Frequency spectrum of biological noise: a probe of reaction dynamics in living cells
即使在稳定状态下，活细胞中的生物分子的数量也会动态波动;这种化学波动的频谱携带了关于产生这些生物分子的细胞内反应的机制和动力学的有价值的信息。尽管单细胞实验技术的最新进展使得能够直接监测每个细胞中生物噪声的时间轨迹，但提取细胞内化学波动的随机动力学中编码的信息所需的理论工具的发展仍处于青春期。在这里，我们提出了一个简单的和一般的方程，涉及到产品的寿命和产品的创建过程中的反应动力学的产品数量波动的功率谱。通过使用该理论分析蛋白质拷贝数的时间轨迹，我们可以提取mRNA数量的功率谱，这是目前可用的实验技术无法直接测量的。从mRNA数量的功率谱中，我们可以进一步提取有关转录调控动力学的定量信息。我们的功率谱分析的基因表达噪音的基因网络模型的Bmal 1a启动子的控制下，在小鼠成纤维细胞中的荧光素酶表达证明。此外，我们研究了非泊松反应动力学和细胞与细胞的异质性在转录和翻译影响的功率谱的mRNA和蛋白质的数量。
2018-08-18 physics.bio-ph q-bio.MN
Taxonomy for Engineered Living Materials
工程活性材料（ELMs）是当代材料科学和工程领域最重要的革命。这些ELM旨在超越当前的“智能”、活性或多功能材料，实现无数的工业和社会应用。“活的”材料促进了独特的特性，包括自主性，智能反应，自我修复，甚至自我复制。在这一新兴领域，大多数评论和文献将ELMs分为生物ELMs和杂交活体材料，生物ELMs仅由细胞组成，杂交活体材料由非生物底盘和活细胞组成。考虑到活材料最相关的特征是它们由（或包括）活细胞集落和微生物组成，我们认为ELMs应该以不同的方式进行分类和呈现，与生命分类学相比，与材料科学学科更相关。为了解决目前对ELMs分类的需求，本研究提出了第一个完整的建议，这些ELMs分类。在这里，生命分类和材料分类是分层混合的。一旦所提出的分类法的解释，其适用性进行了说明，通过分类的几个例子的生物ELMs和混合生活材料，其效用在这一领域的指导研究进行了分析。最后，可能的修改和改进进行了讨论，并呼吁合作，在这个复杂的多学科领域的进展。
2021-10-17 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph
A Mathematical Model for Estimating Biological Damage Caused by Radiation
本文提出了一个估算低剂量辐射生物损伤的数学模型。我们理解线性非阈值（LNT）假设仅在没有恢复效应的情况下实现。为了处理现实的生活对象，我们的模型考虑了各种类型的恢复以及增殖机制，这可能会改变所产生的损害，特别是对于较低剂量率照射的情况下。结果表明，辐射剂量率越低，生物体（以下简称“组织”）受照系统的生存机会越安全，这就可以重现所谓的剂量率效应因子（DDREF）。
2012-08-16 physics.bio-ph
Onset of meso-scale turbulence in living fluids
中尺度湍流是一种不同于惯性湍流的固有现象，它在零雷诺数下自发地发生在流化生物系统中。这种时空无序流动从根本上改变了活流体中的营养物质和分子运输，并能强烈影响生物膜形成、形态发生和癌症侵袭等重要生物过程中的集体行为。尽管中尺度湍流在此类生理过程中发挥着至关重要的作用，但对中尺度湍流以及与经典惯性湍流的任何关系的理解仍然模糊。在这里，我们展示了活性物质的运动沿微通道过渡到中尺度湍流的无序补丁（活性泡芙）从流动涡格的吸收状态的演变。我们证明，这种过渡到通道中的中尺度湍流的临界行为属于定向渗流普适类。这一发现的桥梁，我们的理解的发病零雷诺数的中尺度湍流和传统的尺度不变的湍流，因此概括的理论上的发病湍流限制在不同类别的非相干流中观察到的生物流体。
2016-07-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Excitation of Faraday-like body waves in vibrated living earthworms
生物细胞和许多生物体大多由液体组成，因此，通过与液滴类比，它们应该表现出一系列基本的非线性现象，例如驻波的出现。在这里，我们测试四种常见的蚯蚓，以证明垂直振动的活蠕虫水平躺在一个平坦的固体表面的结果在发病的次谐波法拉第样体波，这是可能的，因为蚯蚓有一个流体静力学的骨架与灵活的皮肤和充满液体的体腔。我们的研究结果是支持的理论分析的基础上的模型的参数激励的振动，在充满液体的弹性圆柱体中使用的材料参数的蠕虫的身体在文献中报道。在生物体中激发非线性次谐波体波的能力可用于探测并可能控制重要的生物物理过程，如神经冲动的传播，从而为解决具有根本影响的生物学问题开辟了途径。
2019-12-16 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Symmetries of Living Systems: Symmetry Fibrations and Synchronization in Biological Networks
本书受范畴论格罗滕迪克纤维化启发，提出局域灵活的对称纤维化概念，为生物网络提供新几何框架，解释多生物域结构-功能关系并支持网络降维与同步功能。
2025-03-21 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph q-bio.MN
What can biology bestow to quantum mechanics?
