<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="review-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1108357</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2023.1108357</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Review</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Energy and information flows in autonomous systems</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Ehrich and Sivak</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphy.2023.1108357">10.3389/fphy.2023.1108357</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Ehrich</surname>
<given-names>Jannik</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2115067/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>David A.</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2113709/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>Department of Physics</institution>, <institution>Simon Fraser University</institution>, <addr-line>Burnaby</addr-line>, <addr-line>BC</addr-line>, <country>Canada</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1989582/overview">Deepak Bhat</ext-link>, VIT University, India</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2124675/overview">Emanuele Penocchio</ext-link>, Northwestern University, United States</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/460829/overview">Bernardo A. Mello</ext-link>, University of Brasilia, Brazil</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2137311/overview">Nahuel Freitas</ext-link>, University of Buenos Aires, <italic>Argentina</italic>
</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Jannik Ehrich, <email>jehrich@sfu.ca</email>; David A. Sivak, <email>dsivak@sfu.ca</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Biophysics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>06</day>
<month>04</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2023</year>
</pub-date>
<volume>11</volume>
<elocation-id>1108357</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>25</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>17</day>
<month>02</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2023 Ehrich and Sivak.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Ehrich and Sivak</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Multi-component molecular machines are ubiquitous in biology. We review recent progress on describing their thermodynamic properties using autonomous bipartite Markovian dynamics. The first and second laws can be split into separate versions applicable to each subsystem of a two-component system, illustrating that one can not only resolve energy flows between the subsystems but also information flows quantifying how each subsystem&#x2019;s dynamics influence the joint system&#x2019;s entropy balance. Applying the framework to molecular-scale sensors allows one to derive tighter bounds on their energy requirement. Two-component strongly coupled machines can be studied from a unifying perspective quantifying to what extent they operate conventionally by transducing power or like an information engine by generating information flow to rectify thermal fluctuations into output power.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>information thermodynamics</kwd>
<kwd>stochastic thermodynamics</kwd>
<kwd>nonequilibrium statistical mechanics</kwd>
<kwd>molecular motor</kwd>
<kwd>biochemical sensor</kwd>
<kwd>entropy production</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Livings things are fundamentally out of thermodynamic equilibrium [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. Maintaining this state requires a constant flow of energy into them accompanied by dissipation of heat into their environment. Quantifying these flows is straightforward for macroscopic systems but much less so on the small scales of molecular machinery. The advent of ever-more-refined experimental equipment capable of probing small-scale thermodynamics has led to the burgeoning field of stochastic thermodynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. Within this theory, energy flows are deduced from the thermally influenced stochastic dynamics of small-scale systems, permitting quantification of heat dissipation and energetic requirements of diverse experimental setups as well as molecular biological machinery.</p>
<sec id="s1-1">
<title>1.1 Information thermodynamics</title>
<p>Information plays an interesting and, at times, adversarial role in thermodynamics. At the dawn of statistical mechanics, Maxwell illustrated the counterintuitive role of information by arguing that an intelligent <italic>demon</italic> could separate gas molecules according to their velocity with seemingly no expense of energy, apparently contradicting the second law [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. Resolving this paradox plagued physicists for a century [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], leading to well-known contributions from Szilard [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], Landauer [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], and Bennett [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] ultimately showing that acquiring, processing, and storing information incurs thermodynamic costs that balance or exceed any benefit gained from it.</p>
<p>Within the theory of stochastic thermodynamics, information has been incorporated in various ways, including measurement and feedback [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] performed by an experimenter on a system, and a system interacting with information reservoirs [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]; this established information as a proper thermodynamic resource [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] that sets limits on system capabilities similar to work and free energy. Diverse theoretical works [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] and experimental realizations [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>] illustrate information-powered engines.</p>
</sec>
<sec id="s1-2">
<title>1.2 Autonomous and complex systems consisting of subsystems</title>
<p>Small-scale information thermodynamics is also relevant for biological systems such as molecular machines and molecular-scale sensors [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>]. Understanding living systems at small scales and advancing the design of nanotechnology [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>] requires extending thermodynamics beyond conventional contexts: Instead of the scripted experimental manipulation of time-dependent control parameters, living systems are autonomous, driven out of equilibrium by steady-state nonequilibrium boundary conditions.</p>
<p>Moreover, embracing more of the complexity of biology, we seek understanding beyond the interactions of a system with weakly coupled baths, to encompass interactions among strongly coupled subsystems [<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>]. Lacking a clear separation between a measurement that collects information about a system and feedback that acts on this information [<xref ref-type="bibr" rid="B56">56</xref>], in autonomous systems it is more practical to differentiate between subsystems: An <italic>upstream</italic> system that generates information for a <italic>downstream</italic> system to react to or exploit.</p>
<p>While in the non-autonomous setup apparent second-law violations result from not correctly accounting for non-autonomous interventions by an experimenter [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>], in autonomous multi-component systems they can be traced back to thermodynamic accounting that ignores the strong coupling [<xref ref-type="bibr" rid="B56">56</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B59">59</xref>].</p>
<p>In its simplest form such an autonomous setup is realized by a downstream molecular sensor that reacts to an independent upstream signal [<xref ref-type="bibr" rid="B60">60</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B65">65</xref>]. More complex interactions are realized by two-component strongly coupled molecular machines in which the dynamics of each component is influenced by the other [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B66">66</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B67">67</xref>] and by assemblies of molecular transport motors that collectively pull cargo [<xref ref-type="bibr" rid="B68">68</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B69">69</xref>].</p>
<p>Here we focus on such autonomous systems, collecting results that extend information thermodynamics to contexts lacking explicit external measurement and feedback, and showcase that bipartite Markovian dynamics and information flow are versatile tools to understand the thermodynamics and performance limits of these systems.</p>
</sec>
<sec id="s1-3">
<title>1.3 Objectives and organization</title>
<p>Our aims with this review are to:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1. Build on stochastic thermodynamics to give a gentle introduction to the information-flow formalism, deriving all necessary equalities and inequalities and relating the different names and concepts for similar quantities that appear throughout the literature. <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> introduces bipartite dynamics and establishes the notation. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> deal with energy and information flows in these bipartite systems in general, while <xref ref-type="sec" rid="s5-1">Section 5.1</xref> compares various similar information-flow measures.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2. Collect results valid for biomolecular sensors, for which the information-flow formalism produces a tighter second law. These are contained in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3. Address engine setups and show that the information-flow formalism advances understanding of autonomous two-component engines simultaneously as work and information transducers (<xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref>).</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
<sec id="s1-4">
<title>1.4 Related reviews</title>
<p>The information-flow formalism is firmly rooted in the theory of stochastic thermodynamics. Recent reviews include a comprehensive one by Seifert [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>] and reviews by Jarzynski [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>] (focusing on non-equilibrium work relations), Van den Broeck and Esposito [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] (explicitly dealing with jump processes), and Ciliberto [<xref ref-type="bibr" rid="B70">70</xref>] (on experiments in stochastic thermodynamics). The recent book by Peliti and Pigolotti [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] also gives a pedagogical introduction to the field. Information thermodynamics itself has recently been reviewed by Parrondo <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>].</p>
<p>Turning to molecular machinery, the working principles of Brownian motors have been reviewed by Reimann [<xref ref-type="bibr" rid="B71">71</xref>]. General aspects of molecular motors can be found in the reviews by Chowdhury [<xref ref-type="bibr" rid="B72">72</xref>] and Kolomeisky [<xref ref-type="bibr" rid="B73">73</xref>]. Brown and Sivak [<xref ref-type="bibr" rid="B74">74</xref>] focus on the transduction of free energy by nanomachines, while reviews by Silverstein [<xref ref-type="bibr" rid="B75">75</xref>] and Li and Toyabe [<xref ref-type="bibr" rid="B76">76</xref>] specifically treat the efficiencies of molecular motors.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Bipartite dynamics</title>
<p>We consider a mesoscopic composite system whose state at time <italic>t</italic> is denoted by <italic>z</italic>(<italic>t</italic>). Due to thermal fluctuations, its dynamics are described by a Markovian stochastic process defined by a <italic>Master equation</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B77">77</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B78">78</xref>]:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m1">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <italic>p</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub>(<italic>z</italic>) is the probability to find the composite system in state <italic>z</italic> at time <italic>t</italic> and the transition rates <italic>R</italic>(<italic>z</italic>&#x7c;<italic>z</italic>&#x2032;;<italic>t</italic>) (sometimes also called the <italic>generator</italic>) encode the jump rates from state <italic>z</italic>&#x2032; to state <italic>z</italic>. For convenience, we assume a discrete state space; however, all results can easily be translated into continuous state-space dynamics, as we allude to in <xref ref-type="sec" rid="s2-3">Section 2.3</xref>. If multiple paths between states <italic>z</italic>&#x2032; and <italic>z</italic> are possible, the RHS in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">(1)</xref> needs to include a sum over all possible jump paths.</p>
<p>We assume that one can meaningfully divide the state space into distinct parts, e.g., <italic>z</italic> &#x3d; {<italic>x</italic>, <italic>y</italic>}, where two subsystems <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> are identified as distinct units interacting with each other. The process <italic>z</italic>(<italic>t</italic>) is <italic>bipartite</italic> if the transition rates can be written as<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m2">
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>meaning that transitions cannot happen simultaneously in multiple subsystems. Note that this does not imply that the processes <italic>x</italic>(<italic>t</italic>) and <italic>y</italic>(<italic>t</italic>) are independent of each other; rather their influence on each other is restricted to modifying the other process&#x2019;s transition rates.</p>
<p>When the dynamics of the joint system are not bipartite, the dissection of energy and information flows presented in the following is more challenging. Ch&#xe9;trite, <italic>et al.</italic> have investigated this case [<xref ref-type="bibr" rid="B79">79</xref>]. Moreover, information flows for quantum systems (without bipartite structure) have also been analyzed [<xref ref-type="bibr" rid="B80">80</xref>]. Here, we exclusively cover classical bipartite systems.</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Paradigmatic examples</title>
<p>Bipartite dynamics should be expected whenever two systems (that possess their own dynamics) are combined such that each fluctuation can be decomposed into independent contributions. The dynamics of systems studied in cellular biology can often be approximated as bipartite.</p>
<p>Two paradigmatic examples that have been well studied are molecular motors (such as F<sub>o</sub>&#x2212;F<sub>1</sub> ATP synthase) with strongly coupled interacting sub-components, or cellular sensors that react to a changing external concentration. The joint dynamics of such systems can be decomposed into the distinct fluctuations of each subsystem, each of which is influenced by the other subsystem (in the case of a strongly coupled molecular machine) or into dynamics strongly influenced by an independent process (in the case of a sensor). <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> shows examples and associated simplified state graphs.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Paradigmatic example systems and their simplified state graphs. <bold>(A)</bold> Simplified model for F<sub>o</sub>&#x2212;F<sub>1</sub> ATP synthase. Upstream F<sub>o</sub> dynamics are cyclically driven by a proton gradient while downstream F<sub>1</sub> dynamics are driven in the opposite direction by ATP hydrolysis [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B66">66</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B67">67</xref>]. Through their coupling, the joint system can transduce work by driving the downstream system against its natural gradient, thereby converting one chemical fuel into another. <bold>(B)</bold> Simplified model of a biochemical sensor, e.g., involved in <italic>E. coli</italic> chemotaxis [<xref ref-type="bibr" rid="B60">60</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B65">65</xref>]. The upstream signal is the binding state (bound or unbound) of the receptor which is reflected in the downstream protein conformation by modifying its potential-energy landscape and thereby influencing the transition rates between configurations.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1108357-g001.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Notation</title>
<p>To keep the notation concise and unambiguous, we adopt the following conventions:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1. Random variables are denoted with small letters. Occasionally the more explicit notation <italic>p</italic>(<italic>X</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub> &#x3d; <italic>x</italic>) is used to avoid ambiguity.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2. The joint probability of two random variables taking values <italic>x</italic> and <italic>y</italic>, respectively, is denoted by <italic>p</italic>(<italic>x</italic>, <italic>y</italic>). The conditional probability of <italic>x</italic> given <italic>y</italic> is denoted by <italic>p</italic>(<italic>x</italic>&#x7c;<italic>y</italic>).</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3. Time arguments are dropped for probabilities and transition rates unless distinct times appear in a single expression, as in <italic>p</italic>(<italic>x</italic>
<sub>
<italic>t</italic>
</sub>, <italic>y</italic>
<sub>
<italic>t</italic>&#x2032;</sub>).</p>
</list-item>
<list-item>
<p>4. Total time derivatives are denoted with a dot. The bipartite assumption ensures that rates of change of various quantities can be split into separate contributions due to the <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> dynamics, respectively. Those individual rates of change are indicated with a dot and the corresponding superscript, i.e., <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m3">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is the rate of change of energy <italic>E</italic> due to <italic>X</italic>-dynamics and <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> [see Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">(16a)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e16c">(16c)</xref>].</p>
</list-item>
<list-item>
<p>5. When no argument is given, symbols represent <italic>global quantities</italic>, whereas capitalized arguments in square brackets indicate different <italic>subsystem-specific</italic> quantities, e.g., <italic>S</italic> &#x2254; &#x2212;<italic>&#x2211;</italic>
<sub>
<italic>x</italic>,<italic>y</italic>
</sub>
<italic>p</italic>(<italic>x</italic>, <italic>y</italic>)&#x2009;ln&#x2009;<italic>p</italic>(<italic>x</italic>, <italic>y</italic>) is the joint entropy, while <italic>S</italic>[<italic>X</italic>] &#x2254; &#x2212; <italic>&#x2211;</italic>
<sub>
<italic>x</italic>
</sub> <italic>p</italic>(<italic>x</italic>)&#x2009;ln&#x2009;<italic>p</italic>(<italic>x</italic>) and <italic>S</italic>[<italic>X</italic>&#x7c;<italic>Y</italic>] &#x2254; &#x2212; <italic>&#x2211;</italic>
<sub>
<italic>xy</italic>
</sub>
<italic>p</italic>(<italic>x</italic>, <italic>y</italic>) ln&#x2009;<italic>p</italic>(<italic>x</italic>&#x7c;<italic>y</italic>) are marginal and conditional entropies, respectively [<xref ref-type="bibr" rid="B81">81</xref>, Chap. 2].</p>
</list-item>
</list>
</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Continuous state spaces</title>
<p>The framework outlined below can also be applied to continuous state spaces. For continuous diffusion processes described by a Fokker-Planck equation (<xref ref-type="bibr" rid="B82">82</xref>) this has been done in [<xref ref-type="bibr" rid="B58">58</xref>].</p>
<p>For diffusion-type dynamics, Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> corresponds to the statement that the diffusion matrix must be block-diagonal, such that the Fokker-Planck equation can be written as<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m5">
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>for respective subsystem drift coefficients <italic>&#x3bc;</italic>
<sup>
<italic>X</italic>
</sup> and <italic>&#x3bc;</italic>
<sup>
<italic>Y</italic>
</sup> and subsystem diffusion coefficients <italic>D</italic>
<sup>
<italic>X</italic>
</sup> and <italic>D</italic>
<sup>
<italic>Y</italic>
</sup>. The corresponding coupled Langevin equations <xref ref-type="bibr" rid="B78">(78)</xref> are.<disp-formula id="e4a">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(4a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e4b">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(4b)</label>
</disp-formula>where <italic>&#x3be;</italic>
<sup>
<italic>X</italic>
</sup>(<italic>t</italic>) and <italic>&#x3be;</italic>
<sup>
<italic>Y</italic>
</sup>(<italic>t</italic>) are independent Gaussian white-noise terms for which <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m8">
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and similarly for <italic>Y</italic>, and <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m9">
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore the two components <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> are indeed influenced by independent fluctuations, which is often a reasonable approximation for most systems studied here, e.g., two-component molecular machines.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Energy flows</title>
<p>As a first step towards a thermodynamic interpretation of the stochastic dynamics described above, we relate stochastic transitions to energy exchanges between the two subsystems and between individual subsystems and the environment as represented by baths/reservoirs of various kinds. For the systems considered here it is safe to assume that all processes are <italic>isothermal</italic> and that their stochasticity is due to thermal fluctuations.</p>
<p>For systems relaxing to equilibrium the transition rates in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">(1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> are related to thermodynamic potentials through the <italic>detailed-balance relation</italic>. This relation follows from demanding that, in the absence of any driving, the distribution of system states must relax to the equilibrium distribution with no net flux along any transition,<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m10">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>The equilibrium distribution is the Boltzmann distribution <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m11">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>eq</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
</inline-formula>, where <italic>&#x3f5;</italic>
<sub>
<italic>xy</italic>
</sub> is the potential energy of the system state (<italic>x</italic>, <italic>y</italic>), <italic>k</italic>
<sub>B</sub> is Boltzmann&#x2019;s constant, <italic>T</italic> the temperature, and <italic>F</italic>
<sub>eq</sub> the equilibrium free energy. Consequently, the transition rates are related by<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m12">
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>When each <italic>system state</italic> is a mesostate composed of many microstates, as is common for modeling small biological systems, the potential energy <italic>&#x3f5;</italic>
<sub>
<italic>xy</italic>
