是什麼讓生物保持平衡？維持生命細胞過程的化學反應，是概率的

2020-09-05 博科園

是什麼讓生物保持平衡？維持生命細胞過程的化學反應，是概率的！盧森堡大學研究員Gianmaria Falasco在總結與Massimiliano Esposito的最新研究結果時說：你必須更加努力才能更快地完成這項工作。對於任何有四處奔波試圖趕上約會和最後期限的人來說，這都不會令人驚訝，但通過定義耗散方面所花費的工作與系統改變狀態速率之間關係的具體參數。

Falasco和Esposito為那些開發操縱非平衡系統（無論是活細胞的行為還是電子電路）方法的人提供了一個寶貴工具。此外所開發用來定義這一行為的「耗散-時間不確定性關係」誘人地暗示了量子物理中的其他不確定性關係。生命是一個非平衡過程，不斷地維持一個有機體不被分解和分解到它的環境中。讓一隻老鼠或任何其他生物保持平衡，所擁有的只是一堆粘性物質。許多維持生命的細胞過程可以被描述為化學反應，這些反應本質上是概率的，容易發生熱波動。

然而，它們使分子馬達由三磷酸腺苷(ATP)、各種細胞信號通路和許多其他讓我們保持運轉的生物過程得以驅動。隨著器件尺寸的不斷縮小，熱波動在其機械部件的動態中也變得越來越突出，更不用說驅動它們的電子電路了。為了理解這些以及其他大量的非平衡系統，一個清晰的數學定義是非常有價值的，它可以確定耗散和這些過程進行的速率之間的pay off，盧森堡大學這些最新研究成果延續了過去20年的發展。

在20世紀90年代和21世紀頭10年，出現了一系列定理，這些定理圍繞熱力學第二定律的概率性質設定參數，該定律指出，孤立系統的熵應該「趨於」增加，直到它達到平衡。在某種意義上，發現這些波動關係和這個被稱為隨機熱力學領域的所有結果。在這一系列研究中，一個開創性的發展是「熱力學不確定性關係」，這是由斯圖加特大學科學家在2015年定義的。表明系統最終狀態的精確度，隨著轉換所需能量的增加而增加。

觀點的轉變

與此同時，在量子物理學中，另一項開創性的發展對實現用於量子計算的量子態操作速度設置了速度限制，其研究誕生於將這兩個研究領域結合起來的努力。當致力於這項研究工作時，大多數研究都考慮了系統如何改變其狀態。但真正的物理系統執行感興趣的任務時，更有可能通過將能量或物質從一個地方(或形式)移動(或改變)到另一個地方(或形式)來改變環境的狀態。

拿散熱器來說，本質上是一根連接鍋爐和冷室的熱水管道-散熱器不會改變其狀態，但它確實會為房間供暖，而研究結果是把這個想法轉化為數學。一旦科學家以這種方式定義了他們的系統，並應用了漲落定理中定義的概率比，就能夠定義一種令人不知所措的簡單關係。描述達到不同狀態所需的時間和所消耗能量(或產生的熵)之間的值：平均時間和所消耗能量的乘積永遠不能小於自然界的其中一個普遍常數，即玻爾茲曼常數的值。

將這個關係寫出來，它與海森堡不確定性關係有著驚人的相似之處，因為它可以根據初始條件預測量子系統的能量和時間或動量和位置的精確度，這些量的乘積永遠不會低於普朗克常數的一半。所以這個類比非常引人注目和耐人尋味，更好地理解這種相似性的意義將是這一領域未來研究的重點。

博科園｜Copyright Science X Network/Anna Demming/Phys

參考期刊《物理評論快報》

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