从量子力学的观点来考虑生物的层次和生物与非生物物质之间的差异。
2000-07-08 physics.bio-ph q-bio.SC quant-ph
Infrared Surface-Plasmon-Resonance -- a novel biophysical tool for studying living cell
讨论了基于傅里叶变换红外光谱（FTIR）的表面等离子体共振（SPR）技术。我们探讨了潜在的红外表面等离子体共振技术在水溶液中的生物学研究，并将其与传统的表面等离子体技术在可见光范围内操作。我们证明，SPR技术在红外范围内的灵敏度并不低，事实上甚至更高。我们展示了几个应用FTIR-SPR进行生物学研究的例子：（i）监测溶液中的D-葡萄糖浓度，以及（ii）测量悬浮液中红细胞对D-葡萄糖的摄取。我们强调的优势，红外SPR研究活细胞培养，并显示这种技术可以用于表征（i）胆固醇渗透到质膜，和（ii）转铁蛋白诱导的网格蛋白介导的内吞作用。
2010-02-03 physics.bio-ph physics.med-ph
Irreversibility and symmetry breaking in the creation and annihilation of defects in active living matter
Zuckerberg Institute for Water Research, The Jacob Blaustein Institutes for Desert Research, Ben-Gurion University of the Negev（本-古里安大学）；The Department of Physics, Ben-Gurion University of the Negev（本-古里安大学）；The Swiss Institute for Dryland Environmental and Energy Research, The Jacob Blaustein Institutes for Desert Research, Ben-Gurion University of the Negev（本-古里安大学）；Department of Theoretical Physics, University of Geneva（日内瓦大学）；Department of Mathematics, Bar-Ilan University（巴伊兰大学）
研究揭示活性生物系统中缺陷生成与湮灭的不可逆性及空间对称性破缺，挑战传统向列模型，强调缺陷动力学在非平衡生物系统中的熵产作用。
2026-03-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Biologically Inspired Nanomaterials: A Conference Report
对生物分子和生物材料纳米尺度物理性质的理解将最终推动生物科学的研究。在这篇综述中，我们专注于理论，模拟和实验，涉及纳米材料的启发，生物系统。具体而言，自组装在生活和合成材料，生物功能化的纳米材料和探测技术，使用纳米材料进行了讨论。
2007-08-01 physics.bio-ph physics.soc-ph
Information processing in living systems
生命既依赖于能量的流动，也依赖于信息的流动。在这里，我们回顾了许多努力，使这种直觉准确。从信息论的构建模块开始，我们探索了可以直接测量生物网络中的信息流的例子，或者更一般地说，信息论的思想被用来指导实验分析。感兴趣的系统范围从单个分子（蛋白质家族的序列多样性）到生物群体（鸟群中的速度分布），以及介于两者之间的所有尺度。许多这些分析的动机是生物系统可能已经进化到优化信息的收集和表示的想法，我们审查了这种优化的实验证据，再次在广泛的尺度。
2014-12-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Terahertz resonance response of biological tissue placed on a silicon nanostructure
我们提出了一种测量沉积在硅纳米三明治（SNS）上的DNA寡核苷酸的太赫兹（THz）共振响应的方法。结果表明，SNS设备可以用于在活体生物组织内产生太赫兹共振响应。我们提出的技术措施的纵向电导和横向电压的变化与SNS设备在霍尔几何形状。讨论了太赫兹响应的机制，与Shapiro台阶的产生模型。来自活生物组织的太赫兹共振响应将有助于肿瘤疾病的诊断，并且通常形成实际医学中的快速诊断的基础。
2020-12-01 physics.app-ph physics.bio-ph
A fibered interference scanning optical microscope for living cell imaging
本文报道了一种新研制的光纤干涉扫描光学显微镜对生物细胞（包括活神经元）的三维成像。清晰地显示了小鼠成纤维细胞和海马神经元的形貌和表面结构。这种简单的技术可以快速，高分辨率地观察液体中的样品，而无需冗长的对准程序或昂贵的组件。
2011-02-07 physics.bio-ph physics.ins-det physics.optics
Correlation functions as a tool to study collective behaviour phenomena in biological systems
许多有趣的复杂生物行为都源于集体属性。关于集体行为的重要信息在于围绕平均属性的波动的时间和空间结构，两点相关函数是研究这些波动的基本工具。我们给出了一个自包含的相关函数的定义和计算技术的介绍，旨在为统计物理领域以外的学生和研究人员提供一个实用的指南，从实验和模拟数据计算相关函数。我们讨论了临界系统中相关性的一些性质，以及有限系统尺寸的影响，这对于大多数生物实验系统特别相关。最后，我们将这些应用到一个简单的神经元模型的动力学过渡的情况下，
