随机热力学：从原理到精度成本

在这些讲义中，我们从与热浴接触的封闭系统出发，阐述了随机热力学的基本原理。轨迹在可观测的介观态之间经历马尔可夫跃迁，这些介观态对应于例如生物分子或生化网络的粗粒化描述。通过将封闭系统分离为核心系统以及配体和反应物的储库（它们与核心系统结合并发生反应），实现了作为由化学势及可能的外部力控制的开放系统的描述。沿轨迹定义的熵产生及其他热力学量服从各种涨落定理。为了描述长时间极限下非平衡稳态中的涨落，从轨迹权重导出了偏离平均行为的大偏差率函数概念。由此得出了对该率函数的普适界限，证明并推广了热力学不确定性关系，该关系量化了任何生物分子过程中成本与精度之间不可避免的权衡。针对分子马达、布朗时钟和酶网络给出了具体示例，展示了这些工具如何用于推断系统的隐藏热力学性质。