生物力能學

生物力能學是生物物理學的分支學科。它是研究生命過程中的能量在不同形式間的轉變，及其在數量間的變化，也稱為生物能力學或生物能學。

　　自然界所發生的一切運動，都伴隨著能量的變化，生命過程也不例外。有機體生活在一定的環境之中，它必須不斷地從外界獲得能量，才能維持生命和進行必要的生命過程，這是能量的吸收。把從外界所吸收的能量轉變成為適于在體內儲存的能量形式，這是能量的儲存。

　　在合適的條件下，被吸收的能量將在體內轉移到需要能量來啟動某種反應的部位，例如，蛋白質所吸收的光能往往可以在整個蛋白質中轉移，使其最終效應常表現為某一個或幾個化學鍵的斷裂。這種過程是能量的轉移。

　　被吸收或被轉移的能量在生命過程中經常發生能量形式的變換，例如，肌肉收縮時，高能磷酸鍵的化學能轉變為機械能而做功；光合作用中光能轉變為化學能；視覺過程中光能轉變為電能而產生視覺，這些都是能量的轉化和利用。

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

　　簡言之，有機體以及具有生物學活性的大分子，對于能量的吸收、儲存、轉移、轉化、利用及其損傷作用基本規律的研究，就組成為生物力能學的基本內容。

　　生物力能學的研究可以從兩個不同的角度進行，即宏觀的角度和微觀的角度。宏觀的生物力能學從整個體系的能量形式和變化進行研究，而不追究體系本身結構的變化細節。所謂體系既可以指群體和個體，也可以指參與反應的一組分子。

　　宏觀生物力能學也稱為生物熱力學，它廣泛應用了物理學中的熱力學理論，首先是經典熱力學的基本定律，并用熱力學參數來表達數量關系。例如，從葡萄糖和果糖合成蔗糖是一個ATP(腺苷三磷酸)的水解過程。這一過程與合成反應相偶聯。熱力學計算表明這一需能反應的自由能為5.5千卡每克分子。

　　經典熱力學定律只適用于孤立體系，而生命體系是一個開放體系，生命過程是一個和外界環境不斷進行物質與能量交換的不可逆過程。近年來不可逆過程熱力學研究不斷發展，熱力學在生物學中的應用大大擴展。例如，經典熱力學難以解釋的“主動轉運”過程(離子在細胞膜內外對抗濃度梯度的運動)，用不可逆過程熱力學就能作出較好的說明。

　　最新的“耗散結構”理論進一步推動了這方面的進展。耗散理論認為：遠離平衡態的系統，同樣可以是穩定的。這種狀態的維持，需要不斷有物質與能量的供應，這種狀態可以有一定的空間結構，在時間上有一定的運動秩序。而這些正是生命現象的重要特征。

　　微觀的生物力能學把能量狀態及變化和分子的結構與運動結合在一起，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實際上成為分子生物物理學的一個組成部分。它在研究中廣泛應用量子論和量子力學的方法，又使其和量子生物學緊密聯系。

　　微觀生物力能學是當前生物力能學的主要發展方向，其主要內容可歸納為：生物分子的電子結構研究；能量轉移理論的研究，這類研究對于弄清一個具體體系中的能量傳遞過程具有重要意義；瞬時活性物質的研究；結構與能量關系的研究，與生物膜相聯的能量轉換作用是當前生物物理研究中最受注意的一個問題；損傷與修復機制的研究等等。

　　應用生物力能學的基本規律所研究的課題，幾乎遍及生物學的各個領域。當前比較受重視和研究比較深入的主要有下列幾個問題，即氧化磷酸化作用、光合磷酸化作用、肌肉收縮、視覺過程、生物發光、離子的跨膜輸運、光的生物學作用、高能輻射對機體與生物大分子的原初作用等等。