2021-07-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Collective biological computation of metabolic economy
面对感官挑战，活细胞采用大量嘈杂的、波动的信号和它们之间的通信来计算生理上适当的反应，这通常会导致对称性破缺。我们建议，基于耦合的随机振荡器模型的结果，胰岛素分泌β-细胞进行的生物计算机制由双细胞内Ca $^{2+}$释放过程的组合组成，以确保有助于增强鲁棒性和灵敏度的多层探索。计算输出是宏观上观察到的在集体β细胞对营养物浓度增加的响应中的无序-有序相变。基于先前描述的生物计算的例子的类比，我们认为，最初的反应可能是由一个自适应阶段，以扩大感官光谱和巩固记忆。
2022-06-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.NC
Quantum Nonlocality and Biological Coherence
量子力学非定域性被认为是生物体和植物中长距离相关的可能机制，它调节着生物体和植物的协调发展和功能。结果表明，Doebner-Goldin非线性量子理论允许将非定域效应扩展到标准的EPR-Bohm方案之外，从而可以描述某些生物过程中的长距离关联。并与实验结果进行了比较。
2022-12-05 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.gen-ph
Weak ergodicity breaking of receptor motion in living cells stemming from random diffusivity
生命系统中的分子运输调节着许多生物功能的基础过程。虽然许多细胞成分表现出异常扩散，直到最近才亚扩散运动与非遍历行为。这些发现在统计力学和细胞生物学中引起了新的问题。非遍历性是生命系统共有的策略吗？是什么物理机制产生的？它对生物功能有什么影响？在这里，我们使用单粒子跟踪来证明，DC-SIGN，一种具有独特的病原体识别能力的受体的运动，揭示了活细胞膜上的非遍历亚扩散。与以往的研究相比，这种行为与瞬时制动不相容，因此不能用连续时间随机游走理论来解释。我们表明，受体经历的扩散率的变化，与目前的细胞膜作为一个高度动态和多样化的环境。基于复杂介质中普通随机游走模型的模拟定量再现了我们所有的观察结果，指出扩散异质性是DC-SIGN行为的原因。通过研究不同的受体突变体，我们进一步将受体运动与其分子结构联系起来，从而在非遍历性和生物学功能之间建立了强有力的联系。这些结果强调了细胞膜紊乱的作用及其与功能调节的联系。由于其通用性，我们的方法提供了一个框架来解释其他复杂介质中的异常传输，其中动态异质性可能起主要作用，例如，在软凝聚态、地质学和生态学中的应用。
2015-03-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Quantum selfish gene (biological evolution in terms of quantum mechanics)
我建议用量子力学工具来研究基因组的生物进化。本文首先从Meta基因的概念入手，具体阐述了道金斯的“自私基因”。Meta-基因编码抽象的生命统一体，它能相对独立地生存，并能包含少数真实的生物。我们把生物种群看作是Meta基因上的波函数，其模的平方是具有给定元基因的生物总数，相位是改变Meta基因经典状态的“愿望”之和。因此，每一个生命都成为这一功能的虚拟量子测量的可能结果之一。基因组的进化在ψ函数空间中用幺正算子描述，在开放生物系统中用Kossovsky-林德布拉德方程描述.这个操作符包含了关于个体所处的特定条件的所有信息，以及他们的Meta基因的“愿望”如何在生物化学水平上实现。我们给出了具有两部分元基因的种群的量子描述的例子：“狼”和“鹿”，它们可以同时处于同一个抽象的生命统一体中。“自私的基因”与生物个体性的概念相一致，使人们有可能从单一的立场考虑进化的情景及其可能的物理原因。
2013-12-07 physics.bio-ph physics.gen-ph
Living Capillary Bridges
Aalto University（阿尔托大学）；Western University（韦仕敦大学）；University of Eastern Finland（芬兰东部大学）；Université Côte d’Azur（蔚蓝海岸大学）
本研究通过实验和三维模拟发现，受限细胞聚集体形成活体毛细桥，其稳定性由细胞生长与铺展竞争决定，破裂受板间距控制，并展现出类似颗粒物质的堵塞硬化及分裂增强变薄，提出活性软物质新行为类别。
2025-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Agent Choice via Quantum Flux in Living Systems
University of Maryland, College Park（马里兰大学帕克分校）
本文提出一个将生物体的主动意图性选择置于物理基础的模型，通过量子态与代理选择的多对一关系，实现非预设但符合物理定律的选择。
2026-04-07 physics.bio-ph quant-ph
Predictive landscapes hidden beneath biological cellular automata
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）；University of Massachusetts Chan Medical School（麻省大学陈医学院）
本文为纪念Hans Frauenfelder，针对生命系统建模的参数问题与离散动力学分析难点，综述了通过发现预测性景观实现元胞自动机动力学低维表征的相关研究。
2021-10-14 nlin.CG nlin.PS physics.bio-ph
A thermodynamic paradigm for solution demixing inspired by nuclear transport in living cells