</sub> must be replaced by a mesostate <italic>free energy</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B83">83</xref>]. The following thermodynamic formalism remains unchanged, however.</p>
<p>The systems we consider here are driven by chemical reactions and external loads and do not obey the detailed-balance relation. Consequently they do not, in general, relax to equilibrium. Conceptually, we could include the state of the other reservoirs (chemical and work reservoirs) into the microstate <italic>Z</italic> of the system and then describe a non-equilibrium steady state as a very slow relaxation to global equilibrium, driving cyclical processes in the system of interest; however, such a description would be unnecessarily cumbersome. Assuming that these reservoirs are large compared to the system of interest and weakly coupled to it, we split the free energy of the supersystem into contributions from the reservoirs and the system of interest. Then, energy exchanges between all reservoirs and the system of interest are treated in the same way as energy exchanges with a heat bath, giving a <italic>local</italic> detailed-balance relation [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B83">83</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B85">85</xref>]:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m13">
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m14">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is the free-energy change in the reservoir <italic>&#x3bd;</italic> associated with system transition (<italic>x</italic>&#x2032;, <italic>y</italic>&#x2032;) &#x2192; (<italic>x</italic>, <italic>y</italic>), <italic>f</italic> <sup>
<italic>X</italic>
</sup> and <italic>f</italic> <sup>
<italic>Y</italic>
</sup> are external forces (here assumed constant) acting on the respective subsystems, and &#x394;<sup>
<italic>xx</italic>
</sup>
<sup>&#x2032;</sup> and &#x394;<sub>
<italic>yy</italic>&#x2032;</sub> are the respective lengths the subsystems undertake against their respective external forces when stepping from (<italic>x</italic>&#x2032;, <italic>y</italic>&#x2032;) to (<italic>x</italic>, <italic>y</italic>). The RHS of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">(7)</xref> is sometimes called <italic>entropy flow</italic> associated with a transition [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. Importantly, if multiple paths connect the states {<italic>x</italic>&#x2032;, <italic>y</italic>&#x2032;} and {<italic>x</italic>, <italic>y</italic>}, local detailed-balance relations hold separately for each of these paths [<xref ref-type="bibr" rid="B86">86</xref>].</p>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Global energy balance</title>
<p>Armed with the local detailed-balance relation <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">(7)</xref>, we identify different energy flows in the system. Below, we state the usual conventions of stochastic thermodynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] to identify the different contributions (heat and work) associated with each transition. The average rate <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <italic>heat</italic> exchanged with the thermal environment is given by averaging the log-ratio of transition rates over the net flux for all transitions in the system:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where we assume that the states <italic>x</italic> and <italic>y</italic> are consecutively numbered, so that the notation <italic>x</italic> &#x3e; <italic>x</italic>&#x2032; indicates a sum over transitions between distinct states, omitting the reverse transitions. Throughout this review all energy flows into the system are positive by convention.</p>
<p>Two types of work can be identified, <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. These are the average rate of <italic>chemical work</italic> associated with the influx of energy from the chemical reservoirs,<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m18">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>and the average rate of <italic>mechanical work</italic> due to the subsystems&#x2019; responses to external forces,<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m19">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Finally, we identify the rate of change of <italic>average internal energy</italic> as<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>With Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">(7)</xref>-<xref ref-type="disp-formula" rid="e10">(10)</xref>, we verify the <italic>global first law</italic>, representing the global energy balance:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>which retrospectively justifies identifying the log-ratio of transition rates as heat <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">(8)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Subsystem-specific energy balances</title>
<p>Due to the bipartite assumption <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref>, we also find subsystem-specific versions of this balance equation by splitting all energy flows into contributions from the respective subsystems: First the heat flow<disp-formula id="e13a">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
</mml:math>
<label>(13a)</label>
</disp-formula>splits into subsystem-specific heat flows<disp-formula id="e13b">
<mml:math id="m23">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(13b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e13c">
<mml:math id="m24">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(13c)</label>
</disp-formula>Similarly, the chemical work<disp-formula id="e14a">
<mml:math id="m25">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(14a)</label>
</disp-formula>splits into<disp-formula id="e14b">
<mml:math id="m26">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(14b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e14c">
<mml:math id="m27">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bd;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(14c)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m28">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is equal to <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m29">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> evaluated for <italic>y</italic> &#x3d; <italic>y</italic>&#x2032; and similarly for <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m30">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. The bipartite assumption <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> ensures that these two functions together cover all applicable <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m31">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Finally, the mechanical work<disp-formula id="e15a">
<mml:math id="m32">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(15a)</label>
</disp-formula>splits into<disp-formula id="e15b">
<mml:math id="m33">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(15b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e15c">
<mml:math id="m34">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(15c)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Moreover, we formally split the change in the joint potential energy<disp-formula id="e16a">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(16a)</label>
</disp-formula>into contributions due to the respective dynamics of each particular subsystem,<disp-formula id="e16b">
<mml:math id="m36">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(16b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e16c">
<mml:math id="m37">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(16c)</label>
</disp-formula>where a positive rate indicates that the joint potential energy increases due to the respective subsystem&#x2019;s dynamics.</p>
<p>We obtain the subsystem-specific first laws as the balances of energy flows into the respective subsystems:<disp-formula id="e17a">
<mml:math id="m38">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
<label>(17a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17b">
<mml:math id="m39">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(17b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>With Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">(7)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e11">(11)</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e13a">(13a)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e16c">(16c)</xref>, we verify that the sum of the subsystem-specific first laws in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e17a">(17a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e17b">(17b)</xref> yields the global first law <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">(12)</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 Work done by one subsystem on the other</title>
<p>The subsystem-specific first laws in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e17a">(17a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e17b">(17b)</xref> stem from a formal argument. Ideally, we would like to identify internal energy flows that the subsystems communicate between each other; i.e., we would like to identify <italic>transduced work</italic> in the manner of [<xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>]. However, with no clear prescription on how to split the energy landscape into <italic>X</italic>-, <italic>Y</italic>-, and interaction components,<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m40">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>int</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>the identification of energy flowing from one subsystem to the other remains ambiguous: For example, how much has a change in the <italic>X</italic>-coordinate changed the potential energy of the <italic>X</italic>-subsystem and how much has it changed the interaction energy? The ambiguity has already been pointed out in [<xref ref-type="bibr" rid="B87">87</xref>], where the authors propose to settle it through physical arguments by identifying a clear interaction term in the Hamiltonian and asking that the splitting leaves constant the average subsystem energy.</p>
<p>We propose a different approach to define an input work into one subsystem. Conventionally work is defined for interactions between a work reservoir (e.g., an experimentalist&#x2019;s external power source) and a system. Interactions between the work reservoir and the system are mediated by a <italic>control parameter</italic> influencing the system&#x2019;s potential-energy landscape. Crucially, there is negligible feedback from the system state to the dynamics of the control parameter. To define work between subsystems, imagine treating subsystem <italic>Y</italic> as if it were an externally manipulated control parameter influencing the potential-energy landscape of <italic>X</italic>. Then, the power done by the control parameter <italic>Y</italic> on system <italic>X</italic> would be supplied externally and equal the rate of change of internal energy due to the dynamics of the control parameter:<disp-formula id="e19a">
<mml:math id="m41">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(19a)</label>
</disp-formula>Consequently, we define <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m42">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> as the <italic>transduced work</italic> from <italic>Y</italic> to <italic>X</italic>, which is positive when <italic>Y</italic> increases the potential energy available to <italic>X</italic>. Similarly we define<disp-formula id="e19b">
<mml:math id="m43">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(19b)</label>
</disp-formula>as the transduced work from <italic>X</italic> to <italic>Y</italic>. Thus, an externally manipulated control parameter could be understood as the limiting case of a negligible back-action from the downstream system to the (possibly deterministic) dynamics of the upstream system. This identification of energy flows communicated between the systems becomes useful when singling out one subsystem that is driven (possibly with feedback) by another one (see <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref>).</p>
<p>
<xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> summarizes the splitting of the first law presented in this section and illustrates how energy moves between the subsystems.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Energy flows in autonomous bipartite systems. <bold>(A)</bold> Global energy flows can be distinguished between work (mechanical and chemical) and heat. Since at steady state the average global internal energy stays constant, average flows of work and heat must cancel. <bold>(B)</bold> The bipartite assumption <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> allows decomposition of energy flows into contributions from each subsystem. Color and direction of arrows reflect the subsystem-specific first laws <xref ref-type="disp-formula" rid="e17a">(17a)</xref> in red and <xref ref-type="disp-formula" rid="e17b">(17b)</xref> in blue.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1108357-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Entropy and free-energy balance</title>
<p>As always in thermodynamics, energetics are only half of the picture. We therefore next consider entropic quantities. Together, the rate <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of change of global internal energy <italic>E</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">(11)</xref>, and the rate <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of change of global entropy <italic>S</italic> (defined in the following) determine the rate of change of nonequilibrium (or &#x201c;generalized&#x201d;) free energy [<xref ref-type="bibr" rid="B88">88</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B91">91</xref>],<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Global entropy balance</title>
<p>Following Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], we explicitly write the rate of change of system entropy:<disp-formula id="e21a">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(21a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e21b">
<mml:math id="m48">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(21b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e21c">
<mml:math id="m49">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(21c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e21d">
<mml:math id="m50">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2255;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(21d)</label>
</disp-formula>where we have used the Master equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">(1)</xref> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21b">(21b)</xref>, the fact that Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21b">(21b)</xref> sums over every transition twice in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21c">(21c)</xref>, and the definition of the heat flow <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">(8)</xref> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e21d">(21d)</xref>.</p>
<p>Rearranging the terms gives the <italic>global second law</italic>:<disp-formula id="e22a">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(22a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e22b">
<mml:math id="m52">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(22b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e22c">
<mml:math id="m53">
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(22c)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the rate of global entropy production, i.e., the rate at which entropy is produced in the whole system and attached baths. Its nonnegativity follows from the fact that, in each term of the sum in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e22b">(22b)</xref>, the two factors are always either both positive or both negative.</p>
<p>Using the definition of nonequilibrium free energy <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">(20)</xref> and the global first law <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">(12)</xref>, we rewrite the global second law as<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m55">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<sec id="s4-1-1">
<title>4.1.1 Marginal and hidden entropy production</title>
<p>An interesting digression covers related research on inferring total entropy production from the dynamics of only one subsystem. Prominent examples of such systems with <italic>hidden degrees of freedom</italic> are molecular transport-motor experiments [<xref ref-type="bibr" rid="B73">73</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B92">92</xref>] in which only trajectories of an attached cargo are observed while the motor dynamics are hidden. Assessing motor efficiency, however, necessitates a detailed knowledge of the internal motor dynamics. Hence <italic>thermodynamic inference</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B83">83</xref>] is required to infer hidden system properties.</p>
<p>Alongside dynamics on masked Markovian networks [<xref ref-type="bibr" rid="B93">93</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B102">102</xref>], bipartite systems have been used to model situations in which one sub-component of the full system is hidden. One common strategy consists of mapping the observed dynamics of one subsystem onto a Markov model, which generally produces a lower bound on the total entropy production rate [<xref ref-type="bibr" rid="B86">86</xref>] that can subsequently be augmented with any information available about the hidden dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B103">103</xref>]. However, the observed process is non-Markovian which results, e.g., in modifications of fluctuation theorems [<xref ref-type="bibr" rid="B104">104</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B106">106</xref>]. Another approach is to use <italic>thermodynamic uncertainty relations</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B107">107</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B111">111</xref>] to produce a bound on the total entropy production using observable currents.</p>
<p>Importantly, the formalism laid out here requires full observability of the dynamics of both subsystems; recent efforts have explored when one can infer the kind of driving mechanism from observations of just one degree of freedom, e.g., the dynamics of probe particles attached to unobserved molecular motors [<xref ref-type="bibr" rid="B92">92</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B112">112</xref>].</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Subsystem-specific entropy balance</title>
<p>In analogy to subsystem-specific versions of the first law <xref ref-type="disp-formula" rid="e17a">(17a)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e17b">(17b)</xref> which introduce energy flows between the different subsystems, subsystem-specific versions of the second law introduce an entropic flow between the systems, called <italic>information flow</italic>.</p>
<p>The bipartite assumption <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> splits the global entropy production <xref ref-type="disp-formula" rid="e22b">(22b)</xref> into two nonnegative contributions, <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e24a">
<mml:math id="m57">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
<label>(24a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e24b">
<mml:math id="m58">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(24b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>To make contact with the form of the global second law <xref ref-type="disp-formula" rid="e22a">(22a)</xref>, we identify different contributions to the <italic>subsystem-specific entropy productions</italic> <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m59">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m60">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e25a">
<mml:math id="m61">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(25a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e25b">
<mml:math id="m62">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(25b)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m63">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m64">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> are the heat flows <xref ref-type="disp-formula" rid="e13b">(13b)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e13c">(13c)</xref> into the respective subsystems and, in accordance with the identification of rates of change of energy in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e16b">(16b)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e16c">(16c)</xref>, we identify the rates of change of <italic>total entropy</italic> due to the <italic>individual subsystem dynamics</italic>.<disp-formula id="e26a">
<mml:math id="m65">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(26a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e26b">
<mml:math id="m66">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(26b)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Importantly, these rates <italic>are not</italic> the rates of change of marginal entropies <italic>S</italic>[<italic>X</italic>] &#x3d; &#x2212;<italic>&#x2211;</italic>&#x2009;<sub>
<italic>x</italic>
</sub>&#x2009;<italic>p</italic>(<italic>x</italic>)&#x2009;ln&#x2009;<italic>p</italic>(<italic>x</italic>) and <italic>S</italic>[<italic>Y</italic>] &#x3d; &#x2212;<italic>&#x2211;</italic>
<sub>
<italic>y</italic>
</sub>
<italic>p</italic>(<italic>y</italic>)&#x2009;ln&#x2009;<italic>p</italic>(<italic>y</italic>). Rewriting the subsystem-specific entropy productions with these marginal rates leads to the identification of an <italic>information flow</italic>, as we show in <xref ref-type="sec" rid="s4-3">Section 4.3</xref>.</p>
<p>Substituting the subsystem-specific first laws <xref ref-type="disp-formula" rid="e17a">(17a)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e17b">(17b)</xref> gives subsystem-specific second laws in terms of work and free energy,<disp-formula id="e27a">
<mml:math id="m67">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
<label>(27a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e27b">
<mml:math id="m68">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(27b)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m69">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is the rate of change of nonequilibrium free energy due to the dynamics of <italic>X</italic>, and similarly for <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m70">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. Their sum gives the rate of change <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the nonequilibrium free energy.</p>
<p>While formally appealing, the rate of change of nonequilibrium free energy due to one subsystem&#x2019;s dynamics has little utility. Often, one only knows the free energy for one subsystem (e.g., by having constructed a potential-energy landscape for one of the subsystems as done in [<xref ref-type="bibr" rid="B113">113</xref>] for the <italic>F</italic>
<sub>1</sub>-component of ATP synthase) or the free energy of one subsystem is unknown or undefined (e.g., for the external environment process in a sensing setup). To this end, we next present other ways of writing (and interpreting) the subsystem-specific second laws.</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>4.3 Subsystem-specific second laws with information flows</title>
