Effective rates from thermodynamically consistent coarse-graining of models for molecular motors with probe particles
许多分子马达的单分子实验不仅包括马达本身，还包括与之耦合的大探针粒子，然而，这些实验的理论分析往往只考虑马达的自由度。我们提出了一种粗粒度的方法，映射模型，包括两个耦合的自由度，代表电机和探针粒子到这样一个有效的单粒子模型，通过消除探针粒子的动力学在一个appropriately和动态一致的方式。粗粒度的速率服从局部细致平衡条件，并再现净电流。此外，平均熵产生以及热力学效率是不变的，在这种粗粒化过程。我们的分析表明，只有通过假设不切实际的快速探针粒子，粗粒度的过渡率与传统上使用的单粒子电机模型的过渡率相吻合。此外，我们发现，对于多循环电机的失速力可以依赖于探针的大小。我们将这种粗粒化方法应用于F1-ATP酶和驱动蛋白马达的具体案例研究。
2015-01-29 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Limits on the Precision of Catenane Molecular Motors: Insights from Thermodynamics and Molecular Dynamics Simulations
Wayne State University（韦恩州立大学）；Northwestern University（西北大学）
本研究通过热力学和分子动力学模拟揭示了猫enary分子马达精度的限制，并指出四个关键物理参数影响其效率。
2023-12-20 cond-mat.stat-mech
Thermodynamics of accuracy in kinetic proofreading: Dissipation and efficiency trade-offs
生物信息转录过程表现出的高准确性是由于动力学校对，即，通过一种机制，通过使信息处理过程失去平衡来降低错误率。我们提供了一个一致的热力学描述酶辅助组装过程中涉及竞争底物，在主方程框架。我们引入并评估了一个基于严格非平衡不等式的有效性度量。因此，几个校对模型的性能进行了分析和相关的时间，耗散和效率与错误的权衡表现为不同的歧视制度。最后，我们介绍和分析在同一框架内，一个简单的模型，考虑到连续的酶辅助组装步骤之间的相关性。这项工作突出了活力和动力学歧视制度之间的区别在酶-底物相互作用的相关性。
2015-04-09 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Dynamic and thermodynamic bounds for collective motor-driven transport
分子马达集体工作，在细胞内运输货物，从一个到几百个马达牵引一个货物。对于一个广泛的集体运输系统，我们使用随机热力学的工具，推导出一个新的下限的熵产生率比第二定律更严格。这意味着新的边界的速度，效率和精度的一般运输系统和一组解析帕累托边界相同的电机。在一个特定的模型中，我们确定这些帕累托边界饱和的条件。
2022-09-11 cond-mat.stat-mech q-bio.QM
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
Maximum power operation of interacting molecular motors
我们研究了不同的交通模型的驱动蛋白，这是相关的生物和实验背景下的机械和热力学性质。我们发现，电机-电机的相互作用发挥了根本性的作用，通过提高电机的最大功率的热力学效率，相比，非相互作用的系统，在广泛的生物相容的情况下。我们进一步考虑的情况下，电机-电机的相互作用直接影响的内部化学循环和系统动力学和热力学的影响进行调查。
2013-07-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Mechanochemical fluctuation theorem and thermodynamics of self-phoretic motors
微观动力学方面的推进纳米电动机的自泳机制被认为是。通过自扩散电泳推进依赖于流体速度场和由马达表面上的不对称催化反应引起的浓度场之间的机械化学耦合。这种耦合的热力学和微观可逆性的基础分子动力学之间的一致性进行了研究。为此，耦合Langevin方程的平移，旋转，和化学波动的自泳电机推导。还推导了在时间间隔t内发生n个反应事件后，在位置r处找到发动机的联合概率的机械化学涨落定理。一个重要的结果，从这个分析是识别的效果，这是互惠的自推进的扩散电泳，这导致燃料合成的可能性，通过机械化学耦合到外力和扭矩。
2017-06-18 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