活细胞显示出将其功能性生物化学区分开来的非凡能力。一个特别有趣的例子是细胞核。细胞核和周围细胞质之间的大分子交换不涉及穿过脂质双层膜。相反，被称为核孔的大型蛋白质通道穿过核膜并调节其他蛋白质和RNA分子的通过。除了简单的门控扩散，核孔和相关的转运受体系统能够产生大量的浓度梯度，以三磷酸鸟苷（GTP）水解为能量代价。与反渗透或透析等传统的分层方法相比，生物系统连续运行，无需施加压力或溶剂交换的循环变化。抽象的生物范例，我们研究这个运输系统作为一个热力学机器的解决方案分层。自由能转导和生化动力学的建设上，我们发现的条件稳定的操作和优化的浓度梯度作为一个功能的耗散形式的熵产生。
2017-02-03 physics.bio-ph q-bio.SC
Optimisation of a diamond nitrogen vacancy centre magnetometer for sensing of biological signals
从生物过程中感知信号，如神经中的动作电位传播，对于临床诊断和生理学的基本理解是必不可少的。可以通过使用完善的电生理学技术将传感器探针放置在活体样本或解剖组织附近或内部来电执行感测。然而，这些电探针技术具有差的空间分辨率，并且不能容易地进入活体内的深处组织，特别是大脑内的组织。另一种方法是检测由电信号通过引起的磁场，在没有直接电接触的情况下给出等效读数。如今，这种测量是使用体积庞大且昂贵的超导传感器进行的，空间分辨率很差。另一种方法是在金刚石中使用氮空位（NV）中心，这保证了生物相容性和高灵敏度，而无需低温冷却。在这项工作中，我们提出了使用NV中心的生物磁测量的进展，证明了在DC/低频范围内使用设计用于生物测量的设置的磁场灵敏度约为100 pT/ $\sqrt{Hz}$。生物相容性的设置与活体样本（小鼠脑切片）进行了研究和优化，我们显示工作的灵敏度提高使用脉冲磁力计方案。除了体磁研究，NV系综宽场荧光成像系统的文物进行了调查。
2020-08-24 physics.app-ph physics.bio-ph physics.optics
Colloquium: Criticality and dynamical scaling in living systems
一个著名的和有争议的假说认为，一些生物系统-部分，方面，或群体-可能会从不稳定的边缘，有序和无序之间的中途，即在相变临界点附近的操作中获得重要的功能利益。临界性一直被认为是为生物系统提供抗扰动的鲁棒性和适应变化条件的灵活性之间的最佳平衡，以及赋予它们最佳的计算能力，巨大的动态库，对刺激无与伦比的敏感性等。临界性及其伴随的尺度不变性，可以被证明是适应和进化过程的结果，为了充分阐明的原因，选择它作为一个模板，更高层次的复杂性可以休息。这一假说是非常有启发性的，因为它提出临界性可以构成生物学中源于相变物理学的一般和常见的组织策略。然而，尽管其令人兴奋的影响，这仍然是在其胚胎状态作为一个有充分依据的理论，因此，它引起了一些健康的怀疑。从实验方面来看，高通量技术的出现为生物系统的探索创造了新的前景，支持临界性的经验证据已经激增，例子包括内源性大脑活动和基因表达模式，鸟类和昆虫群体觅食，仅举几例。
2018-05-15 cond-mat.stat-mech nlin.AO physics.bio-ph
Bursts of activity in collective cell migration
致密的单层活细胞显示出有趣的弛豫动力学，让人想起接近堵塞过渡的柔软玻璃状材料，并在空间可用时集体迁移，如伤口愈合或癌症侵袭。在这里，我们表明，集体细胞迁移发生在突发的裂缝，多孔介质中的流体前沿和铁磁畴壁的传播中记录的那些类似。与这些系统类似，活性爆发的分布显示出在不同细胞类型和在不同基质上移动的细胞中通用的标度律。入侵动力学的主要特点是定量捕获的相互作用的活性粒子在一个无序的景观移动的模型。我们的研究结果表明，活细胞的集体运动类似于相应的动力学驱动，但无生命的系统。
2016-10-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Information and the living tree of life: A theory of measurement grounded in biology
University of California, Davis（加州大学戴维斯分校）
本文基于生物谱系的多重分形结构，提出一种以生物学为基础的测量理论，通过伸缩方程将相对时间流逝表示为无量纲比率，从而统一测量理论与生物形式并保持与既有科学的兼容。
2025-09-30 math.PR physics.bio-ph q-bio.PE
Broken detailed balance and non-equilibrium dynamics in living systems
生命系统远离热力学平衡运行。酶活性可以导致分子尺度上的细致平衡被打破。这种分子尺度上的细致平衡的打破对于实现生物功能至关重要，例如高保真转录和翻译、传感、适应、生化模式和力的产生。虽然生物系统，如马达酶违反细致平衡在分子尺度上，它仍然不清楚如何非平衡动力学表现在介观尺度上的系统，通过许多马达的集体活动驱动。事实上，在一些细胞系统中，非平衡动力学的存在在大尺度上并不总是明显的。例如，在细胞骨架或染色体中，可以观察到乍一看是热驱动的平稳随机过程。这就提出了如何从热噪声中辨别非平衡波动的问题。我们讨论的方法，最近已经开发出解决这个问题，包括方法的基础上测量系统违反波动耗散定理的程度。此外，我们讨论了一个更近的方法来检测主动驱动的动态，这是基于推断打破细致平衡。这构成了一种使用延时显微镜数据的非侵入性方法，并且可以应用于细胞和组织中的广泛系统。我们讨论了这种方法的基本思想及其应用的几个例子，包括鞭毛，初级纤毛，和细胞骨架网络。最后，我们简要地讨论了随机热力学和非平衡统计力学的最新发展，这为理解生命系统的物理提供了新的视角。
2017-10-10 physics.bio-ph
