Tutorial for the growth and development of Myxococcus xanthus as a Model System at the Intersection of Biology and Physics
本教程为 Myxococcus xanthus 的培养、生长、发育及实验样品制备提供了清晰全面的指南,并列举了运动性测定、子实体形成等代表性实验,助力生物学与物理学交叉领域的集体行为研究。
2024-07-26 physics.bio-ph
The Boltzmann factor, DNA melting, and Brownian ratchets: Topics in an introductory physics sequence for biology and premedical students
提出了三个与生物学相关的有偏随机游走的例子:(1)一个DNA解链模型,模拟为DNA解链,它提供了一种方法来说明玻尔兹曼因子在生物学和医学预科学生熟知的场所中的作用;(2)解旋酶马达蛋白在解链双链DNA中的活性,例如,在复制叉处,这是布朗棘轮的一个例子;(3)由肌动蛋白聚合产生的力,这是另一种布朗棘轮,并且确定了肌动蛋白聚合速度的力和肌动蛋白浓度依赖性。
2011-05-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Resource Letter: Bio-molecular Nano-machines: where Physics, Chemistry, Biology and Technology meet
细胞是生命的结构和功能单位。这封资源信作为纳米机器的文献指南,不仅驱动细胞内运动,而且驱动细胞的运动。这些机器通常是蛋白质或大分子组装体,它们的运作需要适当的燃料。虽然,传统上,这些机器是生物学和生物化学的研究对象,近年来越来越多地使用物理学的概念和技术,有助于定量了解其运作机制的基本原理。利用这些原理来设计和控制人造纳米机器的可能性开辟了自下而上的纳米技术新前沿。
2008-07-17 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Perspectives on theory at the interface of physics and biology
本文论述物理学与生物学在理论目标上的差异,并结合历史与现代实例论证建立统一生物系统理论物理学的时机已经成熟。
2015-12-30 cond-mat.dis-nn physics.bio-ph physics.hist-ph
Integrating Evolutionary Biology into Physics Classroom: Scaling, Dimension, Form and Function
本文探讨如何将表面积与体积比等物理定律与达尔文进化联系起来,并通过卡通投票器问题帮助物理入门课程学生理解物理与生物学的跨学科联系。
2024-08-07 physics.bio-ph physics.ed-ph physics.pop-ph
Les Houches Lectures on Flow Networks in Biology
本讲座从斯托克斯流出发,探讨生物流网络如何通过适应动力学重组架构以最小化耗散或均匀化运输,并存储流动记忆。
2025-10-24 physics.bio-ph
On the Difference between Physics and Biology: Logical Branching and Biomolecules
物理涌现--水晶、岩石、沙堆、湍流漩涡、行星、恒星--与生物涌现--变形虫、细胞、老鼠、人类--有着根本的不同,尽管后者是基于前者。本文指出,一个本质的区别是,以及涉及物理因果关系,因果关系在生物系统中有一个逻辑的性质,在每一个层次的出现,从生物分子水平。物理学和生命之间的关键联系是由生物分子提供的,例如电压门控离子通道,它使分支逻辑能够从底层物理学中出现,从而使基于逻辑的细胞过程能够在一般情况下发生,特别是在神经元中。这些分子只能通过依赖于环境的自然选择过程形成,自然选择选择它们的生物功能。另一个主要区别是一般生命和智能生命之间的区别。我们认为智能生物体从事演绎因果关系,这使它们能够通过抽象思维,预测和计划的力量超越其身体的物理限制。最终,这是由生物分子实现的,生物分子是大脑神经元轴突中动作电位传播的基础。
2018-03-28 physics.bio-ph
Universal Extremum Seeking Mechanism for Lift Variation in Soaring Birds Flight: A New Paradigm in Computational Physics and Biology
University of Cincinnati(辛辛那提大学)
本文揭示了一种通用的极值搜索自然反馈律,通过仅需风或局部能量率的感知信息,实时优化升力变化,成功复现了多种信天翁的动态翱翔飞行。
2026-06-01 math.OC physics.bio-ph
Broken Symmetries, Information and Emergence: What is theory, that biology should be mindful of it?
