细胞膜无形运动通过挠曲电效应产生电流获科学家证实

一项新的理论模型证实，活细胞膜上持续存在的微小运动能够通过一种称为“挠曲电效应”的物理机制产生跨膜电压和电流。这项研究为理解细胞间的通讯、能量收集以及神经元信号传导提供了新的物理学基础。

该研究由Pradeep Sharma及其同事领导，他们构建了一个数学模型，阐述了这一现象的理论基础。研究成果已于2025年12月在《PNAS Nexus》期刊上发表。该模型精确描绘了细胞膜的波动，这些波动源于诸如ATP水解等核心细胞内活跃的分子过程。这些分子活动在细胞膜上引发了起伏不定的机械力，进而通过挠曲电耦合，导致了跨膜电压的变化。

关键的量化分析显示，这种机制产生的电压峰值可高达90毫伏，其时间尺度处于毫秒级别，与典型的神经元动作电位曲线相吻合。挠曲电效应本身是所有电介质材料中普遍存在的机电耦合现象，即材料的应变梯度会诱导电极化。研究指出，尽管热力学平衡下的细胞膜波动不足以产生净能量，但细胞作为由ATP消耗驱动的非平衡系统，其主动波动与挠曲电效应耦合，方能产生可观的跨膜电压。

该理论框架提出了一个重要推论：活跃的细胞膜波动产生的驱动力，可能帮助离子克服电化学梯度，实现跨膜运输。研究人员将细胞膜的弹性与介电特性与离子转运的方向性联系起来，为理解离子转运机制提供了新的物理基础。此外，该研究的理论框架在材料科学领域具有潜在应用，可启发开发模仿细胞电学特性的“智能”材料。

从更广泛的生物物理学角度看，挠曲电效应已被认为与骨骼修复和听觉机制等生物功能相关。本次研究通过将这一效应与ATP水解这一基本的细胞能量转化过程直接关联，清晰地建立了微观细胞力学与宏观生物电现象之间的联系，超越了以往仅依赖化学或电学模型的局限性。