On the Possibility of Large Upconversions and Mode Coupling between Frohlich States and Visible Photons in Biological Systems
大尺度量子相干性在生命系统中至少有两个重要的作用：赫伯特·弗勒里希的相干激发非线性耦合的大分子集合，频率在微波区域，弗里茨·波普的相干可见光子发射产生于代谢活跃的细胞。频率上的巨大差异使得很难将这两种现象联系起来。在这里的情况下，这些模式之间的潜在的大耦合，并建议这些相干激发所发挥的生物学作用。
2006-03-16 physics.bio-ph
Phase Transitions and Criticality in the Collective Behavior of Animals -- Self-organization and biological function
动物群体所表现出的集体行为，如鱼群、鸟群或昆虫群，是生物学中自组织的迷人例子。统计物理学的概念和方法已经被用来从理论上论证这种生命系统中集体效应的潜在后果。特别地，已经提出，这样的集体系统应该在接近相变，特别是（伪）临界点处操作，以便优化它们的集体计算能力。在本章中，我们将首先回顾动物群体所表现出的相关相变，指出将统计物理学的概念应用于生物系统的困难。然后，我们将讨论“临界性假说”的研究现状，包括如何测量距离临界性和特定的功能后果的动物群体附近的相变的方法。我们将强调新兴的观点，即不强调恰好处于临界点的最优性，而是探索生命系统能够调整到与临界点的最佳距离的潜在好处。最后，我们将提出在物理学和生物学的界面上研究集体行为的未来挑战。
2022-11-07 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.PE
Hydrodynamic collective effects of active proteins in biological membranes
已知形成生物膜的脂质双层在亚微米尺度上表现为粘性2D流体;通常它们含有大量活性蛋白质内含物。最近，它已被显示[Proc.Nat.Acad. Sci. USA 112，E3639（2015）]，这类活性蛋白质应诱导非热波动脂质流动，导致生物膜中被动内含物的扩散增强和趋化性样漂移。在这里，这样的效果进行了详细的分析和数值研究。重点讨论了蛋白质在脂筏中的聚集情况。我们表明，被动粒子往往成为吸引主动筏，并积累在他们里面。
2016-08-24 cond-mat.soft nlin.PS physics.bio-ph
A twenty-first century statistical physics of life
本文批判分子与数据驱动范式，主张建立面向生命物质的新型统计物理学，并通过定量抽象与四大核心挑战勾勒生命理论路线图。
2024-10-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Deep optical neural network by living tumour brain cells
人工智能的新时代需要用于机器学习的大规模超快硬件。光学人工神经网络以光速处理经典和量子信息，与硅技术兼容，但缺乏可扩展性，需要昂贵的许多计算层的制造。新的范例，如水库计算和极端学习机，表明无序和生物材料可以实现人工神经网络，仅在输入和读出时训练数千个计算节点。在这里，我们采用生物复杂系统，即，活的三维肿瘤脑模型，并展示了一个随机神经网络（RNN）训练，通过图像传输检测肿瘤形态动力学。RNN以肿瘤球体作为三维深度计算库，执行编程的光学功能，并从光学成像无法达到的激光诱导热疗中检测癌症形态动力学。此外，RNN量化了化疗抑制肿瘤生长的效果。我们实现了一个非侵入性的智能探针的细胞毒性测定，这是至少一个数量级更敏感的相对于传统的成像。我们的随机和混合光子/生活系统是一种新型的人工机器计算和肿瘤动力学的实时调查。
2018-12-09 cond-mat.dis-nn nlin.AO physics.bio-ph
Measuring irreversibility from learned representations of biological patterns
本文利用深度学习从Rho-GTPase和复杂Ginzburg-Landau动力学模式中学习低维表征，并结合Ziv-Merhav估计器实现无模型的不可逆性测量，用于区分稳定与混沌动力学。
2023-09-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective decision making in cohesive flocks
我们中的大多数人一定都被集体移动的动物的引人注目的展示所吸引。鱼群可以以相当有序的方式移动，然后惊人地突然改变方向。在生物世界和非生物世界中，还有大量的其他例子可以证明，在这些现象中，许多相互作用的、永久运动的单元似乎在很短的时间内就达到了一种共同的行为模式。作为这种类型的现象的范例，我们考虑的问题，鸟类如何达成一个决定，导致他们同步着陆。我们引入一个简单的模型来解释这个过程。着陆前的集体运动采用一种新的边界条件的简单的自推进粒子（SPP）系统来模拟，而着陆意图的趋势和突然传播则通过类似于外场中的随机场伊辛模型的规则来引入.我们表明，我们的方法是能够捕捉最相关的功能，集体决策的单位系统与个人的意图的变化，并在越来越大的压力下切换状态。我们发现，作为我们的模型的几个参数的函数，从飞行到着陆状态的集体切换确实比个人着陆意图的分布要尖锐得多。本报告讨论了伴随这一过渡而来的一些有趣的特点。
2010-07-26 physics.bio-ph
Coherence in Biological Systems
Oranim College of Education（奥拉尼姆教育学院）
本文提出相干性作为自主细胞向多细胞个体转变的物理描述，通过质心和相互作用构造集体态，并在盘基网柄菌中验证，提供能量约束下的直接检验。
2026-09-23 physics.bio-ph
