[論文レビュー] Temporally Asymmetric Fluctuations are Sufficient for the Operation of a Correlation Ratchet

Dante R. Chialvo, Mark M. Millonas|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 1994

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、時間反転に対して不変でない（時間的非対称性を持つ）揺動が、空間的非対称性を必要とせずに対称なラチェットポテンシャル内での指向的運動を駆動できることを示している。主な貢献は、対称なポテンシャル内でも、時間相関構造そのものが、ゼロ平均の揺動をネットワークに変換するのに十分であることを証明したことである。これは、非平衡系におけるエネルギー変換の新しいメカニズムを提供し、特に生物学的分子モーターにおいて顕著である。

ABSTRACT

It has been shown that the combination of a broken spatial symmetry in the potential (or ratchet potential) and time correlations in the driving are crucial, and enough to allow transformation of the fluctuations into work. The required broken spatial symmetry implies a specific molecular arrangement of the proteins involved. Here we show that a broken spatial symmetry is not required, and that temporally asymmetric fluctuations (with mean zero) can be used to do work, even when the ratchet potential is completely symmetric. Temporal asymmetry, defined as a lack of invariance of the statistical properties under the operation to temporal inversion, is a generic property of nonequilibrium fluctuation, and should therefore be expected to be quite common in biological systems.

研究の動機と目的

• 空間的対称性の破壊が、揺動のラチェット的整流に必要かどうかを調査すること。
• 時間相関構造のみが、対称ポテンシャル内での指向的運動を駆動できるかどうかを検討すること。
• 揺動の時間的非対称性が、ネットワークの生成に十分であることを確立すること。
• 構造的非対称性が欠如する条件下で動作する生物学的分子モーターの理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 著者たちは、非マルコフ的かつ時間に相関を持つノイズによって駆動される、対称な周期的ポテンシャル内のブラウン運動粒子をモデル化した。
• 時間的非対称性を、時間反転（t → -t）の下での統計的性質の不変性の欠如として定義し、相関関数の振る舞いを用いて定量的に評価した。
• 確率的熱力学とフォッカー＝プランク形式を用いて、揺動力によって誘発される平均速度および電流を計算した。
• ゼロ平均の外力のもとでネット電流が非ゼロとなる条件を分析し、時間相関構造の役割に焦点を当てた。
• 対称ポテンシャルおよびゼロ平均ノイズの下でも、ノイズが時間的に非対称である場合に指向的運動が生じることを示した。
• 相関ノイズを伴うランジュバン方程式の解析的解と数値シミュレーションを通じて、分析の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的非対称性が欠如する対称ラチェットポテンシャル内でも、指向的運動を生成できるか？
• RQ2 時間相関構造のみが、揺動をネットワークに整流するのに十分か？
• RQ3 平均以外のノイズのどの特性が、対称系内での電流生成を可能にするか？
• RQ4 揺動の時間的非対称性と空間的非対称性の間で、ラチェット動作の促進にどのような違いがあるか？
• RQ5 このようなメカニズムが、構造的非対称性を欠く生物学的系におけるエネルギー変換を説明できるか？

主な発見

• ゼロ平均の揺動における時間的非対称性が、対称ラチェットポテンシャル内でのネット電流生成に十分である。
• ネット電流は、ポテンシャルが対称であっても、ノイズ相関関数が時間反転に対して不変でないことに起因する。
• 外力や空間勾配が存在しないにもかかわらず、指向的輸送が観測された。
• 空間的対称性の破壊を要件としないため、ラチェット動作に関する従来の仮定に挑戦する。
• この結果は、時間相関構造が、非平衡系における整流に一般的かつ十分な条件であることを示唆する。
• 研究結果は、構造的非対称性に依存しない可能性のある生物学的分子モーターの実現可能なメカニズムを示唆している。