[論文レビュー] Scale-dependent irreversibility in living matter

Tzer Han Tan, Garrett A. Watson+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2021

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、実験データにおける時間反転非対称性を分析することで、生体系におけるエネルギー散逸を定量化するモデルに依存しないマルチスケール非可逆性指標を導入する。サンゴの卵原生質膜におけるアクチノミオシンコートラスに適用されたこの手法は、非平衡状態の生物学的活動と非可逆性の間の一貫した関係を明らかにし、熱雑音が存在する中でも、散逸的時間スケールとシグナリングダイナミクスのシフトを高い感度で検出できる。

ABSTRACT

A defining feature of living matter is the ability to harness energy to self-organize multiscale structures whose functions are facilitated by irreversible nonequilibrium dynamics. While progress has been made in elucidating the underlying principles, what remains unclear is the role that thermodynamics plays in shaping these structures and their ensuing functions. Here, we unravel how a fundamental thermodynamic connection between the physical energy dissipation sustaining a nonequilibrium system and a measure of statistical irreversibility (arrow of time), can provide quantitative insight into the mechanisms of nonequilibrium activity across scales. Specifically, we introduce a multiscale irreversibility metric and demonstrate how it can be used to extract model-independent estimates of dissipative timescales. Using this metric, we measure the dissipation timescale of a multiscale cellular structure - the actomyosin cortex - and further observe that the irreversibility metric maintains a monotonic relationship with the underlying biological nonequilibrium activity. Additionally, the irreversibility metric can detect shifts in the dissipative timescales when we induce spatiotemporal patterns of biochemical signaling proteins upstream of actomyosin activation. Our experimental measurements are complemented by a theoretical analysis of a generic class of nonequilibrium dynamics, elucidating how dissipative timescales manifest in multiscale irreversibility.

研究の動機と目的

• 統計的非可逆性を用いて、モデルに依存しない方法で生体系における非平衡状態の活動を定量化すること。
• 実験的時系列データから、アクチノミオシンコートラスのような細胞骨格構造の特徴的な散逸的時間スケールを同定すること。
• 複数の空間時間スケールにわたり、熱力学的散逸と統計的非可逆性の間の定量的関係を確立すること。
• 事前の力学的仮定なしに、上游の生化学的シグナリングパターンによって誘発される非平衡ダイナミクスの変化を検出すること。
• 生きた細胞の実験データとアクティブ・ブラウン運動の解析的モデルを用いて、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 統計的非可逆性を定量化するために、前向きと逆向きの時系列軌道間のカルバック・ライブラー発散（KLD）を用い、σ = limₙ→∞ (k_B / nτ) D[P(x₁,…,xₙ) || P(xₙ,…,x₁]) として定義する。
• 粗化時間ϑを変化させながら非可逆性指標σ(ϑ)を計算し、非平衡状態の特徴的な散逸的時間スケールを同定する。
• ノイズの多い生物学的系においても頑健な推定が可能なため、k近傍法推定器を用いて、シミュレートおよび実験的軌道からの非可逆性を推定する。
• 理論的モデリングでは、非平衡ダイナミクスを模倣するため、非対称な力行列Kを有するアクティブ・オルンシュタイン＝ウーレンバックノイズで駆動される2次元ブラウン運動粒子を用いる。
• モデルには熱ノイズ（T）とアクティブ・ノイズ温度（T_A）を組み込み、アクティブ・ノイズは緩和率αと結合強度κで特徴づけられる。
• この手法を生きたサンゴの卵原生質膜コートラスのデータに適用したところ、散逸的時間スケール ϑ ≈ κ/α で非可逆性にピークが観察され、非平衡状態の活動の最適な検出可能性が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時系列データにおける統計的非可逆性は、生体物質における非平衡状態の特徴的な散逸的時間スケールを明らかにできるか？
• RQ2 アクチノミオシン活動を調節する上遊の生化学的シグナリングパターンの変化に、非可逆性指標はどのように反応するか？
• RQ3 熱雑音は非平衡ダイナミクスの検出をどの程度妨げるのか。また、指標は依然として散逸的時間スケールを解像できるか？
• RQ4 実際の生物学的系、例えばアクチノミオシンコートラスに適用した場合、非可逆性指標は頑健でモデルに依存しないか？
• RQ5 非可逆性の大きさは、エントロピー生成率Σと定量的に関連づけられ、物理的エネルギー散逸と結びつけられるか？

主な発見

• 解析的およびシミュレーテッド・モデルの両方で、非可逆性指標σ(ϑ)は散逸的時間スケール ϑ ≈ κ/α で顕著なピークを示し、特徴的な非平衡状態の時間スケールを検出可能なことが確認された。
• アクチノミオシンコートラスからの実験的データにおいて、非可逆性は生物学的非平衡状態の活動に伴い単調に増加し、機能的ダイナミクスと直接的な定量的関係があることが示された。
• 上遊のシグナリングパターンを変化させた場合、非可逆性指標は散逸的時間スケールのシフトを検出でき、調節の変化に高い感度を示した。
• 短いラグ時間（ϑ ≪ κ/α）では、非可逆性は熱雑音によって抑制されるが、特徴的な時間スケールで回復しピークに達するため、ノイズに対して頑健であることが確認された。
• 非可逆性の最大値はエントロピー生成率Σに比例し、熱力学的散逸と定量的関係があることが裏付けられた。
• この手法は、下流のメカニズムに関する事前の知識がなくても、非平衡状態の活動を効果的に検出できることから、複雑なアクティブ・マター系の調査に適している。