生命系统中的破缺细致平衡与非平衡动力学

生命系统在远离热力学平衡的状态下运作。酶活性可在分子尺度上导致细致平衡的破缺。这种分子尺度上的细致平衡破缺对于实现高保真度的转录与翻译、感知、适应、生化模式形成以及力的产生等生物学功能至关重要。虽然诸如马达酶等生物系统在分子尺度上违反细致平衡，但在由众多马达的集体活动驱动的系统中，非平衡动力学如何在介观尺度上显现仍不清楚。事实上，在若干细胞系统中，非平衡动力学的存在在大尺度上并不总是显而易见。例如，在细胞骨架或染色体中，人们可以观察到初看似乎是热驱动的稳态随机过程。这就提出了如何将非平衡涨落与热噪声区分开来的问题。我们讨论了近期为解决此问题而发展的方法，包括基于测量系统违反涨落-耗散定理程度的方法。此外，我们讨论了一种更新的检测主动驱动动力学的方法，该方法基于推断破缺的细致平衡。这是一种利用延时显微成像数据的非侵入性方法，可应用于细胞和组织中的广泛系统。我们讨论了该方法背后的思想及其在包括鞭毛、初级纤毛和细胞骨架网络等若干实例中的应用。最后，我们简要讨论了随机热力学和非平衡统计力学的最新进展，它们为理解生命系统的物理学提供了新的视角。