Optimal entrainment of circadian clocks in the presence of noise
生物钟是生物化学振荡器，允许生物体估计一天中的时间。由于反应物的离散性质和它们相互作用的随机特性，这些振荡器固有地有噪声。为了在噪声存在的情况下保持这些振荡器与日常昼夜节律同步，生物钟必须与明暗周期相结合。在这篇手稿中，我们研究了夹带的相位振荡器作为系统中的固有噪声的函数。使用随机模拟，我们计算的最佳耦合强度，固有频率和形状的相位响应曲线，最大限度地提高时钟的相位和时间之间的互信息。我们发现，最佳耦合强度和固有频率随噪声的增加，但相位响应曲线的形状随噪声的非单调变化：在低噪声制度，它具有一个死区，随着噪声的增加，宽度增加，而在高噪声制度，宽度随噪声减小。这些结果来自于最大化稳定性（噪声抑制）与最大化输入-输出（即时间-相位）关系的线性度之间的权衡。我们还表明，三个解析近似-线性噪声近似，相位平均法，线性响应理论-准确地描述不同的制度的耦合强度和噪声。
2017-06-07 physics.bio-ph q-bio.MN
Kernel Architecture of the Genetic Circuitry of the Arabidopsis Circadian System
许多生物体都具有分子机器和生物钟的特征，这些生物钟产生约24小时周期性的内源性振荡，从而使生物过程与昼夜环境波动同步。最近，人们已经清楚地发现，植物的核心生物钟中含有比其他生物更复杂的基因调控回路，这引发了一个根本性的问题：生物钟基因之间的所有这些调控相互作用对建立和维持昼夜节律同样重要吗？我们对拟南芥的机制模拟表明，至少有一半的总监管相互作用必须存在表达在野生型植物中观察到的昼夜节律的分子概况。这些基本相互作用的集合在本文中被称为昼夜节律系统的核心。核结构无偏地揭示了四个连锁的负反馈回路有助于昼夜节律，其中三个反馈回路驱动自主振荡本身。引人注目的是，内核结构以及整个时钟电路绝大多数是由基因之间的抑制性而不是激活性相互作用组成的。我们发现，这种趋势的基础植物昼夜节律的分子概况，往往表现出尖锐的形状，尖波形。通过生成这些骤尖配置文件，抑制相互作用可能会促进全球协调的时间遥远的时钟事件，显着达到峰值，在一天中的非常特定的时间。我们的系统方法导致实验可测试的预测提供了深入了解生物钟表的设计原理，与合成生物学的影响。
2016-02-02 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.SC
A minimal model of peripheral clocks reveals differential circadian re-entrainment in aging
哺乳动物的昼夜节律系统包括一个细胞自主振荡器网络，从大脑的中央时钟到其他器官的外围时钟。这些生物钟紧密协调，以协调有节奏的生理和行为功能。这些节律的失调是衰老的标志，但目前尚不清楚与年龄相关的变化如何导致更容易扰乱昼夜节律。使用两个人口模型的耦合振荡器，集成了中央时钟和外围时钟，我们推导出简单的平均场方程，可以捕捉到许多方面的丰富的行为，发现在哺乳动物的昼夜节律系统。我们专注于三个年龄相关的影响，已被假定为有助于昼夜节律失调：从交感神经通路衰减输入，减少对光的反应，并在神经递质的表达下降。我们发现，前两个因素可以显着地阻止干扰后的时钟的再夹带，而较弱的耦合内的中央时钟不影响恢复率。此外，使用我们的极小模型，我们证明了使用快速喂养周期作为一种有效的干预，以加速昼夜节律的再夹带的潜力。这些结果突出了外周生物钟在调节昼夜节律方面的重要性，并为衰老与昼夜节律系统弹性之间的复杂相互作用提供了新的见解。
2022-12-27 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.QM
Radical pairs can explain magnetic field and lithium effects on the circadian clock
果蝇的生物钟会受到磁场和锂的干扰。隐花色素对生物钟至关重要。此外，隐花色素中的自由基对也可以解释动物的磁感受。基于一个简单的自由基对机制模型的动物磁罗盘，我们表明，磁场和锂可以影响自然发生的自由基对的自旋动力学，从而调制生物钟的节奏。使用一个简单的化学振荡器模型的生物钟，我们表明，自旋动力学的影响率的化学振荡器模型，这转化为在昼夜节律周期的变化。我们的模型可以重现两个独立的实验，磁场和锂对生物钟的影响的结果。我们的模型预测，更强的磁场会缩短时钟的周期。我们还预测，锂影响时钟的同位素依赖的方式。此外，我们的模型还预测，磁场和超精细相互作用调节氧化应激。这项工作的结果表明，量子性质和自由基对的纠缠可能在大脑中发挥作用，这是除了最近关于氙麻醉和锂对多动症影响的结果之外的另一个证据。
2021-07-21 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.med-ph
