[논문 리뷰] Dissipation and detonation of shock waves in lipid monolayers

Shamit Shrivastava|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 22.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 58인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 지질 단층에서 발생하는 충격파가 화학적 에너지가 상전이를 통해 충격파의 앞선을 강화함으로써 자가유지되는 파급을 보이며, 이는 자기유지적 전파를 가능하게 한다고 제안한다. 고전적 충격파 및 폭발 이론을 지질 인터페이스에 적용함으로써, 신경 자극 전파가 유사한 물리적 메커니즘을 공유할 수 있으며, 이는 행동 전위의 진폭과 임계값이 압력과 온도에 따라 달라지는 열역학적 설명을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 관측된 지질 단층에서의 자가유지 충격파가 순수한 기계적 소산이 아닌 폭발 현상임을 규명하고자 한다.
• 지질 인터페이스를 두 차원적인 에너지 전도체로 간주하고, 정의된 열역학적 성질을 갖는 매체로 간주하여 고전적 충격파 및 폭발 이론를 적용하고자 한다.
• 지질 상전이에서 발생하는 잠열이 충격파 전파를 지속하는 데 기여하는 역할을 탐색하고자 한다.
• 지질 단층 충격파와 신경 자극 전파 간의 유사성을 분석하고, 특히 에너지원과 임계 조건 측면에서 비교하고자 한다.
• 지질 인터페이스에서 폭발의 기초가 되는 초기화 메커니즘을 조사하고, 천둥과 유사한 현상과 생물학적 맥박 초기화와의 잠재적 연관성을 탐색하고자 한다.

제안 방법

• 공기-물계면에서의 이중층 지질 단층에 대해 고전적 Zeldovich–von Neumann–Doring (ZND) 폭발 모델을 2차원적으로 적용하였다.
• 지질 인터페이스를 압축 가능하고 열역학적으로 활성적인 매체로 모델링하였으며, 측정 가능한 비열과 압축성 등을 고려했다.
• 충격파 전파에 대한 에너지 및 운동량 보존 방정식을 수립하였으며, 상전이 과정에서의 잠열 방출을 포함시켰다.
• 압력, 온도, 밀도 등의 열역학 상태 변수를 사용하여 충격파의 프런트 구조와 에너지 전달을 기술하였다.
• 충격파 소산과 화학적 위치 에너지(상전이)로부터의 에너지 입력 간의 균형을 분석하여 자가유지 전파 조건을 규명하였다.
• 유도된 프레임워크를 이용해 지질 단층에서 관측된 자가유지 파동을 해석하고, 신경세포에서 행동 전위의 임계값을 정성적으로 모델링하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 지질 단층에서의 자가유지 충격파는 순수한 기계적 소산이 아닌 폭발 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 지질 상전이의 잠열은 충격파의 앞선를 강화하고 지속적인 전파를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 압력과 온도는 지질 단층에서 충격파의 진폭과 임계값에 어떻게 영향을 미치며, 이는 생물학적 시스템에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 지질 인터페이스에서 폭발을 유도하기 위한 열역학적 조건은 무엇이며, 이는 생물학적 맥박 초기화와 어떻게 관련될 수 있는가?
• RQ5 지질 단층에서의 폭발 물리 원리가 신경 자극 전파의 에너티크스를 이해하는 데 어느 정도 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 관측된 지질 단층에서의 자가유지 충격파는 지질 상전이에서 발생하는 에너지가 충격파의 앞선를 강화함으로써 자가유지되는 폭발 메커니즘과 일치한다.
• 모델은 상전이 과정에서 방출되는 에너지가 소산 손실을 상쇄할 경우 충격파 전파가 지속됨을 예측한다.
• 충격파의 진폭과 임계값은 압력과 온도와 같은 열역학 변수에 따라 달라지며, 높은 압력 조건에서 파동의 안정성이 증가한다.
• 지질 인터페이스에서 폭발의 기초가 되는 초기화 과정은 임계적인 열교환 과정을 포함하며, 이는 천둥과 유사한 일시적 에너지 폭발이 맥박을 유도하는 데 기여할 수 있음을 시사한다.
• 이 프레임워크는 신경세포에서 행동 전위의 진폭과 임계값이 압력과 온도에 따라 달라지는 현상에 대해 정성적인 설명을 제공한다.
• 이 연구는 지질 단층 충격파와 신경 자극 간의 물리적 유사성을 확립하며, 공통된 에너지 변환 메커니즘이 존재할 가능성을 제기한다.