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
Efficiency of a thermodynamic motor at maximum power
最近的一些理论解决了宏观热力学马达在最大功率下的效率问题，并对所谓的“Curzon-Ahlborn（CA）效率”提出了质疑。考虑到n源电机中的熵交换和产生，我们研究了其功率的最大化，并表明争议部分是由于最大化变量中的一些不精确性。当功率相对于系统温度最大化时，这些温度与对应的源温度的平方根成比例，这导致双热电机的CA公式。另一方面，当功率相对于过渡持续时间最大化时，双热电机的卡诺效率允许CA效率作为下限，如果绝热过渡的持续时间可以忽略，则可以达到该下限。此外，我们计算能量效率，或“可持续效率”，这可以定义为n个源，我们表明，它没有其他普遍的上限比1，但在某些情况下，有利于电力生产，它不超过1/2。
2011-12-06 cond-mat.stat-mech
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
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
Thermodynamic Control of Activity Patterns in Cytoskeletal Networks
我们的目标是确定的控制原则，适应性形成的非平衡结构的肌动球蛋白网络。我们建立了一个现象学模型，并预测，偏置的能量耗散的分子马达应有效地重整肌动蛋白丝之间的电机介导的相互作用。事实上，使用从大偏差理论的方法，我们证明，偏置能量耗散相当于调制电机的刚度，并导致在一个星束过渡。从模拟统计，我们提取的偏置参数和相应的归一化电机刚度之间的关系。本工作阐明了活性生物聚合物网络中能量耗散、有效相互作用和斑图形成之间的关系，提供了细胞骨架结构和动力学的控制原理。
2022-09-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Imitating Chemical Motors with Optimal Information Motors
为了诱导运输，必须打破细致平衡。一种常见的机制是用热力学燃料（如化学能）来偏置动力学。一个有趣的替代策略是麦克斯韦恶魔使用反馈来影响偏差。我们表明，这两种不同的机制导致不同的热力学对比化学马达和信息马达相同的动力学。为了澄清这种差异，我们在一个统一的框架内研究这两种模型，突出了恶魔和电机之间的相互作用的作用。这种分析阐明了信息被纳入物理系统的方式。
2013-06-14 cond-mat.stat-mech
Thermodynamic precision of a chain of motors: the difference between phase and noise correlation
该研究用含噪声驱动的Kuramoto链建模耦合分子马达，揭示独立噪声可使精度饱和TUR界，而空间关联噪声会降低最大精度。
2024-01-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
ATP-Dependent Mismatch Recognition in DNA Replication Mismatch Repair
针对DNA错配修复中错配识别机制不明的问题，本文提出依赖ATP的三能级量子假想酶模型，通过低能级能隙及其翻转实现正确匹配与错配的指数概率判别，并建立能量成本与识别错误的关系。
2023-08-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Thermodynamic bounds on ultrasensitivity in covalent switching
本文利用时间尺度分离的线性框架，以化学势差为参量，为任意酶机制和速率常数下的共价修饰开关性能建立了紧致热力学界限，揭示了共价开关的基本物理约束。
2022-11-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Entropy and efficiency of a molecular motor model
在本文中，我们调查使用的路径积分形式主义和概念的熵和交通的背景下，分子马达。我们表明，连同时间反演对称性破缺的参数，可以找到这样的电机的效率上的界限。为了阐明这一技术，我们在一个特定的模型上使用它来找到热力学和斯托克斯效率，尽管参数本身更一般，可以用于广泛的模型。我们还表明，通过考虑作为棘轮的分子马达，可以找到额外的边界上的热力学效率。
2009-10-13 cond-mat.stat-mech
Unattainability of Carnot efficiency in thermal motors: Coarse-graining and entropy production of Feynman-Smoluchowski ratchet