Molecular mechanisms that regulate the coupled period of the mammalian circadian clock
在哺乳动物中，大脑和外周组织中的大多数细胞自主产生昼夜节律（约24小时）。这些自我维持的节奏是由视交叉上核（SCN）中的主生物钟协调和引导的。在SCN内，每个神经元的个体节律通过细胞间信号传导同步。SCN的一个重要特征是同步周期接近于细胞群体内禀周期的平均值。以这种方式，SCN的同步周期保持接近外周组织中细胞的周期。这对于SCN在整个身体中携带细胞是重要的。然而，驱动耦合的SCN细胞的周期到群体平均值的机制尚不清楚。我们使用数学建模和分析表明，转录抑制机制在调控偶联期中起着关键作用。具体来说，我们使用相位响应曲线分析表明，耦合期间内的SCN保持人口平均值附近，如果转录抑制发生通过蛋白质螯合。相比之下，如果抑制通过高度非线性的Hill型调节（例如，基于寡聚体或磷酸化的抑制）发生，则耦合期远离平均值。此外，我们发现，细胞间耦合的时间尺度需要快于细胞内反馈，以维持平均周期。这些发现揭示了细胞内转录反馈环和细胞间偶联之间的重要关系。这种关系解释了为什么在多细胞生物、哺乳动物和果蝇中转录抑制似乎是通过蛋白质螯合发生的，而在单细胞生物中则是基于磷酸化的抑制。也就是说，过渡到蛋白质螯合对于同步多个细胞具有接近群体平均值的周期（~ 24小时）是必不可少的。
2014-03-06 physics.bio-ph q-bio.MN
Generic temperature compensation of biological clocks by autonomous regulation of catalyst concentration
生物钟普遍存在于从细菌到多细胞生物体的生命形式中，通常表现出内在的温度补偿;尽管反应系数的预期Arrhenius形式，但生物钟振荡器的周期在生理温度范围内保持恒定。观察表明，振荡的幅度取决于温度，但周期不-这表明，虽然不是每个反应步骤都与温度无关，但包括几个反应的整个系统仍然表现出补偿。我们提出了一个一般的机制，这样的温度补偿。考虑一个具有多个反应活化能势垒的系统，其中一个共同的酶在具有较高活化能的几个反应步骤中共享。如果温度不高，这些反应步骤会限制循环的速率。如果酶的总丰度是有限的，那么随着更多的底物与共同酶结合，可用于催化特定反应的游离酶的量减少。我们表明，这种变化的自由酶丰度补偿Arkenius型温度依赖性的反应系数。以生物钟与蓝藻蛋白KaiABC组成的几个磷酸化位点的例子，我们表明，这种温度补偿机制确实是有效的。具体而言，如果磷酸化的活化能大于去磷酸化的活化能，则磷酸化反应之间共享的KaiA的竞争导致温度补偿。此外，以一个更简单的模型，我们证明了建议的补偿机制的一般性，这不仅与生物钟有关，而且与其他（生物）化学振荡器也有关。
2011-12-24 physics.bio-ph q-bio.MN
Waveforms of molecular oscillations reveal circadian timekeeping mechanisms
生物钟在协调许多生理和发育事件中起着关键作用。蛋白质丰度振荡的波形形状可以提供关于生物钟的潜在生化过程的信息。我们推导出一个数学框架，其中波形确实揭示了昼夜节律计时的隐藏生化机制。我们发现，随着时间的推移，有节奏的蛋白质半衰期可以大大降低合成具有特定波形的蛋白质的成本，这一点得到了以前的植物和哺乳动物数据以及我们自己的幼苗实验的支持。我们还发现，以前神秘的，周期性表达的哺乳动物和昆虫的时钟内的正臂组件允许蛋白质波形和对称性的波形的峰值时间之间的宽范围的峰值时间差。这种不同的峰值时间差异可以促进组织特异性或发育阶段特异性的多细胞过程。我们的波形引导的方法可以扩展到各种生物振荡器，包括细胞周期和合成的遗传振荡器。
2018-11-26 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.MN
Mathematical models of the Arabidopsis circadian oscillator
本文综述拟南芥昼夜节律钟数学模型的发展，分为扩展与简化两个阶段，并讨论空间与环境因素整合的挑战，强调模型需平衡分子细节与实用性。
2024-05-28 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.MN
Robust entrainment of circadian oscillators requires specific phase response curves
