能量的转换，能够解释从细胞活动到火箭上天的各种过程。在一个过程中，在细分的情况下，能量从一个系统中提取出来，并在另一个系统中使用，再在过程中以相同或不同的形式转移到别的地方。

最近，美国国家标准技术研究所 (NIST，National Institute of Standards and Technology) 和马里兰大学学院市分校（University of Maryland, College Park）研究人员在《自然——物理学》（Nature Physics）杂志上发表了一种测量自由能的新方法。通过用显微镜跟踪和分析单分子或其他微观研究对象的能量波动或构型, 该方法将比已有的方法在微观层面的研究中更具普适性。

图 | 研究中构建的自由能“地形图”（图片来源：Nature Physics）

论文作者 David Ross 表示：“自蒸汽机问世以来，科学家们通过分析系统中自由能的转换来理解复杂的系统。在编码或设计蛋白质以及其他的单分子系统的工作中，这一理念将依然适用。在微观层面进行测量并不简单，我们这次开发新方法对解决这个问题具有重大意义。”

通过测量系统发生改变时内部自由能的变化, 科学家便能在不跟踪研究每个组成个体的情况下计算出系统接下来会怎样变化。

在以前方法中, 科学家使用微型力传感器拉动蛋白质或 DNA 分子, 就像拉伸或压缩一个微型弹簧, 来测量系统放出能量时力和位置的变化。但这种力传感器会干扰原本的微观系统, 不能被用以研究不直接涉及位置变化的自由能转换。

而这次的新方法通过用光学显微技术跟踪微观系统的变化，进而在不需力传感器的情况下就能对系统内的自由能进行分析。这将能帮助科学家更好地理解围观系统的内部工作，包括病毒或细胞等生命系统内的各种过程, 如能源摄入、化学反应和维持细胞生存的分子活动。

图 | 位于微观层面能量阶梯上的两个 DNA 分子。阶梯会对 DNA 分子施加限制, 一般 DNA 分子大多会”下楼”以减少能量, 但有时它们也会在有能量波动的时候“上楼”。（图源：Nature Physics）

NIST 的合著者 Elizabeth Strychalski 表示：“在分析自然系统时, 通过更好的测量自由能在微观层面的微小波动, 我们将能更好地理解并最终操纵这些波动。”

在研究从高能状态开始的微观系统时，随着系统因周围分子连续碰撞而进入“松弛”（弛豫）状态, 系统的性质也会发生显著的波动。在论文中被称为弛豫波动波谱法 (ReFlucS，Relaxation Fluctuation Spectroscopy) 的新方法中, 研究人员通过测量这类波动来计算自由能的变化。

图 | 显微图像显示 2 个 DNA 分子在“能量楼梯”上运动。竖直白线代表“楼梯”不同的“阶”，也就是一个特定的能级。锯齿状的白色线代表分子的运动轨迹。字母标记了同一分子在每分钟所处的位置。大多数位于右上的分子会“下楼”，而在左下的分子则是在上了两“阶”后又下了两“阶”。（图源：NIST）

在 DNA 分子的例子中，分子被限制在一个类似楼梯的微观空间。在让其“上楼”时, 分子位于“楼上”部分的压缩程度需比其位于“楼下”部分的高，因此位于“楼上”部分的分子将具有更高的自由能。在实际操作中，研究人员通过施加电场将 DNA 分子推到“楼顶”，随后关闭电场, 再用光学显微镜观察分子的运动。

为了保持平衡，DNA 分子一般会在电场移除后减少携带的自由能并“下楼”, 但由于是在微观层面上的波动,它们偶尔也会回到更多自由能的状态而“上楼”。通过分析 DNA 分子的运动, 研究人员便能获得有关系统自由能的信息，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。

NIST 的论文合著者，Samuel Stavis 表示：“该方法能为研究者提供此前研究自由能时无法获得的信息。”