<p>We express the rate <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m72">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> of change of total entropy due to the dynamics of <italic>X</italic> <xref ref-type="disp-formula" rid="e26a">(26a)</xref> in terms of the rate of change of marginal entropy,<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>and similarly for <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m74">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> to rewrite Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e25a">(25a)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e25b">(25b)</xref> as<disp-formula id="e29a">
<mml:math id="m75">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(29a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e29b">
<mml:math id="m76">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(29b)</label>
</disp-formula>Here, we have identified the remaining terms as the <italic>information flows</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B87">87</xref>],<disp-formula id="e30a">
<mml:math id="m77">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(30a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e30b">
<mml:math id="m78">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(30b)</label>
</disp-formula>i.e., the rate of change of mutual information between the subsystems that is due only to the dynamics of one of them. Information flow is positive when the dynamics of the corresponding subsystem increase the mutual information between the two subsystems. In <xref ref-type="sec" rid="s12">Supplementary Appendix S1</xref> we show that for bipartite Markovian dynamics this definition leads to<disp-formula id="e31a">
<mml:math id="m79">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(31a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e31b">
<mml:math id="m80">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(31b)</label>
</disp-formula>i.e., the form used in [<xref ref-type="bibr" rid="B57">57</xref>] with which we can verify the equality of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e25a">(25a)</xref> and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29a">(29a)</xref> and similarly of Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e25b">(25b)</xref> and Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29b">(29b)</xref>. Equations <xref ref-type="disp-formula" rid="e29a">(29a)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e29b">(29b)</xref> express the same subsystem-specific entropy productions as Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e25a">(25a)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e25b">(25b)</xref>. The latter contain subsystem-specific changes <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m81">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m82">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> of the global (joint) entropy <italic>S</italic>. In contrast, the former contain changes of the marginal entropies <italic>S</italic>[<italic>X</italic>] and <italic>S</italic>[<italic>Y</italic>]. Joint entropy not only contains the sum of marginal entropies, but also the mutual information, <italic>S</italic> &#x3d; <italic>S</italic>[<italic>X</italic>] &#x2b; <italic>S</italic>[<italic>Y</italic>] &#x2212; <italic>I</italic>[<italic>X</italic>; <italic>Y</italic>] [<xref ref-type="bibr" rid="B81">81</xref>, Chap. 2.3]. Consequently, changes in joint entropy not only contain contributions from the changes of marginal entropies, but also the change in mutual information. The information flows <italic>I</italic>
<sup>
<italic>X</italic>
</sup> and <italic>I</italic>
<sup>
<italic>Y</italic>
</sup> distribute this rate of change symmetrically across the two subsystem-specific entropy productions. Summing <xref ref-type="disp-formula" rid="e30a">(30a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e30b">(30b)</xref> yields the total change in mutual information between <italic>X</italic> and <italic>Y</italic>. For Markovian bipartite dynamics this reads explicitly.<disp-formula id="e32a">
<mml:math id="m83">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(32a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e32b">
<mml:math id="m84">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(32b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e32c">
<mml:math id="m85">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(32c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e32d">
<mml:math id="m86">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(32d)</label>
</disp-formula>where the bipartite assumption <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> ensures that there is no contribution from transitions in which <italic>x</italic> and <italic>y</italic> change simultaneously.</p>
<p>The term <italic>information flow</italic> was first used in the context of non-equilibrium thermodynamics by Allahverdyan <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B87">87</xref>] and was later taken up by Horowitz and Esposito [<xref ref-type="bibr" rid="B57">57</xref>]. <xref ref-type="sec" rid="s5-1">Section 5.1</xref> compares information flow with conceptually similar quantities called <italic>nostalgia</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B114">114</xref>] and <italic>learning rate</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B65">65</xref>].</p>
<p>Notice the appealing structure of the subsystem-specific entropy productions in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e29a">(29a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e29b">(29b)</xref>: For interacting subsystems, it is not enough to consider marginal entropy changes and heat flows into one subsystem, because to obtain a non-negative entropy production rate, one needs an additional term due to correlations between the interacting subsystems. Expressed differently: When one explicitly neglects or is unaware of other subsystems strongly coupled to the subsystem of interest, erroneous conclusions about the entropy production are possible, either overestimating it or perhaps even finding it to be negative, leading to a Maxwell-demon-like paradox.</p>
<p>We next present two alternative representations of the same subsystem-specific entropy production that rely on rewriting the rate of change of global entropy <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m87">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> due to <italic>X</italic> dynamics in terms of the time-derivative of conditional entropy, <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, instead of the time-derivative of marginal entropy, <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<sec id="s4-3-1">
<title>4.3.1 Alternative representation of subsystem-specific entropy production in terms of conditional entropy</title>
<p>In addition to the formulation in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e29a">(29a)</xref>, the subsystem-specific entropy production in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e25a">(25a)</xref> can also be rewritten in terms of the rate of change <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo movablelimits="false" form="prefix">&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <italic>conditional entropy</italic>, since.<disp-formula id="e33a">
<mml:math id="m91">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(33a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e33b">
<mml:math id="m92">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(33b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e33c">
<mml:math id="m93">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(33c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e33d">
<mml:math id="m94">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(33d)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e33e">
<mml:math id="m95">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(33e)</label>
</disp-formula>where line <xref ref-type="disp-formula" rid="e33b">(33b)</xref> uses the bipartite assumption <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> along with the fact that, due to the log-ratio in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e33b">(33b)</xref>, all terms <italic>y</italic> &#x2260; <italic>y</italic>&#x2032; are zero. Line <xref ref-type="disp-formula" rid="e33e">(33e)</xref> follows from the definition <xref ref-type="disp-formula" rid="e31b">(31b)</xref> of <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m96">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>. This leads to<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m97">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Comparing with Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e25a">(25a)</xref>, which expresses the same subsystem-specific entropy production, we observe a difference in interpretation: If one interprets <italic>Y</italic> not as a subsystem on equal footing with <italic>X</italic> but instead as a <italic>stochastic control protocol</italic> for system <italic>X</italic>, the subsystem-specific second law in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">(34)</xref> seems more natural. Such stochastic control protocols arise naturally in the context of sensors, where a changing environment effectively acts as a stochastic protocol [<xref ref-type="bibr" rid="B114">114</xref>], and in contexts with measurement-feedback loops where a stochastic measurement of the system state dictates the statistics of the future control protocol [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B115">115</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s4-3-2">
<title>4.3.2 Subsystem-specific second law with conditional free energy</title>
<p>In cases where the nonequilibrium free energy of subsystem <italic>X</italic> is known, we define a <italic>conditional nonequilibrium free energy</italic> of system <italic>X</italic> given a control parameter <italic>Y</italic> as the average energy of <italic>X</italic> given the particular control-parameter value <italic>y</italic> less (<italic>k</italic>
<sub>B</sub>
<italic>T</italic> times) the average entropy of <italic>X</italic> given the control-parameter value <italic>y</italic>, all averaged over <italic>Y</italic>.<disp-formula id="e35a">
<mml:math id="m98">
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x27e8;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="&#x27e8;" close="&#x27e9;">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3f5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x27e9;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
<label>(35a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e35b">
<mml:math id="m99">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(35b)</label>
</disp-formula>Thus, this free energy is averaged over all stochastic control-parameter values.</p>
<p>With the splitting of the first law in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e16a">(16a)</xref>, the subsystem-specific first law in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e17a">(17a)</xref>, and the identification of <italic>transduced work</italic> <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m100">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e19a">(19a)</xref>, we rewrite the subsystem-specific second law in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">(34)</xref> as.<disp-formula id="e36a">
<mml:math id="m101">
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(36a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e36b">
<mml:math id="m102">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(36b)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m103">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> is the total input work into subsystem <italic>X</italic>. Again, compared to the regular second law, there is an additional information flow modifying the entropy balance.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4-4">
<title>4.4 Steady-state flows</title>
<p>At steady state, average energy, entropy, and mutual information are all constant, <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>. However, this does not imply that the subsystem-specific rates of change vanish, too; but the energy and information flows do simplify, giving<disp-formula id="e37a">
<mml:math id="m105">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
<label>(37a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e37b">
<mml:math id="m106">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(37b)</label>
</disp-formula>i.e., if one subsystem&#x2019;s dynamics increase the average energy or mutual information, the dynamics of the other must compensate this change accordingly, to ensure constant energy and mutual information at steady state. These relations are especially useful for the dynamics of biological systems which can often be modelled as at steady state.</p>
</sec>
<sec id="s4-5">
<title>4.5 Marginal and conditional entropy productions</title>
<p>Note that the subsystem-specific entropy productions <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m107">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m108">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> are neither marginal nor conditional entropy productions, i.e., they do not result from the time-reversal statistics of the non-Markovian marginal processes obtained by only observing the <italic>X</italic>- or <italic>Y</italic>-dynamics or of the statistics of trajectories of one subsystem conditioned on the trajectory of the other.</p>
<p>It is possible to define such marginal and conditional entropy productions for bipartite Markov processes. As shown by Crooks and Still [<xref ref-type="bibr" rid="B116">116</xref>], the total entropy production <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is then split into non-negative marginal and conditional contributions. Similarly to the subsystem-specific entropy production rates in <xref ref-type="disp-formula" rid="e29a">(29a)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e29b">(29b)</xref>, which contain the information flows <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m110">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m111">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, the resulting marginal and conditional entropy productions contain information-theoretic exchange terms. Unlike the information-flow formalism presented here, such a splitting is not symmetric: this may be natural when there is a clear distinction between the subsystems, e.g., in the context of a sensor influenced by an external environment signal (<xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>), but perhaps less so when one has reason to treat the subsystems on equal footing.</p>
</sec>
<sec id="s4-6">
<title>4.6 Tighter second laws and information engines</title>
<p>Historically, the question of how to incorporate information into a thermodynamic theory so as to restore the second law&#x2019;s validity has attracted much interest. Discussions ranged around the thought experiment of <italic>Maxwell&#x2019;s demon</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], with well-known contributions from Szilard [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], Landauer [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], and Bennett [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Within stochastic thermodynamics, Maxwell&#x2019;s demon has been formalized as a process with (repeated) feedback [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>] and interactions with an <italic>information reservoir</italic> (often modeled as a <italic>tape of bits</italic>) [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>].</p>
<p>The advent of increasingly refined experimental techniques for microscale manipulation has enhanced the prospect of finding realizations of Maxwell&#x2019;s thought experiment in real-world molecular machinery, stimulating a formalization of the <italic>thermodynamics of information</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]. The bulk of the experimental realizations demonstrating the possibility of information engines utilize some kind of time-dependent external control [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>]. In a recent example, an optically trapped colloidal particle <italic>X</italic> is ratcheted against gravity without the trap <italic>Y</italic> transducing any work <italic>W</italic>
<sup>
<italic>Y</italic>&#x2192;<italic>X</italic>
</sup> to it, thus enabling the complete conversion of heat to actual mechanical output work <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m112">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> in the gravitational potential [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>].</p>
<p>The picture of autonomous interacting subsystems does not naturally allow such a clear distinction between measurement and feedback, or between system and tape [<xref ref-type="bibr" rid="B56">56</xref>]. Instead, <italic>continuous Maxwell demons</italic> are identified by current reversals, apparently making heat flow against the direction indicated by the second law [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B59">59</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B117">117</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B118">118</xref>]. In this context the information-flow formalism produces a bound on apparent second-law violations in one subsystem using an information-theoretic quantity.</p>
<p>We are now in a position to assess the role of information flows in the operation of two-component systems and make contact with Maxwell&#x2019;s demon. We focus on the specific second law applied to the <italic>X</italic>-subsystem. Rearranging <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">(34)</xref>, we obtain:<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>where the LHS is a conventional expression for the entropy production due to system <italic>X</italic> (entropy change of the system state <italic>X</italic> at fixed <italic>Y</italic>, minus heat flow <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m114">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> into the system) and the RHS is an information-theoretic quantity measuring an aspect of correlation between <italic>X</italic> and another system <italic>Y</italic>.</p>
<p>Let us distinguish two cases: 1) If <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m115">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>&#x2014;naturally arising whenever there is no feedback from <italic>X</italic> to <italic>Y</italic>&#x2014;<xref ref-type="disp-formula" rid="e38">(38)</xref> represents an <italic>improved lower bound</italic> on the traditional expression for entropy production.</p>
<p>2) If <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m116">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
</inline-formula>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">(38)</xref> states that the traditional expression for entropy production can become negative, in apparent contradiction to the second law. This can reasonably be interpreted as a Maxwell-demon setup, and in this continuous-time formalism can immediately be applied to autonomous Maxwell demons such as [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B59">59</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B117">117</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B118">118</xref>].</p>
<p>In <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref> we discuss both cases in detail.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Sensors: External Y-dynamics</title>
<p>The performance limits of biomolecular sensors such as those found in <italic>Escherichia coli</italic> have gained attention [<xref ref-type="bibr" rid="B119">119</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B122">122</xref>]. As observed by Berg and Purcell [<xref ref-type="bibr" rid="B123">123</xref>], the main challenge faced by sensors tasked with measuring concentrations in the microscopic world is the stochastic nature of their input signal, i.e., the irregular arrival and binding of diffusing ligands; different strategies can improve inference of ligand concentration [<xref ref-type="bibr" rid="B124">124</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B126">126</xref>].</p>
<p>Sensing has also been studied from an information-thermodynamics perspective, where the main question revolves around the minimum thermodynamic cost to achieve a given sensor accuracy. Maintaining correlation between an internal downstream signalling network and an external varying environment is costly [<xref ref-type="bibr" rid="B62">62</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B127">127</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B131">131</xref>] and involves erasing and rewriting a memory, analogous to a Maxwell demon [<xref ref-type="bibr" rid="B132">132</xref>]. Here, we focus on a high-level characterization of biomolecular sensing that uses bipartite Markov processes.</p>
<p>Specifically, in a <italic>sensor setup</italic>, the stochastic dynamics of one of the subsystems (the environmental signal) are independent of the other (the sensor). <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref> shows an example of a sensor setup inspired by the signaling network involved in <italic>E. coli</italic> chemotaxis. Let <italic>Y</italic> be an external process (e.g., whether a ligand is bound to the receptor) that influences the transition rates of the sensor <italic>X</italic>, but whose transition rates are independent of <italic>X</italic>: <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m117">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:math>
</inline-formula>. This implies the nonpositivity of the <italic>Y</italic>-information flow in <xref ref-type="disp-formula" rid="e31b">(31b)</xref>:<disp-formula id="e39a">
<mml:math id="m118">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(39a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e39b">
<mml:math id="m119">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(39b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e39c">
<mml:math id="m120">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:math>
<label>(39c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e39d">
<mml:math id="m121">
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:math>
<label>(39d)</label>
</disp-formula>where in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e39b">(39b)</xref> we swapped summation indices <italic>y</italic> &#x2194; <italic>y</italic>&#x2032; in the first sum, and in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e39c">(39c)</xref> the term with an underbrace is a relative entropy and hence is nonnegative [<xref ref-type="bibr" rid="B81">81</xref>, Chap. 2.3].</p>
<p>Equation <xref ref-type="disp-formula" rid="e34">(34)</xref> thus implies a stronger second-law inequality:<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>The LHS represents the sensor&#x2019;s entropy production, which is lower-bounded by an information-theoretic quantity that has various interpretations in the literature. In the following we will build intuition about this quantity and comment on its relation to the sensor&#x2019;s measuring performance.</p>
<sec id="s5-1">
<title>5.1 Nostalgia and learning rate</title>
