CC BY
29НА УКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2006, №2
УДК 543.3 В 58
Влияние акустических воздействий на структурные перестройки водных и водно-солевых надмолекулярных кластеров и, как следствие, на продуктивность и солеустойчивость Phalaroides arundinacea (L.)
А.А. Шеин, Б.М. Кершенгольц
В работе исследовано формирование ответной адаптивной реакции проростков семян Phalaroides arundinacea (L.) на звуковое воздействие.
Изменение физиолого-биохимических параметров проростков семян является отражением структурных перестроек водных и водно-солевых кластеров. Детекция структурных изменений в воде и водных растворах NaCl, происходящих при воздействии экзогенных физических факторов, проводилась с применением метода газоразрядной визуализации (ГРВ). Отмечено повышение энергии прорастания семян в 2,3 раза, лабораторной всхожести — в 1,5 раз и общей фитомассы - в 1,8 раз при воздействии звука в диапазоне 3-6 кГц; в целом отмечено снижение активности антиоксидантных систем за счет переструктурирования водно-солевых кластеров, а также конформационных изменений биополимерных молекул (в том числе ферментов).
In work forming of reciprocal adaptive reaction of seeds sprouts of Phalaroides arundinacea (L.) at influence of a sound is investigated.
Change of physiological-biochemical parameters of seeds sprouts is reflection of structural reorganizations water and water-salt clusters. Detection of structural changes in water and the water solutions NaCl as a result of influence exogenous physical factors; it was carried out with application of gas-discharge visualizations method (GDV). Increase of energy seeds germination in 2,3 times, laboratory germination - in 1,5 times and by the common phytomass - in 1,8 times more is noted at influence of a sound in a range 3-6 kHz; decrease in activity of antioxidative systems due to reconfiguration water-salt clusters, and also conformational alteration of biopolymeric molecules (including enzymes) is noted.
Изучение молекулярных механизмов адаптации растений к неблагоприятным факторам среды (засолению, дефициту влаги) необходимо для решения задачи повышения их соответствующей устойчивости. В этой связи большой интерес представляют исследования воздействий физических факторов на воду как в семенах и тканях растений, так и в среде их произрастания (почвенные растворы, поливная вода) [6, 7, 14, 22] в целях увеличения скорости всасывания воды, Ч15менения её респирации за счёт пере-структурирования водных (водно-солевых) кластеров.
Известно, что воздействие электромагнитных и иных излучений на элементы биосферы (по Вернадскому) происходит в значительной степени на молекулярном и субмолекулярном уровнях [17]. Рецепция этих воздействий приводит к изменениям физико-химических характеристик и конформаций макромолекул белков,
ШЕИН Алексей Анатольевич - аспирант ЯГУ, м.н.с. ИСЛ АН РС(Я); КЕРШЕНГОЛЬЦ Борис Моисеевич - д.б.н., проф., гл.н.с. ИБПК СО РАН. НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2006, №2
нуклеиновых кислот и др., а также надмолекулярных кластерных систем, образованных слабыми взаимодействиями, в первую очередь, воды, размеры фрактальных элементов которой на высоких уровнях структурообразования доходят до 1 мкм [8, 10]. При этом энергия внешнего воздействия может быть сверхмалой, а реакция организма усиленной на много порядков, так как она является результатом функционирования системы «усиления сигнала», в основе которой лежит фундаментальное свойство живой материи - кооперативность [3, 6]. Реакции биологических систем, обусловленные информационными воздействиями, зависят не от количества энергии (как в случае энергетических воздействий), вносимой в ту или иную систему, а от сигнала, несущего информацию и вызывающего только перераспределение энергии или вещества в самой системе [13]. Таким образом, реализуется управление внешними факторами процессами, происходящими в биологической системе. По-видимому, живая природа в процессе эволюции использовала для получения информации об изменениях во внешней среде и формирования
реакций на них не только экзогенные [17], но и эндогенные сверхслабые электромагнитные излучения [1,2].
Имеются данные о позитивном влиянии звуковых колебаний в области 3-6 кГц на урожай овощных, зерновых культур и декоративных растений [7, 14, 22]. Образующиеся под действием этих колебаний измененные водные кластеры, последовательно взаимодействуя между собой, приводят к «насыщенным» матрично-поляризованным ячейкам, из которых формируется новое устойчивое информационно-фазовое состояние водной среды [8]. Кластеры воды и водных растворов можно рассматривать как первичный приёмник воздействий слабых полей, так как они являются открытыми, неравновесными, нелинейными системами, способными к самоорганизации и, вследствие этого, обладают высокой чувствительностью к слабым физическим воздействиям, в том числе к акустическим колебаниям [15, 24].
