Amazing Numbers in Biology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Rainer Flindt

出品人:

页数:295

译者:Solomon, Neil

出版时间:2006-05-05

价格:USD 49.95

装帧:Paperback

isbn号码:9783540301462

丛书系列:

图书标签:

• 数学建模
• 生物数学
• 数理生物学
• 生物统计
• 数据分析
• 生物信息学
• 数学应用
• 科学计算
• 交叉学科
• 自然科学

生物学中的奇妙数字 (Amazing Numbers in Biology) 一本探索生命奥秘与量化规律的深度导览 本书概述： 《生物学中的奇妙数字》并非仅仅是一本关于统计学或生物信息学的教科书。它是一次深入生命科学核心的探索之旅，专注于揭示隐藏在生物体结构、功能、演化乃至生态系统背后的数字规律、比例和量级。本书旨在弥合直觉感受与精确量化之间的鸿沟，向读者展示如何利用数学和统计学的语言来理解生命现象的复杂性与优雅性。 我们不再将生命视为纯粹的定性描述，而是将其视为一个由精确的物理和化学定律驱动的、可被量化的系统。本书的核心论点是：生物学的“奇妙”之处，很大程度上源于其对特定数值、比例和幂律的依赖。 第一部分：细胞与分子层面的精确定量 第一章：尺度与极限——从原子到细胞 本章聚焦于生命体在不同尺度的量级差异。我们将深入探讨细胞生命活动所需的最小和最大尺寸的限制。从构成蛋白质的基本氨基酸的分子量，到真核细胞的典型直径（微米级别），再到病毒的纳米级结构，本书通过实际的数值计算，量化了生物结构之间的巨大跨度。 阿伏伽德罗常数与细胞浓度： 计算一个典型细菌细胞中蛋白质分子的数量，揭示在极小的空间内信息存储和催化反应的密度。 扩散的限制： 分析布朗运动如何决定了分子在细胞质中传输的速度极限，并计算出这种限制如何影响了细胞体积的上限。我们探究为什么细胞需要保持在微米级别，而不是更大的尺寸。 能量的量化： 深入分析ATP水解提供的自由能（约7.3 kcal/mol），以及这种能量如何被精确地分配到驱动生命活动中的各个环节。 第二章：基因组的编码密度与信息熵 基因组是生命信息存储的终极载体。本章将从信息论的角度审视DNA序列的复杂性。 碱基对的计数与信息熵： 计算一个特定物种（如人类）基因组中所有可能的序列组合数量，并以此为基础，探讨基因组的实际利用率和冗余度。我们不仅看基因的数量，更关注非编码区和重复序列所占的比例，以及这些比例的演化意义。 突变率与选择压力： 分析不同生物体（原核生物与真核生物）的DNA复制保真度，以及每代细胞或个体所积累的平均突变数量。通过比较突变率与有效种群大小（Ne），我们量化了中性漂变和选择作用力的相对强度。 调控网络的复杂性： 探讨转录因子（TFs）与基因之间的相互作用网络。计算网络的密度、连接度和拓扑结构，例如“小世界”网络的特征，以及这些特征如何影响基因表达的鲁棒性与灵活性。 第二部分：器官、生理与生物物理 第三章：流体力学与血液动力学 生命体内的物质运输高度依赖于流体动力学。本章着重分析在不同尺度下，流体在生物管道中的流动特性。 泊肃叶定律的应用： 计算血管系统中的压力梯度和血流速率，分析动脉、小动脉和毛细血管的直径比例如何优化氧气和营养物质的输送效率与能量消耗之间的平衡。 雷诺数与游泳/飞行效率： 比较大型哺乳动物、昆虫和微生物在水或空气中运动时的雷诺数（Re）。分析Re值如何决定了生物体需要采用的运动策略（例如，层流与湍流的界限）。 表面积与体积的比率： 深入剖析为什么肺泡、肠道绒毛和线粒体内膜需要极高的表面积来支持物质交换。计算并对比不同生物体中，呼吸和消化器官的表面积/体积比，揭示适应性进化的数字制约。 第四章：生物节律与代谢速率 生命活动的时间规律性是普遍存在的现象。本书量化了这些时间参数。 生物钟的周期性： 分析哺乳动物体内昼夜节律基因（如Per、Cry）的振荡周期，并探讨这些周期如何精确地与地球自转周期同步。比较不同物种（如深海生物与沙漠生物）的代谢调整因子。 代谢率的量度（Kleiber定律）： 详细阐述Kleiber定律（代谢率与体重的关系 $P propto M^{3/4}$），并探索这一幂律在横跨数个数量级的物种中惊人的普遍性。我们不仅描述现象，更试图从分支结构和能量分配的角度对其进行物理学解释。 反应速率常数与酶促效率： 比较无催化剂的化学反应速率与最有效率的酶催化反应速率之间的数量级差异，量化酶在加速生命进程中的绝对作用。 第三部分：种群、生态与宏观演化 第五章：种群动态的数学模型 理解种群的兴衰，离不开微分方程和概率论。本章侧重于描述和预测种群数量的变化。 指数增长与逻辑斯蒂增长： 分析理想条件下的指数增长模型，并引入环境容纳量（K值）的概念。探讨K值如何被资源限制、捕食压力和疾病传播等多个变量的乘积所决定。 Lotka-Volterra捕食者-猎物模型： 深入分析振荡解的周期性，并计算捕食者和猎物种群数量的稳定点。讨论随机环境噪声对这些稳定性的影响。 繁殖值与生存曲线： 介绍Lexis图和Leslie矩阵，用于量化不同年龄组的生存率和繁殖率。计算种群的内在增长率（r），并以此预测种群的长期趋势。 第六章：生态网络的连接性与鲁棒性 生态系统可以被视为一个庞大且高度连接的网络。本章关注其拓扑结构。 食物网的结构参数： 分析不同生态系统（如热带雨林与苔原）中食物网的平均连接度、异质性以及是否存在“关键物种”。计算营养级联的传递效率（通常远低于100%）。 生物多样性指数的量化： 介绍Shannon-Weaver指数和Simpson指数，这些数字工具如何精确地评估一个群落的丰富度和均匀度，并将其与生态系统的功能稳定性相关联。 物种形成速率与演化时间： 探讨分子钟的校准，即通过DNA序列的变异速率来估算物种分化的时间点。比较在不同地质时期和不同环境压力下，物种形成（Speciation）事件的平均间隔时间。 结语：数字之外的生命意义 本书以对这些基本数字和比例的深刻理解作为总结。我们认识到，生物学中的“奇妙”并非源于随机的魔法，而是源于在物理、化学和信息论约束下，系统所能达到的最高效、最稳定、最精妙的量化配置。掌握这些数字，即是掌握了理解生命复杂性运作机制的钥匙。 本书适合所有对生命科学、生物物理学、生态建模以及复杂系统分析有浓厚兴趣的读者。它要求读者具备基础的代数和微积分知识，但更重要的是，要求读者拥有一颗对“为什么是这个数字而不是另一个”的好奇心。

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