在自然界中搜寻麦克斯韦妖

麦克斯韦妖悖论推动了信息热力学的发展,并催生了纳米尺度的信息引擎。我们现在已理解,诸如细胞内分子马达之类的机器原则上能够汲取涨落并因此作为麦克斯韦妖运行——但它们是否真的如此？要回答这一问题,似乎需要同时测量系统的全部自由度,而这在单分子实验中通常是不可行的。本文推导了一个简单的统计估计量,用以推断子系统热流的方向与大小,从而判断马达是否作为麦克斯韦妖运行以及其作用强度。该估计量仅需对单一自由度的轨迹测量即可。通过对胶体信息引擎与驱动蛋白(kinesin)分子马达进行模拟,我们证明该估计量能够在实验可达的分辨率与数据量下,精确而准确地探测麦克斯韦妖行为。此外,我们发现驱动蛋白在存在非平衡噪声时会转变为麦克斯韦妖机制,并伴随速度的提升,这与实验观测一致。这些结果表明,分子马达可能已经进化出利用细胞内活性涨落的能力。