[论文解读] Can we make biochemistry an exact science?

Bob Eisenberg|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2014

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 45被引用 3

一句话总结

本文主张，若不重新表述质量作用定律以考虑电荷守恒与全局电场相互作用，生物化学便无法成为一门精确科学，提出变分法与离子相互作用的多尺度建模对于复杂生物流体中精确方程的建立至关重要。

ABSTRACT

Biochemists know that the law of mass action is not exact and not very useful because we cannot transfer it (with unchanged parameters) from one condition to another. I argue that exact equations require calibrated multiscale analysis to deal with ions. Exact theories in biochemistry must use mathematics of interactions because biological ionic solutions, derived from seawater, are complex (not simple) fluids. The activity of one ion depends on every other ion. Mathematics of conservative interactions is well understood but friction is another matter. Mathematicians now have now an energetic variational calculus dealing with friction. Complex fluids need variational methods because everything interacts with everything else. Mathematics designed to handle interactions is needed to produce exact equations. If interactions are not addressed with variational mathematics, they are bewildering. The mathematics must include the global properties of the electric field. Flow of charge in one place changes the flow everywhere by Kirchoff and Maxwell laws. Charge changes physical nature as it flows through a circuit. It is ions in salt water; it is electrons in a vacuum tube; it is quasi-particles in a semiconductor; and it is nothing much in a vacuum capacitor (i.e., displacement current). Charge is abstract. The physical nature of charge and current is strikingly diverse; yet, the flow of current is exactly the same in every element in a series circuit. The global nature of electric flow prevents the law of mass action from being exact. The law of mass action (with rate constants that are constant) does not know about charge. The law of mass action is about mass conservation. I believe the law of mass action must be modified to be consistent with the Kirchoff current law if biochemistry is to be an exact science.

研究动机与目标

• 解决质量作用定律在生物化学中的根本局限性，因其在忽略电荷动力学的情况下，于离子条件变化时失效。
• 确立精确的生物化学理论必须包含全局电场效应与多尺度离子相互作用。
• 证明在离子流体中，摩擦力与非保守力的存在要求采用超越经典质量作用定律的先进数学框架。
• 倡导将变分原理——尤其是能量变分法——整合入生物化学建模，以处理复杂的流体相互作用。
• 通过与基尔霍夫电流定律对齐，重新表述生物化学动力学，确保在生物回路中与电荷守恒的一致性。

提出的方法

• 采用能量变分法，对离子流体中的摩擦力与非保守力进行建模。
• 利用多尺度分析，将微观离子相互作用与宏观电场行为相耦合。
• 通过电流在串联元件中保持一致的原理重新诠释电荷流动，无论其物理形式为离子、电子或准粒子。
• 将麦克斯韦与基尔霍夫定律整合进生物化学动力学，以强制实现全局电荷守恒。
• 通过尊重电荷在不同介质中物理本质的框架，重新表述质量作用定律。
• 应用变分方法，以建模一种离子的活性如何依赖于复杂非理想离子溶液中所有其他离子。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何经典质量作用定律在生物离子体系中无法提供精确预测？
• RQ2 如何在生物化学方程中数学地纳入电荷守恒与全局电场效应？
• RQ3 非保守力与摩擦在离子流体动力学中起何种作用，又如何实现精确建模？
• RQ4 电荷的物理特性（例如，盐水中离子与半导体中电子）如何影响传统动力学定律的有效性？
• RQ5 变分法能否为复杂流体中精确生物化学理论提供一致的数学基础？

主要发现

• 质量作用定律在生物化学中本质上是不精确的，因其忽略了电荷守恒与全局电场效应。
• 精确的生物化学方程需要采用多尺度方法，以考虑溶液中所有离子之间的相互作用。
• 变分法，尤其是能量变分方法，是建模离子流体中摩擦力与非保守力所必需的。
• 无论物理形式如何，电流在电路的串联元件中保持一致，暗示存在必须在模型中遵守的普遍守恒定律。
• 电荷的物理本质在不同介质中发生变化（例如，水中的离子与真空中电子），但电流仍保持守恒——这凸显了统一、全局描述的必要性。
• 为实现生物化学动力学的精确性，必须将质量作用定律修改为与基尔霍夫电流定律保持一致。