本文结合多尺度生物现象研究,提出以物理学融合信息与计算理论的统一框架,解释组分互动中的系统涌现。
2025-06-08 physics.bio-ph
Stochastic Physics, Complex Systems and Biology
在复杂系统中,非线性和随机动态之间的相互作用,例如,莫诺的必然性和偶然性,产生了达尔文意义上的进化过程,在吸引子之间的离散跳跃,间断的平衡,自发的随机“突变”和“适应”。在进化的时间尺度上,它在同质种群中产生可持续的个体多样性,而不是通常由确定性动力学预测的收敛。这种系统中涌现的离散状态,即,吸引子,对内部和外部扰动具有天然的鲁棒性。生物细胞是一个介观非线性随机开放生物化学系统,其表型状态可以通过这样的视角来理解。
2012-12-21 math.DS nlin.AO physics.bio-ph
Nonequilibrium Physics in Biology
生命的特征是无数复杂的动态过程,使生物体能够生长,繁殖和进化。描述脱离热力学平衡的系统的物理方法已越来越多地应用于生命系统,这些系统通常表现出传统物理学研究中未知的现象。在过去的十年或二十年里,在实验方面取得了惊人的进展,例如,在显微镜,单细胞动力学,在活生物体外的亚细胞和多细胞系统的重建,或在高通量数据采集方面,已经产生了前所未有的丰富的细胞动力学,遗传调控和生物体发育的数据。这些数据激发了概念和工具的发展和完善,以剖析生物过程的物理机制。值得注意的是,景观和通量理论以及积极的流体动力凝胶理论已被证明在这方面非常有用。与非平衡物理学其他领域开发的概念和工具一起,在揭示光合作用、细胞调节网络、细胞运动和组织、胚胎发育和癌症、神经网络动力学、种群动力学和生态学以及衰老、免疫反应和进化中的有效能量传输的基本原理方面取得了重大进展。在这里,我们回顾了非平衡物理学的最新进展,并调查它们在生物系统中的应用。我们期望这些结果中的许多结果成为重要的基石,因为该领域将继续建立我们对生命的理解。
2020-12-09 physics.bio-ph
Molecular Cloud Biology
本文综述了分子云作为地外生命栖息地的理论,提出分子云生物学概念,整合低温生物能量、手性起源及生物特征探测,并呼吁跨学科验证。
2025-02-23 astro-ph.EP astro-ph.SR physics.bio-ph
Key biology you should have learned in physics class: Using ideal-gas mixtures to understand biomolecular machines
生物细胞表现出一系列奇妙的行为,但最终这些都是由一些物理和化学原理控制的。在这里,我们探索简单的理论,几十年来已知的,并基于简单的理想气体混合物的热力学,它阐明了细胞内执行的几个关键功能。我们的重点是自由能驱动的进出口分子,如营养素和其他重要化合物,通过转运蛋白。热力学图像的补充是通过“质量作用”化学动力学对转运体的描述,这有助于进一步了解生物机械和自由能的使用。热力学和动力学的描述可以揭示运输的基本非平衡方面。总的来说,我们的生物化学-物理学讨论仍然不知道化学细节,但我们将通过细胞燃料ATP的例子看到这些细节最终如何进入物理描述。
2020-03-23 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Reconstructing data-driven governing equations for cell phenotypic transitions: integration of data science and systems biology
具有相同基因组的细胞可以以不同的表型存在。并且当受到特定的刺激和微环境时可以在不同的表型之间变化。一些实例包括发育期间的细胞分化、诱导多能干细胞的重编程和转分化、癌症转移和纤维化发展。细胞表型转换的调控和动力学是生物学中的一个基本问题,并且在动力系统的形式主义中有着悠久的研究历史。机制驱动建模研究的一个主要挑战是获取足够数量的定量信息来约束模型参数。定量方法,特别是高通量单细胞技术的进步,加速了一个新的方向的出现,从定量单细胞数据重建细胞系统的动力学方程,超越了占主导地位的统计方法。在这里,我回顾了一些最近的研究使用活细胞和固定细胞的数据,并提供我对未来发展的看法。
2022-08-01 physics.bio-ph q-bio.QM
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
Novel physics arising from phase transitions in biology
