Mpemba effect in a chemomechanical model of the Kinesin molecular motor
The Institute of Mathematical Sciences（马修马提科学院）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国立研究所）
该研究证实驱动蛋白分子马达的六态化学力学模型中存在姆佩姆巴效应，发现马达速度弛豫反映其随机动力学的反常弛豫，为研究生物体内反常弛豫提供了新的基线与框架。
2026-07-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Brownian Motors driven by Particle Exchange
我们扩展了朗之万动力学，使粒子可以与粒子库交换。我们证明了巨正则系综是在平衡态下实现的，并导出了平衡态之间过程的热力学关系。作为所提出的进化规则的应用，我们设计了一个简单的模型的布朗电机驱动的粒子交换。关键词：朗之万动力学，热力学，开放系统
1997-10-30 adap-org cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Microscopic theory of a Janus motor in a non-equilibrium fluid: Surface hydrodynamics and boundary conditions
本文从第一性原理推导了非平衡流体中Janus马达与流体密度耦合的运动方程，利用投影算子技术简化为马尔可夫方程，并从分子描述导出了连续介质理论的边界条件及输运系数的Green-Kubo表达式。
2024-01-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Making sense of nonequilibrium current fluctuations: A molecular motor example
本文以一个可解析求解的分子马达模型为例，说明如何沿动力学等价类改变参数来理解马尔可夫系统在近平衡和远离平衡条件下的非平衡响应与涨落。
2024-04-02 cond-mat.stat-mech
Symmetry Relations for Trajectories of a Brownian Motor
布朗马达是一种纳米级或分子器件，它结合了热噪声、空间或时间不对称性以及无方向输入能量的影响来驱动定向运动。由于输入能量，布朗马达的功能远离热力学平衡，并且诸如线性响应理论、波动耗散关系和细致平衡之类的概念不适用。然而，{ \em广义}涨落-耗散关系指出，即使在强非平衡条件下，跃迁的概率与该跃迁的时间反转概率之比是由于跃迁而引起的系统内能变化的指数。在这里，我们推导出一个布朗电动机的广义波动耗散定理的概率之间的比例为电机采取向前一步，并采取向后一步的概率的扩展。
2007-05-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Master Equation Approach to Molecular Motors
主方程方法分子马达允许描述一个机械化学循环系统的化学和平移自由度是平等对待。一个广义的细致平衡条件的平衡制度是兼容的福克-普朗克方程在连续极限。Onsager互易关系对于接近平衡的定态成立，只要满足广义细致平衡条件。半现象学的考虑，在马达蛋白的情况下，导致一个离散的动力学模型，有趣的可观察到的量可以直接计算和实验数据进行比较。
2001-08-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Non-equilibrium fluctuations in frictional granular motor: experiments and kinetic theory
我们报告了一个新的实验颗粒布朗电机的研究，灵感发表在[物理学评论。104，248001（2010）]，但在一些成分上不同。与之前的工作一样，电机由一个旋转棘爪构成，其表面通过浸入粒状颗粒气体中的不同非弹性的交替补丁打破旋转反转对称性。我们的实验装置的主要新颖之处是在主轴的方向，这是平行于（垂直）方向的粒状流体的震动，保证各向同性分布的碰撞颗粒的速度，其特征在于由方差$v_0^2$。我们也保持颗粒系统稀释，以比较与玻尔兹曼方程为基础的动力学理论。与理论相一致，我们观察到的库仑摩擦的关键作用，诱导两个主要制度：（一）罕见的碰撞（RC），与平均漂移$\ < ω\ > \sim v_0^3$，和（ii）频繁的碰撞（FC），与$\ < ω\ > \sim v_0$。我们还研究了在一个大的时间间隔，$Δθ$，这在FC制度是成比例的电机上所做的工作的角度跨越的波动。我们观察到涨落关系满足一个斜率，该斜率弱依赖于相对碰撞频率。
2013-04-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Out-of-equilibrium Frenkel-Kontorova model
考虑了在周期性衬底上运动的相互作用粒子的一维模型和位置依赖的温度分布。当基板和温度分布在空间上是不对称的质心速度的发展，对应于链的定向运输。因此，这个自主系统可以将健康电流转化为运动。可以调整模型参数，使得颗粒表现出从基板上的有序配置到无序配置的交叉，在这样的无序相中达到最大的电动机效应。在这种情况下，多体马达的性能优于单马达系统，显示了集体效应在微观热装置中的重要性。因此，这种集体效应代表了一种免费的资源，可以用来提高微观机器的动力学和热力学性能。
2021-03-02 cond-mat.stat-mech
Self-organized Pattern Formation in Motor-Microtubule Mixtures
