尚念科：自然电场与植物电生理学
2013-07-07 07:28阅读：
摘要
大气电离层相对地面有360KV的正电场，空气中含有大量的正负离子。生长在地球上的植物，在这个“电环境”的影响下，也建立了相应的生物电场。生物电场的产生和变化，同植物的光合、呼吸及营养物质的吸收运输等各种生命活动有着密切的关系。人工电场能够通过改变生物电位而对植物的生长发育产生调节作用。研究电与植物生命活动的科学称为植物电生理学。
随着近代各门自然学科的迅速发展，学科之间的相互渗透越来越广，新兴边缘学科不断兴起，使自然科学的发展进入了一个新的时期。植物电生理学就是将电学、化学、生物物理与生物化学、量子力学等多门自然科学相互结合渗透而形成的一门新兴边缘学科。
一、大气电场与绿色植物
自然界是一个电的海洋，距地面几千公里的大气电离层，相对地面约有360KV的正电位，并且在地面附近大约有130V/m的大气电场存在。同时，由于大气和地壳中某些放射性元素和宇宙射线的电离作用，以及雷电、降雨、风暴等自然运动的影响，使整个大气层中充满了各种带电离子。近地面大气中，各种离子在大气电场的作用下，自然形成了一股源源不断的传导电流—晴天大气电流。就全球而言，由大气流向整个地表的电流为1800安培[1]，也即相当于每秒钟有1800库仑的正电荷从大气流进地球。雷雨天气时，电场的变化更为剧烈，地面场强可达300V/m—600V/m以上。为了维持大气—地球的电量平衡，又通过雷电、降雨、地面尖端放电等过程得到补充，使整个大气电场始终处于既不断变化，又相对平衡的状态。
绿色植物诞生以来，就每时每刻都生活在这个电的海洋里，使电场同光照、温度、大气等其它环境物理因素一样，成为影响植物生长发育及进行各种生命活动的必要条件。植物在长期的进化和演变过程中，其外部的形态特征和内部的有序结构及遗传特性，也都建立了一定的适应性。从器官组织到细胞内部，都表现有一定的电位存在，并发挥着重要的作用。植物生长发育的实质，也就是外部自然电场和内部的生物电场相互作用、相互平衡的结果。
二、植物体内的生物电位
植物在整个生长发育过程中，由于大气电场及植物体内各种生命活动的作用，不同的器官和组织之间都存在着一定的生物电位，生物电位的产生和存在是植物正常生长发育所必不可少的。一旦生物电位消失，生命也即死亡。
植物体内
生物电位的产生，主要是呼吸代谢过程中，电子传递链上各载体间传递电子时释放出的一部分能量以电势梯度和离子梯度的形式表现出来。从而造成各个不同部位之间都存在着一定的电位差。如：细胞膜两侧一般有几十毫伏以上的电位差；苹果果实的生态学上端和下端有几百毫伏的电位差；黄瓜生态学上端的电位始终低于下端。
生物电位的变化规律，主要与光照、温度等环境因素和季节、生长发育周期等有着直接的关系。就整体来说，代谢活动旺盛的部位，生物电位高于其它部位。光合器官的电位离于呼吸消耗部位的电位。即“源”的电位始终高于“库”的电位。就多年生植物而言，在春天根系的电位高于地上部分，到了秋天，地上部的电位又高于根系。同时，植物为了适应生长的需要，其尖端部位不断地向空中发射电子而产生空气负离子来和大气电场平衡。这一点无论对人类的生存环境还是对植物体本身，都是有重要的意义。
近代科学研究证明，呼吸代谢作用产生的能量，主要以电能的形式发挥作用（电势梯度和电位差）。光合、呼吸、营养物质的吸收运输等各种生命活动的进行，都是代谢能量作用的结果。根据生物力能学原理
[2]，ATP酶在膜上水解，将H
+泵入膜外，膜内电位降低，造成膜两侧的离子梯度和电位差，这是一个能量释放过程，即：
ATP→→→→→→→→→ADP+Pi
跨膜电势形成后，可直接用于物质的分解、合成、转移及其它生命活动的需要。当光合或呼吸造成膜外电位高于膜内时，即可有一个H
+转移到膜内的同时将一分子ADP转化为一分子ATP，即：
ADP+Pi→→→→→→→→→ATP
质子的跨膜转移是一个化学能和电能的转换过程，H
+由膜内移至膜外是一个放能过程，当H
+由膜外转移至膜内时是一个贮能过程。
