报告题目：生物系统中的热力学研究

报 告 人：欧阳颀，北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室，北京大学定量生物中心

报告时间：2015年12月24日16：00

报告地点：理科楼郑裕彤大讲堂

报告摘要：生物功能和非平衡态热力学之间的关系成为近年来研究非常活跃的领域。传统观点中生物系统主要将能量用于一些物理过程或者化学过程，比如细胞的移动和生物大分子的合成。但是生物调控网络是否也消耗能量以及消耗多少能量，人们一直知之甚少。最近关于动态校验[1]和生物适应性[2]的研究为我们提供了具体的研究范例，明确了这类问题中的基本物理概念。这些研究表明，有功能的生物网络必须工作在非平衡态下，并且功能的执行与能量消耗高度相关。

生物和化学反应中的振荡在多年前即被发现，并且在近年来受到越来越多人的关注。早期的代表性研究包括布鲁塞尔子和酵母提取物中的葡萄糖代谢振荡。最近关于生物振荡的研究在各个领域都迅速增加，典型的研究包括细胞周期过程，生物节律行为，以及在合成生物学中的可振荡基因调控网络。这些网络都工作在细胞尺度的体积内，相关分子数目在百量级。单细胞水平的动力学会受到环境和小分子数目两方面带来的涨落。我们关心的问题是，这些系统如何在涨落的环境中保持有序的振荡行为，以及保持这种有序性的能量代价。我们利用四个不同的生化反应模型研究了能量耗散和相位稳定性之间的关系。我们发现，能量的耗散主要用于抑制相位的扩散，以此来维持振荡的时间有序性。高耗散会减少相位扩散的扩散常数，增大振荡的关联时间。如果生物体利用振荡来计时，那么能量耗散就增加了计时的准确性。我们通过一个简单的模型解析地得到了能量与振荡相位扩散之间的反比关系[3]。

参考文献：

[1]. Qian, H., Reducing intrinsic biochemical noise in cells and its thermodynamic limit. J Mol Biol, 2006. 362(3): p. 387-92.

[2]. Lan, G., et al., The energy-speed-accuracy tradeoff in sensory adaptation. Nat Phys, 2012. 8(5): p. 422-428.

[3] Y.S. Chao, H.L. Wang, Qi Ouyang and Y.H. Tu, The free energy cost of accurate biochemical oscillations, Nature Physics, 11, (2015), 772–778.