В настоящее время для исследований объектов живой и неживой природы применяются физические методы, позволяющие получать информацию о структуре (в том числе надмолекулярной) различных химических веществ, их растворов и смесей [3, 8], в том числе метод газоразрядной визуализации (ГРВ). Характеристики вторичного излучения структурированного вещества в видимой области спектра (включая интенсивность) отражают его степень структурированности и несут информацию о ней и ее изменениях при действии внешних факторов [9, 11, 21]. Ранее нами были выявлены диапазоны частот акустических колебаний, приводящих к дополнительному структурированию и упрочнению водных кластеров и деструктурированию водно-солевых кластеров, образованных с участием ионов СГ, а также диапазоны частот, оказывающих обратное действие на водные и водно-солевые кластеры [20].
Рабочая-гипотеза данного исследования заключалась в том, что воздействие на водно-солевые структуры среды, в которой происходит вегетация растений, акустическими колебаниями определенных частот, вызывающих снижение устойчивости водно-солевых кластеров и стабилизацию водных кластеров, приведет к увеличению доли диффузной воды, способной более активно всасываться корешками растений. В целом это вызовет повышение продуктивности и эффективное увеличение солеустойчиво-сти растений при произрастании даже на относительно засоленных почвах. В связи с этим ос-
новная цель данной работы заключалась в изучении влияния акустических колебаний на изменение физиолого-биохимических показателей проростков Phalaroides arimdinacea (L), произрастающих на водно-солевых растворах.
Материал и методики
В работе использовались следующие материалы: дистиллированная вода, 0,14 и 0,28%-ные водные растворы NaCl (аналоги растворов, создающих осмотическое давление соответственно 1 и 2 атм. [14]), проростки семян двукис-точника тростниковидного, а также следующие методы: ГРВ-анализ жидких структурированных объектов [13], метод определения посевных качеств семян (значения энергии прорастания и лабораторной всхожести) [4], методики определения антиоксидантной активности на примере ферментов супероксиддисмутазы [23] и перок-сидазы [18], содержания низкомолекулярных антиоксидантов [18]. Также определялись общая фитомасса и масса отдельных проростков.
Акустическое сканирование воды и водных растворов NaCl проводили в частотном диапазоне 200-^15700 Гц (с шагом 500 Гц). Время экспозиции - 10 мин, сразу после этого проводилась съемка на ГРВ-камере [11]. Параметры полученных ГРВ-снимков фиксировались и автоматически обрабатывались с помощью компьютерной программы GDV Processor. Расчет данных проводился по отношению к воде, не подвергавшейся воздействиям (контролю), с помощью программ для статистической обработки Sigma Plot и Excel. Анализировалась площадь засветки ГРВ-грамма (S, пиксель), которая характеризует степень структурированности воды (отношение структурированной в кластеры воды и воды, не входящей в кластеры).
Чашки Петри с проращиваемыми в воде или растворах NaCl семенами подвергали акустическим воздействиям частотами 700, 3200, 5700 и 10200 Гц в течение 30 мин в определенное время суток: в 10-11 и в 17-18 ч, ежедневно в течение всего опыта [5, 16]. Данные обсчитывались с помощью программ для статистической обработки Sigma Plot и Excel и далее нормировались к неозвученному варианту проращивания семян на дистиллированной воде (контроль).
Результаты и обсуждение
Исследование влияния воздействий акустических колебаний на площадь засветки ГРВ-грамм
воды и водно-солевых растворов позволило выявить частоты, при которых звук вызывает снижение степени структурирования водно-солевых кластеров и повышение - водных кластеров, то есть выход части молекул воды из ионного окружения («позитивные» частоты), из которых в работе использовались 32001500 и 5700+500 Гц, а также частоты, при которых наблюдается обратный эффект - «негативные» частоты, например 7001500 и 102001500 Гц [20].
Анализ исследуемых параметров (энергия прорастания, лабораторная всхожесть, зеленая масса, активность антиоксидантных систем) по-
зволяет выделить 2 типа процессов, проявляющихся при действии экзогенных акустических волн: влияние акустических колебаний на ростовые процессы (модель проращивания на дистиллированной воде) и на формирование соле-устойчивости (сравнение моделей проращивания на водно-солевом и водном фонах).