提出并研究了分子马达和微管混合物中斑图形成的流体动力学模型。在不同的参数空间中，我们得到的稳态模式包括涡旋和星状体的分别排列，以及星状体涡旋混合物和完全无序状态。在体外实验中观察到这种稳定的稳态。在实验中获得的图案序列可以与我们的模型的非平衡相图中的平滑轨迹相关联。
2003-07-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Breaking the symmetry of a Brownian motor with symmetric potentials
布朗粒子的定向输运需要一个具有非对称性和非平衡噪声的系统。在这里，我们调查的数值替代方式来满足这些要求的两个状态的布朗电机，实现与布朗粒子之间交替两个相移，对称的潜力。我们发现，除了以前已知的时空不对称性的基础上不平等的潜在之间的转移率，潜在的深度，摩擦，或平衡温度的两个潜在的不平等也产生所需的不对称性。我们还表明，热噪声和噪声的转移的随机性的影响取决于不对称性的诱导方式。
2011-02-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Coulomb friction driving Brownian motors
我们回顾了最近推出的一系列模型来描述布朗电动机的库仑摩擦的影响下，或更一般的非线性摩擦定律。已知的是，如果热浴被建模为通常的朗之万方程（线性粘度加白噪声），则附加的非线性摩擦力不足以打破细致平衡，即不能产生马达效应。我们讨论了两种可能的机制来回避这个问题。第一种可能性，在最近的实验启发的几个模型中被利用，是用“碰撞噪声”代替热浴的白噪声，这是与外部粒子平衡气体随机碰撞的效果。第二种可能性是扩大相空间，例如通过添加将速度耦合到位置的外部电势，如Klein-Kramers方程。在这两种情况下，非线性摩擦变得足以实现非平衡稳态，并且在存在甚至很小的空间不对称的情况下，产生电动机效应。
2014-02-21 cond-mat.stat-mech
Application of the fluctuation theorem to motor proteins: from F1-ATPase to axonal cargo transport by kinesin and dynein
涨落定理是20世纪90年代非平衡态统计物理学中的一个代表性定理。与非平衡态中的熵产生有关，该定理已被用来从运动中的涨落估计马达蛋白质的驱动力。在这篇评论中，使用波动定理在实验中的马达蛋白质的生物学家，特别是那些谁研究机械生物学，其中力的测量是一个中心问题。首先介绍涨落定理在旋转马达蛋白F1-ATP酶旋转力矩测量中的应用。接下来，作为该应用的扩展，介绍了最近的试验，该试验估计了微管马达驱动蛋白和动力蛋白在体内货物运输过程中产生的力。阐明这种运输的物理机制是重要的，特别是对于神经元，其中货物运输的缺陷与神经元疾病密切相关。最后，对涨落定理作为神经科学领域的一项新技术的前景进行了讨论。
2018-07-03 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Collective Effects in Models for Interacting Molecular Motors and Motor-Microtubule Mixtures
综述了分子马达与细胞骨架丝相互作用模型的统计力学中的三个问题。首先，描述了相互作用分子马达的波动棘轮模型中密度-密度关联的流体力学行为。数值结果表明，这类模型中动力学行为的标度性质属于KPZ普适类。其次，概括这种模型，包括边界注入和去除电机。与已知的非对称排斥过程的结果一样，模拟表明，这种模型在热力学极限下表现出尖锐的边界驱动相变。在本文的第三部分中，描述了最近在马达和微管的混合物中斑图形成的连续描述方面的进展，并讨论了这种系统的非平衡“相平衡”。
2006-04-06 cond-mat.stat-mech
Transport Characteristics of Molecular Motors
研究了分子马达的输运性质。应用基于布朗棘轮概念的简化模型。本文用数值方法分析了一类随机运动方程。系统地研究了运输的能量效率和质量表示的有效扩散系数。我们证明了摩擦和非平衡驱动的作用，运输量词和确定区域的参数空间，电机最佳运输。
2011-12-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Energy Transfer in a Molecular Motor in Kramers' Regime
我们提出了一个理论处理的能量转移的分子马达描述的过阻尼布朗运动的多维倾斜周期势。倾斜作为热力学力驱动系统脱离平衡，对于不可分势，能量转移发生在自由度之间。对于深势阱，连续理论转换成一个离散的主方程，这是易于分析。我们使用这个主方程推导出的跳跃率，漂移，扩散，效率和能量转移率的热力学力的正式表达式。这些结果跨越了自由度之间的强耦合和弱耦合，描述了接近和远离平衡状态，并且与广义细致平衡和Onsager关系是一致的。因此，我们在一个单一的理论框架内推导出许多不同的结果分子马达。
2013-09-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Conformational statistics of non-equilibrium polymer loops in Rouse model with active loop extrusion
受最近的实验观察的DNA环挤压蛋白质马达的启发，在本文中，我们调查的统计性质的增长聚合物环内的理想链模型。环构象的统计特征是由平均回转半径和成对接触概率。事实证明，一个单一的无量纲参数，这是由环路松弛时间的比例超过了从挤出开始所经过的时间，控制之间的交叉近平衡和高度非平衡的渐近挤出环路的统计。此外，我们还发现，双面和单面环挤压电机产生的环具有几乎相同的性能。我们的预测是基于两个严格的半分析方法，伴随着缓慢和快速挤出极限的渐近分析。
