目錄
叢書序
前言
第1章 生命活動(dòng)中的分子馬達(dá) 1
1.1 生物分子馬達(dá)概述 1
1.1.1 馬達(dá)蛋白 2
1.1.2 分子馬達(dá)類型及簡(jiǎn)單的工作原理 3
1.1.3 分子馬達(dá)的結(jié)構(gòu) 5
1.1.4 分子馬達(dá)的工作環(huán)境 6
1.2 分子馬達(dá)非平衡態(tài)能量的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展 8
1.2.1 分子馬達(dá)的單分子觀測(cè) 8
1.2.2 馬達(dá)蛋白的微觀可逆性和非平衡驅(qū)動(dòng) 11
1.2.3 生物分子馬達(dá)非平衡能量耗散的實(shí)驗(yàn)研究 11
1.3 分子馬達(dá)研究的實(shí)際問題 15
1.3.1 分子細(xì)節(jié)的重要性 15
1.3.2 ATP 水解的分子基礎(chǔ) 16
1.3.3 馬達(dá)效率和優(yōu)化 16
1.3.4 生物分子馬達(dá)的復(fù)雜性與協(xié)調(diào)一致性 17
參考文獻(xiàn) 19
第2章 分子馬達(dá)的統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)理論 25
2.1 布朗運(yùn)動(dòng)理論的歷史評(píng)述 25
2.2 分子馬達(dá)的朗之萬方程描述 28
2.3 朗之萬方程的無量綱化方法 29
2.3.1 時(shí)間標(biāo)度 30
2.3.2 運(yùn)動(dòng)方程的重新標(biāo)度 31
2.3.3 驅(qū)動(dòng)蛋白建模的估算與應(yīng)用 33
2.4 朗之萬方程的數(shù)值計(jì)算 34
2.4.1 過阻尼朗之萬方程的數(shù)值計(jì)算方法.34
2.4.2 欠阻尼朗之萬方程的一般數(shù)值計(jì)算方法 36
2.4.3 其他形式欠阻尼朗之萬方程的數(shù)值計(jì)算方法 38
2.5 �？藸枿C普朗克方程及其典型解 41
2.5.1 福克爾–普朗克方程的解析求解實(shí)例 43
2.5.2 �？藸枿C普朗克方程的數(shù)值求解實(shí)例 49
2.6 漲落–響應(yīng)關(guān)系及Harada-Sasa等式 52
2.6.1 平衡態(tài)情況：漲落–響應(yīng)關(guān)系 53
2.6.2 非平衡態(tài)情況：Harada-Sasa等式 54
2.6.3 Harada-Sasa等式的數(shù)學(xué)證明 55
2.6.4 Harada-Sasa等式的進(jìn)一步說明 59
參考文獻(xiàn) 60
第3章 布朗棘輪的非平衡態(tài)輸運(yùn)理論 63
3.1 布朗棘輪的引入與相關(guān)理論發(fā)展 63
3.1.1 棘輪模型的引入 63
3.1.2 棘輪系統(tǒng)的數(shù)學(xué)物理建模 64
3.1.3 生物分子馬達(dá)、布朗馬達(dá)與布朗棘輪 65
3.1.4 棘輪效應(yīng) 66
3.1.5 棘輪模型的發(fā)展 67
3.2 棘輪效應(yīng)實(shí)例：熱噪聲控制棘輪的定向輸運(yùn) 68
3.2.1 雙噪聲棘輪模型 69
3.2.2 噪聲誘導(dǎo)棘輪的定向輸運(yùn) 72
3.3 幾種典型棘輪模型的解析方法 74
3.3.1 力熱棘輪的解析方法 75
3.3.2 熱驅(qū)動(dòng)布朗熱機(jī)的解析方法 77
3.3.3 閃爍布朗棘輪的解析求解 79
3.4 持續(xù)蛋白馬達(dá)步進(jìn)速度的優(yōu)化研究 82
3.4.1 驅(qū)動(dòng)蛋白馬達(dá)模型 82
3.4.2 馬達(dá)蛋白的反向步進(jìn)及速度優(yōu)化的統(tǒng)計(jì)力學(xué)分析 84