生物电位的高低主要是能量大小的标志，它不同于一般电学中的电势概念。由于膜的特殊透性和植物输导组织的特殊结构，决定了荷电物质的运动形式和运动状态与导体内电子的运动形式和运动状态完全不同，离子在输导组织内的传递，就象用量子线传递电能一样具有极高的传输效率。1mV的生物电位差即相当于23.06卡/摩尔的能量，200mV的膜电位的能量即相当于一个300KV·cm
-1的电场
[3]。因此，植物体内几十至几百毫伏的电位差，就可以满足各种生命活动的需要。
三、生物电位对生命活动的作用
植物在正常的生长发育过程中，各个不同部位和器官之间，既相互促进，又相互矛盾。因此，从整体的角度首先在器官，组织水平上对电生理进行研究，对尽快地应用和指导生产实践具有重要的意义。
实验研究证明，植物的各种生命活动都离不开生物电位的产生和作用。
光合器官的电位必须离于生长消耗部位的电位，光合产物才能向
外运输，光合作用才能正常进行。如果“源”和“库”之间的电位差为零，则光合作用停止。因此，成熟的叶片大都以宽大的叶面向上正对着空间，以接收更多的空气正离子来提高自身的电位。而生长部位的叶尖则直立向上，不断向空间发射负电荷，以中和部分空气正离子，使之在小范围内形成一个自然“保护区”，保证生长点始终处于低电位。同时，光合器官保证一定的正电位，才能激发叶绿素分子使水发生“光解”，产生大量的质子和电子。电子通过沿着氧化还原电位梯度的相反方向传递，最后导致由H
2O产生O
2与NADP，从而为CO
2还原为碳水化合物提供能量和氢源。因此，有利于光合补偿点的降低。
在呼吸过程中，1分子葡萄糖完全氧化为CO
2和H
2O能产生38个ATP。ATP在膜上水解后产生的化学势梯度和电势梯度，就能供各种生命活动利用。当磷酸化程度高时，ATP增加，能荷提高（能荷={[ATP+（1/2）ADP]/[ATP+ADP+AMP]}×100%）。能荷的反馈控制会降低ATP的产生。因为在能荷提高的情况下，质子浓度差和电势差都较高，在这种情况下，膜内的负电位升高，呼吸氧化酶在负电位较高情况下则容易产生“纯化”，因为控制呼吸氧化酶都是辅基含Fe的有机物。Fe
8+是一个中等强度的氧化剂
[3],在负电场中容易得到电子变成还原态的Fe
8+。如：
细胞色素a- Fe
8++e→细胞色素a- Fe
2+
铁氧还蛋白- Fe
8++e
-→铁氧还蛋白- Fe
2+
因此，酶的活性降低，使呼吸作用受到抑制，若生命活动旺盛时，代谢能量会被及时地消耗利用，使跨膜电势差降低，这时呼吸作用会自动加强，以重新释放能量来维持新的平衡。
根系主动吸收所消耗的能量也主要来自呼吸，根细胞膜上的ATP，在Mg
2+存在下，被
K
+所激活，向细胞膜外释放质子形成质子动力（pmf）。
Pmf=△PH+ψ
式中△PH为细胞膜两边的H
+浓度差，φ为跨膜电势差。细胞外的阳离子在跨膜电位的作用下进入细胞，阴离子在化学势梯度的作用下进入细胞。根据能斯脱公式计算，-118mV的电位差可抵消100倍的浓度逆差。正常的根细胞相对土壤的电位差一般在几十至几百毫伏，这个能量足以能够把矿质离子吸收进入根细胞。在土壤—植物—大气连续系中，根系内皮层细胞的共质体部分和导管末端的叶肉细胞，可以看作是封闭在导管两端的两层膜，植物对养分、水分吸收运输的主要动力，都是来源于这两层膜上（称为双膜泵）。
有机物在植物体内运输的电生理原理，可看作是蔗糖、质子复合体（蔗糖/H
+），用K
+作载体（K
+—糖—H
+），在电化学梯度的作用下，可透过质膜或通过质外体由高电位向低电位协同运输。据资料证明，-150mV的膜势，可使细胞内积累高于膜外100倍的蔗糖。用可溶性固形物较高的果实试验证明，外加电场可使果实局部糖的浓度升高。这说明光合产物的运输动力也主要来源于电势梯度。
四、人工电场对植物生长发育的作用
自然电场每时每刻都在影响着植物的生长。植物体内的各种代谢活动也都按各自的变化规律不断地提供生命活动所需的能量。但自然电场的能量毕竟是有限的（3.5×10
-10安培/厘米
2），而且自然电场的变化规律往往和植物生长发育的需要不能同步。而植物体内的生物电位，由于受生长发育周期的制约和个体遗传特性的限制，不可能按照人们理想的愿望而发生变化。因此，在了解和掌握各种植物生物电位变化规律的同时，按照有利于生物产量形成的要求，利用人工电场调节和控制植物的生长，对大幅度提高单位面积产量将是一条切实可行的途径。