2021-02-28 cond-mat.stat-mech
Traffic of molecular motors through tube-like compartments
利用格子模型研究了分子马达在开放管状腔室中的运动。这些模型表现出边界诱导的相变相关的非对称简单排斥过程（ASEP）在一维。过渡线的位置取决于管两端的边界条件。研究了三种边界条件：（A）对应于封闭圆环管的周期边界条件。(B)在局部保持径向平衡的两个管端处的固定马达密度;以及（C）在一端处的扩散马达注入和在另一端处的扩散马达提取。除了相图，我们还确定了使用平均场近似和蒙特卡罗模拟的绑定和未绑定的电机密度的配置文件。我们的理论预测是实验可以达到的。
2003-04-30 cond-mat.stat-mech
Thermodynamic Emergence of a Brownian Motor
人类创造的发动机和进化优化的分子马达展示了复杂的设计，以收获化学能或热能来产生单向运动。这些马达的复杂性使得它们不太可能随机出现。然而，具有运动能力的分子似乎对第一个自我复制因子的产生和达尔文进化论的启动至关重要，这就提出了一个物理机制的问题，即在各向同性的环境中，定向运动的出现是如何促进的。在这里，我们展示了一个普遍的热力学机制，自发出现的机械系统中的运动能力。具有多个自由度的非平衡系统发展出有利于矫正环境热波动的对称性破缺。计算了相应的速度及其涨落。生命物质的同手性被解释为手性破缺是由于马达的出现。结果的普遍性提供了一个一般的扩展Onsager关系的非线性政权。
2016-05-30 cond-mat.stat-mech
Universal bound on the efficiency of molecular motors
热力学不确定性关系提供了一个不等式，涉及任何平均电流，相关的色散和熵产生率为任意非平衡稳态。在这里应用它的一般模型的分子马达运行对外力或扭矩，我们表明，这样的电机的热力学效率是普遍有界的一个表达式，只涉及实验可访问的数量。对于牵引货物通过粘性流体的发动机，相应的斯托克斯效率的通用界限作为变体遵循。如果用机械力来合成高化学势的分子，也有类似的结果。至关重要的是，不需要详细的基本机械化学机制的知识来应用这些界限。
2017-01-04 cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Efficiency of molecular motors at maximum power
分子马达将ATP水解获得的化学能转化为克服外力的机械功。我们计算了两个简单的通用模型在最大功率输出时的效率，并表明定性行为关键取决于过渡态的位置。具体地，我们发现初始状态附近的过渡态（有时被表征为“动力冲程”）对于最大功率下的高功率输出和高效率两者是最有利的。在这种情况下，通过施加更高的化学电势差来驱动马达进一步脱离平衡甚至可以反直觉地增加效率。
2008-07-23 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Molecular motors: design, mechanism and control
每个动物细胞的生物功能都依赖于各种各样的分子马达的协调运作。其中一些发动机将货物运送到各自的目的地，而另一些则是移动车间，在轨道上移动时合成大分子。其他一些电机被设计为包装机和搬运机。所有这些电动机都需要输入能量来执行其机械功，并且在远离热力学平衡的条件下运行。这些马达的典型尺寸和它们产生的力分别为纳米和皮牛顿的量级。它们受到周围水介质分子的随机轰击，因此遵循嘈杂的轨迹。由于它们的小惯性，它们在粘性细胞内空间中的运动表现出在低雷诺数下流体动力学的特征。在这篇文章中，我们将讨论物理学家如何对这些机器进行理论建模和计算机模拟，以深入了解它们的机制，工程师可以利用这些机制来设计和控制人造纳米电机。
2008-01-10 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.pop-ph
Roles of Local Non-equilibrium Free Energy in the Description of Biomolecules
当一个系统处于平衡状态时，外部扰动会产生非平衡分布的时间序列，最近的实验技术可以获得可能包含关键信息的非平衡数据。Jinwoo和Tanaka（L. Jinwoo和H. Tanaka，Sci. Rep. 2015，5，7832）已经提供了数学证明，该过程在系统子状态上的非平衡自由能分布具有Jarzynski的工作作为内容，其在分子执行其任务时自发地消散。在这里，我们用数值方法验证了这一事实，并给出了一个实际例子，其中我们分析了通过环形ATP酶马达进行RNA移位的计算机模拟。通过将底物移位的循环过程解释为一系列的淬灭、弛豫和第二淬灭，该理论给出了ATP酶马达的各个子状态在该过程结束之前被激励了多少。结果表明，RNA转运效率对大多数分子是$48\sim 60\%$，但分子的$12\%$达到了$80\sim 100\%$效率，这与文献一致。这一理论将是一个有价值的工具，从实验观察中提取分子非平衡行为的定量信息。
2022-07-05 cond-mat.stat-mech
Broken Detailed Balance of Filament Dynamics in Active Networks
肌球蛋白马达蛋白驱动细胞肌动蛋白细胞骨架的剧烈稳态波动。内源性嵌入的半柔性细丝，如微管，或添加的细丝，如单壁碳纳米管被用作新的工具，以非侵入性地跟踪在这样的生物聚合物网络的平衡和非平衡波动。在这里，我们分析计算形状波动的半柔性探针细丝在粘弹性环境中，驱动电机活动的平衡。探针丝的横向弯曲起伏可以分解为动态简正模。我们发现，这些模式不再独立发展下的非平衡驱动。这种有效模式耦合导致构象相空间中的非零循环电流，反映了对细致平衡的破坏。我们提出的预测与这些电流相关的特征频率，并调查如何确定模式的相关性，我们发现嵌入在细胞骨架网络中的微管最近的实验是一致的运动活动的时间签名。
