2025年11月6日，深圳湾实验室邀请国际知名应用数学家钱纮教授做客红树林论坛第五十期，深入探讨了“新吉布斯(Neo-Gibbsian)统计热力学”这一前沿课题。钱纮教授现任西湖大学讲席教授，在生物物理与生物化学领域作出了诸多开创性成果。讲座由深圳湾实验室系统与物理生物学研究所特聘研究员陆扬懿博士主持，吸引了实验室内外百余位老师和同学参会。

一杯打翻的牛奶，总会流向桌面，却不会自行收回杯中；一壶沸水，其热量会消散于空气中，让整间厨房趋于同样的温度。这些我们习以为常的场景，背后是自然界最深刻的规律之一——热力学第二定律，它指出孤立系统总是不可逆地朝着熵增（即无序度增加）的方向演化。传统的平衡态热力学描绘了一幅静态的、稳定的“宇宙终景”。然而，我们身处的世界，尤其是生命本身，却充满了动态的秩序。从细胞中精准的分子协作到生态系统的繁盛演化，处处都是高度有序的“耗散结构”。这些结构并非处于平衡态，而是必须持续消耗能量来维持其有序性。理解这种“不平衡中的秩序”，正是非平衡统计热力学的核心使命。钱纮教授等科学家发展的数学工具，为我们打开了窥探其奥秘的大门。

要理解“活”的系统，关键在于审视涨落。在平衡态下，系统的行为由其最可几的状态（即平均值）主导，微小的随机热涨落会迅速被平息。但在被持续能量输入驱动的非平衡稳态中，情况变得复杂而有趣。钱纮教授的研究指出，此时系统如同一个被持续搅动的复杂网络，其行为不再由单一的平均值概括，而是由一系列可能发生的轨迹及其对应的概率所描述。大偏差理论正是描述这种“小概率、大影响”事件的强大数学框架。它不像高斯分布那样只关注平均值附近的微小波动，而是专注于计算系统采取一条与典型行为截然不同的、看似极其不可能的路径的概率。在非平衡系统中，这种“罕见”事件——比如一个分子马达逆着浓度梯度成功运送一次货物，或一个基因网络偶然切换到了另一种表达状态——往往是功能实现或模式转变的关键。

因此，非平衡统计热力学所提供的视角，将我们对生命和复杂系统的理解从“是什么”推向了“何以可能”。它不再将生命现象视为对抗自然律的奇迹，而是将其理解为在能量流驱动下，遵循随机动力学规律而自然涌现的复杂动力学行为。钱纮教授在随机动力学和系统生物学中的研究，正是用严密的数学语言诠释这一图像：生命系统的稳健性、适应性以及演化潜力，或许正根植于其对内外部随机涨落的巧妙利用和约束。从这个角度看，生命既是非平衡世界的杰出产物，也是验证其物理规律的完美范例。探索非平衡统计热力学的疆界，不仅是在解答“牛奶为何不会倒流”的朴素疑问，更是在追寻“无序中如何生发出如此精妙的秩序”这一关乎我们自身存在的根本问题。

报告结束后，现场观众热情未减，围绕非平衡统计热力学及其在细胞和其他生物体系中的应用前景继续讨论，现场提问踊跃。

钱纮

钱纮博士本科毕业于北京大学天体物理专业，后在美国圣路易斯华盛顿大学获得生物化学博士学位。研究方向为单分子生物物理领域，具体涉及荧光相关光谱（FCS）和单颗粒追踪（SPT）技术。博士后期间，他先后在俄勒冈大学与加州理工学院从事蛋白质折叠的热力学和动力学的研究。

此后，钱纮博士曾在加州大学洛杉矶分校医学院生物数学系任教三年。1997年，他加入美国西雅图华盛顿大学应用数学系，同时兼任该校医学院生物工程系教职，历任助理教授、副教授、教授、后任Olga Jung Wan 冠名讲席教授。2010年，他当选为美国物理学会会士。此外，钱紘博士还担任美国工业与应用数学学会（SIAM）旗下多本期刊的编委，并曾参与多个生物物理化学、系统生物学及定量生物学领域期刊的编委会工作。2011 年，他与 Ken A. Dill 教授联合发起创立了Gordon Research Conferences on Stochastic Physics in Biology。

2025年10月，钱纮博士加入西湖大学，任理学院、交叉科学中心讲席教授。

供稿|陆扬懿课题组

编辑|鲍 鲍

责编|远 山

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