论文标题： Stochastic thermodynamics for biological functions

期刊：Quantitative Biology

作者：Yuansheng Cao, Shiling Liang

发表时间：16 December 2024

DOI：https://doi.org/10.1002/qub2.75

微信链接：点击此处阅读微信文章

生命是一种精妙的非平衡态现象。从细胞内的分子马达到大脑中的神经网络，生物系统都在不断消耗能量，以抵抗自然界向混乱状态发展的趋势。近日，清华大学曹远胜教授与瑞士洛桑联邦理工学院的梁师翎博士在Quantitative Biology期刊发表了一篇题目名为"Stochastic thermodynamics for biological functions"，深入探讨了随机热力学如何为理解生物系统的基本限制提供的强大框架。

全文概要

热力学第二定律告诉我们，孤立系统的熵总是增加的，这似乎与生命高度有序的状态相矛盾。正如物理学家薛定谔在其经典著作《生命是什么》中指出，生命系统必须不断从环境中吸收"负熵"（或称自由能），以平衡生物过程中产生的熵，维持其低熵（高度有序）状态。

微观世界的随机热力学

传统态热力学适用于描述气体分子盒等宏观平衡系统，但细胞是本质上的非平衡系统，且通常只涉及少量分子（10至10^5个，远低于热力学极限的10^23个粒子）。这使得细胞成为典型的"微观非平衡系统"，其中热涨落不可避免地影响生物功能的执行。

随机热力学研究受热涨落支配的介观系统行为，建立了热力学原理与随机动力学之间的基本关系。这一领域源于爱因斯坦关于布朗运动的开创性工作，他建立了平衡态下涨落与耗散之间的深刻联系。

理解生物功能的基本限制

研究人员特别关注了随机热力学如何限制关键生物功能的性能表现：

1. 分子马达与细胞运输

分子马达如驱动肌肉收缩的肌球蛋白，将化学能（如ATP水解释放的能量）转化为机械功。热力学不确定性关系表明，马达的效率与其精确度之间存在根本性的权衡。研究表明，分子马达的效率被其热力学特性和动力学参数共同限制，这是一个普适约束，与特定马达的详细结构无关。

2. 校对与错误纠正

DNA复制和蛋白质合成等生物信息传递过程必须保持高保真度。细胞利用被称为"动力学校对"的非平衡机制，通过额外消耗能量来减少错误率。研究结果显示，无论采用何种校对机制，错误率都受到热力学约束，与校对过程中耗散的功和自由能有关。

3. 生物感知与适应

细胞能够检测到极其微小的环境变化，如化学吸引物浓度中只有几个分子的差异。研究表明，非平衡感知网络的灵敏度受到网络中最大亲和力的约束，而且网络结构（支持大小）也限制了有效希尔系数。论文指出，细胞必须在灵敏度、准确度和检测范围之间取得平衡，而适应机制虽然能够解决这些限制，但也需要额外的能量消耗。

4. 集体行为与非平衡相变

文章还探讨了能量消耗如何促进生物系统中的集体行为。以蓝藻中的Kai系统为例，这一分子生物钟通过分子间的相互作用实现同步，但这需要额外的能量消耗。研究发现，同步振荡只有当相互作用强度和频率超过临界值时才会出现，这是非平衡相变的独特特征。这一发现可能解释了观察到的Kai系统中超出已知KaiC蛋白磷酸化和去磷酸化所需的过量ATP消耗现象。

未来展望

随机热力学为生物功能的基本限制提供了理论框架，但要将其应用于实际生物系统仍面临挑战。研究人员提出，未来研究方向应包括：建立对部分可观测量和粗粒化可观测量的热力学限制，以及结合更多生物学因素如网络拓扑、蛋白质结构等。文章还强调，要实现对生命系统的定量理解，将多样化的生物数据和约束整合到随机热力学框架中至关重要。本文不仅连接了物理学和生物学两个学科，还为理解生命系统如何在能量消耗和功能性能之间取得精妙平衡提供了新视角，展示了跨学科研究在解答生命基本问题中的独特价值。

QB期刊介绍

Quantitative Biology （QB）期刊是由清华大学、北京大学、高教出版社联合创办的全英文学术期刊。QB主要刊登生物信息学、计算生物学、系统生物学、理论生物学和合成生物学的最新研究成果和前沿进展，并为生命科学与计算机、数学、物理等交叉研究领域打造一个学术水平高、可读性强、具有全球影响力的交叉学科期刊品牌。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn