[논문 리뷰] Ultrasound vibrations of plant cells membranes: water lift in trees, electrical phenomena

Mark E. Perel’man, Galina M. Rubinstein|ArXiv.org|2006. 11. 14.

Botany and Plant Ecology Studies참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 식물 세포의 이온 유도 막 전위 변화가 쿠론력과 탄성력의 불균형으로 인해 초음파 진동을 유도하며, 이로 인해 수목의 수관에서 물을 들어 올리는 데 기여하는 음향 유량이 발생한다고 제안한다. 이러한 진동은 나무에서 관찰된 초음파 방출과 광엽세포 유동 내 입자 재분포를 설명하며, 수관에서의 예측 주파수 범위는 150–200 kHz이고, 광엽세포에서는 더 높은 주파수를 가진다.

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

연구 동기 및 목표

• 펌프가 없는 고층 나무에서의 수분 이동 메커니즘을 설명하고, 세포막의 초음파 진동을 구동력으로 제안한다.
• 막 진동과 연결하여 광엽세포에서 관찰된 초음파 방출과 입자 재분포를 설명한다.
• 이온 유량이 막 전위를 변화시키고 기계적 및 전자기 복사 방출을 유도하는 역할을 탐색한다.
• 식물 세포의 기계적 및 전기적 성질을 바탕으로 수관과 광엽세포에서의 초음파 진동 주파수 범위를 추정한다.
• 실험적 검증을 위한 가능한 예측을 제안하여 식물에서 발생하는 음향 및 전자기 방출을 측정한다.

제안 방법

• 이온 유량에 의해 유도된 전하 밀도 변화로 인해 발생하는 탄성력과 압축 쿠론력 간의 불균형으로 인해 막 진동을 모델링한다.
• 정전기학과 탄성 이론 원리를 적용하여 막 진동과 초음파 방출 조건을 유도한다.
• 식물 세포막의 기계적 특성과 이온 유량 역학을 사용하여 진동 주파수를 추정한다.
• 막 진동으로부터 전달되는 에너지를 고려하여 음향 유량의 힘을 수관 내 수분 이동과 연관시킨다.
• 수관과 비교해 구조적 및 기계적 특성이 다름에 따라 광엽세포에서 더 높은 진동 주파수를 예측한다.
• 생명체에서의 음향 및 전자기 복사 측정을 통해 실험적 검증을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 식물 세포막을 관통하는 이온 유량은 어떻게 초음파 진동과 음향 유량을 유도하는가?
• RQ2 수관과 광엽세포에서의 초음파 진동 주파수 범위는 예측되며, 그 차이는 무엇인가?
• RQ3 막 진동은 고층 나무에서 물을 들어 올릴 만큼의 충분한 기계적 힘을 생성할 수 있는가?
• RQ4 막 전위 변화는 이러한 진동의 유도 및 유지에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 음향 및 전자기 측정을 통해 제안된 메커니즘은 어떻게 실험적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 이온 유량에 의해 유도된 막 전하 밀도 변화는 쿠론 압축력과 훅의 탄성력 간의 力 불균형을 유도하여 막 진동을 유도한다.
• 이러한 진동은 수관에서 약 150–200 kHz, 광엽세포에서는 약 3배 높은 주파수로 추정되는 초음파 복사를 발생시킨다.
• 이로 인한 음향 유량은 고층 나무 내 수분 이동을 설명하는 데 충분한 에너지를 제공한다.
• 이 메커니즘은 광엽세포 유동에서 관찰된 초음파 방출과 입자 재분포를 설명할 수 있다.
• 동일한 진동 과정의 부산물로 전자기 복사 방출이 예측된다.
• 이 모델은 식물에서 발생하는 음향 및 전자기 방출을 검출하여 제안된 메커니즘을 실험적으로 검증할 수 있는 검증 가능한 프레임워크를 제공한다.