Nonequilibrium Thermodynamics in Cell Biology: Extending Equilibrium Formalism to Cover Living Systems.

物理 热力学第二定律 热力学 扩展不可逆热力学 热力学定律 化学物理 明细余额 形式主义(音乐) 热力学系统 熵(时间箭头)
作者
Xiaona Fang,Jin Wang
出处
期刊:Annual Review of Biophysics [Annual Reviews]
卷期号:49 (1): 227-246 被引量:10
标识
DOI:10.1146/annurev-biophys-121219-081656
摘要

We discuss new developments in the nonequilibrium dynamics and thermodynamics of living systems, giving a few examples to demonstrate the importance of nonequilibrium thermodynamics for understanding biological dynamics and functions. We study single-molecule enzyme dynamics, in which the nonequilibrium thermodynamic and dynamic driving forces of chemical potential and flux are crucial for the emergence of non-Michaelis-Menten kinetics. We explore single-gene expression dynamics, in which nonequilibrium dissipation can suppress fluctuations. We investigate the cell cycle and identify the nutrition supply as the energy input that sustains the stability, speed, and coherence of cell cycle oscillation, from which the different vital phases of the cell cycle emerge. We examine neural decision-making processes and find the trade-offs among speed, accuracy, and thermodynamic costs that are important for neural function. Lastly, we consider the thermodynamic cost for specificity in cellular signaling and adaptation.

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