<p>The first inequality in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">(40)</xref> was originally pointed out by Still, <italic>et al.</italic> in a discrete-time formalism [<xref ref-type="bibr" rid="B114">114</xref>] and for possibly non-Markovian external processes. In that formalism, <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m123">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is interpreted as <italic>nostalgia</italic> quantifying the share of the mutual information between <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> that is not predictive of the immediate future of <italic>Y</italic> or, equivalently, the rate at which information between <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> becomes irrelevant due to <italic>Y</italic> dynamics. A sensor that predicts the future signal worse&#x2014;in the sense of storing more information that is useless for predicting the next signal state&#x2014;thus produces more entropy than one that is more predictive, raising the possibility that evolution selects for sensors that make parsimonious predictions.</p>
<p>A second related quantity is the <italic>learning rate</italic> <italic>&#x2113;</italic>
<sub>x</sub> introduced by Barato <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B65">65</xref>]. Originally defined for systems in steady state, it is exactly the information flow <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m124">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e31a">(31a)</xref>:<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m125">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>The learning rate quantifies how the uncertainty in an external signal <italic>Y</italic> is reduced by the dynamics of <italic>X</italic>, i.e., how much <italic>X</italic> learns about <italic>Y</italic>:<disp-formula id="e42a">
<mml:math id="m126">
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:math>
<label>(42a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e42b">
<mml:math id="m127">
<mml:mtable class="align" columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd columnalign="right"/>
<mml:mtd columnalign="left">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mstyle>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(42b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e42c">
<mml:math id="m128">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(42c)</label>
</disp-formula>We used the bipartite assumption <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">(2)</xref> in the second line. Here <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m129">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the rate of change of <italic>S</italic> [<italic>Y</italic>&#x7c;<italic>X</italic>] that is due to the <italic>Y</italic>-dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B65">65</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B133">133</xref>].</p>
<p>In the special case of a steady state <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo stretchy="false">&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the information flows cancel <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and inequality <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">(40)</xref> reduces to<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m132">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>This motivated Barato <italic>et al.</italic> to define an <italic>informational efficiency</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B65">65</xref>], <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m133">
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2254;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, measuring the share of a sensor&#x2019;s dissipation that is used to actually track the environmental signal.</p>
<p>The following series of (in-)equalities sums up the relations between the different measures of information flow:<disp-formula id="e44a">
<mml:math id="m134">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>learning</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:math>
<label>(44a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e44b">
<mml:math id="m135">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>lim</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mspace width="3em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>30</mml:mn>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(44b)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e44c">
<mml:math id="m136">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mspace width="1em"/>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>32</mml:mn>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(44c)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e44d">
<mml:math id="m137">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mspace width="0.17em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="11.3em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">y</mml:mi>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(44d)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e44e">
<mml:math id="m138">
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2em"/>
<mml:mspace width="2.7em"/>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">y</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:math>
<label>(44e)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>5.2 Other information-theoretic measures of sensor performance</title>
<p>While information flow bounds sensor dissipation and has intuitive interpretations in terms of predictive power [<xref ref-type="bibr" rid="B114">114</xref>] and learning rate [<xref ref-type="bibr" rid="B65">65</xref>], other information-theoretic quantities seem more natural to measure sensor performance.</p>
<p>For example, Tostevin and ten Wolde [<xref ref-type="bibr" rid="B134">134</xref>] have calculated the rate of mutual information between a sensor&#x2019;s input and output; however, Barato <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B64">64</xref>] have shown that this rate is not bounded by the thermodynamic entropy production rate. (The desired inequality requires both the time-forward trajectory mutual information rate and its time-reversed counterpart [<xref ref-type="bibr" rid="B135">135</xref>].)</p>
<p>Another commonly used quantity to infer causation is the (rate of) <italic>transfer entropy</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B136">136</xref>], which in turn is a version of <italic>directed information</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B137">137</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B138">138</xref>] (for a gentle introduction see, e.g. [<xref ref-type="bibr" rid="B139">139</xref>], section 15.2.2). Much like information flow, this rate also bounds the sensor&#x2019;s entropy production rate [<xref ref-type="bibr" rid="B133">133</xref>]; however, in general, it represents a looser bound than the information flow. The transfer-entropy rate measures the growth rate of mutual information between the current environmental signal and the <italic>sensor&#x2019;s past trajectory</italic>. This motivated Hartich <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B140">140</xref>] to define <italic>sensory capacity</italic> as the ratio of learning rate and transfer-entropy rate, measuring the share of total information between environmental signal and the entire sensor&#x2019;s past that the sensor&#x2019;s instantaneous state carries. It is maximal if the sensor is an optimal Bayesian filter [<xref ref-type="bibr" rid="B141">141</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B142">142</xref>].</p>
<p>Finally, a natural quantity to measure a sensor&#x2019;s performance is the <italic>static mutual information</italic> between its state and the environmental signal. Brittain <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B143">143</xref>] have shown that in simple setups, learning rate and mutual information change in qualitatively similar ways when system parameters are varied; however, in more complex setups with structured environmental processes or feedback from the sensor to the environment, maximizing the learning rate might produce a suboptimal sensor. They rationalize this result by noting that the rate at which the sensor must obtain new information to maintain a given level of static mutual information does not necessarily coincide with the magnitude of that static mutual information.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6 Engine setups: Feedback from X to Y</title>
<p>Here, we consider the more general case of an <italic>engine setup</italic> in which the two components <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> cannot be qualitatively distinguished as an external and an internal process; instead, both components <italic>X</italic> and <italic>Y</italic> form a joint system. On a formal level, there now is feedback from <italic>X</italic> to <italic>Y</italic>, such that <xref ref-type="disp-formula" rid="e39d">(39d)</xref> no longer holds in general and it is not possible to make model-independent statements about the direction of information flow. To make contact with analyses of multi-component molecular machines, we present a few conceptual differences between <italic>external control</italic> by an experimenter and what we call <italic>autonomous control</italic> by another coupled stochastic system.</p>
<sec id="s6-1">
<title>6.1 External vs autonomous control</title>
<p>There is a long history of nonequilibrium statistical mechanics motivated by single-molecule experiments. A hallmark of these experiments is dynamical variation by an external apparatus of control parameters such as the position or force of an optical trap [<xref ref-type="bibr" rid="B144">144</xref>], magnetic trap [<xref ref-type="bibr" rid="B145">145</xref>], or atomic-force microscope [<xref ref-type="bibr" rid="B146">146</xref>]. This <italic>external</italic> control allows an unambiguous identification of work done on a system as the change in internal energy achieved through the variation of control parameters, and heat as the complementary change of internal energy due to the system&#x2019;s dynamics. Sekimoto [<xref ref-type="bibr" rid="B147">147</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B148">148</xref>] has identified heat and work for diffusive dynamics described by a Langevin equation; this identification readily carries over to discrete dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] and even Hamiltonian dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>].</p>
<p>The notion of a deterministic control-parameter trajectory allows, e.g., the derivation of fluctuation theorems [<xref ref-type="bibr" rid="B149">149</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B151">151</xref>] and the study of how to optimize such a trajectory to minimize the average work done on the system [<xref ref-type="bibr" rid="B152">152</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B157">157</xref>] or its fluctuations [<xref ref-type="bibr" rid="B158">158</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B159">159</xref>]. Feedback can also be included in the analysis by considering measurements and subsequent modifications to the control-parameter trajectory that depend on measurement outcome [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>].</p>
<p>However, in biological systems, there is generally no dynamical variation of external control parameters. Instead, these systems are autonomous, and stochastic thermodynamics occurs in the context of relatively constant but out-of-equilibrium &#x201c;boundary conditions&#x201d;: a single temperature and a variety of chemical potentials that are mutually inconsistent with a single equilibrium system distribution, thus leading to free-energy transduction [<xref ref-type="bibr" rid="B74">74</xref>] when the coupling is sufficiently strong such that not all currents flow in the direction of their driving force. Increasingly, researchers are modeling molecular machines as multi-component systems with internal flows of energy and information. Examples are the molecular motor F<sub>o</sub>&#x2212;F<sub>1</sub> ATP synthase [<xref ref-type="bibr" rid="B66">66</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B160">160</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B161">161</xref>] that can be modeled using two strongly coupled subsystems [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B162">162</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B166">166</xref>], or molecular motor-cargo collective systems where sometimes hundreds of motors (such as kinesin, dynein [<xref ref-type="bibr" rid="B167">167</xref>], and myosin [<xref ref-type="bibr" rid="B168">168</xref>]) work in concert [<xref ref-type="bibr" rid="B68">68</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B69">69</xref>], leading to different performance trade-offs [<xref ref-type="bibr" rid="B169">169</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B174">174</xref>].</p>
<p>Nonetheless, multi-component systems can be interpreted <italic>as if</italic> the dynamics of one component provide a variation of external control parameters to the other. In this context, it can be useful to identify an upstream (more strongly driven by nonequilibrium boundary conditions) system <italic>Y</italic> and a downstream (more strongly driven by the coupled upstream system than by the nonequilibrium boundary conditions) system <italic>X</italic>, although the identification of these components may sometimes be ambiguous. This type of <italic>autonomous control</italic> differs from external control in two important aspects: 1) It is <italic>stochastic</italic> since the dynamics of the upstream system are itself stochastic; 2) There is <italic>feedback</italic> from the downstream to the upstream system because the upstream system&#x2019;s dynamics obey local detailed balance <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">(7)</xref>. Both aspects can lead to counterintuitive results when one naively applies stochastic energetics to one subsystem that is strongly coupled to others [<xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s6-2">
<title>6.2 Conventional and information engines</title>
<p>Let us more closely examine two-component engines, e.g., the F<sub>o</sub>&#x2212;F<sub>1</sub> ATP synthase sketched in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>. Such a molecular machine can be regarded as a kind of <italic>chemical-work transducer</italic> using a stronger upstream chemical gradient to drive a downstream chemical reaction against its natural direction [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B175">175</xref>]. Recently, the coupling characteristics and energy flows in such systems have received attention [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B67">67</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B166">166</xref>].</p>
<p>It is natural to consider direct energy flows from an input (chemical) reservoir (e.g., <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m139">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>) through the transduced work (e.g., <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m140">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>) between subsystems to an output reservoir (e.g., <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m141">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>), with two intermediate heat losses (<inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m142">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m143">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>), see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>. However, a completely different mode of operation is also possible where the input work is not used to transduce energy from <italic>Y</italic> to <italic>X</italic> but to rectify thermal fluctuations of <italic>X</italic>, hence converting input heat <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m144">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> into output work <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m145">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>, see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>. The second setup can be interpreted as an <italic>information engine</italic>, a realization of a Maxwell demon [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], where <italic>X</italic> is the thermodynamic system controlled by the demon <italic>Y</italic>. Focusing on the energy flows into and out of system <italic>X</italic> alone would lead an observer to the erroneous conclusion that heat is entirely converted into useful work, a process forbidden by the second law. However this apparent second-law violation results from neglecting the other part of the machine (<italic>Y</italic>), which, to restore the second law, must dissipate more heat into the environment than <italic>X</italic> converts into work. As discussed in <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, the bipartite assumption gives the information flow as a measure to assess the extent to which a given system acts as an information engine.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Different operational modes of a two-component engine converting chemical input power <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m146">
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula> to chemical output power <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m147">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:math>
</inline-formula>. Arrow direction and thickness respectively indicate the net energy flow&#x2019;s direction and magnitude. <bold>(A)</bold> In a <italic>conventional engine</italic>, input power <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m148">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> is transduced from the upstream component to the downstream component to end up as output power, with heat losses <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m149">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m150">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> in the process. <bold>(B)</bold> An <italic>information engine</italic> uses the input power into the upstream component to rectify thermal fluctuations in the downstream component into output power. To achieve this, the upstream component must create information flow <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m151">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> that the downstream component can exploit. <bold>(C)</bold> A <italic>hybrid engine</italic> uses a mixture of both operation modes. Transduced power and information flow sum to give the transduced capacity.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-11-1108357-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s6-3">
<title>6.3 Steady-state transduced capacity</title>
<p>Our discussion indicates that conventional and information engines can be treated with a common framework, as in [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>] where a synthetic molecular motor was analyzed, identifying distinct flows of information and energy with which the upstream subsystem drives the downstream subsystem. For concreteness, let <italic>Y</italic> be the upstream and <italic>X</italic> be the downstream subsystem. As shown in [<xref ref-type="bibr" rid="B67">67</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B176">176</xref>], combining the subsystem-specific second laws at steady state leads to a simultaneous bound on input and output power in terms of an intermediate quantity, called <italic>transduced capacity</italic> in [<xref ref-type="bibr" rid="B67">67</xref>]. Substituting the steady-state identities <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m153">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> into the subsystem-specific entropy productions <xref ref-type="disp-formula" rid="e29a">(29a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e29b">(29b)</xref> gives<disp-formula id="e45a">
<mml:math id="m154">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:math>
<label>(45a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e45b">
<mml:math id="m155">
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(45b)</label>
</disp-formula>Using the subsystem-specific first laws in Eqs <xref ref-type="disp-formula" rid="e17a">(17a)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e17b">(17b)</xref> and identifying the transduced power in Eq. <xref ref-type="disp-formula" rid="e19a">(19a)</xref> gives <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m156">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, so that<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m157">
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>input</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>transduced&#x2009;&#x2009;capacity</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:munder accentunder="false">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>chem</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>mech</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>B</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x23df;</mml:mo>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>output</mml:mtext>
<mml:mspace width="0.28em"/>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>This relation suggests that the transduced capacity acts as a <italic>bottleneck</italic> for the conversion of input to output power. The capacity of this bottleneck consists of two distinct pathways, a conventional energetic component <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m158">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, with which the upstream subsystem <italic>drives</italic> the downstream subsystem by doing work on it, as well as an information-theoretic component <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m159">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, with which the upstream subsystem creates information between the two subsystems that the downstream subsystem can exploit to generate output power. This hybrid setup is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3C</xref>.</p>
<p>We expect efficient work transducers to come as close as possible to saturating both inequalities to minimize dissipative losses during their operation. It would be interesting to investigate under which circumstances each of the two pathways leads to the most efficient work transducers and whether real-world biomolecular machinery has evolved to preferentially exploit one over the other.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s7">
<title>7 Conclusion, extensions, and outlook</title>
<sec id="s7-1">
<title>7.1 Summary</title>
<p>In this review we focused on the thermally influenced stochastic dynamics of two-component autonomous systems which are commonly found in biological machinery. We assumed that the dynamics are Markovian and bipartite such that only one subsystem changes its state at a time.</p>
<p>We collected results that show how the bipartite assumption enables the first and second laws of thermodynamics to be split into subsystem-specific versions. The subsystem-specific first laws lead to energy flows between the individual subsystems and the environment and to the transduced power&#x2014;the energy flow between the subsystems. The subsystem-specific second laws reveal information flows as specific entropic quantities that quantify how the dynamics of a single subsystem change the mutual information shared between the subsystems.</p>
<p>Sensors are a setup to which the formalism applies naturally because an external signal influences the stochastic dynamics of the sensor. Within the framework, the sensor&#x2019;s dissipation (the energy flow) is bounded by an information-theoretic quantity (the information flow) measuring aspects of the influence of the environmental signal on the sensor.</p>
