是什么让生物保持平衡？维持生命细胞过程的化学反应，是概率的！

是什么让生物保持平衡？维持生命细胞过程的化学反应，是概率的！卢森堡大学研究员Gianmaria Falasco在总结与Massimiliano Esposito的最新研究结果时说：你必须更加努力才能更快地完成这项工作。对于任何有四处奔波试图赶上约会和最后期限的人来说，这都不会令人惊讶，但通过定义耗散方面所花费的工作与系统改变状态速率之间关系的具体参数。

Falasco和Esposito为那些开发操纵非平衡系统（无论是活细胞的行为还是电子电路）方法的人提供了一个宝贵工具。此外所开发用来定义这一行为的“耗散-时间不确定性关系”诱人地暗示了量子物理中的其他不确定性关系。生命是一个非平衡过程，不断地维持一个有机体不被分解和分解到它的环境中。让一只老鼠或任何其他生物保持平衡，所拥有的只是一堆粘性物质。许多维持生命的细胞过程可以被描述为化学反应，这些反应本质上是概率的，容易发生热波动。

然而，它们使分子马达由三磷酸腺苷(ATP)、各种细胞信号通路和许多其他让我们保持运转的生物过程得以驱动。随着器件尺寸的不断缩小，热波动在其机械部件的动态中也变得越来越突出，更不用说驱动它们的电子电路了。为了理解这些以及其他大量的非平衡系统，一个清晰的数学定义是非常有价值的，它可以确定耗散和这些过程进行的速率之间的pay off，卢森堡大学这些最新研究成果延续了过去20年的发展。

在20世纪90年代和21世纪头10年，出现了一系列定理，这些定理围绕热力学第二定律的概率性质设定参数，该定律指出，孤立系统的熵应该“趋于”增加，直到它达到平衡。在某种意义上，发现这些波动关系和这个被称为随机热力学领域的所有结果。在这一系列研究中，一个开创性的发展是“热力学不确定性关系”，这是由斯图加特大学科学家在2015年定义的。表明系统最终状态的精确度，随着转换所需能量的增加而增加。

观点的转变

与此同时，在量子物理学中，另一项开创性的发展对实现用于量子计算的量子态操作速度设置了速度限制，其研究诞生于将这两个研究领域结合起来的努力。当致力于这项研究工作时，大多数研究都考虑了系统如何改变其状态。但真正的物理系统执行感兴趣的任务时，更有可能通过将能量或物质从一个地方(或形式)移动(或改变)到另一个地方(或形式)来改变环境的状态。

拿散热器来说，本质上是一根连接锅炉和冷室的热水管道-散热器不会改变其状态，但它确实会为房间供暖，而研究结果是把这个想法转化为数学。一旦科学家以这种方式定义了他们的系统，并应用了涨落定理中定义的概率比，就能够定义一种令人不知所措的简单关系。描述达到不同状态所需的时间和所消耗能量(或产生的熵)之间的值：平均时间和所消耗能量的乘积永远不能小于自然界的其中一个普遍常数，即玻尔兹曼常数的值。

将这个关系写出来，它与海森堡不确定性关系有着惊人的相似之处，因为它可以根据初始条件预测量子系统的能量和时间或动量和位置的精确度，这些量的乘积永远不会低于普朗克常数的一半。所以这个类比非常引人注目和耐人寻味，更好地理解这种相似性的意义将是这一领域未来研究的重点。

博科园｜Copyright Science X Network/Anna Demming/Phys

参考期刊《物理评论快报》

博科园｜科学、科技、科研、科普

★★★精华内容推荐★★★

同时也希望帮忙宣传分享一下，博科园专注于科学（科学、科技、科研、科普）谢谢(^∇^*)