2016-06-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Quantifying the Heat Dissipation from a Molecular Motor's Transport Properties in Nonequilibrium Steady States
理论分析，映射到单循环马尔可夫过程的分子马达的单分子时间轨迹，使我们能够评估从电机耗散的热量，并阐明其依赖于平均速度和扩散率。与处于平衡状态的被动布朗粒子不同，分子马达的速度和扩散常数是相互关联的。特别是，我们的研究清楚地表明，随着产热的扩散率的增加是活性颗粒的自然结果，这让人想起最近的实验前提，即放热酶的扩散是由其自身催化周转释放的热量增强的。与自由扩散的放热酶相比，动力学仅限于一维轨道的驱动蛋白-1在将构象波动转化为局部定向运动方面非常有效，从而显示出显著更高的扩散率及其周转率的增强。将分子发动机和自由扩散酶放在同等的地位，我们的研究为理解放热酶的热增强自扩散提供了热力学基础。
2016-12-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Lattice-gas model for active vesicle transport by molecular motors with opposite polarities
我们引入了一个多物种的格子气模型来研究马达蛋白驱动的细胞细丝上的集体货物运输。我们用这个模型来描述和分析集体运动的相互作用的囊泡货物进行相反方向的分子马达，移动在一个单一的生物丝。建立在一个完全不对称的排斥过程（TASEP）来表征相互作用的货物的运动，我们允许与环境，输入和输出的质量交换在细丝的边界，并专注于相互转换率的作用，以及它们如何影响净货物运输的方向性。我们量化的各种不同的竞争过程中的非平衡相图的影响。相互转化率的相互作用，允许通量反转和蒸发/沉积过程中引入定性的新功能的相图。我们观察制度的三相共存，相位重新进入的可能性和一个显着的灵活性，在不同的相边界如何转移，以响应控制参数的变化。该模型的移动稳态解允许货物囊泡的空间分布的不同可能性，范围从囊泡的均匀分布到极化分布，其特征在于不均匀性或{ \it冲击}。在这个模型的框架内，由于内部监管而导致的电流逆转自然出现。我们相信，这种极小模型将澄清集体囊泡运输的许多功能的理解，除了作为基础，为囊泡运输相关的各种{ \it在体内}的情况下，建立更精确的定量模型。
2010-09-09 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
Interacting molecular motors: Efficiency and work fluctuations
我们调查模型的“可逆棘轮”与相互作用的粒子，介绍了我们早些时候[Europhys。Lett. 84，50009（2008）]。我们进一步澄清了由于相互作用的效率提高的效果，并表明它是充满活力的起源，而不是减少波动的后果。我们还显示了复杂的结构中出现的相互作用和密度依赖性的电流和响应函数。的工作和输入能量的波动特性详细表明远离平衡的性质的动态。
2011-05-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The Force Exerted by a Molecular Motor
由单个分子马达施加的随机驱动力（例如，驱动蛋白或肌球蛋白）在周期性分子轨道（微管、肌动蛋白丝等）上移动。从开放的实验测试的一般观点进行了讨论。一个基本的“气压”关系的驱动力的介绍，（一）适用于一系列的动力学和随机模型，（二）是一致的，更详细的表达式需要明确表示的外部施加的负载，（iii）足够接近热平衡，满足爱因斯坦型的关系方面的速度和扩散系数的（无负载）电机。即使在最简单的两态模型中，载荷图呈现出各种不同的形状（包括非单调行为）。先前建议的驱动力的界限是不适用的一般通过分析离散跳跃模型的等待时间分布。
1999-03-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Optimal Control of the F${_1}$-ATPase Molecular Motor
F $_{1}$ -ATP酶是一个旋转的分子马达，\emph{in vivo}受到很强的非平衡驱动力.有很大的兴趣，了解其高效率的自由能转换的操作原理。在这里，我们使用一个近平衡的框架来设计一个非平凡的控制协议，以尽量减少在旋转F $_{1}$合成ATP的耗散。我们发现，所设计的协议需要更少的工作比一个天真的（恒速）协议在广泛的协议持续时间。我们的分析指出了一个可能的机制，积极有效的驱动F $_{1}$ \emph{in vivo}，并提供了深入了解自由能转导更广泛的一类生物分子和合成机器。
2022-12-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Simulating a Chemically-Fueled Molecular Motor with Nonequilibrium Molecular Dynamics
大多数分子动力学的计算机模拟都是在平衡条件下进行的--在一个封闭的、孤立系中，或者在一个保持恒定温度或压力的系统中。有时候，在这些模拟中引入额外的张力、剪切力或温度梯度，以探测对外力的一种非平衡响应。然而，催化剂和分子马达的功能是基于化学反应的热力学驱动力引起的非平衡动力学。在这种情况下，模拟需要恒化器能够保持非平衡稳态的化学浓度。我们开发了这样一个动态的计划，并用它来观察一个新的基于粒子的经典模型的链状分子马达周期。分子马达经常用详细的平衡破坏马尔可夫模型来建模，我们通过对模拟的微观动力学进行粗粒化来明确地构建这样一幅图，以提取速率。这项工作确定了粒子间的相互作用，调整这些速率，以创建一个功能的电机，从而产生一个计算的操场，以调查方向偏差，电流生成和耦合强度之间的相互作用，在分子信息棘轮。
