包邮生物分子马达的统计物理与复杂输运

目录 丛书序 前言 第1章 生命活动中的分子马达 1 1.1 生物分子马达概述 1 1.1.1 马达蛋白 2 1.1.2 分子马达类型及简单的工作原理 3 1.1.3 分子马达的结构 5 1.1.4 分子马达的工作环境 6 1.2 分子马达非平衡态能量的实验研究进展 8 1.2.1 分子马达的单分子观测 8 1.2.2 马达蛋白的微观可逆性和非平衡驱动 11 1.2.3 生物分子马达非平衡能量耗散的实验研究 11 1.3 分子马达研究的实际问题 15 1.3.1 分子细节的重要性 15 1.3.2 ATP 水解的分子基础 16 1.3.3 马达效率和优化 16 1.3.4 生物分子马达的复杂性与协调一致性 17 参考文献 19 第2章 分子马达的统计动力学理论 25 2.1 布朗运动理论的历史评述 25 2.2 分子马达的朗之万方程描述 28 2.3 朗之万方程的无量纲化方法 29 2.3.1 时间标度 30 2.3.2 运动方程的重新标度 31 2.3.3 驱动蛋白建模的估算与应用 33 2.4 朗之万方程的数值计算 34 2.4.1 过阻尼朗之万方程的数值计算方法.34 2.4.2 欠阻尼朗之万方程的一般数值计算方法 36 2.4.3 其他形式欠阻尼朗之万方程的数值计算方法 382.5 福克尔–普朗克方程及其典型解 41 2.5.1 福克尔–普朗克方程的解析求解实例 43 2.5.2 福克尔–普朗克方程的数值求解实例 49 2.6 涨落–响应关系及Harada-Sasa等式 52 2.6.1 平衡态情况：涨落–响应关系 53 2.6.2 非平衡态情况：Harada-Sasa等式 54 2.6.3 Harada-Sasa等式的数学证明 55 2.6.4 Harada-Sasa等式的进一步说明 59 参考文献 60 第3章 布朗棘轮的非平衡态输运理论 63 3.1 布朗棘轮的引入与相关理论发展 63 3.1.1 棘轮模型的引入 63 3.1.2 棘轮系统的数学物理建模 64 3.1.3 生物分子马达、布朗马达与布朗棘轮 65 3.1.4 棘轮效应 66 3.1.5 棘轮模型的发展 67 3.2 棘轮效应实例：热噪声控制棘轮的定向输运 68 3.2.1 双噪声棘轮模型 69 3.2.2 噪声诱导棘轮的定向输运 72 3.3 几种典型棘轮模型的解析方法 74 3.3.1 力热棘轮的解析方法 75 3.3.2 热驱动布朗热机的解析方法 77 3.3.3 闪烁布朗棘轮的解析求解 79 3.4 持续蛋白马达步进速度的优化研究 82 3.4.1 驱动蛋白马达模型 82 3.4.2 马达蛋白的反向步进及速度优化的统计力学分析 84 3.5 布朗棘轮的扩散与输运品质的优化策略 87 3.5.1 布朗棘轮扩散的计算方法 88 3.5.2 布朗棘轮的输运品质 Peclet数的计算 90 3.5.3 小随机性下输运品质的优化分析实例 91 3.6 布朗棘轮的随机共振 95 3.6.1 随机共振现象 95 3.6.2 布朗棘轮的随机共振理论 96 3.7 热平衡涨落诱导布朗棘轮的反常输运 993.7.1 确定性惯性动力学的绝对负迁移率行为 100 3.7.2 噪声诱导的绝对负迁移率行为 102 3.7.3 反常输运的相关研究与进展 104 参考文献 105 第4章 布朗棘轮的输运效率理论 111 4.1 布朗热机效率概述 111 4.1.1 **热机效率概述 111 4.1.2 布朗热机的发展概况 112 4.2 生物分子马达的近平衡态效率.113 4.2.1 分子马达效率的研究现状 114 4.2.2 分子马达效率的一般计算方法 114 4.3 分子马达的斯托克斯效率理论 117 4.3.1 斯托克斯效率理论 117 4.3.2 分子马达斯托克斯效率的物理意义 118 4.4 布朗热机的广义效率 119 4.4.1 分子马达的广义效率 119 4.4.2 热驱动布朗热机的广义效率计算实例 120 4.5 布朗棘轮不同效率的计算方法.123 4.5.1 能量转换效率、斯托克斯效率与广义效率 123 4.5.2 布朗棘轮输入能的理论计算 124 4.5.3 布朗棘轮效率的计算实例 126 4.6 布朗棘轮效率的随机能量学理论与应用 127 4.6.1 随机能量学理论 127 