Энергия прорастания. Анализ данных (рис. 1, А) указывает на стимулирующее воздействие «позитивных» акустических частот на ростовые процессы. Так, энергия прорастания повысилась на 63% при действии частоты 3200 Гц и на 89% - частоты 5700 Гц, в то время как
вода
0,14%
■контр. П3200Гц □ 5700 Гц Ш 700 Гц У10200 Гц
0,14%
В
0,28%
0,28%
Рис.1. Нормированные показатели энергии прорастания (А), всхожести (Б), общей массы (В) и массы 1 проростка (Г) семян двукисточника троетниковидного в зависимости от частоты акустических колебаний.
По оси абсцисс - концентрация хлорид-ионов в чашке для проращивания; по оси ординат - нормированные значения показателей (по отношению к неозвученному контролю, выращенному на дистиллированной воде)
воздействие частотами 700 и 10200 Гц не привело к изменениям этого показателя.
Отмечена тенденция снижения энергии прорастания (без озвучивания) по мере роста концентрации СГионов в системе, связанная с угнетением ростовых процессов. При действии «позитивных» звуковых частот на систему «вода-растение» отмечено статистически достоверное повышение энергии прорастания даже на фоне засоления 0,28% по NaCl. Это, по-видимому, свидетельствует о формировании «эффекта обессоливания», когда фактическое присутствие ионов не ощущается вследствие высвобождения свободной воды из водно-солевых кластеров и не приводит к водному дефициту для растения даже в присутствии солей.
Лабораторная всхожесть. Анализ данных, приведенных на рис.1, Б, указывает на статистически значимое повышение лабораторной всхожести на 23% при действии на систему «вода-проросток» «позитивных» частот 3200 и 5700 Гц, тогда как воздействие частотами 700 и 10200 Гц не привело к статистически значимым изменениям данного показателя.
Без «озвучивания» по мере роста концентрации Cl-ионов в системе наблюдается тенденция снижения лабораторной всхожести: в 1,3 раза при проращивании на 0,14%-ном растворе NaCl и в 1,7 раз - на 0,28%-ном растворе. «Озвучивание» частотами 3200 и 5700 Гц в исследуемом диапазоне концентраций СГ повышает всхожесть семян даже на фоне засоления, в то время как частоты 700 и 10200 Гц не вызывают заметного повышения данного показателя.
Наряду с повышением солеустойчивости несолелюбивых видов при акустических воздействиях 3200 и 5700 Гц на систему «вода-проростки» происходит увеличение биомассы в целом и массы каждого отдельного проростка (рис.1, В, Г).
Для «неозвученных» вариантов наблюдается уменьшение общей зеленой биомассы: в 1,27 раз при проращивании на 0,14%-ном растворе NaCl и в 1,75 раз - на 0,28%-ном растворе. «Озвучивание» «позитивными» частотами (рис. 1, В) привело к тенденции роста общей зеленой биомассы проростков на 30-^10%, «негативными» -к снижению этого показателя на 25-40%. При действии звука частотой 5700 Гц отмечено небольшое увеличение в 1,13 раз средней массы проростка. Воздействие «негативными» частотами приводит к резкому снижению средней массы проростка в 1,5-2,0 раза.
Полученные результаты позволяют предположить наличие физиолого-биохимического адап-
тивного процесса, заключающегося в повышении продуктивности и солеустойчивости проростков Рка1агои1ех агипйтасеа (Ь.), стимулируемого акустическими колебаниями определенных частот. Известно, что при действии таких факторов среды, как солевой шок и/или водный дефицит, в организме растения возникают повреждения, связанные с формированием оксида-тивного стресса [19]. Соответственно, адаптивный процесс должен включать изменения анти-оксидантных систем. Поэтому мы изучили изменения активности супероксиддисмутазы (СОД) и пероксидазы, концентрации низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО) при действии акустических колебаний определенных частот на проростки Р/га1агои/ех агипсИпасеа (Т.), произрастающие на солевом фоне.
Во-первых, воздействие «позитивными» частотами 3200 и 5700 Гц проростков канареечника снижало в 1,45 раз активность СОД, а «негативные» частоты (700 и 10200 Гц) не вызывали достоверно значимых отличий активности СОД от контроля (рис. 2, А). По-видимому, звуковые колебания способны вызывать структурные изменения молекул и цитоплазматических ферментов, поскольку они функционируют в водной среде, приводя тем самым к изменению скорости биосинтеза и метаболизма в клетках, позволяющему живым системам оперативно реагировать и настраиваться на любой изменяющийся физический фактор среды. Во-вторых, отмечено увеличение активности СОД с повышением концентрации СГ в среде (без «озвучивания»). Действие «позитивных» частот на проростки канареечника в условиях засоления приводит к незначительному снижению (в 1,2-1,4 раза) активности СОД по сравнению с «неозвученными» вариантами. «Озвучивание» же «негативными» частотами приводит к резкому снижению активности фермента в Ъ-4 раза в условиях засоления.