2021-11-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Thermal Fluctuation Statistics in a Molecular Motor Described by a Multidimensional Master Equation
对分子马达中的热涨落统计进行了理论研究。在电机中的能量传递是用一个多维离散主方程与最近邻跳跃。在这个理论中，能量转移导致不同自由度的热涨落之间的统计相关性。在很长一段时间内，能量传递是一个具有恒定漂移和扩散的多元扩散过程。波动和漂移在强耦合极限中对齐，使得能够沿耦合坐标进行一维描述。我们推导出正式的概率分布的表达式，并模拟单轨迹的系统在近和远的平衡限制强耦合和弱耦合。我们的研究结果表明，跳跃统计提供了一个机会，以区分不同的操作制度。
2013-08-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Effective Temperature of Red Blood Cell Membrane Fluctuations
生物驱动的非平衡波动通常以其非高斯性或“有效温度”为特征，有效温度取决于频率并高于环境温度。我们解决这两个措施理论上通过检查一个随机踢“粒子”，与可变数量的踢“马达”，并显示这两个指标的非平衡行为可以矛盾。我们的研究结果进行了比较，与新的实验红细胞膜的形状波动，并展示了如何在这个系统中的电机的物理性质，可以揭示使用这些全球性的措施的非平衡。
2011-05-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Fluctuations, Responses and Energetics of Molecular Motors
描述了一个新的等式，它把非平衡Langevin系统的能量耗散率与涨落响应关系（FRR）的破坏程度联系起来。FRR是涨落的关联函数与宏观变量的响应函数之间的关系。虽然已经确定FRR在平衡态下成立，但在非平衡态系统中违反FRR的物理意义一直存在争议。最近，作者发现在非平衡Langevin系统中，FRR破坏的程度与能量耗散到环境中的速率成简单的等式关系。在本文中，我们充分解释了FRR，FRR破坏，和新的平等方面的朗之万模型称为布朗马达模型，这被认为是一个简单的模型的生物分子马达。此外，我们的结果的分子马达的实验研究中的应用进行了讨论，并作为一个例子，我们预测了一个新的时间常数的值关于KIF 1A，这是一种单头驱动蛋白的运动。
2006-10-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Physics of Transport and Traffic Phenomena in Biology: from molecular motors and cells to organisms
几乎在生物系统的所有层面都可以观察到类似于动物的集体运动。分子马达蛋白，例如驱动蛋白和动力蛋白，它们是真核细胞中几乎所有细胞内运输的载体，有时会遇到交通堵塞，表现为生物体的疾病。类似地，在最近的实验中也观察到在脊椎动物的细胞外基质的胶原纤维上移动的胶原酶MMP-1的交通堵塞。社会性昆虫如蚂蚁和白蚁在小径上的类似昆虫的运动，也许在我们的日常生活中更为熟悉。在过去的几年里，实验，理论和计算研究导致了对这些现象中所涉及的一般或共同物理原理的更深入的理解。特别是，非平衡统计力学的一些方法，由爱因斯坦，朗之万和其他人在近一百年前开创，成为定量分析这些交通类集体现象模型的强大理论工具，因为这些系统本质上远离平衡。在这篇综述中，我们批判性地审视了我们的理解的现状，暴露了现有方法的局限性，提到了开放的挑战性问题，并推测了在这个跨学科领域，物理学不仅满足化学和生物学，而且（纳米）技术的研究可能的未来方向。
2007-02-20 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Thermodynamic inference in molecular motors: a Martingale approach
针对纳米级分子马达直接测量难、信息提取有限的问题，提出基于鞅理论的热力学推断策略，利用停时积分涨落定理和熵产生偏移界，在F1-ATPase模型中实现了旋转功、有效温度等热力学量的估计。
2025-09-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Traffic phenomena in biology: from molecular motors to organisms
几乎在生物系统的所有层面都可以观察到类似于动物的集体运动。分子马达蛋白，例如驱动蛋白和动力蛋白，它们是真核细胞中几乎所有细胞内运输的载体，有时会遇到交通堵塞，表现为生物体的疾病。类似地，在最近的实验中也观察到在脊椎动物的细胞外基质的胶原纤维上移动的胶原酶MMP-1的交通堵塞。社会性昆虫如蚂蚁和白蚁在小径上的类似昆虫的运动，也许在我们的日常生活中更为熟悉。在过去的几年里，实验，理论和计算研究导致了对这些现象中所涉及的一般或共同物理原理的更深入的理解。特别是，非平衡统计力学的一些方法，由爱因斯坦、朗之万和其他人在近一百年前开创，后来成为定量分析这些类似交通的集体现象的模型的有力理论工具，因为这些系统本质上远离平衡。在这篇综述中，我们批判性地审视了我们的理解的现状，暴露了现有方法的局限性，提到了开放的挑战性问题，并推测了在这个跨学科领域，物理学不仅满足化学和生物学，而且（纳米）技术的研究可能的未来方向。
2008-01-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.QM