我们重新审视和分析的热力学效率的费曼-Smoluchowski（FS）棘轮，一个经典的思想实验描述了一个自主的热功转换器。从FS棘轮的完整动力学出发，推导出粗粒化导致的隐藏耗散的确切形式，我们重申了其热力学效率的历史争议。隐熵产生的存在意味着应用于粗粒度描述的随机热力学的标准框架未能捕获系统的耗散特征。针对这一问题，我们探索了一个扩展的随机热力学框架，从粗粒度动力学中重建隐藏的熵产生。该方法作为一个关键的例子，我们如何能够系统地解决问题的热力学效率在多变量波动的非平衡系统。
2018-04-08 cond-mat.stat-mech
Bounds and phase diagram of efficiency at maximum power for tight-coupling molecular motors
在不可逆热力学框架下研究了紧耦合分子马达的最大功率效率。结果表明，电磁脉冲仅取决于热力学电流与力之间的本构关系。根据本构关系的特点，将马达分为线性、超线性、次线性和混合型四类，并分别得到了这四类分子马达的电磁脉冲范围。导出了电磁脉冲的精确边界，并将其表示为每个电机步中燃料释放的自由能的显式函数。构造了一个相图，清楚地表明了参数（负载分配系数和燃料在每个电动机步中释放的自由能）所在的区域如何决定EMP值是大于还是小于1/2。该相图揭示了在生理条件下使用ATP作为燃料的马达可以在小的负载分配因子（$<0.1$）下以最大功率和更高的效率（$>1/2$）工作。
2013-02-08 cond-mat.soft 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
Directional fidelity of nanoscale motors and particles is limited by the second law of thermodynamics via a universal equality
尽管第二定律规定为零功，但纳米级电机和驱动粒子在等温环境中的定向运动消耗有限的能量，但是量化这种一般限制仍然很困难。在这里，我们推导出一个普适等式，将任意纳米尺度物体的方向保真度与驱动它的最小能量联系起来，而方向保真度-能量等式仅取决于环境温度;在思想实验中，任何较低的能量都将违反第二定律。真正的实验证明的平等来自力引起的运动的生物纳米电机由三个独立的集团平移以及旋转运动。有趣的是，已知具有近100%能量效率的生物纳米粒子（F1-ATP酶）的自然自推进运动显然支付了第二定律规定的用于定向生产的最少能量成本。
2013-08-21 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Entropy Production and Thermodynamic Dynamics in Active and Passive Brownian Systems Driven by Time Dependent Forces and Temperatures
本文解析研究了时间依赖温度和力驱动的主动与被动布朗马达，推导熵产生和提取率，发现自由运动时总熵仅依赖温度和摩擦，外力强烈影响熵产生与耗散。
2025-04-14 cond-mat.stat-mech
Stochastic thermodynamic interpretation of information geometry
近年来，在随机热力学的背景下，信息论与热力学的统一理论得到了广泛的讨论。统一理论揭示了信息论对于理解远离平衡态的系统的非平稳动力学是有用的。在这封信中，我们发现了随机热力学和信息论之间的一个新的联系，即信息几何。通过应用这种联系，信息几何不等式可以解释为速度和热力学成本之间的热力学不确定性关系。将信息几何不等式应用于生化酶反应的热力学模型。
2018-05-07 cond-mat.stat-mech
Single molecule thermodynamics of ATP synthesis by F$_1$-ATPase
F $_\mathrm{o}$ F $_1$ -ATP合酶是几乎所有细胞中合成ATP的工厂。其核心机制是亚复合物F $_1$ -马达（F $_1$ -ATP酶），并进行可逆的机械化学偶联。分离的F $_1$ -马达水解ATP，这伴随着其中心$γ$ -轴的单向旋转。当施加强大的反扭矩时，$γ$ -轴沿相反方向旋转，并驱动F $_1$ -马达合成ATP。这种机械到化学的自由能转换是多步骤细胞ATP合成途径的最后和中心步骤。在这里，我们确定了利用的F $_1$ -马达的机械功的量合成的ATP分子在强制旋转过程中使用的方法相结合的非平衡理论和单分子测量响应外部扭矩。我们发现，即使在远离准静态过程的旋转过程中，电机的内部耗散也可以忽略不计。
