在每个活的细胞内，内部结构持续地移动。在显微镜下，诸如细胞核、线粒体、运输小泡(transport vesicle)之类的细胞器或者甚至胞外的鞭毛在摇摆和抽动。这可能是自发发生的，这是因为这些微小结构在细胞内遭受被动地推挤。但是这并不一定全是这样的。细胞经常花费额外的能量到这些运动中从而以一种我们迄今为止尚未理解的方式增强细胞功能。

　　在微观水平上，液体或气体中的颗粒能够移动，作为对周围分子轰击作出的反应。这些被动的热诱导运动经常很难与主动驱动的运动区分开来，而且仅仅观察细胞内的特定运动是否仅仅是热诱导的或者是由某些额外的能量输入推动的，并不能够将它们辨别开。

　　如今，在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院、耶鲁大学、德国哥廷根大学、慕尼黑大学和荷兰阿姆斯特丹自由大学的研究人员开发出一种非侵袭式的数据分析技术，它能够区分一种物体的随机运动是主动驱动的或是热驱动的。通过追踪一种结构在细胞内的构象或位置或者颗粒移动时穿过细胞时的构象或位置，并且观察颗粒如何在这些状态之间来回转换，研究人员采用统计物理学的基本原理确定这些随机运动是主动的或是热诱导的。相关研究结果发表在2016年4月29日那期Science期刊上，论文标题为“Broken detailed balance at mesoscopic scales in active biological systems”。

　　论文共同第一作者、麻省理工学院物理系助理教授Nikta Fakhri说，这些结构将有助科学家们发现“隐藏的”主动过程，这些过程驱动细胞中的组分以一种看似随机的方式移动。

　　Fakhri说，“我们想观察生命系统---细胞、组织或整个有机体---中的独特动态行为初看起来像是随机的热运动，实际上确实是主动驱动的。这是非常重要的，这是因为如果细胞花费能量在主动过程中，那么肯定存在一种至关重要的功能与这种过程相关联。我们的研究提供一种实际的实验方法来观察生物系统，并从中鉴定主动的非平衡过程。”

　　在活细胞中，很多细胞器或颗粒往往按照“弹道”轨迹移动，移动一段距离，同时具有明确确定的轨迹。Fakhri说，这些类型的运动代表着一种必须是失去平衡的活动状态，需要生命系统耗费能量。然而，有趣的是，这些颗粒随机摇动，看似处于平衡之中，但实际上是主动移动的。

　　Fakhri和她的同事们着手开发一种统计学物理技术，从而能够允许他们只是通过对颗粒成像来区分它的随机运动实际上是热驱动的还是主动驱动的。

　　通过使用视频显微镜，研究人员逐帧地研究衣藻(Chlamydomonas)鞭毛的振荡运动。他们将衣藻鞭毛的骨架分解为一系列形状，因而构建出衣藻鞭毛完成一次振动循环时所经历的不同状态的相空间。他们然后计算不同状态之间的转换次数。在热平衡下，在所有状态之间的来回转换必需得到平衡。然而，他们在这些转换中观察到明显的不平衡，从而证实这个已知的事实：鞭毛花费能量来完成这种主动的振荡运动。

　　接下来，研究人员分析了肾细胞纤毛---一种类似天线的附属物，初看时似乎被动地来回摇动---的运动。通过追踪这种纤毛的定向和弯曲，并对不同状态之间的转换次数进行计数，他们观察到这些转换存在轻微的不平衡，从而指出一种意料之外的主动过程驱动这种纤毛，尽管它看起来是被动移动的。

　　Fakhri说，这种新方法将有助科学家们发现细胞消耗能量的新方式---这最终是维持生命的关键。毕竟，正如奥地利物理学家埃尔温?薛定谔所提到的那样，“生命物质避免趋向平衡的衰退。”

　　Fakhri说，“几乎一个世纪之后，通过这项合作研究，我们如今更进一步，发现细胞如何安排它们的能量，特别是它们为何经常消耗大量能量产生这些表面上是随机的运动。”