[論文レビュー] Dissipation and detonation of shock waves in lipid monolayers

Shamit Shrivastava|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 58被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、脂質単層膜内の衝撃波が、相転移に伴う化学エネルギーが波frontを強化することで、自己持続的かつ安定した伝播を示す爆発的挙動を示す可能性を提唱している。古典的衝撃波および爆発理論を脂質界面に適用することで、神経インパルス伝播が同様の物理的メカニズムを有している可能性が示唆され、動作電位の振幅やしきい値が圧力および温度に依存する現象について、熱力学的説明が提示される。

ABSTRACT

Lipid interfaces not only compartmentalize but also connect different reaction centers within a cell architecture. These interfaces have well defined specific heats and compressibilities, hence energy can propagate along them analogous to sound waves. Lipid monolayers prepared at the air-water interface of a Langmuir trough present an excellent model system to study such propagations. Here we propose that recent observations of two-dimensional shock waves observed in lipid monolayers also provide the evidence for the detonation of shock waves at such interfaces, i.e. chemical energy stored in the interface can be absorbed by a propagating shock front reinforcing it in the process. To this end, we apply the classical theory in shock waves and detonation in the context of a lipid interface and its thermodynamic state. Based on these insights it is claimed that the observed self-sustaining waves in lipid monolayers represent a detonation like phenomena that utilizes the latent heat of phase transition of the lipids. However, the general nature of these equations allows that other possible sources of chemical energy can contribute to the propagating shock wave in a similar manner. Consequently, the understanding is applied to the nerve pulse propagation that is believed to represent a similar phenomenon, to obtain a qualitative understanding of the pressure and temperature dependence of amplitude and threshold for action potentials. While we mainly discuss the case of a stable detonation, the problem of initiation of detonation at interfaces and corresponding heat exchange is briefly discussed, which also suggests a role for thunder like phenomena in pulse initiation.

研究の動機と目的

• 観察された自己持続的衝撃波が、単なる散逸的挙動ではなく、爆発現象であるかどうかを検討すること。
• 古典的衝撃波および爆発理論を脂質界面に適用し、定義された熱力学的性質を有する二次元エネルギー伝導媒体として扱うこと。
• 脂質相転移に伴う融解熱が衝撃波伝播をどのように維持するかを明らかにすること。
• 脂質単層膜の衝撃波と神経インパルス伝播との類似性、特にエネルギー源およびしきい値条件の観点から探求すること。
• 脂質界面における爆発の発火メカニズムを検討し、生物学的パルス発火（雷のような現象を含む）と潜在的な関連性を明らかにすること。

提案手法

• 空気-水界面における二次元脂質単層膜に、古典的Zeldovich–von Neumann–Doring（ZND）爆発モデルを適応した。
• 脂質界面を圧縮性で熱力学的に活性な媒体としてモデル化し、測定可能な比熱および圧縮率を有するとみなした。
• 衝撃波伝播に伴うエネルギーおよび運動量保存則を定式化し、相転移に伴う融解熱放出を組み込んだ。
• 圧力、温度、密度といった熱力学的状態変数を用いて、衝撃波フロント構造およびエネルギー移動を記述した。
• 衝撃波の散逸と化学ポテンシャル（相転移）からのエネルギー供給のバランスを分析し、自己持続的伝播に必要な条件を同定した。
• 得られた枠組みを、脂質単層膜における自己持続的波の実験的観察の解釈および神経細胞における動作電位しきい値の定性的モデル化に適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観察された脂質単層膜内の自己持続的衝撃波は、単なる機械的散逸ではなく、爆発メカニズムによって説明可能か？
• RQ2 脂質相転移の融解熱が、どのように衝撃波フロントを強化し、持続的伝播を可能にするか？
• RQ3 圧力および温度が、脂質単層膜内の衝撃波の振幅およびしきい値に与える影響は何か？生物学的系に何を示唆するか？
• RQ4 脂質界面における爆発の発火に必要な熱力学的条件は何か？生物学的パルス発火と何らかの関連があるか？
• RQ5 脂質単層膜における爆発の物理的原理が、神経インパルス伝播のエネルギー的側面を理解するためにどの程度応用可能か？

主な発見

• 観察された脂質単層膜内の自己持続的衝撃波は、相転移に伴うエネルギーが波frontを強化する爆発的挙動と整合的である。
• モデルは、相転移中に放出されるエネルギーが散逸損失と釣り合っている場合に、衝撃波伝播が自己持続的になることを予測している。
• 衝撃波の振幅およびしきい値は圧力や温度といった熱力学的変数に依存し、高圧条件が波の安定性を促進することが示唆された。
• 脂質界面における爆発の発火には臨界的な熱交換プロセスが関与しており、一時的なエネルギー噴出（雷に類似）がパルスの発火を誘発する可能性がある。
• 本研究は、神経細胞における動作電位の振幅およびしきい値の圧力および温度依存性について、定性的な説明を提供した。
• 本研究は、脂質単層膜の衝撃波と神経インパルスとの間の物理的類似性を確立し、共通のエネルギー変換メカニズムが背後に存在する可能性を示唆した。