[논문 리뷰] Electrodynamics Correlates Knock-on and Knock-off: Current is Spatially Uniform in Ion Channels

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 20.

Electrostatics and Colloid Interactions인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 막힘 없는 생물학적 이온 채널에서 이온 전류가 맥스웰 방정식에 의해 지배되는 전자기장 역학으로 인해 공간적으로 균일하다고 제안한다. 이는 공간에 따라 변하는 모델이 필요 없음을 의미한다. 전기장의 변화를 포함하는 맥스웰의 변위 전류(즉, '에테르' 항목)를 포함함으로써, 전체 전류는 모든 시간 척도에서 완전히 보존되고 균일하게 유지되며, 전기역학에 의해 뚜렷한 이온 이동과 타격 이온 이동 간의 연관성을 설명한다. 이는 고전적 확률론적 역학이 아닌 전기역학적 방식이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고전적 기계 모델이 이온 채널을 설명할 때 발생하는 오랜 기간 지속된 불일치를 해결하기 위해, 이온의 전자기적 성질을 고려한다.
• 전자기 보존 법칙에 의해, 일차원 채널에서는 전류의 공간적 변동이 본질적으로 불가능하다는 것을 입증한다.
• 이온 이동의 확률론적이고 공간에 의존하는 모델을, 맥스웰 방정식에 기반한 통합된 전기역학적 프레임워크로 대체한다.
• 변위 전류(맥스웰의 '에테르' 항목)가 일차원 시스템인 이온 채널에서 완전한 전류 균일성을 유지하는 데 기여한다는 것을 보여준다.
• 전류 기술에서 공간 의존성을 제거하여 이온 채널의 이론적 및 계산적 모델을 단순화한다.

제안 방법

• 변위 전류 항목 ε₀∂E/∂t를 포함한 일차원 이온 채널 모델에 맥스웰 방정식을 적용한다.
• 전체 전류(변위 전류 포함)의 보존을 이용하여 일련의 시스템에서 전류의 공간적 균일성을 증명한다.
• 고전적 역학이 아닌 전기역학의 관점에서 이온 궤적과 상관관계를 분석한다.
• 이온 이동 간의 상관관계가 통계 평균의 산물이 아니라 전자기장의 본질적인 결과임을 입증한다.
• 반도체 모델에서 관찰되는 x에 독립적인 성질과 비교함으로써, 일차원 시스템에서 전류 보존의 일반성을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 맥스웰의 변위 전류를 포함함으로써, 좁은 채널에서 이온 전류의 공간 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 고전적 모델은 이온 채널에서 '타격'과 '탄환' 이온 사건 간의 완벽한 상관관계를 설명하지 못하는가?
• RQ3 확률론적 공간 모델에 의존하지 않고도 전기역학만으로도 이온 채널에서 관측된 전류의 공간적 균일성을 설명할 수 있는가?
• RQ4 에테르 전류(ε₀∂E/∂t)는 일차원 시스템에서 전류 보존을 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 기존의 기계적 또는 통계적 모델에 비해 전기역학적 프레임워크는 이온 이동 기술을 어떻게 단순화하는가?

주요 결과

• 맥스웰 방정식에 의해 보존되는 변위 전류를 포함함으로써, 일차원 이온 채널의 전체 전류는 모든 시간 척도에서 공간적으로 균일하다.
• 변위 전류(ε₀∂E/∂t)는 전체 전류의 공간적 변동을 방지하므로, 이러한 시스템에서 전류 기술에 있어 공간 변수가 필요 없게 된다.
• 타격 및 탄환 이온 사건 등의 이온 이동 간 상관관계는 통계적 오류가 아니라 전기역학의 본질적인 결과이다.
• 전기역학적 프레임워크는 복잡한 공간에 의존하는 모델의 필요성을 제거하여 이론적 및 계산적 접근을 크게 단순화한다.
• 이 모델의 예측은 반도체 시스템에서 관찰되는 x에 독립적인 성질과 일치하며, 이는 일차원 이동에서의 일반성에 대한 지지를 제공한다.