命系统中的质量输运过程，重点是真核细胞及其构成的生物体在正常生理环境中的正常行为。因此它不同于常规的输运教材：它不是从质量输运的工程原理出发再去寻找生物学应用，而是从生物学过程出发，再发展出描述这些过程所需的模型和分析工具。许多过程仍需用现象学方法描述，例如非平衡热力学；参数很少的简单电学类比，往往比详尽的理论更有用。

第1章：Equilibrium Thermodynamics（平衡态热力学）

本书以平衡态热力学开篇，在任何输运机制出现于章节标题之前。

第2章：Free Diffusion（自由扩散）

自由扩散是第一个获得专章的输运机制，排在易化扩散与主动输运各章之前。

第3章：The Cell（细胞）

关于细胞的一章，位于热力学与扩散的一般性章节和跨膜输运各章之间。

第4–5章：Facilitated Diffusion: Channels and Carriers（易化扩散：通道与载体）；Active Transport（主动输运）

第4章讨论通过通道和载体的易化扩散，第5章讨论主动输运。这些章节对跨膜输运的分子机制进行建模。

第6–7章：Nonequilibrium Thermodynamics（非平衡态热力学）；Models of Transport Across Cell Membranes（跨细胞膜输运的模型）

第6章发展非平衡态热力学——前言中提到的现象学方法之一，第7章构建跨细胞膜输运的模型。

第8章：Regulation and Feedback（调节与反馈）

关于调节与反馈的一章，排在膜输运模型之后、具体系统各章之前。

第9–10章：Excitable Cells（可兴奋细胞）；Epithelial Transport（上皮输运）

两章把前面各章的机制用于具体的生物系统：可兴奋细胞与上皮。

第11章：Gas Transport（气体输运）

最后一章从离子和溶质转向气体的输运。

核心概念

第1–3章：平衡态热力学；自由扩散；细胞

• 平衡态热力学：输运的起点框架。
• 自由扩散：不依赖膜蛋白介导的输运。
• 细胞：输运发生的生物学背景。

第4–8章：机制、热力学与模型

• 通道与载体：易化扩散。
• 主动输运：由能量来源驱动的输运。
• 非平衡态热力学：描述耦合输运的现象学框架。
• 调节与反馈：对输运过程的控制。

第9–11章：系统

• 可兴奋细胞：第9章的主题。
• 上皮输运：跨上皮的移动。
• 气体输运：气体在体内的移动。

评析

优点

• 由生物学决定方法。 作者表示，分析工具和模型的选择由生物学决定，因此模型始终在真实生物系统的语境中呈现，分析与生物学交织在一起。
• 独特的范围。 本书集中于正常的真核细胞及其构成的生物体在生理环境中的情形，这使它不同于围绕工程原理组织的输运教材。
• 务实的建模选择。 前言强调现象学工具，包括非平衡态热力学，以及简单的电学类比，适用于无法从第一性原理推导的过程。
• 为学习者提供的支持。 第二版增加了插图、参考文献和章末习题，并且据其介绍，配有供课堂使用的配套网站。

局限

• 有意收窄的范围。 本书聚焦于正常生理中的质量输运，因此其他生物输运教材所并列讨论的动量与热量输运不是这里的主题。
• 热力学开篇。 全书从平衡态热力学开始，接着是自由扩散，缺少物理化学基础的读者会很早遇到较有难度的内容。
• 出版年代所限。 本版出版于2008年。

在课程中的定位

在生物输运课程中，这是关于分子跨膜和跨组织输运的专门论述。Ronald Fournier 的 Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering 把化学工程中的流体流动、传质和热力学应用于生理系统，Roselli 与 Diller 的 Biotransport: Principles and Applications 用同一种方法处理动量、热量和质量输运。Bird、Stewart、Lightfoot 和 Klingenberg 的 Introductory Transport Phenomena 是一般意义上的输运第一门课，Rubenstein、Yin 和 Frame 的 Biofluid Mechanics 则集中于循环系统中的流动。Truskey、Yuan 和 Katz 的 Transport Phenomena in Biological Systems 是连接输运理论与生理学的定量桥梁，涵盖流动、扩散、反应和电动现象。

由于本书从生物学而不是从工程输运理论出发，它不能替代输运现象的第一门课。宜在读过一本一般性的输运教材之后，当兴趣转向细胞和上皮如何转运离子与分子时再读 Friedman，并与 Truskey、Yuan 和 Katz 一书并用，学习膜和细胞层面的内容。

如何使用本书

据介绍，本书面向生物医学工程、生理学或生物物理方向的高年级本科生和研究生，以及希望解读输运实验的工程师和有定量倾向的生物学者。热力学、微积分和微分方程的基础是合理的准备，另外最好先读前言，因为它解释了本书为何这样编排。

实用的阅读计划：

• 核心： 依次阅读第1至5章：热力学、自由扩散、细胞，然后是通道、载体和泵。
• 随后： 第6、7章，提供非平衡态与建模的框架。
• 按兴趣： 第8章（调节与反馈），再根据课程选择第9章（可兴奋细胞）、第10章（上皮）或第11章（气体）。

做章末习题，因为本书的既定目的是帮助读者解读输运实验，并根据输运数据预测行为。读每个机制章节时，心里对应着相关的系统章节，例如读第9章（可兴奋细胞）之前先读第4章（通道与载体），这样才能看到模型的实际运用。