[論文レビュー] Quantifying entropy production in active fluctuations of the hair-cell bundle from time irreversibility and uncertainty relations

Édgar Roldán, Jérémie Barral+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2018

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、時間非対称性と熱力学的不確実性関係を用いて、能動的生物学的系におけるエントロピー生成を推定するフレームワークを提案する。アマガエルの髄毛束の振動の実験記録を分析することで、先端位置の揺動における非対称性が、エントロピー生成の下界を約3k_B/sとして示し、先端位置と変換電流の両方を測定することで、下界が約10^3k_B/sに改善され、能動的感覚系における強い非平衡状態が明らかになった。

ABSTRACT

We introduce lower bounds for the rate of entropy production of an active stochastic process by quantifying the irreversibility of stochastic traces obtained from mesoscopic degrees of freedom. Our measures of irreversibility reveal signatures of time's arrow and provide bounds for entropy production even in the case of active fluctuations that have no drift. We apply these irreversibility measures to experimental recordings of spontaneous hair-bundle oscillations in mechanosensory hair cells from the ear of the bullfrog. By analysing the fluctuations of only the tip position of hair bundles, we reveal irreversibility in active oscillations and estimate an associated rate of entropy production of at least $\\sim 3 k_{\ m B}$/s, on average. Applying thermodynamic uncertainty relations, we predict that measuring both the tip position of the hair bundle and the mechano-electrical transduction current that enters the hair cell leads to tighter lower bounds for the rate of entropy production, up to $\\sim 10^3 k_{\ m B}$/s in the oscillatory regime.

研究の動機と目的

• 従来のドリフトに基づく手法が失敗する能動的・非平衡系（例：髄毛細胞）におけるエントロピー生成を定量化すること。
• ネットドリフトのない揺動系において、時間の矢を検出可能な非対称性に基づく指標を開発すること。
• アマガエルの髄毛束の振動から得られた実験データにこれらの指標を適用し、エントロピー生成を推定すること。
• メゾスコピック観測量（例：変換電流）を追加することで、エントロピー生成の下界を改善すること。
• 熱力学的不確実性関係が、測定可能な揺動を用いて下界をタイトにできるかを検証すること。

提案手法

• ドリフトのない状況において、確率的経路の時間非対称性を用いて非平衡状態を定量化する。
• 位相空間における確率フラックスに基づく非対称性指標の階層を適用する。
• 有限時間における電流揺動からエントロピー生成の下界を導出するために、熱力学的不確実性関係を用いる。
• 髄毛束先端位置の時間系列データを解析し、非対称性とエントロピー生成の下界を計算する。
• 境界のタイトネスを向上させるために、力学的電気的変換電流を含めた解析を拡張する。
• 髄毛束ダイナミクスの二変数確率モデルを用いて、さまざまな条件下での境界の妥当性を検証および予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ネットドリフトのない揺動経路における時間非対称性が、能動的系におけるエントロピー生成を明らかにできるか？
• RQ2 髄毛束振動のモデルにおいて、非対称性指標と総エントロピー生成量はどのように比較できるか？
• RQ3 追加の観測量を測定することで、熱力学的不確実性関係がエントロピー生成の下界をタイトにできるか？
• RQ4 実験データから得られる自発的髄毛束振動におけるエントロピー生成の定量的推定値は何か？
• RQ5 髄毛束の静止状態と振動状態の両領域において、エントロピー生成の下界はどのように変化するか？

主な発見

• アマガエルの髄毛束の先端位置揺動における非対称性が、エントロピー生成の下界を約3k_B/sとして示した。
• 先端位置の測定のみでは保守的な推定が得られるが、全エントロピー生成率を捉えるには不十分である。
• 変換電流を解析に組み込むことで、下界が約10^3k_B/sに改善され、真のエントロピー生成率に近づいた。
• 二変数非対称性による境界は、ホップ分岐点で急激に増加し、振動ダイナミクスへの遷移を示している。
• 一変数非対称性指標は滑らかに増加するが、二変数境界は不連続なジャンプを示し、非平衡行動の質的変化を示している。
• 熱力学的不確実性関係は、能動的系における測定可能な揺動からエントロピー生成を推定する強固な手法を提供する。