Searching for
a Mechanism
A History of
Cell Bioenergetics
作者：John N. Prebble
索书号：Q611/P922/2019/Y
ISBN：9780190866143
藏书地点：武大外教中心
糖、脂肪、蛋白质三种营养物质，经消化转变成为可吸收的小分子营养物质而被吸收入血。在细胞中，这些营养物质经过同化作用（合成代谢），构筑机体的组成成分或更新衰老的组织；同时经过异化作用（分解代谢）分解为代谢产物。合成代谢和分解代谢是物质代谢过程中互相联系的、不可分割的两个侧面。
在分解代谢过程中，营养物质蕴藏的化学能释放出来。这些化学能经过转化，便成了机体各种生命活动的能源，所以说分解是代谢的放能反应。而在合成代谢过程中，需要供给能量，因此是吸能反应。可见，在物质代谢过程中，物质的变化与能量的代谢是紧密联系着的。生物体内物质代谢过程中所伴随的能量释放、转移和利用等，称为能量代谢。
机体所需的能量来源于食物中的糖、脂肪和蛋白质。这些能源物质分子结构中的碳氢键蕴藏着化学能，在氧化过程中碳氢键断裂，生成CO2和 H2O，同时释放出蕴藏的能。这些能量的50%以上迅速转化为热能，用于维持体温，并向体外散发。其余不足50%则以高能磷酸键的形式贮存于体内，供机体利用。体内最主要的高能磷酸键化学物是三磷酸腺苷（ATP）。此外，还有高能硫酯键等。机体利用ATP去合成各种细胞组成分子、各种生物活性物质和其它一些物质；细胞利用ATP去进行各种离子和一些物质的主动转运，维持细胞两侧离子浓度差所形成的势能；肌肉还可利用ATP所载荷的自由能进行收缩和舒张，完成多种机械功。
几个世纪以来，生物学家一直在关注生物过程中的分子机制。但随着现代方法的发展，人们已经认识到研究生物过程中能量转换机制的重要性。人们从新陈代谢基本问题的研究延伸到一个关键问题，即细胞如何从碳水化合物等食物的氧化中获取能量。公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德认为：植物生长所需的物质全来源于土中。1627年，荷兰人范·埃尔蒙做了盆栽柳树称重实验，得出植物的重量主要不是来自土壤而是来自水的推论。但他没有认识到空气中的物质参与了有机物的形成。1648年，比利时科学家海尔蒙特出于对亚里士多德观点的怀疑，做了类似范·埃尔蒙的实验：将一棵重2．5kg的柳树苗栽种到一个木桶里，木桶里盛有事先称过重量的土壤。以后，他每天只用纯净的雨水浇灌树苗。为防止灰尘落入，他还专门制作了桶盖。五年以后，柳树增重80多千克，而土壤却只减少了100g，海尔蒙特为此提出了建造植物体的原料是水分这一观点。但是当时他却没有考虑到空气的作用。
1771年，英国的普里斯特利发现植物可以恢复因蜡烛燃烧而变“坏”了的空气。他做了一个有名的实验，他把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到密闭的玻璃罩里，蜡烛不久就熄灭了，小白鼠很快也死了。接着，他把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到一个密闭的玻璃罩里，他发现植物能够长时间地活着，蜡烛也没有熄灭。他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一个密闭的玻璃罩里。他发现植物和小白鼠都能够正常地活着，于是，他得出了结论：植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气。但他并没有发现光的重要性。1779年，荷兰的英格豪斯证明：植物体只有绿叶才可以更新空气，并且在阳光照射下才成功。1785年，随着空气组成成分的发现，人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳。
1804年，法国的索叙尔通过定量研究进一步证实：二氧化碳和水是植物生长的原料。1845年，德国科学家梅耶根据能量转化与守恒定律明确指出，植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。1864年，德国的萨克斯发现光合作用产生淀粉。他做了一个试验：把绿色植物叶片放在暗处几个小时，目的是让叶片中的营养物质消耗掉，然后把这个叶片一半曝光，一半遮光。过一段时间后，用碘蒸汽处理发现遮光的部分没有发生颜色的变化，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这一实验成功的证明绿色叶片在光合作用中产生淀粉。1880年，美国的恩格尔曼发现叶绿体是进行光合作用的场所，氧是由叶绿体释放出来的。他把载有水绵（水绵是多细胞低等绿色植物，其细而长的带状叶绿体是螺旋盘绕在细胞内）和好氧细菌的临时装片放在没有空气的暗环境里，然后用极细光束照射水绵通过显微镜观察发现，好氧细菌向叶绿体被光照的部位集中：如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围。恩格尔曼的实验证明了氧气是从中叶绿体释放出来的；叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。1897年，“光合作用”这个名称首次在教科书中出现。
1939年，美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究了“光合作用中释放出的氧到底来自水，还是来自二氧化碳”这个问题，这一实验有利地证明光合作用释放的氧气来自水。20世纪40年代，美国科学家卡尔文用小球藻做实验：用C14标记的CO2（其中碳为C14）供小球藻(一种单细胞的绿藻)进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了二氧化碳中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径被成为卡尔文循环。
21世纪初，合成生物学的兴起，人工设计与合成生物代谢反应链成为改造生物的转基因系统生物技术，2003年美国贝克利大学成立合成生物学系，开展光合作用的生物工程技术开发，同时美国私立文特尔研究所展开藻类合成生物学的生物能源技术开发，将使光合作用技术开发在太阳能产业领域带来一场变革。
“生物能量学革命”长期以来一直被忽视，因为它与20世纪的另一场重大生物学革命——分子生物学同时发生。直到1957年 Albert Szent-Gyorgyi出版了一本名为《生物能量学》的书，“生物能量学”这一术语才被正式引入生物领域。《探索机制——细胞生物能量学的历史》一书追溯了细胞生物能量学从启蒙运动早期的科学概念到二十世纪末的历史，作者John N. Prebble将1600年到现在的这段历史论述为五个时期，旨在提供较为完整的生物能量学的历史。本书作为研究细胞生物能量学历史的专业书记，内容专业详实，语言浅显易懂，不仅介绍了细胞生物能量学的历史，还详细介绍了细胞生物能量学的基础知识，并结合具体实例的应用，使读者能够更加全面地了解细胞生物能量学研究的历史与未来的发展方向。
本书目录
1.绪论：呼吸作用、磷酸化和其机制
2.从生理到生物化学：呼吸和氧化（1600-1900）
3.关于磷酸化、呼吸和氧化（1900-1945）
4.细胞生物能量学领域的出现（1945-1960）
5.确定机制（1960-1977）
6.发现光合作用
7.阐明光合作用中光反应的机制
8.蛋白质技术的影响（1977-1997）
9.探索机制
兰天 武汉大学生命科学学院 硕士研究生