[論文レビュー] Electrodynamics Correlates Knock-on and Knock-off: Current is Spatially Uniform in Ion Channels

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2020

Electrostatics and Colloid Interactions被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、マクスウェル方程式によって支配される電磁場のダイナミクスのおかげで、狭い生物学的イオンチャネル内のイオン電流が空間的に一様であると提唱している。これにより、空間的に変化するモデルの必要がなくなる。マクスウェルの変位電流（「エーテル的」な項）を含めることで、全電流はすべての時間スケールで完全に保存され、チャネル全体で一様となり、イオンのノックオンおよびノックオフの動きが古典的確率論的力学ではなく、電磁力学によって関連づけられる。

ABSTRACT

Ions in channels have been imagined as hard balls in a macroscopic mechanical model, for a very long time. Hard balls interact by collisions in such models, randomly knocking each other on and off `binding' sites in thermal motion. But ions have large charge, and the hard balls of classical models do not. The electrodynamics of charge guarantee strong correlations between the movements of ions on all time scales, even those of atomic scale thermal motion. Correlations are present whenever Maxwell's equations apply, so they are present in individual trajectories, not just averages. Indeed, in a series system like an idealized narrow channel, the correlation is perfect (within the accuracy of Maxwell's equations) because of conservation of total current (that includes Maxwell's displacement current, the ethereal ${\\varepsilon }_0{\\partial \\boldsymbol{\\mathrm{E}}}/{\\partial t}$).The ethereal component of current prevents spatial variation of total current in a series system. The stochastic complexity of spatial thermal motion disappears for current }in a series system. Total current does not depend on location in a series system like a narrow ion channel on any time scale. Spatial variables are not needed in the description of total current in a one dimensional channel on any time scale, according to the Maxwell equations. Removing the spatial dependence of total current should dramatically simplify theories and simulations, one might imagine.

研究の動機と目的

• イオンチャネルの古典的力学的モデルとイオンの電磁気的性質の間の長年の不一致を解消すること。
• 電磁気的保存則のおかげで、1次元チャネル内では電流の空間的変動が根本的になく、空間的変動のないモデルが必然的であることを示すこと。
• イオン輸送の確率的かつ空間依存的なモデルを、マクスウェル方程式に基づく統一的電磁力学的枠組みに置き換えること。
• 変位電流（マクスウェルの「エーテル的」項）が、イオンチャネルのような直列系において完全な電流の一様性を保証することを示すこと。
• 電流記述における空間依存性を排除することで、イオンチャネルの理論的および計算的モデルを単純化すること。

提案手法

• 変位電流項 ε₀∂E/∂t を含めた1次元イオンチャネルモデルにマクスウェル方程式を適用する。
• 全電流（変位電流を含む）の保存を用いて、直列系における電流の空間的一様性を証明する。
• 古典的力学ではなく電磁力学の観点から、イオンの軌道および相関を分析する。
• イオンの動きの相関が統計的平均に依存するのではなく、電磁場そのものに内在する性質であることを示す。
• 半導体モデルにおけるxに依存しない性質と比較することで、1次元系における電流保存の普遍性を強調する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクスウェルの変位電流を含めることで、狭いチャネル内のイオン電流の空間的分布にどのような影響を与えるか？
• RQ2 なぜ古典的モデルは、イオンチャネル内でのノックオンとノックオフのイオンイベントの完全な相関を説明できないのか？
• RQ3 電磁力学だけですでに観察された電流の空間的一様性を説明できるのか、空間的確率的モデルに依存しないでよいか？
• RQ4 エーテル的電流（ε₀∂E/∂t）は、1次元系における電流保存を維持するために果たす役割は何か？
• RQ5 電磁力学的枠組みは、従来の力学的または統計的モデルと比較して、イオン輸送の記述をどのように単純化するのか？

主な発見

• マクスウェル方程式（変位電流を含む）による保存則のおかげで、1次元イオンチャネル内の全電流は、すべての時間スケールで空間的に一様である。
• 変位電流（ε₀∂E/∂t）のおかげで、全電流の空間的変動が完全に防止され、このような系では電流記述に空間変数は不要となる。
• ノックオンやノックオフのイオンイベントのような、イオンの動きの相関は、統計的アーティファクトではなく、電磁力学の本質的結果である。
• 電磁力学的枠組みにより、複雑な空間依存的モデルの必要がなくなり、理論的および計算的アプローチが著しく単純化される。
• モデルの予測は、半導体系で観察されたxに依存しない性質と整合的であり、1次元輸送における普遍性を支持する。