Decoding the Architecture of Living Systems
University of Padua（帕多瓦大学）
本文通过动态系统理论和非平衡热力学分析，揭示了生命系统架构的进化机制与非平凡拓扑结构的关系。
2025-12-27 cond-mat.dis-nn physics.app-ph physics.bio-ph
A Modified Ising Model of Barabási-Albert Network with Gene-type Spins
系统生物学的中心问题是了解生物系统的各个组成部分，如基因或蛋白质，如何在新出现的表型中合作，导致疾病的演变。由于活细胞是与环境连续交换的准稳态类型平衡的开放系统，已成功应用于统计热力学描述相变的计算技术可能为生物系统的新兴行为提供新的见解。在这里，我们将系统地评估计算技术从固态物理到与生物网络非常相似的网络模型的转换，并开发特定的转换规则来解决生命系统特有的问题。因此，我们将集中在逻辑模型展示只有两个状态，在每个网络节点。出于生物状态之间的明显不对称性，其中一个实体表现出布尔状态，即活跃或不活跃，我们提出了一个适应的对称伊辛模型对一个不对称的一个拟合的生活系统在这里被称为修改的伊辛模型与基因型自旋。我们通过Monte Carlo模拟分析相变，并提出了一种网络类型的修改伊辛模型的平均场解，该网络类型非常类似于真实世界的网络，即无标度网络的Barabási-Albert模型。我们发现，非对称伊辛模型与对称伊辛模型具有相似之处，外场和经历一个不连续的一阶相变，并表现出滞后。这里介绍的模拟设置可以直接用于任何生物网络连接数据集，也适用于表现出类似活动状态的其他网络。这是一种通用的统计方法，用于处理在生物系统背景下产生的非线性大规模模型，并且可扩展到任何网络大小。
2019-08-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Cryoelectron Microscopy as a Functional Instrument for Systems Biology, Structural Analysis & Experimental Manipulations with Living Cells. A comprehensive review of the current works
本文的目的是对冷冻电子显微镜作为大多数系统生物学分支的复杂数据源进行介绍性综述，包括最具前景的非局部方法，称为“局部组学”和“动力组学”。本文对冷冻电子显微镜的各种方法和相应的系统生物学方法作了简要的综述。上述分类可作为初步理解低温电子显微镜目的和仪器工具的一个有用框架。我们不讨论任何这些概念的细节，但只是指出，他们的方法的复杂性只遵循从生物系统的结构功能的复杂性，以这种方式进行调查。我们还提出，某些冷冻电子显微镜技术不仅可以用于观察，而且可以用于某些生物和类似软物质物体和显微样品的修饰和结构再功能化。在另一个世界里，我们从冷冻电子显微镜作为系统生物学的工具开始，发展到它作为系统生物学和功能仿生学的工具的应用，即“系统冷冻生物学”发展到“合成冷冻生物学”或“冷冻仿生学”。所有这些结论都可以从最近几年的最新工作中推导出来，包括刚刚提交的国外论文。本文提供了一个最新的概念基础上的新观点的计算cryoelectron microscopy（在silico）的方法和数据挖掘的原则，在于现代结构分析和重建的基础。
2015-01-18 physics.bio-ph q-bio.SC
Living Liquid Crystals
自推进生物体或合成粒子的集体运动由于其本质上的非平衡性质而引起了科学界的广泛关注。能量输入以及运动单元和介质之间的相互作用导致复杂的动力学。在这里，我们介绍一类新的活性物质，即活液晶（LLC），它将活的游动细菌与溶致液晶结合在一起。LLC的物理性质可以通过细菌可用的氧气量、成分浓度或温度来控制。我们的研究揭示了丰富的新的有趣的动力学现象，引起的活动触发流和长程取向秩序的介质之间的耦合。其中包括（a）由非均匀指向矢引导的细菌运动的非线性轨迹，（b）由细菌产生的剪切流引起的液晶的局部熔化，（c）从非流动的均匀状态到流动的一维周期性图案的活性触发转变及其演变为拓扑缺陷的湍流阵列，（d）纳米厚的细菌鞭毛产生的微流的双折射使能可视化。与它们的各向同性对应物不同，LLC在非常低的细菌体积分数下显示出集体动态效应，大约为0.2%。我们的工作提出了一个非正统的设计概念，以控制和操纵软活性物质的动态行为，并打开了大门，潜在的生物传感和生物医学应用。
2013-12-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft physics.bio-ph
Collective Properties of the Exactly Solvable Model of Ion-Channel Assemblies in a Biological Cell Membrane
提出了跨细胞膜形成的离子通道系统的行为。首先引入具有无限耦合的无限数量的通道作为详细推导热平衡概率分布和相变分类的参考点。接下来讨论有限系统中的涨落。我们提出了一个新的，阶梯状的离子通道切换模型，我们提供的分析结果。并给出了该模型与实验的关系。最后，借助精确对角化技术对有限通道数膜的主方程进行了数值分析。特别是，亚稳态溶液的衰减时间估计。所得结果与微扰法所得结果不一致，用所提出的冻结扩散法解释了这一差异。
2002-03-29 physics.bio-ph physics.gen-ph q-bio
Self-construction and destruction of living transport networks
该研究提出一个由局部物质浓度驱动的运输网络生长模型，揭示反复构建与破坏可促进生长，但需结构减轻耗散，并指出需额外调控机制以有效重新分配资源。
2025-03-26 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.CB
