活细胞被认为是典型的非平衡系统，生命活动需要持续消耗能量，并通过一些看似单向的过程维持运行，例如将DNA转录为RNA。尽管不可逆性是非平衡过程的重要特征，但其在单个基因层面的动态表现长期以来难以直接量化。

《npj Complexity》近日发表的一项研究中，圣塔菲研究所博士后詹姆斯·霍尔豪斯（James Hallhouse）提出一套分析工具，尝试在单基因尺度上刻画转录过程的不可逆性。该方法基于基因表达的经典“两态模型”，即基因在“活跃”和“非活跃”两种状态之间切换，用以描述转录“爆发”行为背后的状态转换机制。

研究方法的核心是允许研究人员计算基因的“熵产生率”，并将其作为衡量转录动态中不可逆、单向过程强度的指标。研究称，这一指标可在粗粒度框架下对基因转录的非平衡特征进行定量描述。

在应用层面，霍尔豪斯利用该粗粒度方法分析了包含数千个小鼠基因的数据集。结果显示，基因在参数空间中呈现出一定的选择倾向：它们往往避开与特别高熵产生率、即高不可逆性相关的参数组合。

研究指出，这一模式提示基因表达过程可能受到物理约束影响，使得具有较高中观熵产生水平的动态过程相对不占优势。论文同时表示，这种约束的表现形式类似一种“能量消耗最小化”的机制，但其作用尺度体现在单个基因层面，而非整个细胞层面。研究团队认为，该结果为进一步探索非平衡约束如何塑造基因表达提供了新的研究路径。