[论文解读] 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 15

一句话总结

本文提出一种框架，利用时间不可逆性与热力学不确定性关系来估算活性生物系统中的熵产生。通过对美洲牛蛙毛细胞簇振荡的实验记录进行分析，发现毛细胞簇尖端位置涨落的时间不可逆性可提供约 ~3k_B/s 的熵产生下限；若同时测量尖端位置与转导电流，则下限提升至约 ~10^3k_B/s，揭示了活性感觉系统中强烈的非平衡行为。

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.

研究动机与目标

• 量化传统基于漂移的方法失效的活性非平衡系统（如毛细胞）中的熵产生。
• 开发基于不可逆性的度量方法，以在无净漂移的涨落系统中检测时间之箭。
• 将这些度量方法应用于美洲牛蛙毛细胞簇振荡的实验数据，以估算熵产生。
• 通过引入额外的中观可观测量（如转导电流）来改进熵产生下限。
• 检验热力学不确定性关系是否能利用可观测涨落来收紧熵产生下限。

提出的方法

• 利用随机轨迹的时间不可逆性来量化无漂移情况下的非平衡行为。
• 应用基于相空间中概率通量的不可逆性度量层次结构。
• 利用热力学不确定性关系，从有限时间内的电流涨落推导熵产生的下限。
• 分析毛细胞簇尖端位置的实验时间序列，以计算不可逆性与熵产生下限。
• 将分析扩展至包含机械-电转导电流，以提高下限的紧致性。
• 使用双变量毛细胞簇动力学随机模型，以验证并预测在不同条件下的下限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无净漂移的活性系统中，涨落轨迹的时间不可逆性是否能揭示熵产生？
• RQ2 在毛细胞簇振荡的模型中，不可逆性度量与总熵产生量如何比较？
• RQ3 当测量额外可观测量时，热力学不确定性关系是否能收紧熵产生下限？
• RQ4 从实验数据出发，自发毛细胞簇振荡中的熵产生量的定量估计是多少？
• RQ5 毛细胞簇在静息态与振荡态之间的熵产生下限如何变化？

主要发现

• 美洲牛蛙毛细胞簇尖端位置涨落的时间不可逆性，为熵产生提供了约 ~3k_B/s 的下限。
• 仅测量尖端位置可提供保守估计，但不足以捕捉完整的熵产生速率。
• 在分析中引入转导电流后，下限提升至约 ~10^3k_B/s，接近真实熵产生速率。
• 双变量不可逆性得出的下限在霍普夫分岔点附近急剧增加，表明系统向振荡动力学的转变。
• 单变量不可逆性度量平滑增加，而双变量下限则出现不连续跃迁，表明非平衡行为发生质变。
• 热力学不确定性关系为从活性系统中可观测涨落估算熵产生提供了一种稳健方法。