耦合分子振子同步化的能量代價(jià)及其最優(yōu)設(shè)計(jì)原理的研究
北京大學(xué)物理學(xué)院/定量生物學(xué)中心歐陽(yáng)頎課題組在Nature Physics發(fā)表題為“The energy cost and optimal design for synchronization of coupled molecular oscillators”(文章網(wǎng)址:https://www.nature.com/articles/s41567-019-0701-7)文章,揭示了互相耦合的分子振子達(dá)到同步化所需的熱力學(xué)代價(jià),表明分子振子的同步化需要額外能量耗散,并揭示了能量耗散與所能達(dá)到的最優(yōu)同步化效果及耦合的最佳設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。 振子之間的同步化現(xiàn)象在自然界是非常普遍的現(xiàn)象,許多非線性理論與實(shí)驗(yàn)很好地回答了很大一部分非線性振子中的同步化問(wèn)題。然而,對(duì)于分子振子而言,他們的振蕩節(jié)律由隨機(jī)的、大噪聲的生化反應(yīng)所決定,與之前相對(duì)成熟的非線性理論所涉及的情況有所不同。這類分子振子的同步化規(guī)律,尤其是同步化所需的熱力學(xué)代價(jià)尚不明確。 歐陽(yáng)頎課題組與美國(guó)IBM T. J. Waston 研究中心/北京大學(xué)定量生物學(xué)中心杰出訪問(wèn)教授的涂豫海教授展開合作研究,首次在理論上闡明了實(shí)現(xiàn)分子振子同步化所需的熱力學(xué)代價(jià)。該研究提出一個(gè)簡(jiǎn)單而普適的隨機(jī)理論模型,假設(shè)不同的分子振子之間被一些額外的分子間化學(xué)反應(yīng)耦合起來(lái)從而使彼此的相位相互靠近,用以描述一般的可產(chǎn)生同步化振蕩的分子振子。在這個(gè)理論模型中,研究者們找到了單分子穩(wěn)定振蕩狀態(tài)的概率密度的解析解,由此計(jì)算了不同條件下的能量耗散,并通過(guò)平均場(chǎng)近似得到了該振蕩出現(xiàn)同步化現(xiàn)象的條件。通過(guò)比較不同條件下的能量耗散,研究者發(fā)現(xiàn),若要實(shí)現(xiàn)分子振蕩的同步化,除去驅(qū)動(dòng)單個(gè)分子振蕩的能量以外,還必須要有一部分不為零的額外的能量耗散。除此以外,當(dāng)外界條件給定能量耗散的大小時(shí),雖然可以通過(guò)調(diào)整模型中的參數(shù)達(dá)到各種不同的同步化效果,但是可以達(dá)到的最優(yōu)的同步化效果由給定的能量耗散所限制。當(dāng)能量耗散小于一個(gè)臨界值時(shí)(這個(gè)臨界值大于驅(qū)動(dòng)單個(gè)分子振蕩的能量)同步化是不可能的,給定的能量耗散越大,所能達(dá)到的最優(yōu)同步化效果越好。該結(jié)論具有一定的普適性。隨后研究者在藍(lán)藻的生物鐘系統(tǒng)中檢驗(yàn)了該理論,驗(yàn)證了生物體內(nèi)的分子振蕩體系確實(shí)需要額外的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)同步化。 北京大學(xué)物理學(xué)院博士生,歐陽(yáng)頎課題組的張東良為該文章的第一作者,涂豫海教授為通訊作者,合作者包括歐陽(yáng)頎教授和美國(guó)加州圣地亞哥分校的博士后曹遠(yuǎn)勝博士。
北京大學(xué)
2021-04-11