实验证明，用物理方法或化学方法都能使植物的生物电位得到改变，而且能直接或间接地影响各种生命活动的进行。
正输出的高压静电场或离子雾能直接提高植物叶片的生物电位，激发叶绿素分子在弱光条件下也能同化CO
2，一方面加强了光合产物的运输动力，同时还降低了光合补偿点，使植物的有效光合时间延长。用60—120KV/m的静电势处理黄瓜幼苗，可使光合补偿点从750lux降低到250lux
[4]。用高压静电场处理作物的种子，对种子活力和各种酶的活性有显著的影响，一般可增产15-30%以上。用200KV/m的静电场处理玉米种子10分钟
[4]，脱氢酶的活性可提高16.7%，种子活力指数提高13.8%，淀粉酶活性提高39.5%。
负输出的高压静电场或离子雾作用于植物器官后，能促使其内部向ATP合成的方向进行，使能荷提高，能荷的反馈控制，使呼吸代谢活动降低，这种机理可用于各种果蔬的贮存保鲜和控制生长方面。
静电场对植物矿质营养的吸收运输具有直接和间接的双重作用。静电感应可使植物体内的阴阳离子沿不同的方向运动，符合静电感应原理。这是个直接给予能量的过程。另一个作用就是外加电场停止作用后，由于“充电”的作用，植物体内出现重新平衡，荷电物质会再次发生移动。实验证明，恒负压和瞬降的正电场有利于阳离子的吸收，缓升的正电场有利于阴离子的吸收。在电场的作用下，植物还能克服低温和其它不利环境因子的影响，而保证正常的吸收。据实验，在15℃的环境中
[5]，电场达23—25KV/m时，对K
+和Ca
2+的吸收可达到18—19℃环境中的吸收量；在10℃的环境中，场强为28KV/m的静电场作用40分钟后，可使植株对H
2PO
4的吸收达到15℃环境中的吸收量。
用一个高阻抗人工电源，摸拟人呼吸代谢产生的能量，使其作用于根系外部营养液和木质导管之间，则完全可以将矿质离子吸收到导管内并向上运输。同时，导管内因水势降低水分也沿着导管上升溢出。撤离电源后，溢液马上停止。这个实验与根压的现象相似，但根压的能量是来源于根细胞的呼吸代谢，而这个实验的能量则是利用人工电场来维持两侧的电势梯度。
酸性物质和碱性物质都有改变生物电位的作用。用一定浓度的醋酸溶液喷洒到植物叶片上后，能使叶片的生物电位在30分钟内由-220mv变为-135mv。用PH为9的碱性溶液喷洒叶片后，能使叶片的生物电位在60分钟内由-150mv变为-400mv。利用酸碱度人工调节产生质子浓度差，同样具有ATP合成的功能。用叶绿体在暗处实验，当外部PH突然由4增加到8时产生4个单位瞬时跨膜PH梯度，便能够诱导合成ATP。线粒体合成ATP的条件则和叶绿体相反，但利用人工调节制造质子电化学电位差，也同样具有合成ATP的功能。
高压静电场在细胞工程、基因工程的研究方面也已开始应用。利用人工电场进行细胞融合，能有效地清除细胞本身的布朗运动和细胞外膜表面所带负电荷的相互作用，提高融合频率，有利于杂交细胞的形成和培养，而且还可以促进细胞的增殖，加快细胞的繁殖速度。在组织培养和细胞培养中，可利用人工电场诱导分化，提高分化频率。利用高强度的直流脉冲，能使细胞膜击穿
[6]，同时还能引起基因的断裂、重组和移植，为选育优良品种而提供大量的种质资源。美国利用“电穿击法”已将一种新的基因植入玉米细胞，成功地培育出了高营养、抗病力强的新品种。利用人工电场进行远缘无性杂交也已取得成功。
总之，自然电场、生物电场的存在和作用已充分得到证实，人工电场对植物生长发育的调节作用也已得到肯定。但是，要想使人工电场能够按照人们的意愿去发挥理想的作用，还必须对生物电位的产生机理和变化规律进行系统的研究，建立起一门研究电与植物生命活动的新兴科学—植物电生理学。为人类解决绿色生产问题开辟一条理想的道路。
参考文献：
[1] 周诗健等：《大气中的声、光、电》。1982，科学出版社
[2]（英）D.G.尼柯尔斯：《生物力能学》。1987，科学出版社
[3]（日）香川靖雄：《生物膜与生物能》。1979，科学出版社
[4] 阎立等：《静电生物效应》。1989，万国学术出版社
[5] 刘滨疆等：《静电研究与进展》。1992，内蒙古大学出版社
[6] 关效圣等：《静电生物效应》。1989，万国学术出版社