2015-01-16 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Dynamic Stability and Thermodynamic Characterization in an Enzymatic Reaction at the Single Molecule Level
在这项工作中，我们研究，在单分子水平上，包括限速步骤的酶促反应的热力学和动力学特性。我们调查如何稳定的酶状态的稳态概率分布，反应速度，其能量转换效率取决于系统参数。在这项研究中，我们采用了最近推出的形式主义进行多尺度连续时间离散状态随机系统的热力学分析。
2011-05-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Topological phase locking in stochastic oscillators
本研究通过热力学一致的耦合噪声激活振荡器模型，发现拓扑相位锁定现象使耦合动力学准确定性化，显著提升振荡器平均速度，并揭示其源于无限层次全局分岔，对多种纳米系统动力学理解有重要意义。
2025-05-14 cond-mat.stat-mech nlin.CD
Free-Energy Transduction in Chemical Reaction Networks: from Enzymes to Metabolism
我们提供了一个严格的定义，自由能转导和它的效率在任意线性或非线性开放的化学反应网络（CRN）在稳态运行。我们的方法是基于知识的化学计量矩阵和chemostated物种（即物种保持在恒定浓度的环境），以确定的基本电流和部队的熵产生。当一个化学计量平衡过程的电流由于其他过程沿其自发方向流动而被驱动逆其自发方向（由其力设定）时，就会发生转导。在这些制度中，开放CRN作为热力学机器运行。在使用玩具模型举例说明这些一般想法后，我们分析了中心能量代谢。我们将基本电流与代谢途径联系起来，并讨论它们能够吸收自由能的效率。
2022-06-13 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph q-bio.MN
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
Thermodynamic uncertainty relation for biomolecular processes
生物分子系统如分子马达或泵、转录和翻译机器以及其他酶促反应可以被描述为合适网络上的马尔可夫过程。我们表明，相当普遍的，在稳定状态下的分散的可观的像消耗/产生的分子的数量或电机的步骤的数量是受热力学成本产生it.A不确定性$ε$至少需要一个成本$2k_BT/ε^2$独立的时间所需的输出。
2015-04-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Energy Conversion, Fluctuation Suppression, and Information Transfer in the Thermodynamic Performance of Kinesin
The University of Osaka（大阪大学）
研究驱动蛋白热力学性能，通过构建两态模型，推导并比较多种效率的解析表达式与模拟结果，发现其效率低，说明仅热力学效率不能完全表征驱动蛋白性能，需进一步研究互补动力学观点。
2026-07-22 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
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
Clustering in two models of interacting motors
我们研究了两个物种的双向排斥过程，和一个单一的物种的变体，这是出于细胞器和囊泡沿微管的运动。具体而言，我们感兴趣的是在一个单一的大集群的翻译转换率的比率$Q$的颗粒和外观的集群是不同的。我们发现，虽然对于一个有限的系统，有一个集群现象，其中发现一个单一的大集群的概率从可以忽略不计的变化，具有有限的值，该现象转移到更大的$Q$值作为系统的大小增加。这表明，所观察到的集群是不是一个真正的（非平衡）过渡在热力学意义上，而是一个有限尺寸的效果。
2020-03-16 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Theoretical Analysis of Dynamic Processes for Interacting Molecular Motors
生物运输是由酶分子的集体动力学支持的，这些酶分子被称为马达蛋白或分子马达。实验表明，马达蛋白通过短程电位局部相互作用。我们调查这些相互作用的基本作用，通过分析一类新的完全不对称的排斥过程，其中的相互作用占在一个philically一致的方式。结合各种平均场计算和计算机模拟的理论分析表明，分子马达的动力学性质强烈依赖于相互作用，并且相互作用的马达蛋白的相关性更强。令人惊讶的是，发现存在导致最大粒子通量的最佳相互作用强度（弱排斥）。也有人认为，分子马达运输是更敏感的吸引相互作用。这些结果的驱动蛋白马达蛋白的应用进行了讨论。