Non-Markovian Entropy Dynamics in Living Systems from the Keldysh Formalism
Chuxiong Normal University（楚雄师范学院）；Hunan Institute of Technology（湖南理工学院）；Shandong Institute of Petroleum and Chemical Technology（山东石油化工学院）
本文基于Keldysh形式主义和非平衡热力学，发展了非马尔可夫熵动力学理论，揭示了环境记忆对生命系统熵产和波动的影响，为生命系统的熵
2026-04-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Subdiffraction-limited quantum imaging within a living cell
我们报告两个亚衍射限制量子精密测量和量子增强空间分辨率的第一次在生物学方面。在量子增强光子力显微镜中，当纳米粒子扩散通过活细胞的扩展区域时，用量子相关光跟踪纳米粒子。这使得细胞内的空间结构能够以低至10 nm的长度尺度进行映射。与相干光实验相比，水中的对照实验显示出14%的分辨率增强。我们的研究结果证实了长期以来的预测，即量子相关光可以提高纳米尺度和生物学的空间分辨率。与最先进的量子光源相结合，这种技术提供了一种途径，使分辨率比类似的经典成像技术提高一个数量级。
2014-02-05 physics.bio-ph physics.optics quant-ph
Emergence of large-scale mechanical spiral waves in bacterial living matter
本研究在密集细菌群体中发现了由IV型菌毛运动驱动的大规模机械螺旋波，揭示了菌毛活动同步化导致张力时空调节的新机制，为生物膜力学和活性介质研究提供了新视角。
2024-06-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Contractile prestress controls stiffening and fluidization of living cells in response to large external forces
我们报告的同时表征的时间和力依赖性的机械性能的粘附细胞在生理相关制度的大的力量。我们使用磁性镊子对与细胞骨架结合的磁珠施加力，并记录所产生的变形（蠕变响应）。蠕变响应遵循弱幂律在所有的力水平。应力硬化和流化同时发生，并量化的力依赖性的蠕变柔量和幂律指数。硬化和流体化的量，在响应力的细胞的收缩预应力控制，并遵循一个简单的关系。这种行为在涉及细胞与其环境之间的机械相互作用的生物过程中可能具有根本的重要性。
2010-02-02 physics.bio-ph q-bio.CB
Coexistence and efficiency of normal and anomalous transport by molecular motors in living cells
最近的实验揭示了各种纳米颗粒的被动亚扩散和在活生物细胞的分子拥挤环境中通过分子马达的这种颗粒的异常主动运输。被动和主动微观流变学揭示，这种异常动力学的起源是由于细胞内流体的粘弹性。分子马达如何在如此高粘性、耗散性的环境中发挥作用？我们能否解释所观察到的驱动蛋白马达对100 ~ 500 nm大小的相对较大颗粒的异常运输与相同分子马达对较小颗粒的正常运输的共存？分子马达在反常输运区的效率是多少？在这里，我们回答这些看似矛盾的问题，并始终解释实验结果的推广众所周知的连续扩散模型的分子马达与两个构象状态，其中包括粘弹性效应。
2013-09-26 physics.bio-ph q-bio.SC
Transient Nanoscopic Phase Separation in Biological Lipid Membranes Resolved by Planar Plasmonic Antennas
鞘脂，胆固醇和某些蛋白质的纳米级膜组件，也称为脂筏，在促进广泛的重要细胞功能方面发挥着至关重要的作用。而在活细胞膜脂筏已被假定为具有纳米尺度和高度瞬态，在多组分脂质双层中存在类似类型的动态纳米域已被质疑。在这里，我们进行荧光相关光谱与不同的纳米间隙大小的平面等离子体天线阵列，以评估动态纳米级组织的模拟生物膜。我们的方法利用纳米天线提供的高度增强和受限的激发光以及它们出色的平面性，以微秒时间分辨率研究小至10 nm的膜区域。我们的扩散数据是一致的，在液体有序和液体无序的微观相的多组分脂质双层的瞬态纳米域的共存。这些纳米畴的特征停留时间在30和150 μs之间，尺寸约为10 nm，从扩散数据推断。因此，虽然微尺度相分离发生在模拟膜，纳米级域也共存，这表明这些瞬态组件可能是类似于那些发生在活细胞中，在筏稳定蛋白的情况下，准备是短暂的。重要的是，我们的工作强调了光子纳米天线的高潜力，以询问原生生物膜的纳米级异质性与超时空分辨率。
2017-11-21 physics.bio-ph physics.optics
The matter/life nexus in biological cells
本文综述近十年实验与计算进展结合物理和细胞生物化学研究物质-生命关联，指出全细胞建模与合成为理解细胞微环境中该关联提供新方向。
2024-12-19 physics.bio-ph
The Significance of Non-ergodicity Property of Statistical Mechanics Systems for Understanding Resting State of a Living Cell
在我们能够理解活细胞内发生的过程之前，更好地掌握生命的物理基础是必要的。在他的细胞物理理论中，美国生理学家Gilbert Ling引入了细胞静止状态的重要概念。他将这种状态描述为一种独立的稳定的热力学状态，在这种状态下，生命物质储存了执行各种生物工作所需的所有能量。这种状态的特征在于系统的熵比活跃状态低。然而，Ling的方法主要是从热力学角度定性的，需要更具体地描述。为此，我们提出了一种新的热力学方法来研究Ling的活细胞模型（Ling细胞），其中心部分是最近在统计力学[7]中被证明适用于广泛系统的非遍历性。这些方法使我们能够开发一般的热力学方法来解释一些众所周知的生理现象，这些现象可以用于使用特定的物理模型对这些现象进行进一步的物理分析。
