Principles and Models of Biological Transport（生物傳輸的原理與模型）

引用

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

章節概要

第二版共十一章。作者在前言中說明，本書與初版一樣，討論生命系統中的質量輸運過程，重點是真核細胞及其構成的生物體在正常生理環境中的正常行為。因此它不同於常規的輸運教材：它不是從質量輸運的工程原理出發再去尋找生物學應用，而是從生物學過程出發，再發展出描述這些過程所需的模型和分析工具。許多過程仍需用現象學方法描述，例如非平衡熱力學；引數很少的簡單電學類比，往往比詳盡的理論更有用。

第1章：Equilibrium Thermodynamics（平衡態熱力學）

本書以平衡態熱力學開篇，在任何輸運機制出現於章節標題之前。

第2章：Free Diffusion（自由擴散）

自由擴散是第一個獲得專章的輸運機制，排在易化擴散與主動輸運各章之前。

第3章：The Cell（細胞）

關於細胞的一章，位於熱力學與擴散的一般性章節和跨膜輸運各章之間。

第4–5章：Facilitated Diffusion: Channels and Carriers（易化擴散：通道與載體）；Active Transport（主動輸運）

第4章討論通過通道和載體的易化擴散，第5章討論主動輸運。這些章節對跨膜輸運的分子機制進行建模。

第6–7章：Nonequilibrium Thermodynamics（非平衡態熱力學）；Models of Transport Across Cell Membranes（跨細胞膜輸運的模型）

第6章發展非平衡態熱力學——前言中提到的現象學方法之一，第7章構建跨細胞膜輸運的模型。

第8章：Regulation and Feedback（調節與回饋）

關於調節與回饋的一章，排在膜輸運模型之後、具體系統各章之前。

第9–10章：Excitable Cells（可興奮細胞）；Epithelial Transport（上皮輸運）

兩章把前面各章的機制用於具體的生物系統：可興奮細胞與上皮。

第11章：Gas Transport（氣體輸運）

最後一章從離子和溶質轉向氣體的輸運。

核心概念

第1–3章：平衡態熱力學；自由擴散；細胞

• 平衡態熱力學：輸運的起點框架。
• 自由擴散：不依賴膜蛋白介導的輸運。
• 細胞：輸運發生的生物學背景。

第4–8章：機制、熱力學與模型

• 通道與載體：易化擴散。
• 主動輸運：由能量來源驅動的輸運。
• 非平衡態熱力學：描述耦合輸運的現象學框架。
• 調節與回饋：對輸運過程的控制。

第9–11章：系統

• 可興奮細胞：第9章的主題。
• 上皮輸運：跨上皮的移動。
• 氣體輸運：氣體在體內的移動。

評析

優點

• 由生物學決定方法。 作者表示，分析工具和模型的選擇由生物學決定，因此模型始終在真實生物系統的語境中呈現，分析與生物學交織在一起。
• 獨特的範圍。 本書集中於正常的真核細胞及其構成的生物體在生理環境中的情形，這使它不同於圍繞工程原理組織的輸運教材。
• 務實的建模選擇。 前言強調現象學工具，包括非平衡態熱力學，以及簡單的電學類比，適用於無法從第一性原理推導的過程。
• 為學習者提供的支援。 第二版增加了插圖、參考文獻和章末習題，並且據其介紹，配有供課堂使用的配套網站。

侷限

• 有意收窄的範圍。 本書聚焦於正常生理中的質量輸運，因此其他生物輸運教材所並列討論的動量與熱量輸運不是這裡的主題。
• 熱力學開篇。 全書從平衡態熱力學開始，接著是自由擴散，缺少物理化學基礎的讀者會很早遇到較有難度的內容。
• 出版年代所限。 本版出版於2008年。

在課程中的定位

在生物輸運課程中，這是關於分子跨膜和跨組織輸運的專門論述。Ronald Fournier 的 Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering 把化學工程中的流體流動、質傳和熱力學應用於生理系統，Roselli 與 Diller 的 Biotransport: Principles and Applications 用同一種方法處理動量、熱量和質量輸運。Bird、Stewart、Lightfoot 和 Klingenberg 的 Introductory Transport Phenomena 是一般意義上的輸運第一門課，Rubenstein、Yin 和 Frame 的 Biofluid Mechanics 則集中於循環系統中的流動。Truskey、Yuan 和 Katz 的 Transport Phenomena in Biological Systems 是連接輸運理論與生理學的定量橋梁，涵蓋流動、擴散、反應和電動現象。

由於本書從生物學而不是從工程輸運理論出發，它不能替代輸運現象的第一門課。宜在讀過一本一般性的輸運教材之後，當興趣轉向細胞和上皮如何轉運離子與分子時再讀 Friedman，並與 Truskey、Yuan 和 Katz 一書並用，學習膜和細胞層面的內容。

如何使用本書

據介紹，本書面向生物醫學工程、生理學或生物物理方向的高年級本科生和研究生，以及希望解讀輸運實驗的工程師和有定量傾向的生物學者。熱力學、微積分和微分方程的基礎是合理的準備，另外最好先讀前言，因為它解釋了本書為何這樣編排。

實用的閱讀計劃：

• 核心： 依次閱讀第1至5章：熱力學、自由擴散、細胞，然後是通道、載體和泵。
• 隨後： 第6、7章，提供非平衡態與建模的框架。
• 按興趣： 第8章（調節與回饋），再根據課程選擇第9章（可興奮細胞）、第10章（上皮）或第11章（氣體）。

做章末習題，因為本書的既定目的是幫助讀者解讀輸運實驗，並根據輸運資料預測行為。讀每個機制章節時，心裡對應著相關的系統章節，例如讀第9章（可興奮細胞）之前先讀第4章（通道與載體），這樣才能看到模型的實際運用。