能量的轉(zhuǎn)換，能夠解釋從細(xì)胞活動(dòng)到火箭上天的各種過程。在一個(gè)過程中，在細(xì)分的情況下，能量從一個(gè)系統(tǒng)中提取出來，并在另一個(gè)系統(tǒng)中使用，再在過程中以相同或不同的形式轉(zhuǎn)移到別的地方。最近，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所 (NIST，National Institute of Standards and Technology) 和馬里蘭大學(xué)學(xué)院市分校（University of Maryland, College Park）研究人員在《自然——物理學(xué)》（Nature Physics）雜志上發(fā)表了一種測量自由能的新方法。通過用跟蹤和分析單分子或其他微觀研究對(duì)象的能量波動(dòng)或構(gòu)型, 該方法將比已有的方法在微觀層面的研究中更具普適性。

圖 | 研究中構(gòu)建的自由能“地形圖”（圖片來源：Nature Physics）

論文作者 David Ross 表示：“自蒸汽機(jī)問世以來，科學(xué)家們通過分析系統(tǒng)中自由能的轉(zhuǎn)換來理解復(fù)雜的系統(tǒng)。在編碼或設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)以及其他的單分子系統(tǒng)的工作中，這一理念將依然適用。在微觀層面進(jìn)行測量并不簡單，我們這次開發(fā)新方法對(duì)解決這個(gè)問題具有重大意義?！蓖ㄟ^測量系統(tǒng)發(fā)生改變時(shí)內(nèi)部自由能的變化, 科學(xué)家便能在不跟蹤研究每個(gè)組成個(gè)體的情況下計(jì)算出系統(tǒng)接下來會(huì)怎樣變化。在以前方法中, 科學(xué)家使用微型力傳感器拉動(dòng)蛋白質(zhì)或 DNA 分子, 就像拉伸或壓縮一個(gè)微型彈簧, 來測量系統(tǒng)放出能量時(shí)力和位置的變化。但這種力傳感器會(huì)干擾原本的微觀系統(tǒng), 不能被用以研究不直接涉及位置變化的自由能轉(zhuǎn)換。而這次的新方法通過用光學(xué)顯微技術(shù)跟蹤微觀系統(tǒng)的變化，進(jìn)而在不需力傳感器的情況下就能對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的自由能進(jìn)行分析。這將能幫助科學(xué)家更好地理解圍觀系統(tǒng)的內(nèi)部工作，包括病毒或細(xì)胞等生命系統(tǒng)內(nèi)的各種過程, 如能源攝入、化學(xué)反應(yīng)和維持細(xì)胞生存的分子活動(dòng)。

圖 | 位于微觀層面能量階梯上的兩個(gè) DNA 分子。階梯會(huì)對(duì) DNA 分子施加限制, 一般 DNA 分子大多會(huì)”下樓”以減少能量, 但有時(shí)它們也會(huì)在有能量波動(dòng)的時(shí)候“上樓”。（圖源：Nature Physics）NIST 的合著者 Elizabeth Strychalski 表示：“在分析自然系統(tǒng)時(shí), 通過更好的測量自由能在微觀層面的微小波動(dòng), 我們將能更好地理解并最終操縱這些波動(dòng)?！痹谘芯繌母吣軤顟B(tài)開始的微觀系統(tǒng)時(shí)，隨著系統(tǒng)因周圍分子連續(xù)碰撞而進(jìn)入“松弛”（弛豫）狀態(tài), 系統(tǒng)的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生顯著的波動(dòng)。在論文中被稱為弛豫波動(dòng)波譜法 (ReFlucS，Relaxation Fluctuation Spectroscopy) 的新方法中, 研究人員通過測量這類波動(dòng)來計(jì)算自由能的變化，

圖 | 顯微圖像顯示 2 個(gè) DNA 分子在“能量樓梯”上運(yùn)動(dòng)。豎直白線代表“樓梯”不同的“階”，也就是一個(gè)特定的能級(jí)。鋸齒狀的白色線代表分子的運(yùn)動(dòng)軌跡。字母標(biāo)記了同一分子在每分鐘所處的位置。大多數(shù)位于右上的分子會(huì)“下樓”，而在左下的分子則是在上了兩“階”后又下了兩“階”。（圖源：NIST）在 DNA 分子的例子中，分子被限制在一個(gè)類似樓梯的微觀空間。在讓其“上樓”時(shí), 分子位于“樓上”部分的壓縮程度需比其位于“樓下”部分的高，因此位于“樓上”部分的分子將具有更高的自由能。在實(shí)際操作中，研究人員通過施加電場將 DNA 分子推到“樓頂”，隨后關(guān)閉電場, 再用光學(xué)顯微鏡觀察分子的運(yùn)動(dòng)。為了保持平衡，DNA 分子一般會(huì)在電場移除后減少攜帶的自由能并“下樓”, 但由于是在微觀層面上的波動(dòng),它們偶爾也會(huì)回到更多自由能的狀態(tài)而“上樓”。通過分析 DNA 分子的運(yùn)動(dòng), 研究人員便能獲得有關(guān)系統(tǒng)自由能的信息，比如在不同的位置有多少自由能以及哪里的能量高哪里的能量低。