2010-10-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective motion of cells: from experiments to models
生物的群集运动是近年来被广泛研究的生命系统最常见和最壮观的表现之一。已经确立了一些一般原则。细胞水平上的相互作用与动物个体之间的相互作用有很大的不同，因此对细胞集体运动的研究可能揭示一些特殊的重要特征，本文对此进行了综述。除了从快速增长的相关文献中提出最吸引人的结果外，我们还对新兴的图片进行了批判性的讨论，并总结了我们目前在细胞水平上对集体运动的理解。细胞的集体运动在许多实验和现实生活中起着至关重要的作用。在大多数情况下，协调运动是给定现象的有帮助的方面，并且导致使相关过程更有效（例如，胚胎发生或伤口愈合），而在肿瘤细胞侵入的情况下，它似乎加速疾病的进展。在这些机制中，细胞既要能动，又要相互粘附，粘附特征是这种集体行为最具特异性的特征。这篇评论的中心目的之一是提出相关的实验观察，并根据一些基本的计算模型来处理它们，以便在定量水平上对这些现象进行解释。
2014-06-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Jamming and arrest of cell motion in biological tissues
集体细胞运动是至关重要的许多生物过程，包括形态发生，伤口愈合和癌症侵袭。最近，生物学和生物物理学社区已经开始使用术语细胞干扰来描述组织中细胞运动的集体停滞。虽然这一术语被广泛使用，但其基本机制各不相同。在这篇综述中，我们强调了三个独立的机制，可以潜在地驱动逮捕的细胞运动-拥挤，张力驱动的刚性，并减少波动-并提出了一个推测性的相图，其中包括所有三个。由于多个机制可能同时运行，这强调了实验应该努力确定在给定情况下哪个机制占主导地位。我们还讨论了特定的细胞尺度和分子尺度的生物过程，如细胞-细胞和细胞-基质相互作用，控制这些潜在的物理机制方面。
2021-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Noise in the direction of motion determines the spatial distribution and proliferation of migrating cell collectives
本文通过基于个体的模型研究细胞运动方向噪声与增殖的相互作用，发现高噪声导致随机分布且增殖增强，低噪声导致环状分布且增殖降低，揭示了噪声通过机械反馈影响细胞空间组织与增殖的机制。
2023-07-10 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
Chirality as an Instrument of Stratification of Hierarchical Systems in Animate and Inanimate Nature
这篇文章试图制定一个协同定律，假设是共同的物理化学和生物学性质：一个不断发展的系统，拥有自由能和手性不对称的元素可能会改变一个层次内的对称性类型，从而增加其“复杂性”，但保留主要手性的符号（“右”-D或“左”-L扭曲）。同一体系具有自发形成一系列层次结构的趋势，这些层次结构具有交替的从头形成结构的手性符号，并且结构的相对规模增加。在生命系统中，从不对称碳的“较低”水平开始的大分子结构的共轭水平的层次原理作为反熵因子，也作为分子机器中“选择的机械自由度”的结构基础。观察提供了DNA和蛋白质结构的手性符号D-L-D-L和L-D-L-D在DNA和蛋白质向更高水平的结构和功能组织过渡期间分别发生规律性变化的证据。DNA和蛋白质的符号交替的手性层次，反过来，形成一个互补的共轭对，是一个非手性不变量，它关闭了生命系统的分子生物学模块。碳原子形成手性化合物的能力是决定地球上生命系统碳基的重要因素，也是它们通过一系列手性分叉而发展的重要因素。受手性符号的制约，大分子结构的等级原则决定了生物进化的“模块化”特征。
2012-12-07 nlin.AO physics.bio-ph
Understanding the dynamics of biological and neural oscillator networks through exact mean-field reductions: a review
许多生物和神经系统可以被看作是相互作用的周期性过程的网络。重要的是，它们的功能取决于网络的新兴集体动态。振荡的同步性是这种集体行为的最突出的例子之一，并且与功能和功能障碍都有关。了解网络结构和相互作用以及单个单元的微观特性如何塑造新兴的集体动态，对于找到导致故障的因素至关重要。然而，许多生物系统，如大脑，是由大量的动力单元组成的。因此，他们的分析要么依赖于粗略的简化启发式模型，要么分析需要巨大的计算成本。在这里，我们回顾了最近推出的方法，被称为E-Antonsen和Watanabe-Strogatz减少，允许一个简化的分析，通过桥接小规模和大规模。因此，减少模型方程，得到精确描述的集体动力学的振荡器网络中的每个子群体通过几个集体变量。由此产生的方程是下一代模型：它们不是启发式的，而是精确地将微观和宏观描述联系起来，因此准确地捕捉了底层系统的微观特性。同时，它们足够简单，无需大量计算工作即可进行分析。在过去的十年中，这些简化方法已经成为理解网络结构和相互作用如何塑造集体动态和同步出现的工具。我们回顾这一进展的基础上的具体例子，并概述可能的限制。最后，我们将讨论如何将简化模型与实验数据联系起来，以指导新治疗方法的开发，例如神经系统疾病。
2020-05-28 math.DS nlin.AO nlin.PS