<p>Studying strongly coupled molecular machines within this framework reveals that the more conventional transduced power (the energy flow) from one subsystem to the other is accompanied by the less conventional information flow, which can be interpreted as a hallmark of information engines. Both flows are capable of supporting energy transduction through the coupled system such that conventional and information engines can be studied from the same perspective.</p>
</sec>
<sec id="s7-2">
<title>7.2 More than two subsystems</title>
<p>The question naturally arises whether the information-flow framework can be extended to systems with more than two subsystems. For such systems, Horowitz [<xref ref-type="bibr" rid="B58">58</xref>] defined an information flow <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m160">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula>, i.e., the information flow between <italic>X</italic> and all other subsystems <italic>Z</italic>
<sub>&#x2212;<italic>X</italic>
</sub> that together compose the global system. This flow is then further refined by identifying which other subsystems can directly interact with <italic>X</italic>, and subsystem-specific second laws of the form of <xref ref-type="disp-formula" rid="e25a">(25a)</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e25b">(25b)</xref> follow.</p>
<p>However, defining unambiguous directed energy flows as transduced work from one subsystem to another remains challenging for more than two subsystems. Recall that in <xref ref-type="sec" rid="s3-3">Section 3.3</xref> we argued that in a bipartite system the dynamics of one subsystem at a fixed state of the other can be interpreted as a control-parameter variation on the fixed subsystem. Hence, any potential-energy changes can be interpreted as work done on the fixed subsystem by the dynamic evolution of the other subsystem. Applying this logic to multipartite systems still permits definition of how much work one subsystem contributes to changing the global potential energy, but not the explicit flow between two subsystems.</p>
<p>Working out conditions under which exact transduced energy flows can be resolved would be an interesting extension and could lead to useful insights for multipartite systems such as energy flows in collections of motors transporting cargoes.</p>
</sec>
<sec id="s7-3">
<title>7.3 Optimizing coupled work transducers</title>
<p>In <xref ref-type="sec" rid="s6-3">Section 6.3</xref> we illustrated that the sum of transduced power and information flows acts as a kind of bottleneck for the transduction of work in two-component engines. Optimizing a given two-component work transducer and studying which of the two pathways maximize throughput seems like an interesting extension.</p>
<p>A first step towards this goal was accomplished in [<xref ref-type="bibr" rid="B67">67</xref>] for a specific model capturing aspects of F<sub>o</sub>&#x2212;F<sub>1</sub> ATP synthase. It was found that both transduced power and information flow are required to maximize output power and that maximal power tends to lead to equal subsystem entropy productions <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m161">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m162">
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a3;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>Y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="disp-formula" rid="e29a">29a</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e29b">29b</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s7-4">
<title>7.4 Application to real-world machinery</title>
<p>Finally, it would be interesting to see the information-flow formalism applied to real-world machinery. This would involve measuring and modeling the dynamics of two components of a biomolecular system, e.g., both units of F<sub>o</sub>&#x2212;F<sub>1</sub> ATP synthase, instead of only the dynamics of F<sub>1</sub> as is conventionally done in most single-molecule experiments and theory [<xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B113">113</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B177">177</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B179">179</xref>]. This can be accomplished, e.g., by observing two components of a biomolecular system and explicitly calculating information flow, possibly revealing the ratchet mechanism of a Maxwell&#x2019;s demon at work. A first step towards this is found in [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>] where a synthetic chemical information motor is analyzed: the authors bridge their information-flow analysis to a chemical-reaction analysis [<xref ref-type="bibr" rid="B180">180</xref>] and identify regimes in which energy or information is the dominant driving mechanism. Another recent contribution in this direction is [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>] where information flow has been calculated explicitly for dimeric molecular motors. Finally, Freitas and Esposito recently suggested [<xref ref-type="bibr" rid="B181">181</xref>] a macroscopic Maxwell demon based on CMOS technology and analyzed the information flow between its components [<xref ref-type="bibr" rid="B182">182</xref>].</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s8">
<title>Author contributions</title>
<p>JE and DS conceived the review and wrote and edited the manuscript. Both authors contributed to manuscript revision, read, and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Funding</title>
<p>This research was supported by grant FQXi-IAF19-02 from the Foundational Questions Institute Fund, a donor-advised fund of the Silicon Valley Community Foundation. Additional support was from a Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) Discovery Grant (DS) and a Tier-II Canada Research Chair (DS).</p>
</sec>
<ack>
<p>We thank Matthew Leighton and John Bechhoefer (SFU Physics) and Mathis Grelier (Grenoble Physics) for helpful conversations and feedback on the manuscript.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s10">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s11">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec id="s12">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389//fphy.2023.1108357/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphy.2023.1108357/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="DataSheet1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schr&#xf6;dinger</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <source>What is Life?</source> <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>1992</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic thermodynamics, fluctuation theorems and molecular machines</article-title>. <source>Rep Prog Phys</source> (<year>2012</year>) <volume>75</volume>:<fpage>126001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0034-4885/75/12/126001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jarzynski</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Equalities and inequalities: Irreversibility and the second law of thermodynamics at the nanoscale</article-title>. <source>Annu Rev Condens Matter</source> (<year>2011</year>) <volume>2</volume>:<fpage>329</fpage>&#x2013;<lpage>51</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-conmatphys-062910-140506</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Van den Broeck</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Ensemble and trajectory thermodynamics: A brief introduction</article-title>. <source>Physica A</source> (<year>2015</year>) <volume>418</volume>:<fpage>6</fpage>&#x2013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2014.04.035</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Peliti</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pigolotti</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Stochastic thermodynamics: An introduction</source>. <publisher-loc>Princeton, NJ and Oxford</publisher-loc>: <publisher-name>Princeton University Press</publisher-name> (<year>2021</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Knott</surname>
<given-names>CG</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Life and Scientific Work of Peter Guthrie Tait</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>1911</year>). p. <fpage>213</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leff</surname>
<given-names>HS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rex</surname>
<given-names>AF</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Maxwell&#x2019;s demon 2</source>. <publisher-loc>Bristol</publisher-loc>: <publisher-name>IOP Publishing</publisher-name> (<year>2003</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Szilard</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>&#xdc;ber die Entropieverminderung in einem thermodynamischen System bei Eingriffen intelligenter Wesen</article-title>. <source>Z Phys</source> (<year>1929</year>) <volume>53</volume>:<fpage>840</fpage>&#x2013;<lpage>856</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF01341281</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Landauer</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Irreversibility and heat generation in the computing process</article-title>. <source>IBM J Res Dev</source> (<year>1961</year>) <volume>5</volume>:<fpage>183</fpage>&#x2013;<lpage>91</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1147/rd.53.0183</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bennett</surname>
<given-names>CH</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The thermodynamics of computation&#x2014;A review</article-title>. <source>Int J Theor Phys</source> (<year>1982</year>) <volume>21</volume>:<fpage>905</fpage>&#x2013;<lpage>40</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf02084158</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>FJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Feito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamics of feedback controlled systems</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2009</year>) <volume>79</volume>:<fpage>041118</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.79.041118</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ueda</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Generalized Jarzynski equality under nonequilibrium feedback control</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2010</year>) <volume>104</volume>:<fpage>090602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.104.090602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ponmurugan</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Generalized detailed fluctuation theorem under nonequilibrium feedback control</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2010</year>) <volume>82</volume>:<fpage>031129</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.82.031129</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vaikuntanathan</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonequilibrium detailed fluctuation theorem for repeated discrete feedback</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2010</year>) <volume>82</volume>:<fpage>061120</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.82.061120</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ueda</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonequilibrium thermodynamics of feedback control</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2012</year>) <volume>85</volume>:<fpage>021104</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.85.021104</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ueda</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fluctuation theorem with information exchange: Role of correlations in stochastic thermodynamics</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2011</year>) <volume>109</volume>:<fpage>180602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.109.180602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ueda</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Role of mutual information in entropy production under information exchanges</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2013</year>) <volume>15</volume>:<fpage>125012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/15/12/125012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mandal</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jarzynski</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Work and information processing in a solvable model of Maxwell&#x2019;s demon</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci</source> (<year>2012</year>) <volume>109</volume>:<fpage>11641</fpage>&#x2013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1204263109</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mandal</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Quan</surname>
<given-names>HT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jarzynski</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Maxwell&#x2019;s refrigerator: An exactly solvable model</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2013</year>) <volume>111</volume>:<fpage>030602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.111.030602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Unifying three perspectives on information processing in stochastic thermodynamics</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2014</year>) <volume>112</volume>:<fpage>090601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.112.090601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic thermodynamics with information reservoirs</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2014</year>) <volume>90</volume>:<fpage>042150</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.90.042150</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Parrondo</surname>
<given-names>JMR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamics of information</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2015</year>) <volume>11</volume>:<fpage>131</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/NPHYS3230</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bauer</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abreu</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficiency of a Brownian information machine</article-title>. <source>J Phys A: Math Theo</source> (<year>2012</year>) <volume>45</volume>:<fpage>162001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1751-8113/45/16/162001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schmitt</surname>
<given-names>RK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Parrondo</surname>
<given-names>JMR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Linke</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johansson</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Molecular motor efficiency is maximized in the presence of both power-stroke and rectification through feedback</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2015</year>) <volume>17</volume>:<fpage>065011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/17/6/065011</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bechhoefer</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Hidden Markov models for stochastic thermodynamics</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2015</year>) <volume>17</volume>:<fpage>075003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/17/7/075003</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Still</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic cost and benefit of memory</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2020</year>) <volume>124</volume>:<fpage>050601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.124.050601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lucero</surname>
<given-names>JNE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ehrich</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bechhoefer</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Maximal fluctuation exploitation in Gaussian information engines</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2021</year>) <volume>104</volume>:<fpage>044122</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.104.044122</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ehrich</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Still</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Energetic cost of feedback control</article-title>. <comment>arXiv:2206.10793</comment> (<year>2022</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Still</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Daimer</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Partially observable Szilard engines</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2022</year>) <volume>24</volume>:<fpage>073031</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/ac6b30</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Serreli</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>CF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kay</surname>
<given-names>ER</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leigh</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A molecular information ratchet</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2007</year>) <volume>445</volume>:<fpage>523</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature05452</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bannerman</surname>
<given-names>ST</given-names>
</name>
<name>
<surname>Price</surname>
<given-names>GN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Viering</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Raizen</surname>
<given-names>MG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Single-photon cooling at the limit of trap dynamics: Maxwell&#x2019;s demon near maximum efficiency</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2009</year>) <volume>11</volume>:<fpage>063044</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/11/6/063044</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Toyabe</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ueda</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muneyuki</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sano</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Experimental demonstration of information-to-energy conversion and validation of the generalized Jarzynski equality</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2010</year>) <volume>6</volume>:<fpage>988</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/NPHYS1821</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koski</surname>
<given-names>JV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maisi</surname>
<given-names>VF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pekola</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Experimental observation of the role of mutual information in the nonequilibrium dynamics of a Maxwell demon</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2014</year>) <volume>113</volume>:<fpage>030601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.113.030601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koski</surname>
<given-names>JV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maisi</surname>
<given-names>VF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pekola</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Averin</surname>
<given-names>DV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Experimental realization of a Szilard engine with a single electron</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci U.S.A</source> (<year>2014</year>) <volume>111</volume>:<fpage>13786</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1406966111</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Koski</surname>
<given-names>JV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kutvonen</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khaymovich</surname>
<given-names>IM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ala-Nissila</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pekola</surname>
<given-names>JP</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>On-chip Maxwell&#x2019;s demon as an information-powered refrigerator</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2015</year>) <volume>115</volume>:<fpage>260602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.115.260602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vidrighin</surname>
<given-names>MD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dahlsten</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barbieri</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kim</surname>
<given-names>SM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vedral</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walmsley</surname>
<given-names>IA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Photonic Maxwell&#x2019;s demon</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2016</year>) <volume>116</volume>:<fpage>050401</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.116.050401</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Camati</surname>
<given-names>PA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peterson</surname>
<given-names>JPS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Batalhao</surname>
<given-names>TB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Micadei</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Souza</surname>
<given-names>AM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarthour</surname>
<given-names>RS</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Experimental rectification of entropy production by Maxwell&#x2019;s demon in a quantum system</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2016</year>) <volume>117</volume>:<fpage>240502</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.117.240502</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chida</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Desai</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nishiguchi</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fujiwara</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Power generator driven by Maxwell&#x2019;s demon</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2017</year>) <volume>8</volume>:<fpage>15310</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/ncomms15301</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cottet</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jezouin</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bretheau</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Campagne-Ibarcq</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ficheux</surname>
<given-names>Q</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anders</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Observing a quantum Maxwell demon at work</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source> (<year>2017</year>) <volume>114</volume>:<fpage>7561</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1704827114</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Paneru</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>DY</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tlusty</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pak</surname>
