局所平衡を大きく破る現象に対する統計理論の測定量関係式からの構築

从显着违反局部均衡现象的被测量关系表达式构建统计理论

基本信息

批准号：
05J11222
负责人：
林久美子
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Waseda University (2006)The University of Tokyo (2005)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

近年、操作および観測技術の向上により、DNAやRNA、タンパク質、コロイド粒子などのマイクロメートルオーダーの系で1分子の統計性質を調べる実験が盛ん行われている。このような揺らぎの大きい小さな系で不可逆仕事から自由エネルギーを評価するJarzynski等式やエントロピー生成の関係式であるfluctuation theoremが実験で検証されてきた。これらの関係式は非平衡統計力学の代表的な揺らぎの関係式であり、近年の小さな系の実験の進歩と非平衡統計力学の進歩は切り離せない関係にある。申請者はこのような関係式を利用して、コロイド粒子や生体高分子を研究した。小さい系の代表であるコロイド粒子の運動は確率過程で記述される。申請者はコロイド粒子が外力に駆動されるというランジュバンモデルの解析を行い、非平衡定常状態の統計性質を調べてきた。例えば、強い非平衡定常状態では揺動散逸関係式が破れることが知られている。この平衡状態近傍では見られない現象である「揺動散逸関係式の破れ」を熱力学・統計力学の視点からどのように特徴づけるかを確率過程解析、摂動論および数値実験を用いて研究してきた。コロイド粒子より複雑な構造をもつタンパク質は、緩和の遅いガラスとして非平衡状態になりうる。申請者はタンパク質の数値実験を行い、タンパク質のガラス的性質を研究している。粒子が外力に駆動されるような非平衡定常状態だけでなく、緩和の遅いガラスも非平衡状態にあるので揺動散逸関係式は破れる。構造ガラスやスピングラスで有名な揺動散逸関係式の破れという現象をタンパク質モデルで報告し、ガラスとタンパク質の研究の橋渡しをした。申請者等はミオシン分子のモデルにおいて頭と尻尾で揺動散逸関係式の破れ方が異なることに注目し、この観点からミオシン分子の頭で起こる分子モーターのエネルギー貯蓄機構について議論した。

近年来，操作和观察技术的改进导致越来越多的实验研究微米级系统中单分子的统计特性，例如 DNA、RNA、蛋白质和胶体颗粒。 Jarzynski 方程评估了具有大波动的小系统中不可逆功的自由能，而波动定理（熵产生的关系式）已得到实验验证。这些关系是非平衡统计力学中典型的涨落关系，近来小系统实验的进展与非平衡统计力学的进展是密不可分的。申请人使用这样的关系式来研究胶体颗粒和生物聚合物。代表小系统的胶体颗粒的运动是通过随机过程来描述的。申请人分析了胶体颗粒受外力驱动的朗之万模型，并研究了非平衡稳态的统计特性。例如，众所周知，振荡耗散关系在强非平衡稳态下会崩溃。我们利用随机过程分析、微扰理论和数值实验，研究如何从热力学和统计力学的角度来表征在平衡状态附近看不到的“违反涨落耗散关系”的现象。。结构比胶体颗粒更复杂的蛋白质可以像慢弛豫玻璃一样处于非平衡状态。申请人对蛋白质进行数值实验并研究蛋白质的玻璃性质。不仅粒子处于受外力驱动的非平衡稳态，而且缓慢松弛的玻璃也处于非平衡状态，因此振荡耗散关系被破坏。他利用蛋白质模型报告了打破涨落耗散关系的现象，该现象以结构玻璃和自旋玻璃而闻名，弥合了玻璃和蛋白质研究之间的鸿沟。作者着眼于肌球蛋白分子模型中头部和尾部摆动-耗散关系被不同程度打破的事实，并由此讨论了发生在肌球蛋白分子头部的分子马达的能量储存机制。看法。