在许多生物体中，保持一天时间的生物钟依赖于自我维持的生化振荡，这种振荡可以被外部线索（如光）带入地球自转引起的24小时周期。然而，环境线索是不可靠的，由于栖息地的变化，天气条件或个体之间的线索感知机制。一个诱人的假设是，生物钟的进化使其在受到昼夜循环的影响时对日光或其他线索的波动具有鲁棒性。为了验证这一假设，我们分析了弱和周期性强迫振荡器的同步行为，其相位响应曲线（PRC），测量相位变化引起的扰动施加在不同的阶段。我们建立了一个一般的关系，一方面，鲁棒性的关键夹带性能，如稳定性和相移，另一方面，由一个特定的曲率或死区的存在为特征的PRC的形状。这一结果可以应用于生物钟的计算模型，它占不同的鲁棒性的各种强制方案。最后，在几种生物体中实验测量的PRCs的分析强烈表明，收敛进化的情况下，保持时钟是准确的和强大的环境波动的最佳策略。
2010-12-07 physics.bio-ph q-bio.QM
A Thermodynamically consistent model of the post-translational Kai circadian clock
蓝细菌S. elongatus是由三种蛋白质KaiA、KaiB和KaiC组成的蛋白质磷酸化循环。KaiC形成同六聚体，每个单体由两个结构域Cl和CII组成。这两个结构域都可以结合和水解ATP，但只有CII结构域可以在两个残基处以明确定义的序列磷酸化。虽然这个系统已经被广泛研究，但时钟如何被驱动仍然是难以捉摸的。受最近的实验观察和以前的数学模型的思想的启发，我们提出了一个新的，一致的，物理力学模型的时钟。其核心是两个主要思想：i）Cl结构域中的ATP水解为时钟提供热力学驱动力，使KaiC在其磷酸化水平趋于上升的活性构象状态和其磷酸化水平趋于下降的非活性构象状态之间切换; ii）CII结构域的磷酸化为Cl结构域中的水解提供计时器。该模型还自然地解释了KaiA如何通过充当核苷酸交换因子来刺激KaiC的磷酸化，以及KaiA对不同KaiC磷酸化形式的差异亲和力如何产生KaiC磷酸化的特征时间顺序。随着CII结构域中磷酸化水平的升高，ADP从CI的释放减慢，使得KaiC的非活性构象状态更加稳定。在失活状态下，KaiC结合KaiB，这不仅进一步稳定了这种状态，而且还导致KaiA的螯合，从而导致KaiC去磷酸化。使用一个专用的动力学蒙特卡罗算法，我们表明，该模型可以描述丰富的实验数据。
2016-12-08 physics.bio-ph q-bio.MN q-bio.QM
When the clock strikes: Modeling the relation between circadian rhythms and cardiac arrhythmias
最近观察到，心脏性猝死的发生与一天中的时间有密切的统计关系，即，心室纤维性颤动最有可能发生在上午12点到上午6点之间，下午6点到上午12点是下一个最有可能发生的时间段。因此，人们对了解心脏活动如何受到昼夜节律钟的影响产生了极大的兴趣，即，生理活动的时间振荡，周期接近24小时，与昼夜周期同步。尽管研究已经在细胞内水平确定了昼夜节律的遗传基础，但它们影响心脏病理的机制尚未完全了解。有证据表明，控制心肌细胞兴奋动力学的离子通道蛋白的电导特性的昼夜变化可能提供了关键的联系。在本文中，我们调查的昼夜节律之间的关系，表现在调制的离子通道特性和心律失常的易感性，通过使用一个数学模型，描述了在心室组织的电活动。我们发现，在通道电导的变化，导致在心脏细胞的动作电位的持续时间的极端值可能会导致异常高频折返活动或自发传导阻滞的兴奋波。这两种现象都增加了已知会引发潜在的危及生命的心律失常的波前的可能性。因此，破坏性的心脏兴奋动力学最有可能发生在昼夜循环的时间间隔中，在此期间，通道特性最接近这些极值，从而提供了昼夜节律和心脏病理之间的有趣关系。
2016-09-29 nlin.PS physics.bio-ph q-bio.TO
Timed material self-assembly controlled by circadian clock proteins
本研究利用生物钟蛋白KaiB和KaiC实现胶体的时间依赖性交联，使材料自组装具有可编程动力学，通过调控浓度实现材料结构的昼夜节律振荡或稳定，为合成材料引入生物计时器控制概念。
2024-03-21 cond-mat.soft physics.bio-ph
Methodological guidelines for circadian modeling of Daylight Saving Time: application to the United States
Universidad de Sevilla（塞维利亚大学）；Universidade de Santiago de Compostela（圣地亚哥德孔波斯特拉大学）
本文批判了近期一项将美国疾病患病率与季节性时钟暴露关联的研究，指出其存在经度偏移符号反转的根本计算错误，并提出了正确建模美国地理背景下昼夜节律过程的方法。
2026-06-19 physics.bio-ph physics.data-an physics.pop-ph
What season suits you best? Seasonal light changes and cyanobacterial competition