2014-01-24 cond-mat.stat-mech
The efficiency of the molecular motors
分子马达在布朗运动主导的环境中工作时将化学能转化为机械功。本文的目的是探讨分子马达与其周围环境之间的能量流动，特别是其效率。从Fokker-Planck方程出发，无论是考虑$N$还是考虑无限化学态，我们都发现分子马达的能量效率，无论是Stokes效率还是通常的热力学效率，都严格限制在1以内，这是因为在过阻尼环境中以及在化学反应过程中能量都在耗散。
2009-02-12 cond-mat.stat-mech q-bio.SC
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
Fluctuation-Response Design Rules for Nonequilibrium Flows
Laufer Center of Physical and Quantitative Biology, Stony Brook University（石溪大学劳弗物理与定量生物学中心）；Department of Physics, Stony Brook University（石溪大学物理系）；Department of Chemistry, Stony Brook University（石溪大学化学系）
本文提出了一种基于Caliber力理论的非平衡流设计方法，通过调整局部转移率实现全局动态目标，并揭示了分子马达中波动主导模式的转变。
2026-02-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Energetic costs, precision, and efficiency of a biological motor in cargo transport
分子马达在组织细胞内部中起着关键作用。在货物运输中有效的马达将沿着细胞骨架细丝以高速度和运输距离（或时间）的最小误差移动，同时消耗最少量的能量。然而，电动机的行进距离及其变化在物理上受到消耗的自由能的约束。最近制定的\emph{thermodynamic uncertainty relation}提供了一个理论框架的能量精度权衡关系无处不在的生物过程。根据该关系式，测量$\mathcal{Q}$（从电动机耗散的热与位移中的平方相对误差之间的乘积）具有最小理论界限（$\mathcal{Q} \geq 2 k_B T$），当电动机的时间轨迹对于给定量的自由能输入最大规则时，接近该最小理论界限。在这里，我们使用$\mathcal{Q}$来量化生物马达的运输效率。对几种类型分子马达的运动数据的分析表明，$\mathcal{Q}$是ATP浓度和负荷（$f$）的复杂函数。对于驱动蛋白-1，$\mathcal{Q}$在$f\approx 4$ pN和广泛的ATP浓度范围（1 $μ$ M - 10 mM）内接近理论结合，并在[ATP] $\approx$ 200 $μ$ M时局部最小化。与此形成鲜明对比的是，对于具有较长颈连接体的突变体，该局部最小值消失，并且$\mathcal{Q}$的值显著更大，这强调了分子结构的重要性。本文研究的生物马达的转运效率在细胞条件下进行了半优化（[ATP] $\ap…
2019-06-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
The Mathematical Theory of Molecular Motor Movement and Chemomechanical Energy Transduction
在水环境中由循环生化反应驱动的单马达蛋白质分子运动模型的数学公式导致以耦合扩散方程为特征的漂移布朗运动。在这篇文章中，我们介绍了连续模型的基本概念，并回顾了问题的一些渐近解。随机，非平衡热力学解释的数学方程及其解决方案。一些相关的数学，主要是在随机过程领域，进行了讨论。
2001-06-15 cond-mat.stat-mech q-bio
Stochastic enzyme kinetics and the quasi-steady-state reductions: Application of the slow scale linear noise approximation à la Fenichel
线性噪声近似模型的随机波动从平均场模型的化学反应，展开附近的热力学极限。具体地说，波动服从线性朗之万方程直到$Ω^{-1/2}$阶，其中$Ω$是化学系统的大小（通常是体积）。在不同的时间尺度的存在下，线性噪声近似允许称为\textit{slow scale}线性噪声近似（ssLNA）的准稳态降低。奇怪的是，文献中报道的ssLNA略有不同。报道的ssLNA的差异在于推导的数学核心。在这项工作中，我们直接从几何奇异摄动理论推导出ssLNA，并解释了文献中不同ssLNA的起源。此外，我们讨论了正常双曲性的损失，我们扩展的ssLNA来自几何奇摄动理论的非经典奇摄动问题。在这样做的时候，我们反驳了一个普遍接受的资格的有效性随机准稳态近似的米氏-Menten反应机制。
