是什么讓生物保持平衡？維持生命細(xì)胞過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)，是概率的！

是什么讓生物保持平衡？維持生命細(xì)胞過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)，是概率的！盧森堡大學(xué)研究員Gianmaria Falasco在總結(jié)與Massimiliano Esposito的最新研究結(jié)果時(shí)說(shuō)：你必須更加努力才能更快地完成這項(xiàng)工作。對(duì)于任何有四處奔波試圖趕上約會(huì)和最后期限的人來(lái)說(shuō)，這都不會(huì)令人驚訝，但通過(guò)定義耗散方面所花費(fèi)的工作與系統(tǒng)改變狀態(tài)速率之間關(guān)系的具體參數(shù)。

Falasco和Esposito為那些開(kāi)發(fā)操縱非平衡系統(tǒng)（無(wú)論是活細(xì)胞的行為還是電子電路）方法的人提供了一個(gè)寶貴工具。此外所開(kāi)發(fā)用來(lái)定義這一行為的“耗散-時(shí)間不確定性關(guān)系”誘人地暗示了量子物理中的其他不確定性關(guān)系。生命是一個(gè)非平衡過(guò)程，不斷地維持一個(gè)有機(jī)體不被分解和分解到它的環(huán)境中。讓一只老鼠或任何其他生物保持平衡，所擁有的只是一堆粘性物質(zhì)。許多維持生命的細(xì)胞過(guò)程可以被描述為化學(xué)反應(yīng)，這些反應(yīng)本質(zhì)上是概率的，容易發(fā)生熱波動(dòng)。

然而，它們使分子馬達(dá)由三磷酸腺苷(ATP)、各種細(xì)胞信號(hào)通路和許多其他讓我們保持運(yùn)轉(zhuǎn)的生物過(guò)程得以驅(qū)動(dòng)。隨著器件尺寸的不斷縮小，熱波動(dòng)在其機(jī)械部件的動(dòng)態(tài)中也變得越來(lái)越突出，更不用說(shuō)驅(qū)動(dòng)它們的電子電路了。為了理解這些以及其他大量的非平衡系統(tǒng)，一個(gè)清晰的數(shù)學(xué)定義是非常有價(jià)值的，它可以確定耗散和這些過(guò)程進(jìn)行的速率之間的pay off，盧森堡大學(xué)這些最新研究成果延續(xù)了過(guò)去20年的發(fā)展。

在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)頭10年，出現(xiàn)了一系列定理，這些定理圍繞熱力學(xué)第二定律的概率性質(zhì)設(shè)定參數(shù)，該定律指出，孤立系統(tǒng)的熵應(yīng)該“趨于”增加，直到它達(dá)到平衡。在某種意義上，發(fā)現(xiàn)這些波動(dòng)關(guān)系和這個(gè)被稱(chēng)為隨機(jī)熱力學(xué)領(lǐng)域的所有結(jié)果。在這一系列研究中，一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)展是“熱力學(xué)不確定性關(guān)系”，這是由斯圖加特大學(xué)科學(xué)家在2015年定義的。表明系統(tǒng)最終狀態(tài)的精確度，隨著轉(zhuǎn)換所需能量的增加而增加。

觀(guān)點(diǎn)的轉(zhuǎn)變

與此同時(shí)，在量子物理學(xué)中，另一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)展對(duì)實(shí)現(xiàn)用于量子計(jì)算的量子態(tài)操作速度設(shè)置了速度限制，其研究誕生于將這兩個(gè)研究領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)的努力。當(dāng)致力于這項(xiàng)研究工作時(shí)，大多數(shù)研究都考慮了系統(tǒng)如何改變其狀態(tài)。但真正的物理系統(tǒng)執(zhí)行感興趣的任務(wù)時(shí)，更有可能通過(guò)將能量或物質(zhì)從一個(gè)地方(或形式)移動(dòng)(或改變)到另一個(gè)地方(或形式)來(lái)改變環(huán)境的狀態(tài)。

拿散熱器來(lái)說(shuō)，本質(zhì)上是一根連接鍋爐和冷室的熱水管道-散熱器不會(huì)改變其狀態(tài)，但它確實(shí)會(huì)為房間供暖，而研究結(jié)果是把這個(gè)想法轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)。一旦科學(xué)家以這種方式定義了他們的系統(tǒng)，并應(yīng)用了漲落定理中定義的概率比，就能夠定義一種令人不知所措的簡(jiǎn)單關(guān)系。描述達(dá)到不同狀態(tài)所需的時(shí)間和所消耗能量(或產(chǎn)生的熵)之間的值：平均時(shí)間和所消耗能量的乘積永遠(yuǎn)不能小于自然界的其中一個(gè)普遍常數(shù)，即玻爾茲曼常數(shù)的值。

將這個(gè)關(guān)系寫(xiě)出來(lái)，它與海森堡不確定性關(guān)系有著驚人的相似之處，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)初始條件預(yù)測(cè)量子系統(tǒng)的能量和時(shí)間或動(dòng)量和位置的精確度，這些量的乘積永遠(yuǎn)不會(huì)低于普朗克常數(shù)的一半。所以這個(gè)類(lèi)比非常引人注目和耐人尋味，更好地理解這種相似性的意義將是這一領(lǐng)域未來(lái)研究的重點(diǎn)。

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參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

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