При акустической обработке «позитивными» частотами проростков канареечника, выращенных на дистиллированной воде, активность пероксидазы статистически не отличается от контрольного «неозвученного» варианта, в то время как при «озвучивании» частотами 700 и 10200 Гц наблюдалось повышение активности пероксидазы в 1,5 и 1,31 раза соответственно (рис. 2, Б).
В зависимости от концентрации соли в системе прослеживается тенденция снижения активности пероксидазы при «озвучивании» «позитивными» частотами, а действие «негативных» частот не приводит к статистически значи-
чхтаг
-тяж-
1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
I
1,55 ,
1,12
Ж1'0'
1,31
1.28 1,25
,1,21
оз 1 ,о:
1
У У
ы
ж
0,28%
мым различиям по сравнению с неозвученным вариантом. Этот факт позволяет предположить антиоксидантное действие «позитивных» частот самого звука. По-видимому, организм в условиях озвучивания «может себе позволить» снизить активность ферментативных антиоксидантных систем.
Возрастание концентрации СГ до 0,28% вызывает повышение общего содержания НМАО в клетках проростков (рис. 2, В), что, по-видимому, является адаптивной реакцией на усиление оксидативного солевого стресса. Воздействие «позитивными» звуковыми частотами в целом приводит к снижению этой нагрузки. Активность НМАО в связи с этим даже несколько снижается. Воздействие «негативными» звуковыми частотами при концентрации ЫаС1 0,14% вызывает также снижение содержания НМАО на ~ 30%, и только при концентрации №01 0,28% содержание НМАО повышается на 20-30%.
0,14%
0,28%
Рис. 2. Нормированные показатели активностей СОД (А), пероксидазы (Б) и общего содержания НМАО (В) в семенах двукисточника тростниковидного в зависимости от частоты акустических колебаний.
По оси абсцисс - концентрация хлорид-ионов в чашке для проращивания; по оси ординат - нормированные значения показателей (по отношению к неозвученному контролю, выращенному на дистиллированной воде).
Выводы
1. Показано, что акустические воздействия на систему «вода-проростки» двукисточника тростниковидного частотами, вызывающими дестабилизацию водно-солевых и стабилизацию водных кластеров (3200 и 5700 Гц), повышают энергию прорастания семян в 2,3 раза, лабораторной всхожести - в 1,5 раз, общей фитомассы - в 1,8 раз по сравнению с контрольными неозвученными вариантами, даже в условиях засоления 0,14% и 0,28% ЫаС1. Следовательно, указанные выше физические воздействия достоверно вызывают повышение солеустойчивости растений двукисточника тростниковидного
Воздействие звуковыми частотами, оказывающими обратный эффект на водные и водно-солевые кластеры (700 и 10200 Гц), такого достоверного действия на физиологические характеристики проростков двукисточника тростниковидного не оказывают.
2. Акустические воздействия на систему «вода-проростки» двукисточника тростниковидного при 3200 и 5700 Гц приводят к неизменности характеристик антиоксидантных систем, даже на фоне солевого оксидативного стресса, в отличие от звуковых частот 700 и
10200 Гц. По-видимому, это связано с антиокси-дангным действием самих частот акустических колебаний, стабилизирующих водные и дестабилизирующих водно-солевые кластеры - 3200 и 5700 Гц.
3. Вышесказанное позволяет рассматривать акустические колебания с частотами 3200 и 5700 Гц как один из перспективных и экономичных методов повышения продуктивности и соле-устойчивости растений.
Литература
1. Белоусов Л.В., Бурлаков А,Б., Лучинская H.H. Статистические и частотно-амплитудные характеристики сверхслабых излучений яйцеклеток и зародышей вьюна в норме и при оптических взаимодействиях. II. Изменение характеристик сверхслабых излучений при оптическом взаимодействии разновозрастных групп зародышей // Онтогенез. - 2003. - Т. 34, №6. - С.453 - 463.
2. Бурлаков А.Б., Аверьянова О.В., Пащенко В.З. и др. Лазерная коррекция эмбрионального развития вьюна // Вестн. Моск. ун-та. - Сер. 16. Биология. -1997.- №1. - С.19 - 23.