3.5 布朗棘輪的擴(kuò)散與輸運(yùn)品質(zhì)的優(yōu)化策略 87
3.5.1 布朗棘輪擴(kuò)散的計(jì)算方法 88
3.5.2 布朗棘輪的輸運(yùn)品質(zhì) Peclet數(shù)的計(jì)算 90
3.5.3 小隨機(jī)性下輸運(yùn)品質(zhì)的優(yōu)化分析實(shí)例 91
3.6 布朗棘輪的隨機(jī)共振 95
3.6.1 隨機(jī)共振現(xiàn)象 95
3.6.2 布朗棘輪的隨機(jī)共振理論 96
3.7 熱平衡漲落誘導(dǎo)布朗棘輪的反常輸運(yùn) 99
3.7.1 確定性慣性動(dòng)力學(xué)的絕對(duì)負(fù)遷移率行為 100
3.7.2 噪聲誘導(dǎo)的絕對(duì)負(fù)遷移率行為 102
3.7.3 反常輸運(yùn)的相關(guān)研究與進(jìn)展 104
參考文獻(xiàn) 105
第4章 布朗棘輪的輸運(yùn)效率理論 111
4.1 布朗熱機(jī)效率概述 111
4.1.1 經(jīng)典熱機(jī)效率概述 111
4.1.2 布朗熱機(jī)的發(fā)展概況 112
4.2 生物分子馬達(dá)的近平衡態(tài)效率.113
4.2.1 分子馬達(dá)效率的研究現(xiàn)狀 114
4.2.2 分子馬達(dá)效率的一般計(jì)算方法 114
4.3 分子馬達(dá)的斯托克斯效率理論 117
4.3.1 斯托克斯效率理論 117
4.3.2 分子馬達(dá)斯托克斯效率的物理意義 118
4.4 布朗熱機(jī)的廣義效率 119
4.4.1 分子馬達(dá)的廣義效率 119
4.4.2 熱驅(qū)動(dòng)布朗熱機(jī)的廣義效率計(jì)算實(shí)例 120
4.5 布朗棘輪不同效率的計(jì)算方法.123
4.5.1 能量轉(zhuǎn)換效率、斯托克斯效率與廣義效率 123
4.5.2 布朗棘輪輸入能的理論計(jì)算 124
4.5.3 布朗棘輪效率的計(jì)算實(shí)例 126
4.6 布朗棘輪效率的隨機(jī)能量學(xué)理論與應(yīng)用 127
4.6.1 隨機(jī)能量學(xué)理論 127
4.6.2 不同外部條件下總能量消耗 R的計(jì)算方法 128
4.6.3 布朗棘輪隨機(jī)能量學(xué)的效率計(jì)算方法 131
參考文獻(xiàn) 131
第5章 不同勢(shì)場(chǎng)中布朗棘輪的復(fù)雜輸運(yùn) 135
5.1 兩態(tài)閃爍布朗棘輪的概率流特性 135
5.1.1 兩態(tài)閃爍布朗棘輪模型 136
5.1.2 概率流的解析求解 137
5.1.3 躍遷率之比μ=1時(shí)概率流的特性曲線 140
5.1.4 躍遷率之比μ的影響.143
5.2 粗糙棘輪中耦合布朗粒子的定向輸運(yùn) 145
5.2.1 粗糙棘輪模型 145
5.2.2 擾動(dòng)振幅ε的影響 148
5.2.3 耦合強(qiáng)度k的影響 149
5.2.4 擾動(dòng)波數(shù)H的影響 150
5.2.5 粗糙棘輪的流反轉(zhuǎn) 152
5.3 行波棘輪中布朗粒子的輸運(yùn)性能 153
5.3.1 行波棘輪模型 153
5.3.2 速度–驅(qū)動(dòng)速度行為 156
5.3.3 平均速度最大值、解鎖速度與形狀參數(shù).157
5.3.4 能量轉(zhuǎn)換效率與外力 158
5.3.5 斯托克斯效率與行波速度 160
參考文獻(xiàn) 160
第6章 溫度驅(qū)動(dòng)棘輪的非平衡態(tài)性能 164
6.1 熱驅(qū)動(dòng)布朗棘輪的非平衡態(tài)熱力學(xué)分析 164
6.1.1 不可逆熱驅(qū)動(dòng)布朗棘輪模型 164
6.1.2 熱驅(qū)動(dòng)布朗棘輪的昂薩格系數(shù) 166
