北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室欧阳颀教授研究组在Nature Communication杂志发表题为“Design principles for enhancing phase sensitivity and suppressing phase fluctuations simultaneously in biochemical oscillatory systems”的研究论文（doi:10.1038/s41467-018-03826-4）。文章报道了生物振荡功能在远离平衡态的设计原则。

生物振荡网络作为生命体的内禀时钟，调节各种与时间信息相关的生命过程，因此需要在减小计时涨落的同时，保持对环境信号的敏感性。 对于处于热力学平衡态的系统，涨落耗散定理表明，高响应与低涨落不可能同时完成。但是生命系统处于非平衡态，并没有涨落耗散定理的约束。对于振荡网络这一非平衡态系统，如何保持高敏感性和精确性，以及对应的热力学的设计原理，是一个重要的利用物理原理理解生命系统的基本问题。

欧阳颀教授研究组与美国IBM沃森研究中心的涂豫海教授（北京大学物理学院/定量生物学中心教授）展开合作，首次从理论上揭示了生化反应网络优化振荡功设计原则。研究发现，通过增加系统的自由能耗散，振荡的计时精确性增加，这与之前的研究相符；更重要的是，耗散的增加还能够增强系统对于外界信号的响应，两者呈正比关系。通过对简单模型的解析发现，额外的自由能耗散可以加强振荡相位与振幅的耦合，借此来增强对信号的响应，从而打破了平衡态的涨落响应关系。为了同时达到高敏感性和精确性，系统需要精细的分配参与反应的非平衡环路中的自由能耗散。研究基于化学势与反应流提出了两条重要的能量分配原则，并在相关实验数据分析中得到验证。

生物振荡网络是生命过程的时钟。能量耗散驱动反应环路，打破热力学平衡态约束，同时减小振荡相位的扩散系数和线性增强相位响应的敏感性。

该文章的一位共同第一作者是北京大学物理学院本科生费沉毅（现于普林斯顿大学攻读定量与计算生物学博士）；另外一位共同第一作者是原物理学院博士生曹远胜（现加州大学圣迭戈物理系博士后）。涂豫海教授为此文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金和人工微结构和介观物理国家重点实验室的资助。