植物的細(xì)胞力學(xué)行為研究及在水果機械損傷研究中的應(yīng)用.pdf

1、植物生長在自然界中,必然會受到各種外界環(huán)境包括機械應(yīng)力的刺激,因此生長和應(yīng)力的關(guān)系一直是生物學(xué)家、物理學(xué)家和力學(xué)家所關(guān)心的課題,生物力學(xué)的開拓者之一馮元楨先生說過,"應(yīng)力—生長關(guān)系是生物力學(xué)的活的靈魂",對植物生物力學(xué)的研究也是如此.很早以前,人們就認(rèn)識到機械力的作用對植物生長能產(chǎn)生明顯的影響,諸多學(xué)者對機械應(yīng)力刺激的研究結(jié)果表明,機械力的刺激在生物內(nèi)部會產(chǎn)生一系列的復(fù)雜生理和化學(xué)響應(yīng);并且這些響應(yīng)的強弱與外界機械刺激力的大小和類型有密

2、切的關(guān)系.機械應(yīng)力刺激對植物的生長發(fā)育和形態(tài)發(fā)生產(chǎn)生明顯的影響,但其作為機理到現(xiàn)在為止并不清楚.要弄清"應(yīng)力—生長關(guān)系"機理,首先要了解宏觀的外力如何傳遞到細(xì)胞中去的和外力的刺激是如何在細(xì)胞間分布和傳遞,即要研究宏觀的組織受力與細(xì)胞層次受力的關(guān)系.只要知道了宏觀受力在細(xì)胞間的傳遞和分布特點,才能揭示機械應(yīng)力刺激對植物的生長發(fā)育和形態(tài)發(fā)生影響的機理.同樣要真正弄清水果蔬菜機械損傷的機理,也必須了解宏觀的外力和水果蔬菜細(xì)胞力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系,以

3、及外力在細(xì)胞間分布和傳遞,從而更深入認(rèn)識細(xì)胞在外載作用下破裂的可能性.但目前關(guān)于外力在植物組織細(xì)胞內(nèi)的傳遞和分布的研究幾乎還是空白,而對水果損傷的研究主要集中在宏觀損傷機理和實驗的研究上,沒有見到從細(xì)胞層次研究的報導(dǎo).該文主要研究宏觀的外力如何傳遞到細(xì)胞中去的和外力的刺激是如何在細(xì)胞間分布和傳遞,即外力與細(xì)胞層次受力的關(guān)系,嘗試從細(xì)胞受力的角度分析水果機械損傷的機理等問題.該文根據(jù)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的力學(xué)特點和力學(xué)原理、利用有限元方法,以二維

4、問題為研究對象,建立了能夠描述植物細(xì)胞單體受力變形、細(xì)胞壁應(yīng)力和內(nèi)壓變化和便于建立宏觀植物組織力學(xué)模型的單細(xì)胞力學(xué)模型.在建立的單細(xì)胞力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,建立了細(xì)胞形態(tài)為多面體的植物組織的細(xì)胞力學(xué)模型.利用ANSYS有限元計算軟件和MATLAB計算軟件對植物單細(xì)胞和宏觀組織力學(xué)模型進(jìn)行了分析和計算.在細(xì)胞層次對壓縮和剪切外力如何傳遞到細(xì)胞中去的和外力是如何在細(xì)胞間分布和傳遞,即宏觀的組織受力與細(xì)胞層次受力的關(guān)系進(jìn)行了分析.在對植物單細(xì)胞和

5、植物組織宏觀力學(xué)模型的分析計算中,推導(dǎo)出了細(xì)胞內(nèi)壓改變量的計算公式.獲得了反映植物細(xì)胞變形時,面積保持不變的條件方程.給出了一個保證計算結(jié)果同時滿足力的平衡與面積不變條件的新的計算方法.在建立的植物組織的細(xì)胞力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對細(xì)胞形狀為多面體的植物(蘋果等植物)的機械損傷進(jìn)行了細(xì)胞層次的分析和模擬.利用實驗直接和間接的證明了模型的正確性.而且,還根據(jù)植物細(xì)胞膜上電荷分布的特點,利用電學(xué)和力學(xué)原理首次推出了植物細(xì)胞膜上電荷產(chǎn)生的細(xì)胞內(nèi)壓