相变,例如水的冻结和铁磁体在降低环境温度时的磁化,是熟悉的物理现象。有趣的是,这种在相变时的集体行为变化对生命系统也很重要。从细胞内的细胞质组织到生物体发育和伤口愈合期间细胞组织的集体迁移,相变已成为许多关键生物过程的关键机制。然而,生命系统从根本上不同于热系统,具有驱动的化学反应(例如,代谢)和运动性是其非平衡性质的两个标志。在这篇综述中,我们将讨论如何驱动的化学反应可以逮捕普遍粗化动力学预计从热相分离,以及如何运动导致出现一个新的普遍性类时,旋转对称性自发打破不可压缩流体。
2018-09-28 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Biology and Physics
New York Medical College(纽约医学院);University of Texas at Austin(德克萨斯大学奥斯汀分校)
本文提出生物物理学作为研究活物质的科学,区分经典生物物理学,并探讨活物质在不同尺度上的独特物理特性及哲学基础。
2026-09-22 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.TO
Building blocks of protein structures -- Physics meets Biology
球状蛋白质的天然状态结构是稳定的,并且包装良好,这表明在折叠条件下,自相互作用优于蛋白质-溶剂相互作用。我们以此为指导原则,推导出蛋白质结构的构建模块的几何结构,α-螺旋和链组装成β-折叠,没有可调参数,没有氨基酸序列信息,也没有化学。在数学和物理学的要求与量子化学的规则之间有一种近乎完美的契合。我们的理论建立了一个能量景观,通过提供序列独立的平台来阐述序列依赖的功能多样性来引导蛋白质进化。我们的工作强调了离散性在生命中的重要作用,并对人工生命的创造和宇宙中其他地方的生命性质产生了影响。
2021-01-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Biology and Thermodynamics: Seemingly-Opposite Phenomena in Search of a Unified Paradigm
这可能不是一个巧合,两位热力学的先驱,亥姆霍兹和迈耶,是医生。热力学研究的是能量的转化,而这种转化在所有的生命系统中都在不断地发生(健康状态和疾病状态之间可能存在着重要的差异)。此外,热力学研究的是令人难以捉摸的有序和无序概念,它们也分别是生命和死亡的标志。这些相似之处表明,热力学可能为许多生命科学提供一个统一的范式,根据一些基本的物理原理解释生命的众多表现形式。在这篇文章中,我们介绍了一些基本的热力学概念,并指出它们对生物学家和医生的用处。我们希望表明,热力学能够从一个新的角度看待生命之谜,并提出一些新的富有成效的问题。
2000-12-16 physics.bio-ph q-bio
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
The Dynamics of Zeroth-Order Ultrasensitivity: A Critical Phenomenon in Cell Biology
这是众所周知的,因为开创性的工作Goldbeter和Koshland [Proc. Natl. Acad. Sci. USA,vol. 78,pp. 6840-6844(1981)],在饱和条件下由激酶和磷酸酶以零级酶动力学催化的细胞磷酸化-去磷酸化循环(PdPC)表现出超灵敏性、急剧转变。我们分析了零阶PdPC动力学的动力学方面,并显示出临界减速类似于凝聚态物理中的相变。我们证明,一个非常简单的,虽然有点数学上的“奇异”模型是一个忠实的代表性的超声波现象。简化的数学模型作为一个组成部分,在发展复杂的细胞信号网络理论方面将是有价值的,并且具有教学价值。
2012-05-28 physics.bio-ph q-bio.SC
Universal relations in the self-assembly of proteins and RNA
植根于物理学的概念在生物学中变得越来越重要,因为我们过渡到一个需要从分子到细胞水平的所有过程的定量描述的时代。在这篇文章中,我讨论了两个意想不到的发现,普遍的行为,在生物学中不常见,在蛋白质和RNA的自组装。这些令人惊讶的发现揭示了物理学思想应用于从折叠到基因表达到细胞运动和细胞间通讯的生物学问题可能会导致发现在可适应的生命系统中运作的普遍原则。
2014-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Physics of collective transport and traffic phenomena in biology: progress in 20 years
该文回顾生物学输运与交通物理学20年进展,基于ASEP扩展模型对比分子马达、蚂蚁、行人交通的机制,解析基因表达错误、蚁道交通谜题等问题并给出相关理论结果。
2024-10-31 cond-mat.stat-mech nlin.CG physics.bio-ph