Stochastic mechano-chemical kinetics of molecular motors: a multidisciplinary enterprise from a physicist's perspective
分子马达由单个大分子或大分子复合物组成。就像它们的宏观对应物一样，分子马达将能量输入机械功。这里考虑的所有纳米电机都在远离平衡的等温条件下运行。此外，能量转换的一种可能机制，称为布朗棘轮，甚至没有任何宏观对应物。但是，分子马达并不是布朗棘轮的同义词;大量的分子马达执行嘈杂的动力冲程，而不是像布朗棘轮那样操作。我们不仅回顾了单个马达的结构设计和随机动力学，而且还回顾了它们的协调、合作和竞争以及多模块马达在各种细胞内动力学过程中的组装。虽然这里考虑的所有电机都执行机械运动，但效率和功率输出不一定是某些电机性能的良好衡量标准。在细胞内的纳米马达，我们认为搬运工，滑块和划手，活塞和挂钩，出口商，进口商，包装和移动以及那些也合成，操纵和降解“生命大分子”。我们主要回顾这些马达动力学的定量模型。我们还描述了几个电机驱动的细胞内随机过程的定量模型尚未开发。第一部分主要讨论了分子马达的研究方法和模型。在第二部分中，我们回顾了许多具体的例子，强调统一的基本机制以及多样性的操作所产生的差异，在其详细的结构和动力学。多学科的研究是从物理学家的角度提出的。
2013-06-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Modified fluctuation-dissipation and Einstein relation at non-equilibrium steady states
从G. S. Agarwal [Zeitschrift für Physik 252，25（1972）]，我们提出了一个统一的推导一些修改的波动耗散关系（MFDR），涉及到响应周围的小扰动非平衡稳态的相关性。使用这种形式主义，我们表明使用连续朗之万和离散主方程动力学导出的MFDR的速度形式的等价性。由此产生的添加剂修正爱因斯坦关系的例子使用闪烁棘轮模型的分子马达。
2012-01-22 cond-mat.stat-mech
Fluctuation theorem and large deviation function for a solvable model of a molecular motor
研究了分子马达的离散随机模型。该离散模型可被视为\emph{minimal}棘轮模型。我们扩展了我们以前的工作在这个模型上，通过进一步调查的约束所施加的波动定理的操作远离平衡的分子马达。在这项工作中，我们展示了波动定理的不同表述之间的联系。一个公式涉及的电流的生成函数，而另一个涉及相应的大偏差函数，我们已经计算出这个模型。FT的第三个公式涉及向前一步的概率与向后一步的概率之比。适用于我们的模型的波动定理的最后公式的预测与Carter和Cross [Nature，{ \bf 435}，308（2005）]关于驱动蛋白的单分子测量的数据非常一致。最后，我们表明，所有的配方FT可以理解的熵产生的概念。
2008-07-01 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nucleation and shape dynamics of model nematic tactoids around adhesive colloids
最近的实验表明，如何线虫有序的tactoid形状的肌动蛋白液滴可以重组和肌球蛋白分子马达的行动分开。在本文中，我们考虑如何类似的形态变化，可以在平衡条件下实现。使用模拟，原子和连续，和一个唯象模型，我们探讨如何成核动力学，形状变化，和最终的稳定状态的一个aptactoid液滴可以修改模型的相互作用，模仿肌球蛋白马达集群的粘合剂胶体。我们的研究结果提供了一个处方所需的最低条件，以稳定tactoid重组和分裂在平衡胶体-凝胶设置。
2019-09-08 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Dwell time symmetry in random walks and molecular motors
可逆分子马达中的步数和停留时间的统计不同于酶动力学中的循环完成的统计。原因是一个步骤只是机械化学循环中的几个转变之一。因此，酶动力学中循环完成的理论结果不适用于步进数据。为了允许正确的参数估计，并指导数据分析和实验设计，需要考虑到这一观察的理论处理。在本文中，我们使用第一次通过过程的停留时间和向前和向后的步骤的数量的分布模型，基于向前和向后的步骤对应于同一过渡的不同方向的假设。我们扩展了最近的结果与一个单一的周期系统，并考虑了完整的停留时间分布以及模型与多个途径，可检测的子步骤，和determination。我们的主要结果是一个对称关系的驻留时间分布在可逆电机，和一定的相对步进频率和每周期的自由能之间的关系。我们证明了我们的研究结果，通过分析最近的步进数据的细菌鞭毛电机，并讨论了影响力产生亚基的效率和可逆性。关键词：马达蛋白;单分子动力学;酶动力学;鞭毛马达;马尔可夫过程;非平衡涨落。
2007-04-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Quantum duets working as autonomous thermal motors
研究了由两个量子布朗粒子组成的热自治机器的动力学性质，每个量子布朗粒子与不同温度的环境接触，并沿周期性正弦轨道运动。当这样的轨道移动时，系统的质心表现出非零速度，为此，我们提供了一个精确的表达式，在小的轨道波动的限制。我们讨论了空间对称性破缺在热机定向运动中的作用。然后，我们考虑的情况下，外部确定性的力施加到系统，并表征其稳态速度。如果施加的外力与系统运动相反，则可以从这种稳态热机中提取功，而无需任何外部循环协议。当两个粒子没有相互作用时，我们的结果退化到文献的结果。[1，2]对于在周期倾斜势中运动的单个粒子。最后，我们使用我们的结果的电机速度检查的有效性的量子分子动力学算法在非线性，非平衡制度。
