化学反応に生じる熱のゆらぎに新たな普遍則を発見―生命活動含む非平衡熱力学の理解へ―

2026-11-09 京都大学

京都大学の研究グループは、物質やエネルギーが外部から供給され続ける化学反応ネットワークにおいて、エネルギー散逸とそのゆらぎの間に成り立つ新たな普遍則を発見した。氷が水に変わる平衡相転移では、熱容量とエネルギーゆらぎの間に普遍的な関係が知られている。一方、化学反応のような非平衡系では、反応に伴ってエネルギーが外部へ散逸するため、そのゆらぎの法則は十分に理解されていなかった。今回、研究チームは化学反応ネットワークにおける代表的な4種類の状態変化を解析し、状態が切り替わる境界に近づくと、反応条件のわずかな変化に対するエネルギー散逸の応答が大きくなり、それに伴って散逸のゆらぎも必ず増大するという一般法則を証明した。この成果は、化学反応の臨界現象だけでなく、代謝などの生命活動を含む幅広い非平衡現象の理解に役立つと期待される。

化学反応に生じる熱のゆらぎに新たな普遍則を発見―生命活動含む非平衡熱力学の理解へ―
氷と⽔との相転移(平衡相転移)と化学反応において安定状態が変わる分岐現象(⾮平衡相転移)の概念図。⾮平衡相転移現象では、常に周囲に熱を放出している(熱散逸)。本研究では、この熱散逸に新たな法則があることが発⾒された。

<関連情報>

化学反応ネットワークにおけるエントロピー⽣成の普遍的臨界性 Universal Criticality of Entropy Production in Chemical Reaction Networks

Kyota Tamano and Keiji Saito
Physical Review Letters Published: 9 November, 2026
DOI:https://doi.org/10.1103/j2x1-tlq7

Abstract

Stochastic thermodynamics gives universal relations for microscopic entropy production, yet its critical behavior at macroscopic nonequilibrium transitions remains unclassified. We study well-mixed reversible chemical reaction networks by first taking the macroscopic limit and next the long-time limit. We then characterize nonequilibrium transitions described by the bifurcations of the mass-action dynamics in terms of entropy production. Using linear-noise formulas, center-manifold normal forms, and Floquet theory, we obtain generic exponents for entropy-production fluctuations and responses at pitchfork, transcritical, saddle-node, and Hopf bifurcations. Beyond this low-order classification, a trajectory-space Cramér-Rao-type bound yields the universal scaling inequality −2⁢≥0. Hence divergent responses require divergent fluctuations, but not conversely, making entropy-production fluctuations a sharper probe of nonequilibrium criticality.

1701物理及び化学
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