[论文解读] Dissipation and detonation of shock waves in lipid monolayers

Shamit Shrivastava|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 58被引用 4

一句话总结

本文提出，脂质单分子层中的激波表现出类似爆炸的特性，其中脂质相变释放的化学能可增强激波特 front，实现自持传播。通过将经典激波与爆炸理论应用于脂质界面，研究认为神经冲动的传播可能具有类似的物理机制，为动作电位的幅度及对压力和温度的阈值依赖性提供了热力学解释。

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.

研究动机与目标

• 探究在脂质单分子层中观察到的自持激波是否代表爆炸现象，而非单纯的耗散过程。
• 将经典激波与爆炸理论应用于脂质界面，将其视为具有明确热力学性质的二维能量传导介质。
• 探讨脂质相变所释放的潜热在维持激波特波传播中的作用。
• 在能量来源与阈值条件方面，建立脂质单分子层激波特波与神经冲动传播之间的类比。
• 研究脂质界面上爆炸的激发机制及其与生物脉冲激发（包括类似雷鸣的现象）的潜在联系。

提出的方法

• 将经典的Zeldovich–von Neumann–Doring（ZND）爆炸模型适配于空气-水界面的二维脂质单分子层。
• 将脂质界面建模为可压缩、具有可测量比热与可压缩性的热力学活性介质。
• 为激波特波传播建立能量与动量守恒方程，纳入相变过程中的潜热释放。
• 使用热力学状态变量（压力、温度、密度）描述激波特波前结构与能量传递。
• 分析激波特波耗散与来自化学势（相变）的能量输入之间的平衡，识别出自持传播的条件。
• 将推导出的理论框架应用于解释脂质单分子层中自持波的实验观测，并定性模拟神经元中动作电位的阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在脂质单分子层中观察到的自持激波特波是否可由爆炸机制解释，而非纯粹的机械耗散？
• RQ2 脂质相变的潜热在增强激波特波前并实现持续传播中起什么作用？
• RQ3 压力与温度如何影响脂质单分子层中激波特波的幅度与阈值？这对生物系统有何启示？
• RQ4 脂质界面上爆炸的引发需要何种热力学条件？这与生物脉冲的激发有何关联？
• RQ5 脂质单分子层中爆炸的物理原理在多大程度上可用于理解神经冲动传播的能量机制？

主要发现

• 在脂质单分子层中观察到的自持激波特波与爆炸机制一致，其中脂质相变释放的能量可增强激波特波前。
• 该模型预测，当相变过程中释放的能量平衡了耗散损失时，激波特波传播可自持。
• 激波特波的幅度与阈值取决于压力、温度等热力学变量，较高压力有利于波的稳定性。
• 脂质界面上爆炸的引发涉及临界热交换过程，提示瞬态能量脉冲（类比雷鸣）可能在触发脉冲中起作用。
• 该框架为神经元中动作电位幅度与阈值对压力和温度的依赖性提供了定性解释。
• 本研究建立了脂质单分子层激波特波与神经冲动之间的物理类比，表明二者可能具有相同的能量转换机制。