2019-11-05 cond-mat.stat-mech quant-ph
Nonequilibrium Energy Transduction in Stochastic Strongly Coupled Rotary Motors
本研究利用 FoF1-ATP synthase 模型，揭示了分子尺度强耦合旋转马达在非平衡条件下实现高效自由能转导的设计原则，发现中等强度耦合而非紧密耦合能最大化输出功率。
2020-06-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Degree of coupling and efficiency of energy converters far-from-equilibrium
在本文中，我们引入了一个真正的对称和半正定矩阵，我们称之为非平衡电导矩阵，并推广了Onsager响应矩阵的系统在非平衡稳态。然后，我们表示的热力学效率的系数，这个矩阵使用的参数化类似于一个使用近平衡。这个框架，然后有效的任意远离平衡允许设置边界上的热力学效率由一个通用的功能，仅取决于输入和输出电流之间的耦合程度。它还导致了新的通用电源效率的权衡有效的宏观机器相比，权衡以前从不确定性关系。我们说明了我们的结果上的一个单一的热-热转换器和离散模型的分子马达。
2018-02-15 cond-mat.stat-mech
Non-equilibrium statistical mechanics of continuous attractors
连续吸引子已被用于理解最近的神经科学实验，其中持续活动模式编码外部属性（如头部方向或空间位置）的内部表示。然而，在这种网络中，神经活动的紧急碰撞可以被空间和时间依赖的外部感觉或运动信号操纵的条件还不清楚。在这里，我们发现如何快速内部表示编码沿连续吸引子可以通过外部信号更新的基本限制。我们将这些结果应用到放置细胞网络中，得到一个速度依赖的非平衡记忆能力的神经网络。
2018-12-30 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech q-bio.NC
Stochastic thermodynamics of active Brownian particles
在强波动环境中自推进的例子在自然界中比比皆是，例如，活细胞中的分子马达和泵。本文从朗之万运动方程出发，利用简单的速度相关力模型，建立了自推进粒子的涨落热力学描述。我们推导出熵产生的涨落定理和一个修正的涨落耗散关系，描述了非平衡稳态下的线性响应。我们在一个简单的分子马达模型中研究这些概念，并在瑞利-亥姆霍兹模型和自推进粒子的能量库模型中研究这些概念。
2013-08-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Out-of-equilibrium clock model at the verge of criticality
我们考虑了一个由二维离散旋转体组成的非平衡晶格模型，该模型与不同温度下的热源接触。这种模型的平衡对应物，时钟模型，表现出三个阶段;低温有序相，准液相，高温无序相，与两个相应的相变。在非平衡模型中，空间对称性和热平衡的同时破缺导致自旋变量的定向旋转。在这种状态下，系统表现为将热流转化为运动的热机。为了量化的敏感性的机器的热力学力驱动它失去平衡，我们介绍和研究的动态响应函数。我们表明，这样的热机的最佳操作制度发生时，在前两个阶段之间的边界处的临界温度周围施加的平衡扰动，即系统最容易受到外部热力学力，并表现出更尖锐的过渡。因此，我们认为，相互作用的电机系统中的临界波动可以利用，以提高机器的整体动态和热力学性能。
2019-08-19 cond-mat.stat-mech
Statistical properties of the energy flux between two NESS thermostats
我们讨论在非平衡系统中的热输运问题。实验装置包括两个耦合的粒状气体非平衡稳态（NESS）热浴，其中嵌入布朗转子。这些转子通过电阻器$R$与直流微型电机机电耦合，从而使能量在它们之间流动。平均通量与镀液温差成线性关系。改变$R$允许在非耗散耦合极限（$R\rightarrow0$）中进行外推。我们表明，在这个限制，热通量服从波动定理，在$2004$中提出的形式由Jarzynski和Wójcik有限大小的平衡热浴之间的通量波动。
2021-01-21 cond-mat.stat-mech
Stochastic thermodynamics, fluctuation theorems, and molecular machines
随机热力学在这里系统地审查提供了一个框架，扩展经典热力学的概念，如工作，热量和熵产生的水平上的个人轨迹定义明确的非平衡合奏。它适用于任何非平衡过程仍然耦合到一个（或几个）恒温热浴的情况。典型系统是时间依赖性激光陷阱中的单个胶体颗粒、外部流中的聚合物、单分子测定中的酶和分子马达、涉及单电子输运的小生物化学网络和热电装置。对于这样的系统，第一定律一样的能量平衡，可以确定沿波动的轨迹。各种积分和详细的波动定理，这是在这里从一个主定理的统一方法，约束的概率分布的工作，热和熵的生产取决于系统的性质和非平衡条件的选择。对于非平衡定态，特别强的结果保持像一个广义涨落耗散定理涉及熵的产生。这些概念的分支和应用包括有限时间内指定状态之间的最优驱动，基于测量的反馈过程的作用以及耗散和不可逆性之间的关系。效率，特别是在最大功率下的效率，可以使用基于熵产生的循环分解的共同框架，系统地讨论两类分子机器的线性响应区域之外，等温的分子机器如分子马达，和热机如热电装置。
2012-05-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Influence of non-conservative optical forces on the dynamics of optically trapped colloidal spheres: The fountain of probability
