Emergent collective properties of many-motor systems in one dimension
沿着微管，某些主动马达在一个方向上推动自己，而另一些则在相反的方向上推动自己。例如，运输货物的马达蛋白动力蛋白和驱动蛋白分别将它们自身推向微管的所谓正端和负端，并且在这样做时能够彼此通过，但不是没有相互作用。我们讨论了由许多马达组成的系统的涌现集体行为，一些马达向正端推进，另一些马达向负端推进。为了做到这一点，我们在这个强相互作用、远离平衡的经典随机多电机系统和在虚时间中演化的量子力学多体系统之间进行了类比。我们应用量子多体理论，包括自洽的平均场论和玻色化的著名方法，揭示的现象所表现出的多电机系统，如结构的形成和集体模式在低频和长波长的动力学。特别是，通过玻色化的描述，我们发现类似物的手性Luttinger液体，以及一个定性的过渡性质的低频模式-从传播到纯粹的耗散-控制的密度和相互作用强度。
2016-03-31 cond-mat.soft 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
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
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
Cooperation and competition in the collective drive by motor proteins: Mean active force, fluctuations, and self-load
本文研究马达蛋白集体驱动生物丝的动力学，通过解析与模拟揭示平均力与涨落规律，并发现马达蛋白竞争产生的自负载影响丝运动。
2023-05-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
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
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
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
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
Intra-cellular traffic: bio-molecular motors on filamentary tracks
分子马达是利用某种形式的输入能量进行机械功的大分子复合物。这些马达在其上运动的神经轨迹由蛋白质（例如，微管）或核酸（DNA或RNA）。通常，许多这样的发动机在同一轨道上同时移动，它们的集体性质与高速公路上的车辆交通有表面上的相似之处。我们开发的模型提供了“统一”的描述：在低密度极限下，一个模型捕获了单个电机的传输特性，而在更高的密度下，同一模型解释了相互作用电机的集体时空组织。通过与车辆交通的类比，我们引入了新的量来表征分子马达在其轨道上的时空组织的性质。我们展示了如何交通样的细胞内集体现象取决于相应的个别电机的机械化学。
2008-01-15 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
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
Role of interactions and correlations on collective dynamics of molecular motors along parallel filaments
被称为马达蛋白的细胞骨架马达是沿着几个平行的细胞骨架细丝驱动细胞运输并支持许多生物过程的分子。实验证据表明，它们在进行机械功的同时，与其细丝最近的分子相互作用。为了从理论上理解这一机制，本文提出了一种新的完全不对称的两通道简单排斥过程。针对现有的多通道系统分析方法偏离了通道间和通道内相互作用的影响，提出了一种新的多通道系统分析方法--修正的垂直聚类平均场方法。该方法与蒙特卡罗模拟一起成功地遇到了一些相关性，并计算了系统的所有复杂的动态特性。在三相点和粒子最大电流上观察到相互作用和通道间耦合的对称性的作用。令人惊讶的是，对于每个耦合率和大多数的相互作用分裂，有对应的最大电流属于弱排斥相互作用的情况下，最佳的相互作用强度。此外，对于固定的相互作用分裂，随着耦合率的增加，最佳强度降低，并趋向于实验预测。相关性被发现是短距离和较弱的排斥和弱吸引力的相互作用，而较强的吸引力，他们是长距离和更强。所有这些研究结果也讨论了实验观察的背景下。
2017-01-16 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
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
Stochastic thermodynamics of single enzymes and molecular motors
对于一个单一的酶或分子马达在非平衡溶质浓度的水溶液中运行，热力学描述的发展水平上的一个单独的轨迹状态之间的转换。状态的内能、内禀熵和自由能的概念来自于使用时间尺度分离的一个假设的微观描述。然后，第一定律能量平衡允许唯一地识别在一个转变中耗散的热。在系综水平上与第二定律的一致性，既要求随机熵作为一个跃迁中熵变化的第三个贡献，又要求任何跃迁的前向和后向速率之比的局部细致平衡条件。这些结果遵循没有假设弱耦合之间的酶和溶质，理想的溶液行为或质量作用定律动力学。本方法突出了每个状态的固有熵的关键作用和化学稳定器的物理可疑的作用，推导出第一定律的分子马达受到外力在现实条件下。