4.6.2 不同外部条件下总能量消耗 R的计算方法 128 4.6.3 布朗棘轮随机能量学的效率计算方法 131 参考文献 131 第5章 不同势场中布朗棘轮的复杂输运 135 5.1 两态闪烁布朗棘轮的概率流特性 135 5.1.1 两态闪烁布朗棘轮模型 136 5.1.2 概率流的解析求解 137 5.1.3 跃迁率之比μ=1时概率流的特性*线 140 5.1.4 跃迁率之比μ的影响.143 5.2 粗糙棘轮中耦合布朗粒子的定向输运 145 5.2.1 粗糙棘轮模型 1455.2.2 扰动振幅ε的影响 148 5.2.3 耦合强度k的影响 149 5.2.4 扰动波数H的影响 150 5.2.5 粗糙棘轮的流反转 152 5.3 行波棘轮中布朗粒子的输运性能 153 5.3.1 行波棘轮模型 153 5.3.2 速度–驱动速度行为 156 5.3.3 平均速度*大值、解锁速度与形状参数.157 5.3.4 能量转换效率与外力 158 5.3.5 斯托克斯效率与行波速度 160 参考文献 160 第6章 温度驱动棘轮的非平衡态性能 164 6.1 热驱动布朗棘轮的非平衡态热力学分析 164 6.1.1 不可逆热驱动布朗棘轮模型 164 6.1.2 热驱动布朗棘轮的昂萨格系数 166 6.1.3 热驱动布朗棘轮*大输出功率时的效率 169 6.2 热驱动布朗棘轮的广义效率 170 6.2.1 热驱动布朗棘轮模型 170 6.2.2 热驱动布朗棘轮广义效率的计算 173 6.2.3 广义效率的进一步讨论 176 6.3 双温棘轮中耦合布朗马达的流反转 179 6.3.1 耦合双温棘轮模型 180 6.3.2 耦合强度诱导流反转 183 6.3.3 耦合自由长度诱导流反转 184 6.3.4 势非对称系数诱导流反转 187 参考文献 190 第7章 反馈控制棘轮的复杂输运 194 7.1 布朗棘轮的反馈控制理论 194 7.1.1 瞬时速度*大化策略 194 7.1.2 *大净位移策略 195 7.1.3 有限信息下的反馈控制 196 7.2 瞬时速度*大化策略下反馈耦合棘轮的输运品质 198 7.2.1 反馈耦合棘轮模型 198 7.2.2 反馈耦合棘轮的定向输运 2027.2.3 反馈耦合棘轮的能量转换效率 206 7.2.4 反馈耦合棘轮的流反转现象 209 7.3 延迟反馈控制下耦合布朗棘轮的定向输运性能 212 7.3.1 延迟反馈控制棘轮 212 7.3.2 延迟反馈棘轮的流与效率 214 7.3.3 外偏置力作用下的流与扩散 215 7.3.4 延迟时间作用下的流与扩散 217 7.3.5 定向输运效率 218 7.4 延迟反馈控制下耦合惯性布朗粒子的共振流 220 7.4.1 延迟反馈控制下的步行者模型 221 7.4.2 延迟反馈棘轮的绝对负迁移率 222 7.4.3 延迟效应 224 7.4.4 延迟反馈棘轮中的共振流与同步 224 7.4.5 共振流的理论预测与数值验证 227 参考文献 229 第8章 摩擦棘轮的复杂输运 233 8.1 过阻尼摩擦不对称耦合棘轮的定向输运 233 8.1.1 过阻尼摩擦棘轮模型 234 8.1.2 弹簧自由长度l的影响 236 8.1.3 耦合强度k的影响 237 8.1.4 外力振幅A的影响 238 8.1.5 摩擦系数比α的影响 239 8.2 惯性摩擦棘轮中二聚体的定向输运特性 239 8.2.1 惯性摩擦棘轮模型 240 8.2.2 耦合强度k的影响 242 8.2.3 摩擦系数比α的影响 243 8.2.4 惯性摩擦棘轮的反常输运与流反转 246 8.2.5 惯性摩擦棘轮的共振流 247 参考文献 248 第9章 生物分子马达研究的应用与展望 251 9.1 聚焦小系统的随机热力学 251 9.1.1 小系统随机热机 251 9.1.2 分子马达 252 9.1.3 涨落定理 2529.1.4 信息热机 252 9.1.5 涌现动力学 253 9.1.6 基础概念的探索 253 9.2 生物分子马达的应用研究与挑战 254 9.2.1 线性生物分子马达的应用 255 9.2.2 旋转生物分子马达的应用 260 9.2.3 集体效应及应用 260 9.2.4 生物分子马达研究的限制与挑战 264 参考文献 267 后记 274