几乎所有的生物体，包括一些细菌物种，都表现出大约24小时的生物过程，称为昼夜节律（来自拉丁语circa，大约，死亡，天）。这些节奏使生物体能够预测每天光明和黑暗的交替。在蓝细菌中进行的实验表明了生物钟的适应价值。在这些实验中，野生型蓝藻菌株（具有24小时昼夜节律）和突变菌株（具有更长或更短的周期）竞争生长。在不同的实验中，改变外界光暗周期以匹配不同菌株的昼夜节律，发现昼夜节律与光暗周期相匹配的菌株具有更大的适应度。结果，一种菌株的初始种群增长，而另一种菌株则衰减。这些实验是在固定的光照和黑暗间隔下进行的。然而，在自然界中，这种关系会随着季节的变化而变化。因此，光照的季节变化可能会影响比赛的结果。使用理论模型，我们分析如何调制的光可以改变不同的蓝藻菌株的生存。我们的研究结果表明，由于光的调制，竞争中有一个明显的转变，这可以通过实验验证。
2013-11-21 physics.bio-ph q-bio.PE
No persistent circadian oscillator at genome resolution: pseudo-coherence in gut microbiome dynamics
Institute of Risks Analysis, Prediction and Management, Southern University of Science and Technology（南方科技大学风险分析与预测管理研究所）；Meinig School of Biomedical Engineering, Cornell University（康奈尔大学梅尼格生物医学工程学院）；Graduate School of Informatics, Nagoya University（名古屋大学情报学研究科）；RIKEN Center for Integrative Medical Sciences（理化学研究所综合医学科学中心）；Department of Computer Science, Institute of Science Tokyo（东京科学大学计算机科学系）
该研究通过分析小鼠肠道微生物组的小时级基因组分辨率时间序列，发现其动态为伪相干性而非存在持续昼夜振荡器，提出了可证伪的时钟基因敲除队列检验方法。
2026-08-04 nlin.AO physics.bio-ph q-bio.GN
Robustness of clocks to input noise
为了估计时间，许多生物，从蓝藻到动物，采用生物钟，该生物钟基于极限环振荡器，可以以近24小时的周期自动滴答。然而，极限环振荡器对于知道时间并不是必不可少的，例如拥有“沙漏”的细菌：当受到振荡光输入的影响时，该系统表现出强大的振荡，生物体可以从中推断时间，但是在没有驱动的情况下，该系统会放松到稳定的固定点。在这里，使用模型的凯系统的蓝藻，我们比较了两个沙漏模型，一个没有驾驶指数松弛和一个这样做的振荡方式的极限环振荡器。在低输入噪声的限制下，所有三个系统在时间上都是同样的信息，然而在高输入噪声的情况下，极限周期振荡器要优越得多。在Stuart-Landau模型中也发现了同样的行为，表明我们的结果是普适的。
2018-05-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.CB
Mechanisms of noise-resistance in genetic oscillators
许多生物利用生物钟来保持对日常时间的内部感觉，并相应地调节其行为。这些生物钟大多使用基于正调控元件和负调控元件的细胞内遗传网络。这些“电路”在细胞水平上的集成对其功能和设计施加了强烈的约束。在这里，我们研究了最近提出的模型[N。Barkai和S. Leibler，Nature，403：267- 268，2000]，其仅结合了实验发现的基本元素。我们发现，这种类型的振荡器主要是由两个要素驱动：阻遏蛋白的浓度和激活蛋白与阻遏物形成无活性复合物的动力学。因此，生物钟不需要依赖mRNA动力学来振荡，这使得它特别能抵抗波动。即使当mRNA分子数量的时间平均值低于1时，振荡也可能存在。在某些条件下，这种振荡器不仅能抵抗内在的生化噪声，而且还能被内在的生化噪声增强。
2002-08-11 cond-mat physics.bio-ph q-bio.MN
Physical Constraints on the Rhythmicity of the Biological Clock
Korea Institute for Advanced Study（韩国高等科学研究院）
研究生物钟节律性产生的物理约束，通过KaiABC系统模型揭示振荡机制及噪声对节律精度的影响，发现最优噪声水平可扩展振荡相位。
2026-03-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