2010-12-14 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
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
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
Stepping and crowding of molecular motors: statistical kinetics from an exclusion process perspective
马达酶是一种非凡的分子机器，它利用三磷酸核苷水解产生的能量来产生机械运动，通过构成其动力学循环的不同步骤来实现。这些大分子，现在研究与先进的实验技术，以揭示其分子机制和动力学循环的性质，涉及许多生物过程，从生物聚合（如RNA聚合酶和核糖体）到细胞内运输（马达蛋白，如驱动蛋白或动力蛋白）。虽然在理论和实验上对单个电机的动力学进行了很好的研究，但它们的步进周期对集体动力学的影响仍然不清楚。这一方向的进展将提高我们对天然细胞内介质中的运输过程的理解，在天然细胞内介质中，进行性运动酶可能在拥挤的条件下工作。因此，在这项工作中，我们扩展了目前的统计动力学分析，研究集体输运现象的汽车在格子气模型属于排斥过程类。通过数值模拟，我们展示了如何解释和使用在拥挤的条件下从单粒子轨迹计算的随机性。重要的是，我们还表明，时间波动和非泊松行为是内在相关的空间相关性和出现的大，但有限的，集群的共同移动的电机。我们的分析揭示的属性有重要的生物学意义上的集体运输特性的进行性马达酶在拥挤的条件下。
2014-05-26 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
From aggressive driving to molecular motor traffic
动力蛋白马达蛋白的步长最近的实验结果的启发，我们开发了一个元胞自动机模型的动力蛋白马达的细胞内交通纳入特殊功能的障碍依赖步长的个别电机。我们首先调查的侵略性驾驶模型（ADM），一个简单的元胞自动机为基础的车辆交通模型，其中一个独特的功能是，它允许一个自然的扩展，以捕捉动力蛋白汽车交通的基本特征的属性。我们首先计算几个集体属性的ADM，在周期性和开放的边界条件下，分析使用两种不同的平均场方法，以及通过进行计算机模拟。然后，我们扩展的ADM，将附着和分离的电机上的轨道，这是一个共同的特点，被统称为细胞骨架马达的一大类马达蛋白的可能性。的边界和散装动力学的附着和分离的电机的轨道的相互作用，产生了一个阶段，高和低密度相分离的稳定的畴壁共存。我们还比较和对比我们的结果与模型Parmeggiani等。等（Phys. Rev. Lett. { \bf 90}，086601（2003）），其可以被认为是用于称为驱动蛋白的运动蛋白的密切相关家族的运输的极小模型。最后，我们比较了动力蛋白和驱动蛋白马达的运输效率在一个范围内的模型参数的值。
2006-10-07 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
Stochastic kinetics of ribosomes: single motor properties and collective behavior
细胞中蛋白质分子的合成是由核糖体完成的。核糖体可以被认为是一个分子马达，它利用输入的化学能在信使RNA（mRNA）轨道上移动，该轨道也用作相应蛋白质聚合的模板。然而，向前运动的特征是移位和停顿的交替序列。使用一个定量模型，它捕获的机械化学循环的一个单独的核糖体，我们推导出一个{ \it精确}的分析表达式，其停留时间的分布在连续的位置上的mRNA轨道。平均停留时间的倒数满足"Michaelis-Menten类“方程，并且与具有无分支机械化学循环的分子马达的平均速度的通式一致。适当地推广这个公式，我们还推导出了核糖体的精确力-速度关系。通常许多核糖体同时在相同的mRNA轨道上移动，而每个核糖体合成相同蛋白质的拷贝。我们扩展了一个单一的核糖体的模型，将空间排斥不同的个人在同一个轨道上。我们绘制了这个模型的相图的核糖体交通在3维空间跨越实验可控参数。我们建议对我们的理论预测进行新的实验检验。
2009-07-12 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
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
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
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
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
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
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
Collective Dynamics from Stochastic Thermodynamics
从随机热力学的观点出发，导出了描述全局耦合XY模型中有序-无序跃迁附近和仓本模型中同步-去无序跃迁附近的集体动力学方程.一种新的思维方式是将宏观变量的确定性时间演化解释为热力学系统的外部操作。然后我们发现，不可逆功决定了集体动力学的方程。在分析仓本模型时，我们采用了广义的不可逆功的概念，它源于与稳态热力学相关的非平衡恒等式。
