[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出，植物细胞中由离子驱动的膜电位变化导致库仑力与弹性力失衡，从而引发超声振动，产生可提升木质部中水分并诱导电磁现象的声流。这些振动解释了树木和韧皮部中观测到的超声发射现象以及颗粒再分布，预测木质部中超声振动频率为150–200 kHz，韧皮部中更高。

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

研究动机与目标

• 解释无泵机制下高大树木中水分运输的机理，提出细胞膜中超声振动作为驱动力。
• 通过将膜振动与膜电位变化关联，解释观测到的超声发射和韧皮部颗粒再分布现象。
• 探讨离子流在改变膜电位、产生机械与电磁辐射中的作用。
• 基于植物细胞的机械与电学特性，估算木质部与韧皮部中超声振动的频率范围。
• 提出可通过实验验证的声学与电磁辐射预测，以供实验检验。

提出的方法

• 将膜振动建模为离子流引起电荷密度变化后，库仑压缩力与胡克弹性恢复力失衡的结果。
• 应用静电学与弹性力学原理，推导膜振荡与超声辐射的条件。
• 利用植物细胞膜的机械参数与离子流动力学估算振动频率。
• 将声流功率与木质部中水的提升能力关联，考虑膜振动的能量传递。
• 预测由于结构与机械差异，韧皮部中的振动频率高于木质部。
• 建议通过测量活体植物的声学与电磁辐射实现实验验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子流如何通过植物细胞膜导致超声振动与声流？
• RQ2 木质部与韧皮部中超声振动的预测频率范围是什么？二者有何差异？
• RQ3 膜振动是否能产生足够的机械功率以提升高大树木中的水分？
• RQ4 膜电位变化在触发与维持这些振动中起什么作用？
• RQ5 如何通过声学与电磁测量实验验证所提出的机制？

主要发现

• 离子流引起的膜电荷密度变化导致库仑压缩力与胡克弹性力之间的力失衡，从而触发膜振动。
• 这些振动产生频率估计为150–200 kHz的超声辐射，韧皮部中频率约为木质部的三倍。
• 由此产生的声流可产生足够功率，解释高大树木中的水分运输。
• 该机制可解释观测到的超声发射与韧皮部流中颗粒的再分布现象。
• 电磁辐射被预测为同一振动过程的副产物。
• 该模型为检测植物声学与电磁辐射提供了可验证的框架，可作为该机制的实证依据。