[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种模型无关的多尺度不可逆性度量，通过分析实验数据中的时间反演不对称性，量化了生物系统中的能量耗散。该方法应用于棘皮动物卵母细胞的肌动球蛋白皮层，揭示了不可逆性与生物非平衡活性之间的单调关系，即使在存在热噪声的情况下，也能以高灵敏度检测耗散时间尺度和信号动力学的转变。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于统计不可逆性的模型无关方法，用于量化活体系统中的非平衡活性。
• 从实验时间序列数据中识别细胞结构（如肌动球蛋白皮层）的特征耗散时间尺度。
• 在多个时空尺度上，建立热力学耗散与统计不可逆性之间的定量联系。
• 在无需预先假设机制的前提下，检测由上游生化信号模式诱导的非平衡动力学转变。
• 通过活细胞实验数据和活性布朗运动的解析模型，对方法进行验证。

提出的方法

• 该方法利用前向与反向时间序列轨迹之间的Kullback-Leibler散度（KLD）来量化统计不可逆性，定义为 σ = limₙ→∞ (k_B / nτ) D[P(x₁,…,xₙ) || P(xₙ,…,x₁])。
• 在不同粗粒化时间 ϑ 下计算不可逆性度量 σ(ϑ)，以检测非平衡活性的特征耗散时间尺度。
• 采用 k-最近邻估计器从模拟和实验轨迹中计算不可逆性，从而在噪声较大的生物系统中实现稳健估计。
• 理论建模采用二维布朗粒子，受活性Ornstein-Uhlenbeck噪声驱动，且力矩阵 K 具有非对称性，以模拟非平衡动力学并验证度量方法。
• 模型包含热噪声（T）和活性噪声温度（T_A），活性噪声由弛豫率 α 和耦合强度 κ 描述。
• 该方法应用于活体棘皮动物卵母细胞皮层数据，发现在耗散时间尺度 ϑ ≈ κ/α 处不可逆性达到峰值，表明非平衡活性的最优可检测性。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间序列数据中的统计不可逆性是否能揭示活体物质中非平衡活性的特征耗散时间尺度？
• RQ2 当上游生化信号调节肌动球蛋白活性时，不可逆性度量如何响应变化？
• RQ3 热噪声在多大程度上会掩盖非平衡动力学的检测？该度量是否仍能分辨耗散时间尺度？
• RQ4 当应用于真实生物系统（如肌动球蛋白皮层）时，不可逆性度量是否具有鲁棒性且模型无关？
• RQ5 不可逆性的大小能否与熵产生率定量关联，从而与物理能量耗散建立联系？

主要发现

• 在解析模型和模拟模型中，不可逆性度量 σ(ϑ) 在耗散时间尺度 ϑ ≈ κ/α 处表现出显著峰值，证实其能够有效检测非平衡活性的特征时间尺度。
• 在肌动球蛋白皮层的实验数据中，不可逆性随生物非平衡活性单调增加，表明其与功能动力学存在直接的定量关联。
• 当上游信号模式被扰动时，不可逆性度量检测到耗散时间尺度的改变，表明其对调控变化具有高度敏感性。
• 在短时间延迟（ϑ ≪ κ/α）下，不可逆性受热噪声抑制，但在特征时间尺度处恢复并达到峰值，证实其对噪声具有鲁棒性。
• 不可逆性的最大值与熵产生率 Σ 成比例，验证了其与热力学耗散的定量关联。
• 该方法即使在缺乏对潜在机制先验知识的情况下，也能成功检测非平衡活性，因此适用于探测复杂活性物质系统。