2014-12-31 cond-mat.stat-mech
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
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
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
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
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
Brownian motors: noisy transport far from equilibrium
研究了远离热平衡的空间周期系统中的输运现象。主要强调的是在所谓的布朗电机（棘轮），即耗散动力学的存在下的热噪声和一些原型扰动，驱动系统的平衡，而不引入先验的一个明显的偏见到一个或另一个方向的运动的定向运输。定向电流的出现（或不出现）的对称性条件，其反转后的某些参数的变化，和定量的理论预测特定的模型进行了审查，以及各种各样的实验实现和生物学应用，特别是分子马达的建模。扩展包括量子力学和集体效应，哈密顿棘轮，空间无序的影响和扩散输运。
2001-09-04 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
Microtubule Length-Regulation by Molecular Motors
微管的长度调节对于许多细胞过程是必不可少的。分子马达，如驱动蛋白8，沿着MT移动，也作为解聚酶，被称为MT动力学的关键球员。然而，长度控制的调节机制仍然难以捉摸。在这里，我们调查了一个随机模型占聚合动力学和电机诱导解聚之间的相互作用。我们确定MT长度和方差对速率常数和运动浓度的依赖性。此外，我们的分析揭示了集体现象如何导致一个定义明确的MT长度。
2012-04-25 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Bacterial chromosome organization by collective dynamics of SMC condensins
Hi-C实验揭示了细菌染色体的一个突出的组织特征，表明左右染色体臂之间的高度接触。这些长距离接触已归因于各种核相关蛋白，包括ATP酶SMC凝聚素。虽然这些ATP酶的分子结构已被详细绘制，但仍不清楚它们共同产生长距离染色体接触的物理机制。在这里，我们开发了一个计算模型，捕捉分子尺度的活动之间的微妙的相互作用的滑动链接和大规模的染色体组织。我们首先考虑的情况下，其中的ATP酶活性的滑动链接调节其DNA的招聘复制起点附近，而滑动链接的动力学被假定为扩散。我们发现，这种扩散滑动链接可以共同组织整个染色体进入一个状态，对齐的武器，但不是在生理约束。然而，包括运动活动的滑动链接在组织整个染色体的所有长度尺度上更有效。运动滑动链接在生理密度下的持久性可以产生大的嵌套环，并将它们驱动到DNA的主体中。最后，我们的模型与电机滑动链接可以定量地解释在体内观察到的染色体臂的快速臂-臂对齐。
2018-10-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Intra-cellular transport of single-headed molecular motors KIF1A
受单头驱动蛋白KIF 1A实验的启发，我们建立了一个由相互作用的分子马达进行细胞内转运的模型。它不仅明确地捕捉到ATP水解的影响，而且还捕捉到驱动单个马达的棘轮机制。我们的模型占实验观察到的单分子性能在低密度极限，并预测一个相图，显示了水解和朗缪尔动力学的集体时空组织的电机的影响。最后，我们提供了在我们的{ \it in-vitro}实验中使用荧光标记的KIF 1A的域壁的存在的实验证据。
2005-09-07 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
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
Force and Motion Generation of Molecular Motors: A Generic Description
我们回顾了生物马达蛋白质的性质，这些蛋白质沿着极性和周期性的线性细丝运动。这种发动机的操作的物理学可以通过耦合到化学反应的简单随机模型来描述。我们分析了力和运动产生的基本特征，并在两态模型的框架下讨论了单电机的一般性质。包含大量马达（如肌肉和鞭毛）的系统激发了在简单模型框架内对许多相互作用马达的研究。在这种情况下，集体效应可能导致新的行为类型，如动态不稳定的稳定状态和振荡运动。
1999-08-28 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio
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
Why collective behaviours self-organise to criticality: A primer on information-theoretic and thermodynamic utility measures
该研究对比了解释集体行为自组织至临界态的信息驱动方法与热力学效率方法，通过Ising模型验证热力学效率在临界区达最大，并提出超效率原理阐明其内在机制。
