布朗粒子定向運動的溫差驅(qū)動反饋控制機制研究.pdf

1、微觀粒子的運動受到周圍熱環(huán)境的強烈影響,幾何尺度處在微米量級以下的微粒在液態(tài)水中的位移和速度都是一個隨機量。然而,生物學(xué)當(dāng)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多尺度在幾十納米范圍內(nèi)的生物大分子能夠在細胞溶液的環(huán)境中沿著由微管和微絲構(gòu)成的細胞骨架網(wǎng)絡(luò)朝著某些固定的方向井然有序地移動著,在微觀層次上實現(xiàn)著諸如肌肉收縮、神經(jīng)傳導(dǎo)等各種生命活動。這些生物分子依靠催化三磷酸腺苷的水解反應(yīng)所獲得的能量而調(diào)整細胞溶液分子碰撞的隨機性而作定向運動,大量的試驗表明,它們的運動

2、是一種“步進”式的運動而不是連續(xù)的運動,沿著軌道每前進一步總是跨越一個軌道蛋白基元組,僅僅消耗一個三磷酸腺苷水解的能量,并且三磷酸腺苷分子總是結(jié)合在這些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生物分子的某些固定的位點上并在特定的軌道蛋白基元處發(fā)生水解。這很容易使得我們聯(lián)想起內(nèi)燃機沖程之間的循環(huán),只不過分子機器每運動一步不是靠燃燒氣燃料而是靠水解三磷酸腺苷獲得能量,更重要的是,這些分子機器可以工作在恒溫的環(huán)境當(dāng)中,并且它們具有很高的能量利用效率,試驗測得三磷酸腺苷

3、水解能50％以上都用于克服細胞溶液的粘滯阻力做功,有的生物分子的能量利用效率甚至接近于100％,每一步循環(huán)表現(xiàn)得好像從單一熱源吸收了熱量并把它轉(zhuǎn)化為了有用功而與熱力學(xué)第二定律相悖。納米技術(shù)的發(fā)展也使得人們能夠制造分子尺度的機器,因此對微觀粒子的運動特征進行探索具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用價值。
　　 反饋控制是一種根據(jù)對象的某些狀態(tài)特征對其進行操控的控制方式,生命活動的許多過程都可以看作是控制機構(gòu)根據(jù)控制對象所受的刺激進行的控

4、制,即是反饋控制。反饋控制技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)實驗中為了維持實驗條件的穩(wěn)定性也經(jīng)常被使用。
　　 在很多物理學(xué)文獻中,生物分子與其軌道的相互作用都是用一條勢能曲線來描述的,其中的勢阱代表大分子與軌道的結(jié)合,為了簡化計算,在這篇文章中也借助于周期性鋸齒形勢研究了一種根據(jù)微觀粒子受力方向而對其實施有差別的溫度驅(qū)動的反饋控制模型。采用求解粒子運動的福克-普朗克方程定態(tài)解的方法實施了數(shù)值計算。借助于近期他人的研究成果之后在無誤差控制和有誤差控

5、制當(dāng)中把溫度變化參數(shù)、力熱比參數(shù)、鋸齒形勢的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)作為粒子定向運動速度、控制所用信息量和粒子的能量利用效率的函數(shù)變量進行了研究。為了與生物學(xué)中的大量的關(guān)于單分子實驗的數(shù)據(jù)相比照,把生物分子的典型參數(shù)代入到所求得的相關(guān)物理量的表達式當(dāng)中,并在溫度變化參數(shù)趨近于1時考察了粒子的速度和能量利用效率,得到的數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)在數(shù)量級上大致吻合。發(fā)現(xiàn)了粒子速度的方向隨著溫度變化參數(shù)從小于1到大于1而由負方向改變?yōu)檎较虻笮【鶆蜃兓恼齽t

6、反轉(zhuǎn)點以及粒子速度隨著周期性勢場參數(shù)從0變?yōu)?的過程中不但方向發(fā)生改變而且大小也發(fā)生突變的奇異反轉(zhuǎn)點,這兩個反轉(zhuǎn)點特別是奇異反轉(zhuǎn)點的發(fā)現(xiàn)給我們實驗操控粒子的速度提供有益的參考。在研究單分子的控制效率的時候得到了與宏觀現(xiàn)象不同的結(jié)論,就是在恒溫極限下,除了粒子的速率的數(shù)量級趨于與試驗相一致外,它的控制效率也幾乎趨向于同一個接近于1的極限,這就是說明,粒子定向運動的速率和能量利用高效率的實驗事實可以理解為受控布朗運動的特征。同時也研究了這些