我们从实验和理论上证明了被困在静态光镊中的胶体球不会达到平衡，而是达到一个稳定的状态，在这个状态下，它的概率通量跟踪出一个环形涡旋。这种非平衡行为可以归因于非保守光学力对热涨落的微妙偏置。因此，循环球充当布朗马达。我们简要地讨论了这种效果的研究中，光镊已被视为潜在的能量井的分支。
2008-04-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Autonomous actuation of zero modes in mechanical networks far from equilibrium
零模式或松弛模式是机械部件的非平凡耦合，其产生没有变形阻力的自由度。工程零模式有可能充当微观电机或记忆设备，但这需要一个内部驱动机制，可以克服其他模式中不必要的波动和实际系统中固有的耗散。在这项工作中，我们从理论和实验上表明，机械网络中的复杂零模式可以选择性地动员非平衡活动。我们发现，一个相关的活性浴致动无穷小零模式，同时抑制更高的模式相比，热波动，我们实验模拟的物理网络的高频振荡的波动。此外，自推进动力学自发地动员有限的机制，例如自推进拓扑孤子。因此，非平衡活动使得通过网络拓扑结构设计的协调机制能够自主致动。
2018-09-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The Interplay of Nonlinearity and Architecture in Equilibrium Cytoskeletal Mechanics
细胞骨架结构之间的相互作用和非线性的相互作用，由于bucklable丝在调节细胞的机械稳定性，并影响其结构重排起着关键作用。我们研究了一个模型的细胞骨架结构处理它作为一个无定形网络的硬中心刚性交联的非线性弹性弦，忽略机动化的影响。使用模拟与自洽声子方法，我们表明，这个极小模型表现出不同的物理稳定的机械相，取决于排除体积，交联浓度，长丝长度和刚度。在自由能泛函的框架下，利用结构玻璃的随机一级转变理论，进一步估算了该模型体系中发生动力学玻璃转变的特征密度。网络连接性强烈地调节各种平衡相之间的过渡边界，以及动力学玻璃化转变密度。
2011-06-30 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.CB
Mesoscopic non-equilibrium measures can reveal intrinsic features of the active driving
生物组装体如染色体、细胞膜和细胞骨架在纳米尺度上被酶活性和分子马达驱动而失去平衡。类似的非平衡动力学可以在合成系统中实现，例如化学燃料胶体颗粒。表征这种主动软组件的随机非平衡动力学仍然是一个挑战。最近，已经提出了新的非侵入性的方法来确定非平衡行为，这是基于检测打破细致平衡的随机轨迹的几个坐标的系统。受两点微流变学方法的启发，其中一对探针粒子的平衡波动揭示了平衡系统的粘弹性响应，在这里，我们探讨我们是否可以将这种方法扩展到非平衡组件：可以从两点非平衡测量的分析中提取关于系统中主动驱动性质的信息吗？我们在理论上解决这个问题的背景下，一类弹性系统，驱动出平衡的空间异质随机内部驱动。我们考虑了几种可能与生物和合成系统相关的内部驱动的空间特征，并研究了有源噪声的这些特征如何反映在两点非平衡测量的长程标度行为中。
2019-05-31 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Energy dissipation and violation of the fluctuation-response relation in non-equilibrium Langevin systems
涨落-响应关系是适用于接近平衡的系统的基本关系。另一方面，当一个系统被驱动远离平衡时，这种关系一般是违反的，因为在非平衡系统中不满足详细平衡条件。即使在这种情况下，对于一类朗之万方程，在非平衡稳态中，涨落-响应关系的破坏程度与系统向环境中的能量耗散率之间存在着一个等式[T. Harada和S. - 我... Sasa，Phys. Rev. Lett. 95，130602（2005）]。由于这个等式只涉及实验上可测量的量，它可以作为一个命题来确定实验上是否可以用朗之万方程来描述系统。此外，每个自由度对能量耗散速率的贡献可以基于该等式来确定。在本文中，我们提出了一个全面的描述这个等式，并提供了详细的推导，包括多体系统，布朗电机模型，时间依赖系统，多热源系统的各种类型的模型。
2005-10-27 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Linear non-equilibrium thermodynamics of human voluntary behavior: a canonical-dissipative Fokker-Planck equation approach involving potentials beyond the harmonic oscillator case
一种新的实验范式和一种新的建模方法，研究振荡人体电机性能的凝聚态物理学的一个关键概念，即热力学状态变量。为此，在新的实验范式中，参与者在自我选择的振荡频率下进行钟摆摆动运动，这与使用起搏信号的早期研究相反。此外，在新的建模方法，一个典型的耗散极限环振荡器模型被用来与保守的一部分，占非谐波振荡器组件相比，在早期的研究中，只考虑谐波分量。与磁相变的朗道理论一致，我们发现当参与者进行振荡时，振荡器模型的自由能会随着远离正则-耗散极限环振荡器的霍普夫分叉点而衰减。
2016-09-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.NC
