振荡自由能驱动下的沙漏分子钟最优离散化
生物物理
2026-01-14 v1 统计力学
摘要
沙漏钟不能自主运行；它们通过顺应外部节律来计时。受蓝藻原始 KaiBC 系统的启发，我们研究了一种驱动的有限态分子钟，它在内在驱动能和由昼夜代谢设定的旋转能景下，通过少数生化态推进。在连续极限下，当内在漂移与驱动频率匹配时，相干性在共振工作点处达到最大。在具有有限状态数的真实时钟中，离散性至关重要：当旋转能景扫过状态格时，它会产生集体相位的高频小幅振动，导致计时不准确。将共振代价与这一离散性惩罚相结合，便在状态数上产生了一个权衡：状态少则能量代价低但噪声大；状态多则精度高但代价大。最优解处于中等离散化（通常为五到十五个状态），且环境耦合足够强以保持响应性，同时足够弱以避免大的离散态振动。这些设计规则解释了为何 KaiC 的六聚体结构接近预测的最优值，并为跨生物体的沙漏钟提出了一般性原理。
引用
@article{arxiv.2601.08395,
title = {Optimal Discretization in Hour-Glass Molecular Clocks Driven by Oscillating Free Energy},
author = {Zhuangcheng Zhen and Kaiyue Shi and Qi Ouyang and Yuansheng Cao},
journal= {arXiv preprint arXiv:2601.08395},
year = {2026}
}