植物与它们的天敌之间的长期进化斗争，导致两者都具有多种感知能力。近年来的研究表明，在环境声音的刺激下，植物可呈现转录组、蛋白质组和激素的变化：例如，声波可加速种子萌发，提升抗逆性，促进果实成熟，助力光合作用等，目前，相关的物理机理鲜为人知。尽管有学者提出振动可能是植物表皮毛被激活的潜在机制，但最新的研究表明，植物表皮毛的力敏感离子通道可以感知到10 Hz左右的低频振动信号，却无法响应高频刺激下力信号的快速变化。
为探究植物对声波的力学响应机理，南京航空航天大学卢天健教授带领团队展开了系统深入的研究。基于实验观察，团队成员采用理论计算和数值模拟等手段，研究了声波作用于西红柿表皮毛（图1）的声辐射力。由于空气中声波的粘性边界层与植物表皮毛尺寸相当，故在模型构建过程中考虑空气粘性的影响，并提出采用摄动理论求解Navier-Stokes方程的方法，计算出作用于表皮毛的声辐射力。研究表明：空气的粘性会显著影响声辐射力的分布，这主要是因为粘性会诱发出剪切横波，直接改变声辐射力；同时，由于散射的复杂性以及空气粘性的共同作用，在表皮毛附近会出现声流。通过计算西红柿表皮毛根部的张力可知，一些天敌的叫声足以激活其特定的力敏感离子通道。此外，由于植物细胞存在液泡，细胞膜本身处于预拉伸状态，这使得声辐射力对表皮毛细胞的激活变得容易。
图1 西红柿表皮毛示意图：(a) 西红柿茎上的非腺性表皮毛和(b) 腺性表皮毛(箭头所示)。
近期，该成果以“Acoustic radiation force on a long cylinder, and potential sound transduction by tomato trichomes”为题发表在国际生物力学著名期刊Biophysical Journal上。文章的第一作者为南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室卢天健教授的博士研究生彭祥军，卢天健教授和美国圣路易斯华盛顿大学的Guy Genin教授为论文的共同通讯作者。