<given-names>HK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Lossless Brownian information engine</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2018</year>) <volume>120</volume>:<fpage>020601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.120.020601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Masuyama</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Funo</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Murashita</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Noguchi</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kono</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tabuchi</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Information-to-work conversion by Maxwell&#x2019;s demon in a superconducting circuit quantum electrodynamical system</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2018</year>) <volume>9</volume>:<fpage>1291</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-018-03686-y</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Naghiloo</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Alonso</surname>
<given-names>JJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rmotio</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lutz</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Murch</surname>
<given-names>KW</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Information gain and loss for a quantum Maxwell&#x2019;s demon</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2018</year>) <volume>121</volume>:<fpage>030604</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.121.030604</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Admon</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rahav</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roichman</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Experimental realization of an information machine with tunable temporal correlations</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2018</year>) <volume>121</volume>:<fpage>180601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.121.180601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Paneru</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>DY</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>JT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Noh</surname>
<given-names>JD</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pak</surname>
<given-names>HK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optimal tuning of a Brownian information engine operating in a nonequilibrium steady state</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2018</year>) <volume>98</volume>:<fpage>052119</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.98.052119</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ribezzi-Crivellari</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ritort</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Large work extraction and the Landauer limit in a continuous Maxwell demon</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2019</year>) <volume>15</volume>:<fpage>660</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41567-019-0481-0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Paneru</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dutta</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tlusty</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pak</surname>
<given-names>HK</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficiency fluctuations and noise induced refrigerator-to-heater transition in information engines</article-title>. <source>Nat Commun</source> (<year>2020</year>) <volume>11</volume>:<fpage>1012</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-020-14823-x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saha</surname>
<given-names>TK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lucero</surname>
<given-names>JNE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ehrich</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bechhoefer</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Maximizing power and velocity of an information engine</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source> (<year>2021</year>) <volume>118</volume>:<fpage>e2023356118</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.2023356118</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Saha</surname>
<given-names>TK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lucero</surname>
<given-names>JNE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ehrich</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bechhoefer</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Bayesian information engine that optimally exploits noisy measurements</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2022</year>) <volume>129</volume>:<fpage>130601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.129.130601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<label>49.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Amano</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kreidt</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leigh</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Penocchio</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roberts</surname>
<given-names>BMW</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Insights from an information thermodynamics analysis of a synthetic molecular motor</article-title>. <source>Nat Chem</source> (<year>2022</year>) <volume>14</volume>:<fpage>530</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41557-022-00899-z</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<label>50.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Takaki</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mugnai</surname>
<given-names>ML</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thirumalai</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Information flow, gating, and energetics in dimeric molecular motors</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci USA</source> (<year>2022</year>) <volume>119</volume>:<fpage>e2208083119</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.2208083119</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<label>51.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wilson</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sol&#xe0;</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Carlone</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Goldup</surname>
<given-names>SM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lebrasseur</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leigh</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>An autonomous chemically fuelled small-molecule motor</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2016</year>) <volume>534</volume>:<fpage>235</fpage>&#x2013;<lpage>40</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature18013</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B52">
<label>52.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feniouk</surname>
<given-names>BA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cherepanov</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Junge</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mulkidjanian</surname>
<given-names>AY</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Atp-synthase of Rhodobacter capsulatus: Coupling of proton flow through Fo to reactions in F1 under the ATP synthesis and slip conditions</article-title>. <source>FEBS Lett</source> (<year>1999</year>) <volume>445</volume>:<fpage>409</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0014-5793(99)00160-X</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B53">
<label>53.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Toyabe</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Watanabe-Nakayama</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okamoto</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kudo</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muneyuki</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic efficiency and mechanochemical coupling of F1-ATPase</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source> (<year>2011</year>) <volume>108</volume>:<fpage>17951</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1106787108</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B54">
<label>54.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lathouwers</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lucero</surname>
<given-names>JN</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonequilibrium energy transduction in stochastic strongly coupled rotary motors</article-title>. <source>J Phys Chem Lett</source> (<year>2020</year>) <volume>11</volume>:<fpage>5273</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jpclett.0c01055</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B55">
<label>55.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Large</surname>
<given-names>SJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ehrich</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Free energy transduction within autonomous systems</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2021</year>) <volume>103</volume>:<fpage>022140</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.103.022140</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B56">
<label>56.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shiraishi</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ito</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kawaguchi</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Role of measurement-feedback separation in autonomous Maxwell&#x2019;s demons</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2015</year>) <volume>17</volume>:<fpage>045012</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/17/4/045012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B57">
<label>57.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamics with continuous information flow</article-title>. <source>Phys Rev X</source> (<year>2014</year>) <volume>4</volume>:<fpage>031015</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.4.031015</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B58">
<label>58.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Multipartite information flow for multiple Maxwell demons</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2015</year>) <volume>2015</volume>:<fpage>P03006</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/2015/03/P03006</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B59">
<label>59.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Freitas</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Characterizing autonomous Maxwell demons</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2021</year>) <volume>103</volume>:<fpage>032118</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.103.032118</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B60">
<label>60.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barkai</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leibler</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Robustness in simple biochemical networks</article-title>. <source>Nature</source> (<year>1997</year>) <volume>387</volume>:<fpage>913</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/43199</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B61">
<label>61.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sourjik</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wingreen</surname>
<given-names>NS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Responding to chemical gradients: Bacterial chemotaxis</article-title>. <source>Curr Op Cel Bio.</source> (<year>2012</year>) <volume>24</volume>:<fpage>262</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ceb.2011.11.008</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B62">
<label>62.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mehta</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schwab</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Energetic costs of cellular computation</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci USA</source> (<year>2012</year>) <volume>109</volume>:<fpage>17978</fpage>&#x2013;<lpage>82</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1207814109</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B63">
<label>63.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hartich</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Rate of mutual information between coarse-grained non-markovian variables</article-title>. <source>J Stat Phys</source> (<year>2013</year>) <volume>153</volume>:<fpage>460</fpage>&#x2013;<lpage>78</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10955-013-0834-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B64">
<label>64.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hartich</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Information-theoretic versus thermodynamic entropy production in autonomous sensory networks</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2013</year>) <volume>87</volume>:<fpage>042104</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.87.042104</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B65">
<label>65.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hartich</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficiency of cellular information processing</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2014</year>) <volume>16</volume>:<fpage>103024</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/16/10/103024</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B66">
<label>66.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Junge</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nelson</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>ATP synthase</article-title>. <source>Annu Rev Biochem</source> (<year>2015</year>) <volume>84</volume>:<fpage>631</fpage>&#x2013;<lpage>57</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-biochem-060614-034124</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B67">
<label>67.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lathouwers</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Internal energy and information flows mediate input and output power in bipartite molecular machines</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2022</year>) <volume>105</volume>:<fpage>024136</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.105.024136</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B68">
<label>68.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leopold</surname>
<given-names>PL</given-names>
</name>
<name>
<surname>McDowall</surname>
<given-names>AW</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pfister</surname>
<given-names>KK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bloom</surname>
<given-names>GS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brady</surname>
<given-names>ST</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Association of Kinesin with characterized membrane-bounded organelles</article-title>. <source>Cell Motil. Cytoskeleton</source> (<year>1992</year>) <volume>23</volume>:<fpage>19</fpage>&#x2013;<lpage>33</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cm.970230104</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B69">
<label>69.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rastogi</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Puliyakodan</surname>
<given-names>MS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pandey</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nath</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elangovan</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Maximum limit to the number of myosin II motors participating in processive sliding of actin</article-title>. <source>Nat Sci. Rep.</source> (<year>2016</year>) <volume>6</volume>:<fpage>32043</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/srep32043</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B70">
<label>70.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ciliberto</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Experiments in stochastic thermodynamics: Short history and perspectives</article-title>. <source>Phys Rev X</source> (<year>2017</year>) <volume>7</volume>:<fpage>021051</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.7.021051</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B71">
<label>71.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reimann</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Brownian motors: noisy transport far from equilibrium</article-title>. <source>Phys Rep</source> (<year>2002</year>) <volume>461</volume>:<fpage>57</fpage>&#x2013;<lpage>265</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0370-1573(01)00081-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B72">
<label>72.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chowdhury</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic mechano-chemical kinetics of molecular motors: A multidisciplinary enterprise from a physicist&#x2019;s perspective</article-title>. <source>Phys Rep</source> (<year>2013</year>) <volume>529</volume>:<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>197</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physrep.2013.03.005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B73">
<label>73.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kolomeisky</surname>
<given-names>AB</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Motor proteins and molecular motors: How to operate machines at the nanoscale</article-title>. <source>J Phys Condens Matter</source> (<year>2013</year>) <volume>25</volume>:<fpage>463101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0953-8984/25/46/463101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B74">
<label>74.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brown</surname>
<given-names>AI</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Theory of nonequilibrium free energy transduction by molecular machines</article-title>. <source>Chem Rev</source> (<year>2020</year>) <volume>120</volume>:<fpage>434</fpage>&#x2013;<lpage>59</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.chemrev.9b00254</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B75">
<label>75.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chowdhury</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>An exploration of how the thermodynamic efficiency of bioenergetic membrane systems varies with c-subunit stoichiometry of F1F0 ATP synthases</article-title>. <source>J Bioenerg Biomembr</source> (<year>2014</year>) <volume>46</volume>:<fpage>229</fpage>&#x2013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10863-014-9547-y</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B76">
<label>76.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>CB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Toyabe</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficiencies of molecular motors: A comprehensible overview</article-title>. <source>Biophys Rev</source> (<year>2020</year>) <volume>12</volume>:<fpage>419</fpage>&#x2013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12551-020-00672-x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B77">
<label>77.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>van Kampen</surname>
<given-names>NG</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Stochastic processes in Physics and chemistry</source>. <edition>3rd ed.</edition> <publisher-loc>Amsterdam</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier</publisher-name> (<year>2007</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B78">
<label>78.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gardiner</surname>
<given-names>CW</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Handbook of stochastic methods</source>. <edition>3rd ed.</edition> <publisher-loc>Berlin Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2004</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B79">
<label>79.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ch&#xe9;trite</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rosinberg</surname>
<given-names>ML</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tarjus</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Information thermodynamics for interacting stochastic systems without bipartite structure</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2019</year>) <volume>2019</volume>:<fpage>114002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/ab47fe</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B80">
<label>80.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ptaszy&#x144;ski</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamics of quantum information flows</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2019</year>) <volume>122</volume>:<fpage>150603</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.122.150603</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B81">
<label>81.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cover</surname>
<given-names>TM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thomas</surname>
<given-names>JA</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Elements of information theory</source>. <edition>2nd ed.</edition> <publisher-loc>Hoboken, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>Wiley-Interscience</publisher-name> (<year>2006</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B82">
<label>82.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Risken</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <source>The Fokker-Planck equation</source>. <edition>2nd ed.</edition> <publisher-loc>Berlin, Heidelberg, New York</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>1996</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B83">
<label>83.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>From stochastic thermodynamics to thermodynamic inference</article-title>. <source>Annu Rev Condens Matter</source> (<year>2019</year>) <volume>10</volume>:<fpage>171</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev-conmatphys-031218-013554</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B84">
<label>84.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bergmann</surname>
<given-names>PG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lebowitz</surname>
<given-names>JL</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>New approach to nonequilibrium processes</article-title>. <source>Phys Rev</source> (<year>1955</year>) <volume>99</volume>:<fpage>578</fpage>&#x2013;<lpage>87</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRev.99.578</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B85">
<label>85.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Maes</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Local detailed balance</article-title>. <source>Scipost Phys Lect Notes</source> (<year>2021</year>) <fpage>32</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.21468/SciPostPhysLectNotes.32</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B86">
<label>86.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic thermodynamics under coarse graining</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2012</year>) <volume>85</volume>:<fpage>041125</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.85.041125</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B87">
<label>87.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Allahverdyan</surname>
<given-names>AE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Janzing</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mahler</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic efficiency of information and heat flow</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2009</year>) <volume>2009</volume>:<fpage>P09011</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/2009/09/P09011</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B88">
<label>88.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gaveau</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schulman</surname>