2022-06-07 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph q-bio.QM
Entropy Production in Mesoscopic Stochastic Thermodynamics: Nonequilibrium Kinetic Cycles Driven by Chemical Potentials, Temperatures, and Mechanical Forces
非平衡态热力学（英语：Nonequilibrium thermodynamics，NET）研究系统在整体平衡之外的过程。在介观水平上，它提供了各种复杂现象的统计动态描述，如化学反应，离子传输，扩散，热化学，热机械和机械化学通量。在本综述中，我们介绍了一个介观随机制定NET通过分析熵产生在几个简单的例子。强调了非平衡稳态循环动力学的基础作用。在这种情况下，昂萨格的互惠关系的统计力学阐明。化学机械，热机械和酶催化的热化学能量转换过程进行了讨论。有人认为，介观随机NET提供了一个严格的数学基础的基本概念，需要理解复杂的过程中的化学，物理和生物学，这也是相关的纳米技术的进步。
2016-01-15 cond-mat.stat-mech
Power-Efficiency Constraint for Chemical Motors
本文推导了化学燃料驱动的稳态旋转马达（类似ATP酶F_o马达）的输出功率与转换效率间的约束关系，发现最大功率下效率为最大准静态效率的一半，有助于理解天然化学引擎并指导人工设计。
2025-03-30 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Second law of thermodynamics for macroscopic mechanics coupled to thermodynamic degrees of freedom
仅基于经典的哈密顿动力学，我们证明了最大功原理中的宏观动力学自由度本质上耦合到微观自由度的系统。与最近的不可逆功和自由能之间的恒等式不同，例如在Jarzynski关系中，宏观动力学不受外部作用的控制，而是经历微观自由度的反作用。我们的定理涵盖了宏观物体、热力学机器和分子马达之间的碰撞等物理情况。
2005-11-17 cond-mat.stat-mech
Information flow, Gating, and Energetics in dimeric molecular motors
属于驱动蛋白和肌球蛋白超家族的分子马达通过一系列化学状态循环来水解ATP。这些细胞质马达是由两个连接的相同单体球状蛋白质组成的二聚体。在ATP水解产生的自由能的推动下，马达在极性轨道（微管或丝状肌动蛋白）上行走，这意味着只有一个头部分离并执行机械步骤，而另一个保持与轨道结合。因此，一个马达头必须调节另一个马达头的化学状态，称为“门控”，这是一个尚未完全理解的概念。受实验的启发，表明只有一小部分的能量从ATP水解用于推进驱动蛋白电机对负载，我们证明了额外的能量用于协调的化学循环的两个头在二聚体-一个功能，特点门控。为此，我们开发了一个通用的框架，基于信息理论和随机热力学，并建立门控可以量化的电机头之间的信息流。该理论的应用驱动蛋白-1和Myosin V表明，信息流发生，具有积极的协同性，在外部电阻负载小于一个临界值，$F_c$。当力超过$F_c$时，有效信息流停止。有趣的是，$F_c$，这是通过ATP水解产生的输入能量的独立性，与力的向后步骤的概率开始增加。我们的研究结果表明，运输效率是最佳的，只有在力小于$F_c$，这意味着这些电机必须在低负荷下运行$\textit{in vivo}$条件下。
2022-03-18 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.BM
Correlations and Symmetry of Interactions Influence Collective Dynamics of Molecular Motors
酶分子积极支持许多细胞过程，包括运输，细胞分裂和细胞运动，被称为马达蛋白或分子马达。实验研究表明，他们相互影响，他们经常在大团体一起工作。为了理解马达蛋白集体行为的机制，我们研究了分子马达沿线状纤维运输中相互作用的影响。它是通过分析最近推出的一类完全不对称排斥过程，考虑到分子间的相互作用，通过物理上一致的方法。我们开发了一种新的理论方法，使我们能够计算分析系统的所有动态特性。我们的分析表明关联在相互作用的分子马达动力学中起着重要的作用。令人惊讶的是，我们发现排斥相互作用的相关性比吸引相互作用的相关性更弱，更短。此外，还发现相互作用的对称性对分子马达的动力学性质有一定的影响。这些研究结果对马达蛋白运输的影响进行了讨论。我们的理论预测进行了广泛的Monte Carlo计算机模拟测试。
