活力物质非平衡有序结构理论研究

我们所处的环境呈现出高度有序的非平衡态的复杂结构。这些结构的出现有赖于能量的持续输入，否则一切将归于平衡。本项目关注于一大类非平衡系统-活力物质。活力物质可被看作一个驱动系统。特别之处在于，驱动力独立作用于每个粒子，方向决定于粒子的本体坐标，所以在自发对称破缺发生之前这样的驱动并不破坏系统的对称性。典型的系统包括细胞骨架，驱动的杆状颗粒系统等等。活力物质处于物理学和生命科学的交叉研究领域，近年来得到了理论物理工作者的重视。.本项目旨在研究活力物质系统普遍的自组织规律。1.揭示和理解细胞骨架中聚合反应和分子马达驱动的向列相有序化和形态发生；2.系统地研究二维驱动杆系统的相转变性质和巨涨落行为；3.通过自驱动系统和活力向列相模型系统的模拟和理论研究，解决目前存在争论的几个问题，例如：自驱动极性系统的相变特性- - 有序无序转变是否连续，以及活性向列相巨涨落的本质- - 噪声驱动还是确定性行为。

《活力物质的非平衡有序结构理论研究》从2011年开始受到国家自然科学基金委理论物理专项基金项目科学部主任基金支持以来，顺利按照原计划书安排，在关于活力生命物质系统的理论和模拟研究中取得了良好的进展，较为圆满的完成了原计划书的各项理论和模拟方面的突破，取得了重要的研究进展。..我们的研究给出了活力向列相的相变行为和动力学失稳机制。我们发现描述活力物质向列相态的一个确定性方程具有一个新的混沌相。在该相中，系统唯一可能的稳态解，即空间均匀相会发生失稳。同时由于长波失稳，大尺度空间不均匀性得以形成并且发生永不停息的演化。向列相有序区域可以从周围无序介质中吸收粒子，生长，分裂，进而又消散于无序相中，这种行为向我们显示体系中极为丰富的动力学效应，同时我们的研究揭示了系统中大尺度涨落的动力学失稳起源。在关于颗粒杆状体系中拓扑结构的动力学的研究中，我们通过模拟和理论的研究不仅揭示了拓扑结构的动力学存在强烈的不可逆动力学效应，同时拓扑缺陷在活力物质体系集体演化中起到了决定性作用。这一发现对于认识活力物质体系的宏观非平衡动力学有重要的作用。同时，我们的研究显示可以通过实时跟踪和控制拓扑缺陷来调控系统的集体动力学，这对于进一步的实验验证和应用具有较为重要的指导意义。此外，我们对生物膜体系和活性大分子的相互作用进行了仔细的研究, 揭示了树状载药分子穿膜过程的重要影响因素。