[論文レビュー] Ultrasound vibrations of plant cells membranes: water lift in trees, electrical phenomena

Mark E. Perel’man, Galina M. Rubinstein|ArXiv.org|Nov 14, 2006

Botany and Plant Ecology Studies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、植物細胞におけるイオン駆動型膜電位変化が、クーロン力と弾性力の不均衡によって引き起こされる超音波振動を生じさせ、その結果として水をキシレムで持ち上げるのに十分な力学的流れを生じさせると提案している。この振動は、木々における観察された超音波放射および共生組織の粒子再分配を説明するものであり、キシレムでは150–200 kHz、共生組織ではより高い周波数が予測されている。

ABSTRACT

Alterations of charges density on membranes (potentials) of plant cells by ion currents lead to disbalance of Coulomb forces compressing membranes and counteracting Hookean elastic forces. It should results in membrane vibrations till establishment new equilibrium with generation of ultrasound and electromagnetic radiations. Such vibrations lead to acoustical flows, power of which is sufficient for water lift in trees, its degassing, for cycloses and some electric phenomena in plants and so on. This phenomenon explains the known observations of ultrasound noises in trees and redistribution of particles in the phloem flow. Known supervisions and consideration of anatomy of plants result in estimations of frequencies of the order of 150-200 kHz for acoustical flows in xilem and three times bigger in phloem. The checking of offered mechanism can be carrying out via investigation of acoustic and electromagnetic radiation of plants. Keywords: plant, ultrasound, acoustical flow, hydraulics PACS: 43.25.Nm, 43.38.+n, 43.80.+p, 82.39.Jn, 87.80.Vt

研究の動機と目的

• ポンプが不要な高木における水の輸送メカニズムを説明し、細胞膜における超音波振動を駆動力として提案すること。
• 膜振動と関連付けることで、共生組織における観察された超音波放射および粒子再分配を説明すること。
• イオン電流が膜電位を変化させ、その結果として機械的および電磁放射を生成する役割を明らかにすること。
• 植物細胞の力学的および電気的特性に基づいて、キシレムおよび共生組織における超音波振動の周波数帯域を推定すること。
• 実験的検証が可能な、植物からの音響的および電磁的放射に関する予測を提示すること。

提案手法

• イオン電流による電荷密度変化に続く圧縮的クーロン力と元に戻すためのフック則的弾性力の不均衡によって生じる膜振動をモデル化すること。
• 静電気および弾性力学の原則を適用し、膜の振動および超音波放射の条件を導出すること。
• 植物細胞膜の力学的パラメータとイオン電流のダイナミクスを用いて振動周波数を推定すること。
• 膜振動からのエネルギー移動を考慮し、膜振動がもたらす力学的流れのパワーとキシレムにおける水の持ち上げを関連付けること。
• キシレムとは構造的および機械的特性が異なるため、共生組織ではより高い振動周波数が予測されること。
• 生きた植物からの音響的および電磁的放射の測定を通じて、実験的検証を提案すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオン電流が植物細胞膜を通過することで、どのようにして超音波振動と力学的流れが生じるのか？
• RQ2 キシレムおよび共生組織における超音波振動の予測周波数帯域は何か？また、それらはどのように異なるのか？
• RQ3 膜振動が高木における水の持ち上げに十分な機械的パワーを発生させ得るのか？
• RQ4 膜電位の変化が、これらの振動の発生および持続に果たす役割は何か？
• RQ5 音響的および電磁的測定を通じて、提案されたメカニズムはどのように実験的に検証可能か？

主な発見

• イオン電流による膜電荷密度の変化が、クーロン圧縮力とフック則的弾性力の間の力の不均衡を引き起こし、膜振動を誘発する。
• これらの振動が、キシレムでは150–200 kHz、共生組織では約3倍高い周波数で推定される超音波放射を生成する。
• その結果生じる力学的流れは、高木における水の輸送を説明するのに十分なパワーを発生させる。
• このメカニズムは、観察された超音波放射および共生組織の流れにおける粒子再分配を説明できる。
• 同じ振動プロセスの副産物として電磁放射が予測される。
• このモデルは、実験的検証が可能な、植物からの音響的および電磁的放射の検出を可能にする検証可能なフレームワークを提供する。