2015-03-02 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Hidden energy flows in strongly coupled nonequilibrium systems
量化波动的纳米级系统内和通过波动的纳米级系统的能量流动对理解微观生物机器构成了重大挑战。一种常见的方法涉及粗粒度，这允许简化对此类系统的描述。这有诱导所谓的隐藏贡献（由于亚分辨率动力学），使所得热力学复杂化的副作用。在这里，我们开发了一个描述自治系统内部的非平衡过剩功率的物理一致性理论，并引入了一个唯象框架来量化与其操作相关的隐藏的过剩功率。我们证实了我们的理论预测在一个极小模型的分子运输马达和旋转马达的数值模拟。
2021-03-11 cond-mat.stat-mech
Transition from anomalous to normal hysteresis in a system of coupled Brownian motors: a mean field approach
我们解决了最近推出的模型描述了一个系统的周期性耦合的非线性相位振荡器提交乘性白噪声，其中棘轮式的传输机制产生通过一个破环噪声引起的非平衡相变。该系统的数值模拟揭示了惊人的新功能，如负零偏压电导和异常滞后，解释诉诸强耦合分析的热力学极限。使用一个明确的平均场近似，我们探索整个有序的阶段，找到一个过渡，从异常到正常的滞后在这个阶段，估计其轨迹和识别（在这个计划）的机制，使它发生。
2000-12-21 cond-mat.stat-mech
Physics at the FQMT'04 conference
本文综述了在2004年国际热力学大会上提出的下列主题的最新进展：量子、介观和（部分）经典热力学;热力学第二定律的量子极限;量子测量;量子退相干和退相;介观和纳米机电系统;经典分子马达、棘轮系统和整流运动;量子布朗运动和量子马达;量子计算物理学;从纳米尺度到宏观尺度的相关实验。所有这些主题的介绍和最近的文献进行了广泛的综述。本文共引用文献450余篇。
2005-11-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
Waiting time distributions in hybrid models of motor-bead assays: A concept and tool for inference
本研究提出一种基于微珠轨迹等待时间与跃迁统计的非侵入式推断方法，可无需外部控制参数提取分子马达的步长和停滞力，适用于通用混合模型，经F1-ATPase实验参数的数值模拟验证有效。
2023-05-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Information-driven stepping in dimeric transport motors
Simon Fraser University（西蒙菲莎大学）
本研究提出二聚体转运马达的信息驱动步进理论模型，揭示其作为纯信息引擎的运行机制，重现实验行为并计算驻留时间分布，为分子马达性能提供新解释。
2026-08-04 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Thermodynamics and statistical mechanics of chemically-powered synthetic nanomotors
没有运动部件的胶体马达可以通过自扩散电泳来推进，将表面化学反应产生的分子浓度梯度耦合到固体Janus颗粒和周围流体溶液之间的速度滑移。该推进机制涉及的界面性质可以用非平衡态热力学和统计力学描述，揭示了微观可逆性在运动与反应耦合中的基础作用。除其他现象外，该方法预测，推进燃料消耗具有燃料合成的机械作用的相互影响。
2018-10-10 cond-mat.stat-mech
Stochastic thermodynamics in many-particle systems
我们研究了一个耦合振子微观模型的热力学性质，该模型表现出从非同步到同步的动态相变。我们考虑两种不同的配置的热力学力施加在振荡器上，一个类似的宏观电网，和一个类似的自主分子马达。我们的特征的输入和输出功率，以及在最大功率的效率，这些数量附近的临界耦合强度提供解析表达式。我们讨论的淬火无序的热力学力分布的作用，并表明，这样的无序可能会导致在最大功率的效率的提高。
2015-09-22 cond-mat.stat-mech
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