6.1.3 熱驅(qū)動(dòng)布朗棘輪最大輸出功率時(shí)的效率 169
6.2 熱驅(qū)動(dòng)布朗棘輪的廣義效率 170
6.2.1 熱驅(qū)動(dòng)布朗棘輪模型 170
6.2.2 熱驅(qū)動(dòng)布朗棘輪廣義效率的計(jì)算 173
6.2.3 廣義效率的進(jìn)一步討論 176
6.3 雙溫棘輪中耦合布朗馬達(dá)的流反轉(zhuǎn) 179
6.3.1 耦合雙溫棘輪模型 180
6.3.2 耦合強(qiáng)度誘導(dǎo)流反轉(zhuǎn) 183
6.3.3 耦合自由長(zhǎng)度誘導(dǎo)流反轉(zhuǎn) 184
6.3.4 勢(shì)非對(duì)稱系數(shù)誘導(dǎo)流反轉(zhuǎn) 187
參考文獻(xiàn) 190
第7章 反饋控制棘輪的復(fù)雜輸運(yùn) 194
7.1 布朗棘輪的反饋控制理論 194
7.1.1 瞬時(shí)速度最大化策略 194
7.1.2 最大凈位移策略 195
7.1.3 有限信息下的反饋控制 196
7.2 瞬時(shí)速度最大化策略下反饋耦合棘輪的輸運(yùn)品質(zhì) 198
7.2.1 反饋耦合棘輪模型 198
7.2.2 反饋耦合棘輪的定向輸運(yùn) 202
7.2.3 反饋耦合棘輪的能量轉(zhuǎn)換效率 206
7.2.4 反饋耦合棘輪的流反轉(zhuǎn)現(xiàn)象 209
7.3 延遲反饋控制下耦合布朗棘輪的定向輸運(yùn)性能 212
7.3.1 延遲反饋控制棘輪 212
7.3.2 延遲反饋棘輪的流與效率 214
7.3.3 外偏置力作用下的流與擴(kuò)散 215
7.3.4 延遲時(shí)間作用下的流與擴(kuò)散 217
7.3.5 定向輸運(yùn)效率 218
7.4 延遲反饋控制下耦合慣性布朗粒子的共振流 220
7.4.1 延遲反饋控制下的步行者模型 221
7.4.2 延遲反饋棘輪的絕對(duì)負(fù)遷移率 222
7.4.3 延遲效應(yīng) 224
7.4.4 延遲反饋棘輪中的共振流與同步 224
7.4.5 共振流的理論預(yù)測(cè)與數(shù)值驗(yàn)證 227
參考文獻(xiàn) 229
第8章 摩擦棘輪的復(fù)雜輸運(yùn) 233
8.1 過阻尼摩擦不對(duì)稱耦合棘輪的定向輸運(yùn) 233
8.1.1 過阻尼摩擦棘輪模型 234
8.1.2 彈簧自由長(zhǎng)度l的影響 236
8.1.3 耦合強(qiáng)度k的影響 237
8.1.4 外力振幅A的影響 238
8.1.5 摩擦系數(shù)比α的影響 239
8.2 慣性摩擦棘輪中二聚體的定向輸運(yùn)特性 239
8.2.1 慣性摩擦棘輪模型 240
8.2.2 耦合強(qiáng)度k的影響 242
8.2.3 摩擦系數(shù)比α的影響 243
8.2.4 慣性摩擦棘輪的反常輸運(yùn)與流反轉(zhuǎn) 246
8.2.5 慣性摩擦棘輪的共振流 247
參考文獻(xiàn) 248
第9章 生物分子馬達(dá)研究的應(yīng)用與展望 251
9.1 聚焦小系統(tǒng)的隨機(jī)熱力學(xué) 251
9.1.1 小系統(tǒng)隨機(jī)熱機(jī) 251
9.1.2 分子馬達(dá) 252
9.1.3 漲落定理 252
9.1.4 信息熱機(jī) 252
9.1.5 涌現(xiàn)動(dòng)力學(xué) 253
9.1.6 基礎(chǔ)概念的探索 253
9.2 生物分子馬達(dá)的應(yīng)用研究與挑戰(zhàn) 254
9.2.1 線性生物分子馬達(dá)的應(yīng)用 255
9.2.2 旋轉(zhuǎn)生物分子馬達(dá)的應(yīng)用 260
9.2.3 集體效應(yīng)及應(yīng)用 260
9.2.4 生物分子馬達(dá)研究的限制與挑戰(zhàn) 264
參考文獻(xiàn) 267
后記 274