2025-08-03 cond-mat.stat-mech nlin.AO
Collective dynamics on a two-lane asymmetrically coupled TASEP with mutually interactive Langmuir Kinetics
基于最近对微管丝上马达蛋白簇集的实验观察，我们研究了一个开放的系统，该系统由两个完全不对称的简单排斥过程组成，在不对称耦合条件下，通过朗缪尔动力学（LangmuirKinetics）在两个泳道中与周围环境相互作用.在修正的Langmuir动力学中，吸附和脱离速率取决于最近邻位点的构型。我们在连续平均场论的框架内分析了模型，并利用边界层分析得到了相图和密度分布。讨论了相互作用对两种不同情况下的附着和分离（LK）率的相图的影响。在对称LK动力学下，相图的拓扑结构与无相互作用时相似;而在反对称情形下，当吸引/排斥相互吸引达到某一临界值后，相图的性质发生了显著变化.此外，研究表明相互作用的类型会影响马达蛋白的动力学特性。通过广泛的蒙特卡罗模拟的理论研究结果进行检查。
2015-09-16 cond-mat.stat-mech
Stall force of a cargo driven by N interacting motor proteins
我们研究了一个通用的一维模型，由N马达蛋白驱动的细胞内货物对外部施加的力。该模型包括电机货物和电机电机的相互作用。货物运动由过阻尼朗之万方程描述，而电机动力学由跳跃率指定，该跳跃率遵循相对于每个跳跃事件能量变化的局部细致平衡条件。基于这个模型，我们表明，失速力，平均外力对应于零平均货物速度，是完全独立的相互作用的细节，因此，总是等于单个电机的失速力的总和。这个精确的结果是基于一个简单的假设得出的：货物失速的（宏观）状态类似于热力学平衡状态，其特征在于任何两个微观状态之间的净概率流为零，后者由相对于货物的电机位置指定。并确定了失速状态下微态的概率分布。这些预测是在完全一致的数值模拟，使用特定形式的相互作用势进行。
2017-02-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
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
Cooperative molecular motors moving back and forth
本文利用两态棘轮模型研究了极性随机交替的细胞骨架轨道上分子马达的双向协同运动。我们的模型基于先前提出的模型[Badoual等人，{ \em Proc. Natl. Acad. Sci. USA} { \bf 99}，6696（2002）]中的方法，并且此外，考虑了由于行走马达的联合作用而在细胞骨架轨道中产生的弹性张力所引起的协同效应。我们表明，无论是计算和分析，这种额外的协同效应导致的双向运动的特征反转时间显着减少，特别是在系统中有大量的电机。我们还发现，双向运动只发生在（几乎）a极轨道上，而即使是轻微的极轨道上的运动是单向的。我们认为，这些意见的起源是敏感的依赖于合作动力学之间的差异，通常工作在和反对瞬时运动方向的电机的数量。
2009-08-05 cond-mat.soft 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
Collective excitations and thermodynamics of disordered state: new insights into an old problem
长期以来，无序一直被认为是理论物理学家试图理解系统行为的可怕敌人。在这里，我们回顾了最近积累的数据，并提出，从计算热力学性质的角度来看，无序的问题可能不会像迄今为止所假设的那样严重。我们特别强调，与长期持有的观点相反，集体激发在无序系统中不会衰减。随后，我们讨论了最近的实验，理论和模拟结果有关的集体激发在无序介质中，并显示这些结果铺平了道路，了解热力学的无序系统：玻璃，液体，超临界流体和自旋玻璃。从最近的工作中一个有趣的见解是认识到，无序系统的热力学性质的最重要的变化只取决于其基本长度，原子间的分离。我们讨论了如何建议的理论与以前的方法的基础上一般多体统计力学框架。
2014-08-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Collective power: Minimal model for thermodynamics of nonequilibrium phase transitions
本文提出了一个由三态单元驱动相互作用构成的系统同步的物理相容极小模型。该系统表现出在平均场水平的两个分叉分离三个动力学阶段：一个单一的稳定的不动点，一个稳定的极限环同步指示，和多个稳定的不动点。这些复杂的涌现动力学行为在亚稳定性的基础线性马尔可夫动力学的水平上被理解，即马尔可夫生成器的谱的上实部中出现间隙。随机热力学被用来研究跨动力学阶段以及跨尺度的耗散功。这种耗散的工作被发现减少的吸引力之间的相互作用的单位和nontrivially依赖于系统的大小。当作为一个工作到工作的转换器操作时，我们发现，最大功率输出是实现远离平衡的同步制度，并在最大功率的效率是令人惊讶地接近线性政权预测。我们的工作显示了建立一个热力学的非平衡相变结合分岔理论的方式。
2018-08-30 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
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
