[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出，由于麦克斯韦方程组所支配的电磁场动力学，窄小生物离子通道中的离子电流在空间上是均匀的，从而无需依赖空间变化的模型。通过引入麦克斯韦的位移电流（即“以太”项），总电流在所有时间尺度上均保持完美守恒且沿通道均匀分布，离子的碰撞传递与碰撞脱离运动通过电磁动力学而非经典随机力学相关联。

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.

研究动机与目标

• 解决离子通道经典力学模型与离子电磁本质之间的长期不一致问题。
• 证明在一维通道中，离子电流的空间变化在根本上是不可能的，这是由电磁守恒定律决定的。
• 用基于麦克斯韦方程组的统一电磁动力学框架，取代离子输运中依赖随机性和空间依赖性的模型。
• 表明位移电流（麦克斯韦的“以太”项）在串联系统（如离子通道）中强制实现电流的完美均匀性。
• 通过从电流描述中去除空间依赖性，简化离子通道的理论与计算模型。

提出的方法

• 将麦克斯韦方程组应用于一维离子通道模型，包含位移电流项 ε₀∂E/∂t。
• 利用总电流（包括位移电流）的守恒性，证明在串联系统中电流的空间均匀性。
• 通过电磁动力学的视角分析离子轨迹及其相关性，而非经典力学。
• 证明离子运动之间的相关性是电磁场的固有属性，而不仅仅是统计平均结果。
• 将结果与半导体模型中的 x-无关性质进行比较，以突出一维系统中电流守恒的普遍性。

实验结果

研究问题

• RQ1 麦克斯韦位移电流的引入如何影响窄通道中离子电流的空间分布？
• RQ2 为何经典模型无法解释离子通道中碰撞传递与碰撞脱离事件之间的完美相关性？
• RQ3 仅靠电磁动力学是否足以解释离子通道中观察到的电流空间均匀性，而无需依赖随机空间模型？
• RQ4 以太电流（ε₀∂E/∂t）在维持一维系统中电流守恒方面起什么作用？
• RQ5 与传统力学或统计模型相比，电磁动力学框架如何简化离子输运的描述？

主要发现

• 由于麦克斯韦方程组（包括位移电流）所强制的守恒性，一维离子通道中的总电流在所有时间尺度上均保持空间均匀。
• 位移电流（ε₀∂E/∂t）防止了总电流的任何空间变化，使得在该类系统中描述电流时无需引入空间变量。
• 离子运动之间的相关性（如碰撞传递与碰撞脱离事件）并非统计误差，而是电磁动力学的固有结果。
• 电磁动力学框架消除了对复杂空间变化模型的需求，极大地简化了理论与计算方法。
• 该模型的预测与半导体系统中观察到的 x-无关性质一致，支持其在一维输运中的普遍性。