3. Бурлакова Е.Б., Конрадов A.A., Мальцева Е.Л. Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низкоинтенсиных физических факторов // Химическая физика. - 2003. - Т.22, №2. - С.21-40.
4. ГОСТ 19449—93. Семена многолетних злаковых кормовых трав. Посевные качества. Технические условия.
5. Григорьева Д.В., Степанов Г.Н., Попов С.Р., Лазарев И.К. Продуктивность и фотосинтетическая деятельность зерновых культур в Якутии. - Якутск, 1983.- 148 с.
6. Дорохов Г.П. Перспективы применения электромагнитных полей в растениеводстве. - Алма-Ата: Изд-во КазНИИНТИ, 1984. - 59 с.
7. Дубров А.П. Музыка и растения (влияние звуков и музыки на рост и развитие растений). - М.: Знание, 1990. - 64 с.
8. Зенин C.B. Водная среда как информационная матрица биологических процессов // I Международный симпозиум «Фундаментальные науки и альтернативная медицина»: Тез. докл. 22-25 сентября 1997 г. - Пущино, 1997. - С. 12-13.
9. Кершенголы( Б.М., Хлебный Е.С., Шеин A.A. Взаимосвязь Кирлиановского вторичного свечения воды, ее растворов и смесей, с надмолекулярными перестройками кластеров // Тезисы VII Международного конгресса по ГРВ биоэлектрографии «Наука. Информация. Сознание». - Санкт-Петербург, 6-8 июля, 2003. - С.37.
10. Кисловский Л.Д. Реакция биологических систем на адекватные ей слабые низкочастотные магнитные поля // Пробл. космической биол. - 1982. -Т. 43. - С.148-166.
11. Короткое КГ. Основы ГРВ биоэлектрографии. - СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001. - С. 17-19, 281.
12. Крогулевич P.E. Повышение солеустойчиво-сти люцерны в результате отбора на провокационном фоне // Интродукция и акклиматизация растений (селекционно-генетические аспекты). - Новосибирск, 1994.-С. 38-41.
13. Кудряшов Ю.Б., Перов Ю.Ф., Голеницкая H.A. Механизмы радиобиологических эффектов неиони-зирующих электромагнитных излучений низких ин-тенсивностей // Радиационная биология. Радиоэкология. - 1999. - Т.39, №1. - С.79-83.
14. Лисенков А.Ф. Влияние озвученной воды на семена древесных культур // Физиология растений. -1966. - Т.13, вып.4. - С.728-729.
15. Лобышев В.И., Попова И. Ю, Киселев В.И. Электрохимическая активация воды // Труды II Международного конгресса «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине». - СПб., 2000. -С.15- 18.
16. Максимов Т.Х. Эколого-физиологические исследования фотосинтеза ячменя в условиях Якутии: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - М., 1989. - 26 с.
17. Пресман A.C. Электромагнитное поле и живая природа - М.: Наука, 1968.-310 с.
18. Рогожин В.В. Методы биохимических исследований: Учебное пособие. - Якутск, 1999. - 93 с.
19. Федорова А.И. Роль антиоксидантных и ДНК-репарационных систем в формировании ответной реакции растительных клеток при действии стресс-факторов (радиация, температура, нитрат- и нитрит-анионы: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Якутск, 2004.- 18 с.
20. Шеин A.A., Кершенгольц Б.М. Влияние звуковых и световых волн на структурные перестройки водных и водно-солевых надмолекулярных кластеров // IX Международный научный конгресс по ГРВ Биоэлектрографии "Наука. Информация. Сознание" С-Петербург, 2-4 июля 2005 г. - С.203-208.
21. Шеин A.A., Хлебный Е.С., Кершенгольц Б.М. Газоразрядная визуализация - перспективы количественного и качественного определения веществ в жидкофазных растворах и смесях // Успехи современного естествознания. - 2004. - №7. - С.43
22. Шноль С.Э., Замятнин A.A., Сервазян А. Музыка, молекулы, биология // Знание - сила. - 1968. -№9. - С. 44-46.
23. Constantine N.G., Stanley K.R. Superoxide Dis-mutases in higher plants // Plant Physiol. - 1977. - Vol. 59. - P. 309-314.
24. Lobyshev V.l., Shikhlinskaya R.E., Ryzhikov B.D. Experimental evidence for intrinsic luminescence of water // J. Mol. Liquids. - 1999. - V.82. - P.73-81.
