化学反应网络的热力学空间
统计力学
2026-02-03 v3 分子网络
摘要
活体系统在非平衡状态下持续消耗能量，以维持有序且功能性的状态。其涌现行为通常依赖于由外部通量驱动的若干相互关联的化学反应网络(CRNs)，其中某些物种的浓度被固定。因此，揭示支配这些CRNs功能的原理，对于理解活体系统如何生成和调节复杂性至关重要。虽然动力学在塑造详细动力学现象方面起着关键作用，但CRNs的运行范围本质上受制于热力学。本文引入并解析性地推导了CRNs的“热力学空间”，即在给定能量预算下可实现的可达稳态浓度范围。我们为反应亲和力建立了类似的边界，阐明了全球热力学属性（如总非平衡驱动力）如何限制局部非平衡量。我们在各种典范性案例中展示了结果，表明复杂行为的出现与非平衡条件密切相关。通过为分析CRNs提供通用工具，本文提出的框架为从底层热力学属性出发，深化对复杂非平衡现象的预测能力及人工化学系统的设计提供了一座跨越的阶梯。
引用
@article{arxiv.2407.11498,
title = {Thermodynamic Space of Chemical Reaction Networks},
author = {Shiling Liang and Paolo De Los Rios and Daniel Maria Busiello},
journal= {arXiv preprint arXiv:2407.11498},
year = {2026}
}