<given-names>LS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A general framework for non-equilibrium phenomena: The master equation and its formal consequences</article-title>. <source>Phys Lett A</source> (<year>1997</year>) <volume>229</volume>:<fpage>347</fpage>&#x2013;<lpage>53</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0375-9601(97)00185-0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B89">
<label>89.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gaveau</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moreau</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schulman</surname>
<given-names>LS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Work and power production in non-equilibrium systems</article-title>. <source>Phys Lett A</source> (<year>2008</year>) <volume>372</volume>:<fpage>3415</fpage>&#x2013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physleta.2008.01.081</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B90">
<label>90.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Van den Broeck</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Second law and Landauer principle far from equilibrium</article-title>. <source>Europhys Lett</source> (<year>2011</year>) <volume>95</volume>:<fpage>40004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/95/40004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B91">
<label>91.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Crooks</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Near-equilibrium measurements of nonequilibrium free energy</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>108</volume>:<fpage>150601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.108.150601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B92">
<label>92.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zimmerman</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Effective rates from thermodynamically consistent coarse-graining of models for molecular motors with probe particles</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2015</year>) <volume>91</volume>:<fpage>022709</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.91.022709</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B93">
<label>93.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Shiraishi</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fluctuation theorem for partially masked nonequilibrium dynamics</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2015</year>) <volume>91</volume>:<fpage>012130</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.91.012130</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B94">
<label>94.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Polettini</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Effective thermodynamics for a marginal observer</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>119</volume>:<fpage>240601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.119.240601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B95">
<label>95.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bisker</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Polettini</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gingrich</surname>
<given-names>TR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Hierarchical bounds on entropy production inferred from partial information</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2017</year>) <volume>2017</volume>:<fpage>093210</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/aa8c0d</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B96">
<label>96.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mart&#xed;nez</surname>
<given-names>IA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bisker</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Parrondo</surname>
<given-names>JMR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Inferring broken detailed balance in the absence of observable currents</article-title>. <source>Nat Comm</source> (<year>2019</year>) <volume>10</volume>:<fpage>3542</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-019-11051-w</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B97">
<label>97.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Skinner</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dunkel</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Improved bounds on entropy production in living systems</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci</source> (<year>2021</year>) <volume>118</volume>:<fpage>e2024300118</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.2024300118</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B98">
<label>98.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ehrich</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Tightest bound on hidden entropy production from partially observed dynamics</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2021</year>) <volume>2021</volume>:<fpage>083214</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/ac150e</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B99">
<label>99.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Skinner</surname>
<given-names>DJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dunkel</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Estimating entropy production from waiting time distributions</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2021</year>) <volume>127</volume>:<fpage>198101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.127.198101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B100">
<label>100.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hartich</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Godec</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Violation of local detailed balance despite a clear time-scale separation</article-title>. <comment>arXiv:2111.14734</comment> (<year>2021</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B101">
<label>101.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>van der Meer</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ertel</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic inference in partially accessible Markov networks: A unifying perspective from transition-based waiting time distributions</article-title>. <source>Phys Rev X</source> (<year>2022</year>) <volume>12</volume>:<fpage>031025</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.12.031025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B102">
<label>102.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Harunari</surname>
<given-names>PE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dutta</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Polettini</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rold&#xe1;n</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>What to learn from a few visible transitions&#x2019; statistics?</article-title> <source>Phys Rev</source> (<year>2022</year>) <volume>X</volume>:<fpage>041026</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.12.041026</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B103">
<label>103.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Large</surname>
<given-names>SJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Hidden energy flows in strongly coupled nonequilibrium systems</article-title>. <source>Europhys Lett</source> (<year>2021</year>) <volume>133</volume>:<fpage>10003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/133/10003</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B104">
<label>104.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mehl</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lander</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bechinger</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Blickle</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Role of hidden slow degrees of freedom in the fluctuation theorem</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>108</volume>:<fpage>220601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.108.220601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B105">
<label>105.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Uhl</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pietzonka</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fluctuations of apparent entropy production in networks with hidden slow degrees of freedom</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2018</year>) <volume>2018</volume>:<fpage>023203</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/aaa78b</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B106">
<label>106.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kahlen</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ehrich</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Hidden slow degrees of freedom and fluctuation theorems: An analytically solvable model</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2018</year>) <volume>2018</volume>:<fpage>063204</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/aac2fd</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B107">
<label>107.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic uncertainty relation for biomolecular processes</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2015</year>) <volume>114</volume>:<fpage>158101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.114.158101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B108">
<label>108.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gingrich</surname>
<given-names>TR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Perunov</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>England</surname>
<given-names>JL</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dissipation bounds all steady-state current fluctuations</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2016</year>) <volume>116</volume>:<fpage>120601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.116.120601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B109">
<label>109.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gingrich</surname>
<given-names>TR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fakhri</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Quantifying dissipation using fluctuating currents</article-title>. <source>Nat Comm</source> (<year>2019</year>) <volume>10</volume>:<fpage>1666</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41467-019-09631-x</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B110">
<label>110.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Manikandan</surname>
<given-names>SK</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gupta</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Krishnamurthy</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Inferring entropy production from short experiments</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2020</year>) <volume>124</volume>:<fpage>120603</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.124.120603</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B111">
<label>111.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vu</surname>
<given-names>TV</given-names>
</name>
<name>
<surname>Vo</surname>
<given-names>VT</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hasegawa</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entropy production estimation with optimal current</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2020</year>) <volume>101</volume>:<fpage>042138</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.101.042138</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B112">
<label>112.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pietzonka</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zimmermann</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fine-structured large deviations and the fluctuation theorem: Molecular motors and beyond</article-title>. <source>Europhys Lett</source> (<year>2014</year>) <volume>107</volume>:<fpage>20002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/107/20002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B113">
<label>113.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kawaguchi</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Si</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sagawa</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonequilibrium dissipation-free transport in F1-ATPase and the thermodynamic role of asymmetric allosterism</article-title>. <source>Biophys J</source> (<year>2014</year>) <volume>106</volume>:<fpage>2450</fpage>&#x2013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bpj.2014.04.034</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B114">
<label>114.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Still</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bell</surname>
<given-names>AJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Crooks</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamics of prediction</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>109</volume>:<fpage>120604</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.109.120604</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B115">
<label>115.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lahiri</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rana</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jayannavar</surname>
<given-names>AM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fluctuation theorems in the presence of information gain and feedback</article-title>. <source>J Phys A: Math Theor</source> (<year>2012</year>) <volume>45</volume>:<fpage>065002</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1751-8113/45/6/065002</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B116">
<label>116.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Crooks</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Still</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Marginal and conditional second laws of thermodynamics</article-title>. <source>Europhys Lett</source> (<year>2019</year>) <volume>125</volume>:<fpage>40005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/125/40005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B117">
<label>117.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Strasberg</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schaller</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brandes</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamics of a physical model implementing a Maxwell demon</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2013</year>) <volume>110</volume>:<fpage>040601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.110.040601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B118">
<label>118.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ciliberto</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Autonomous out-of-equilibrium Maxwell&#x27;s demon for controlling the energy fluxes produced by thermal fluctuations</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2020</year>) <volume>102</volume>(<issue>R</issue>):<fpage>050103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.102.050103</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B119">
<label>119.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bialek</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Setayeshgar</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Physical limits to biochemical signaling</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci</source> (<year>2005</year>) <volume>102</volume>:<fpage>10040</fpage>&#x2013;<lpage>5</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.0504321102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B120">
<label>120.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The nonequilibrium mechanism for ultrasensitivity in a biological switch: Sensing by Maxwell&#x2019;s demons</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci</source> (<year>2007</year>) <volume>105</volume>:<fpage>11737</fpage>&#x2013;<lpage>41</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.0804641105</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B121">
<label>121.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lan</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Information processing in bacteria: Memory, computation, and statistical physics: A key issues review</article-title>. <source>Rep Prog Phys</source> (<year>2016</year>) <volume>79</volume>:<fpage>052601</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0034-4885/79/5/052601</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B122">
<label>122.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mattingly</surname>
<given-names>HH</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kamino</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Machta</surname>
<given-names>BB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Emonet</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>
<italic>Escherichia coli</italic> chemotaxis is information limited</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2021</year>) <volume>17</volume>:<fpage>1426</fpage>&#x2013;<lpage>31</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41567-021-01380-3</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B123">
<label>123.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Berg</surname>
<given-names>HC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Purcell</surname>
<given-names>EM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Physics of chemoreception</article-title>. <source>Phys chemoreception. <italic>Biophys. J.</italic>
</source> (<year>1977</year>) <volume>20</volume>:<fpage>193</fpage>&#x2013;<lpage>219</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0006-3495(77)85544-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B124">
<label>124.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Endres</surname>
<given-names>RG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wingreen</surname>
<given-names>NS</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Maximum likelihood and the single receptor</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2009</year>) <volume>103</volume>:<fpage>158101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.103.158101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B125">
<label>125.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Govern</surname>
<given-names>CC</given-names>
</name>
<name>
<surname>ten Wolde</surname>
<given-names>PR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fundamental limits on sensing chemical concentrations with linear biochemical networks</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>109</volume>:<fpage>218103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.109.218103</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B126">
<label>126.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>ten Wolde</surname>
<given-names>PR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Becker</surname>
<given-names>NB</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ouldridge</surname>
<given-names>TE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mugler</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Fundamental limits to cellular sensing</article-title>. <source>J Stat Phys</source> (<year>2016</year>) <volume>162</volume>:<fpage>1395</fpage>&#x2013;<lpage>424</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10955-015-1440-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B127">
<label>127.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lan</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sartori</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Neumann</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sourjik</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tu</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The energy&#x2013;speed&#x2013;accuracy trade-off in sensory adaptation</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2012</year>) <volume>8</volume>:<fpage>422</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys2276</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B128">
<label>128.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Govern</surname>
<given-names>CC</given-names>
</name>
<name>
<surname>ten Wolde</surname>
<given-names>PR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optimal resource allocation in cellular sensing systems</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci</source> (<year>2014</year>) <volume>111</volume>:<fpage>17486</fpage>&#x2013;<lpage>91</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1411524111</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B129">
<label>129.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sartori</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Granger</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lee</surname>
<given-names>CF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic costs of information processing in sensory adaptation</article-title>. <source>Plos Comput Biol</source> (<year>2014</year>) <volume>10</volume>:<fpage>e1003974</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1003974</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B130">
<label>130.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Govern</surname>
<given-names>CC</given-names>
</name>
<name>
<surname>ten Wolde</surname>
<given-names>PR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Energy dissipation and noise correlations in biochemical sensing</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2014</year>) <volume>113</volume>:<fpage>258102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.113.258102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B131">
<label>131.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bo</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Del Giudice</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Celani</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic limits to information harvesting by sensory systems</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2015</year>) <volume>2015</volume>:<fpage>P01014</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/2015/01/P01014</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B132">
<label>132.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ouldrudge</surname>
<given-names>TE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Govern</surname>
<given-names>CC</given-names>
</name>
<name>
<surname>ten Wolde</surname>
<given-names>PR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamics of computational copying in biochemical systems</article-title>. <source>Phys Rev X</source> (<year>2017</year>) <volume>7</volume>:<fpage>021004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.7.021004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B133">
<label>133.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hartich</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic thermodynamics of bipartite systems: Transfer entropy inequalities and a Maxwell&#x2019;s demon interpretation</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2014</year>) <volume>2014</volume>:<fpage>P02016</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/2014/02/P02016</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B134">
<label>134.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tostevin</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>ten Wolde</surname>
<given-names>PR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Mutual information between input and output trajectories of biochemical networks</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2009</year>) <volume>102</volume>:<fpage>218101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.102.218101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B135">
