《树木表面裂纹形成的生物力学机制》.pdfVIP

生物物理学报 2011 年9 月 第27 卷 第9 期: 779-788 ACTA BIOPHYSICA SINICA Vol.27 No.9 Sep. 2011: 779-788 研究论文/ Research Article 树木表面裂纹形成的生物力学机制 冯慧娟, 冯 露, 亢一澜, 沈 珉, 康 娴, 沈铠铠, 李 洁, 陈艳梅, 王 晰 天津大学机械工程学院，天津 300072 收稿日期：2011-01-17 ；接受日期：2011-03-01 基金项目：国家自然科学基金 通讯作者：冯露，电话：(022E-mail ：lu 摘要：树木生长过程中会产生很大的生长应力 这些力与植物的生长过程有哪些关联 回答这 ， ？ 个问题 有必要对应力与树木生长之间的关系进行研究 受近年来植物细胞力学研究的启发 ， 。 ， 本文采用连续介质弹性壳的力学模型 分析了树皮在树木生长过程中的应力状态 从材料强度 ， ， 的角度 解释了树皮表面纵裂的力学根源 同时 结合线弹性断裂力学的分析方法 并考虑了 ， 。 ， ， 树木材料的各向异性材料力学性质 给出了树皮表面裂纹张开位移随树木生长膨胀压力变化的 ， 规律 研究结果定性地解释了树木表面纵裂的规律 通常树皮表面裂纹沿树高逐渐变窄变稀 。 ： ， 裂纹的长度和裂尖张开位移均沿树木的高度方向减小 本文定性地阐明了树木生长应力与树皮 。 表面纵裂形貌之间的关联 为探索多学科的研究方法提供了更多的参考依据 ， 。 关键词：生长应力 表面裂纹 应力状态 断裂力学 ； ； ； 中图分类号：Q66 DOI ：10.3724/SP.J.1260.2011.00779 引 言 植物生长中存在着三个基本过程：细胞的生长、细胞的分裂和细胞的分化。这三个过 程都包含着重要的力学问题，引起了人们的高度重视，人们已经提出很多生物学和力学上 [1～4] 的理论模型来阐述这一问题 。植物向上生长需要克服重力作用，在这一过程中，力的支 撑主要来自于细胞壁和生长过程中产生的膨胀压力 turgor pressure [5]。生长动力来源于这 ( ) [3] 种膨胀压力，它是驱动生长的发动机 。生长过程中，组织膨胀产生的压力约是大气压的 [2] 10 倍 ，这样会在细胞壁上产生非常大的力。而膨胀压力在植物生长中是如何演化和发展 的？它是如何控制和影响植物形貌的？又是如何调节生长的？对这些问题的研究是近年来 植物学的热点研究方向。 为了精确研究植物几何形状的演化过程，植物学家从分子和基因的角度进行了深入的 研究，并且积累了大量分子和基因的数据。在过去几十年里，人们将主要研究精力放在了 化学信号对生理过程的影响上。然而，研究表明，植物各种形貌的演化过程不仅仅通过化