<label>135.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Diana</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Mutual entropy production in bipartite systems</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2014</year>) <volume>2014</volume>:<fpage>P04010</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/2014/04/P04010</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B136">
<label>136.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schreiber</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Measuring information transfer</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2000</year>) <volume>85</volume>:<fpage>461</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.85.461</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B137">
<label>137.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Marko</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The bidirectional communication theory - a generalization of information theory</article-title>. <source>IEEE Trans Comm</source> (<year>1973</year>) <volume>21</volume>:<fpage>1345</fpage>&#x2013;<lpage>51</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TCOM.1973.1091610</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B138">
<label>138.</label>
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Massey</surname>
<given-names>JL</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Causality, feedback and directed information</article-title>. In: <conf-name>Proc. 1990 Intl. Symp. on Info. Th. and its Applications</conf-name>; <conf-loc>Waikiki, Hawaii</conf-loc> (<year>1990</year>). <fpage>1</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B139">
<label>139.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bechhoefer</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Control Theory for Physicists</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2021</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B140">
<label>140.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hartich</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Sensory capacity: An information theoretical measure of the performance of a sensor</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2016</year>) <volume>93</volume>:<fpage>022116</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physreve.93.022116</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B141">
<label>141.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sandberg</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Second-law-like inequalities with information and their interpretations</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2014</year>) <volume>16</volume>:<fpage>125007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/16/12/125007</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B142">
<label>142.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>S&#xe4;rkk&#xe4;</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Bayesian filtering and smoothing</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Cambridge University Press</publisher-name> (<year>2013</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/cbo9781139344203</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B143">
<label>143.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Brittain</surname>
<given-names>RA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jones</surname>
<given-names>NS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ouldridge</surname>
<given-names>TE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>What we learn from the learning rate</article-title>. <source>J Stat Mech</source> (<year>2017</year>) <volume>2017</volume>:<fpage>063502</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-5468/aa71d4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B144">
<label>144.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bustamane</surname>
<given-names>CJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chemla</surname>
<given-names>YR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>MD</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optical tweezers in single-molecule biophysics</article-title>. <source>Nat Rev Methods Primers</source> (<year>2021</year>) <volume>1</volume>:<fpage>25</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s43586-021-00021-6</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B145">
<label>145.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Megli</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Praly</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ding</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Allemand</surname>
<given-names>JF</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bensimon</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Croquette</surname>
<given-names>V</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Single DNA/protein studies with magnetic traps</article-title>. <source>Curr Op Struct Bio</source> (<year>2009</year>) <volume>19</volume>:<fpage>615</fpage>&#x2013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.sbi.2009.08.005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B146">
<label>146.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Neumann</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nagy</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Single-molecule force spectroscopy: Optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy</article-title>. <source>Nat Methods</source> (<year>1008</year>) <volume>5</volume>:<fpage>491</fpage>&#x2013;<lpage>505</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nmeth.1218</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B147">
<label>147.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sekimoto</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Langevin equation and thermodynamics</article-title>. <source>Prog Theo Phys Suppl</source> (<year>1998</year>) <volume>130</volume>:<fpage>17</fpage>&#x2013;<lpage>27</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1143/PTPS.130.17</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B148">
<label>148.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sekimoto</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
</person-group>. <source>
<italic>Stochastic energetics</italic>. Lecture notes in phys</source>. <publisher-loc>Berlin Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2010</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B149">
<label>149.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jarzynski</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonequilibrium equality for free energy differences</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>1997</year>) <volume>78</volume>:<fpage>2690</fpage>&#x2013;<lpage>3</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.78.2690</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B150">
<label>150.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Crooks</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entropy production fluctuation theorem and the nonequilibrium work relation for free energy differences</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>1999</year>) <volume>60</volume>:<fpage>2721</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.60.2721</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B151">
<label>151.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Entropy production along a stochastic trajectory and an integral fluctuation theorem</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2005</year>) <volume>95</volume>:<fpage>040602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.95.040602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B152">
<label>152.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Schmiedl</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optimal finite-time processes in stochastic thermodynamics</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2007</year>) <volume>98</volume>:<fpage>108301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.98.108301</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B153">
<label>153.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Then</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Engel</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Computing the optimal protocol for finite-time processes in stochastic thermodynamics</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2008</year>) <volume>77</volume>:<fpage>041105</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.77.041105</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B154">
<label>154.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Crooks</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic metrics and optimal paths</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>108</volume>:<fpage>190602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.108.190602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B155">
<label>155.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zulkowski</surname>
<given-names>PR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Crooks</surname>
<given-names>GE</given-names>
</name>
<name>
<surname>DeWeese</surname>
<given-names>MR</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Geometry of thermodynamic control</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2012</year>) <volume>86</volume>:<fpage>041148</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.86.041148</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B156">
<label>156.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mart&#xed;nez</surname>
<given-names>IA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Petrosyan</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gu&#xe9;ry-Odelin</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trizac</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ciliberto</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Engineered swift equilibration of a brownian particle</article-title>. <source>Nat Phys</source> (<year>2016</year>) <volume>12</volume>:<fpage>843</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nphys3758</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B157">
<label>157.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tafoya</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Large</surname>
<given-names>SJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bustamante</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Using a system&#x2019;s equilibrium behavior to reduce its energy dissipation in nonequilibrium processes</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci</source> (<year>2019</year>) <volume>116</volume>:<fpage>5920</fpage>&#x2013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1817778116</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B158">
<label>158.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Solon</surname>
<given-names>AP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horowitz</surname>
<given-names>JM</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Phase transition in protocols minimizing work fluctuations</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2018</year>) <volume>120</volume>:<fpage>180605</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.120.180605</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B159">
<label>159.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Blaber</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Skewed thermodynamic geometry and optimal free energy estimation</article-title>. <source>J Chem Phys</source> (<year>2020</year>) <volume>153</volume>:<fpage>244119</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0033405</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B160">
<label>160.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Boyer</surname>
<given-names>PD</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The ATP synthase - a splendid molecular machine</article-title>. <source>Annu Rev Biochem</source> (<year>1997</year>) <volume>66</volume>:<fpage>717</fpage>&#x2013;<lpage>49</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev.biochem.66.1.717</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B161">
<label>161.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yoshida</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muneyuki</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hisabori</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>ATP synthase a marvellous rotary engine of the cell</article-title>. <source>Nat Rev Mol Cel Biol.</source> (<year>2001</year>) <volume>2</volume>:<fpage>669</fpage>&#x2013;<lpage>77</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/35089509</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B162">
<label>162.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Xing</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liao</surname>
<given-names>JC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Oster</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Making ATP</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci</source> (<year>2005</year>) <volume>102</volume>:<fpage>16539</fpage>&#x2013;<lpage>46</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.0507207102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B163">
<label>163.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Golubeva</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Imparato</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peliti</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficiency of molecular machines with continuous phase space</article-title>. <source>Europhys Lett</source> (<year>2012</year>) <volume>97</volume>:<fpage>60005</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/97/60005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B164">
<label>164.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ai</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ge</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Torque-coupled thermodynamic model for FoF1-ATPase</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2017</year>) <volume>95</volume>:<fpage>052413</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.95.052413</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B165">
<label>165.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fogedby</surname>
<given-names>HC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Imparato</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A minimal model of an autonomous thermal motor</article-title>. <source>Europhys Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>119</volume>:<fpage>50007</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/119/50007</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B166">
<label>166.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Su&#xf1;&#xe9;</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Imparato</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Efficiency fluctuations in steady-state machines</article-title>. <source>J Phys A: Mathm Theor</source> (<year>2019</year>) <volume>52</volume>:<fpage>045003</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1751-8121/aaf2f8</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B167">
<label>167.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Encalada</surname>
<given-names>SE</given-names>
</name>
<name>
<surname>Szpankowski</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Xia</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Goldstein</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stable kinesin and dynein assemblies drive the axonal transport of mammalian prion protein vesicles</article-title>. <source>Cell</source> (<year>2011</year>) <volume>144</volume>:<fpage>551</fpage>&#x2013;<lpage>65</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cell.2011.01.021</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B168">
<label>168.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cooke</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Actomyosin interaction in striated muscle</article-title>. <source>Phys Rev</source> (<year>1997</year>) <volume>77</volume>:<fpage>671</fpage>&#x2013;<lpage>97</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/physrev.1997.77.3.671</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B169">
<label>169.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Klumpp</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lipowsky</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Cooperative cargo transport by several molecular motors</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci USA</source> (<year>2005</year>) <volume>102</volume>:<fpage>17284</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.0507363102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B170">
<label>170.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bhat</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gopalakrishnan</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Transport of organelles by elastically coupled motor proteins</article-title>. <source>Eur Phus J E</source> (<year>2016</year>) <volume>39</volume>:<fpage>71</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epje/i2016-16071-0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B171">
<label>171.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bhat</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gopalakrishnan</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stall force of a cargo driven by n interacting motor proteins</article-title>. <source>Europhys Lett</source> (<year>2017</year>) <volume>117</volume>:<fpage>28004</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/117/28004</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B172">
<label>172.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wagoner</surname>
<given-names>JA</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dill</surname>
<given-names>KA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Evolution of mechanical cooperativity among myosin II motors</article-title>. <source>Proc Nat Acad Sci USA</source> (<year>2021</year>) <volume>118</volume>:<fpage>e2101871118</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.2101871118</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B173">
<label>173.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leighton</surname>
<given-names>MP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Performance scaling and trade-offs for collective motor-driven transport</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2022</year>) <volume>24</volume>:<fpage>013009</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/ac3db7</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B174">
<label>174.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Leighton</surname>
<given-names>MP</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sivak</surname>
<given-names>DA</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Dynamic and thermodynamic bounds for collective motor-driven transport</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2022</year>) <volume>129</volume>:<fpage>118102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.129.118102</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B175">
<label>175.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wachtel</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rao</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Free-energy transduction in chemical reaction networks: From enzymes to metabolism</article-title>. <comment>arXiv:2202.01316</comment> (<year>2022</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B176">
<label>176.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Barato</surname>
<given-names>AC</given-names>
</name>
<name>
<surname>Seifert</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Thermodynamic cost of external control</article-title>. <source>New J Phys</source> (<year>2017</year>) <volume>19</volume>:<fpage>073021</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/aa77d0</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B177">
<label>177.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yasuda</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Noji</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yoshida</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kinosita</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Itoh</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Resolution of distinct rotational substeps by submillisecond kinetic analysis of F1-Atpase</article-title>. <source>Nature</source> (<year>2001</year>) <volume>410</volume>:<fpage>898</fpage>&#x2013;<lpage>904</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/35073513</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B178">
<label>178.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Toyabe</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okamoto</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Watanabe-Nakayama</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Taketani</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kudo</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muneyuki</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nonequilibrium energetics of a single F1-ATPase molecule</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2010</year>) <volume>104</volume>:<fpage>198103</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.104.198103</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B179">
<label>179.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hayashi</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sasaki</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nakamura</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kudo</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Inoue</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
<name>
<surname>Noji</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Giant acceleration of diffusion observed in a single-molecule experiment on F1&#x2212;ATPase</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2015</year>) <volume>114</volume>:<fpage>248101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.114.248101</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B180">
<label>180.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Penocchio</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
<name>
<surname>Avanzini</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Information thermodynamics for deterministic chemical reaction networks</article-title>. <source>J Chem Phys</source> (<year>2022</year>) <volume>157</volume>:<fpage>034110</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/5.0094849</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B181">
<label>181.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Freitas</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Maxwell demon that can work at macroscopic scales</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2022</year>) <volume>129</volume>:<fpage>120602</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.129.120602</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B182">
<label>182.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Freitas</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Esposito</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Information flows in macroscopic Maxwell&#x2019;s demons</article-title>. <source>Phy Rev E</source> (<year>2023</year>) <volume>107</volume>:<fpage>014136</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.107.014136</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>