CC BY
127Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 24 (63). 2011. № 1. С. 10-17.
УДК 573.6: 537.86
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА РАСТЕНИЯ
Богатина Н.И.1, Шейкина Н.В.2
1Физико-технический институт низких температур НАН Украины, Харьков, Украина
2Национальный фармацевтический университет, Харьков, Украина
E-mail: [email protected]
Представлен обзор литературных данных о влиянии электрических полей на растения. Ключевые слова: электрическое поле, гипомагнитное поле, электромагнитное поле.
Влияние экранирования ЭП земли на растения
Электрическое поле (ЭП) атмосферы Земли является одним из факторов среды обитания. В естественных условиях биологические объекты находятся под его непрерывным воздействием. Оно действовало на наземные организмы на всем протяжении эволюции со времени выхода жизни на сушу. Однако в современной жизни человек часто сталкивается с условиями, в которых естественное ЭП атмосферы может экранироваться или искажаться, например: металлическими крышами домов, железобетонными зданиями, средствами транспорта и т.д. ЭП отсутствует также в подводных лодках, космических кораблях, где растениям в будущем отводится важная роль для регенерации газового состава, а также для пополнения продуктов питания [1]. Поэтому вопрос о биологической роли природных ЭП в жизни организмов и, в частности, растений является актуальным.
СЭП атмосферы Земли не имеет горизонтальной составляющей, поэтому выявить его влияние при помощи ориентации, как это было в случае биообъекта в ГМП, не представляется возможным. Остается, по крайней мере, два пути обнаружения действия этого поля. Первый - это экранирование растений от СЭП с помощью различных экранов. При этом контроль обычно проводился в обычных условиях вне экрана. Однако в настоящее время не существует экранов, которые экранировали бы только СЭП, не искажая других полей. Очевидно, что при такой методике эксперимента не получается изучать в «чистом виде» влияние СЭП атмосферы Земли. Второй путь - это моделирование этого поля путем создания искусственных СЭП с напряженностью СЭП атмосферы Земли в экранированных условиях. Однако основная масса экспериментов выполнена по первой методике. Рассмотрим результаты имеющихся немногочисленных опытов с растениями, экранированных с помощью различных экранов.
Шидловская и Журбицкий [2] выращивали кукурузу под заземленной металлической сеткой, которая имела ячейки 3.5х3.5см, освещенность при этом снижалась незначительно. Контролем служили свободно растущие растения на
открытой грядке. Оказалось, что кукуруза под сеткой росла хуже и развивалась медленнее, плохо усваивала минеральные элементы.
Однако не все растения одинаково реагируют на экранированное ЭП. Под сеткой сырой вес кукурузы составлял 72 %, а редиса 123 % от контроля [3].
В работе [4] изучали движение листьев фасоли при экранировании естественного ЭМП густой латунной сеткой. Выращивание растений в таком экране с момента посева приводит к постепенному исчезновению начального ритма движения листьев, а в дальнейшем наблюдалась тенденция к прекращению движений. В то же время при переносе растений из обычных условий в экран различия были выражены менее значительно. У растений, выросших в экране, листья фасоли раскрывались на 2-5 дней позднее, площадь их уменьшалась, а длина корешков увеличивалась. В работе высказано предположение, что одним из датчиков времени и синхронизации суточных ритмов движений листьев фасоли могут быть колебания ЭМП Земли. К сожалению, используемый экран был тесен для растений, так что иногда приходилось их подрезать. К тому же, автор не привел ни коэффициент экранирования МП экраном, ни величины магнитных индукций остаточных МП в нем.
В опытах Новицкого [5] был исследован баланс СО2 у укоренившихся веточек традесканции в свинцовом экране и в обычных условиях в темноте на протяжении нескольких часов. Обнаружено, что у экранированного растения ход кривой выделения СО2 гораздо более плавен и однозначен, чем у неэкранированного.
Результаты приведенных работ говорят о том, что, во всяком случае, нельзя сбрасывать со счетов значение ЭМП атмосферы в жизни растений.
Влияние искусственного ЭП на растения
В процессе производственной деятельности человек часто попадает в условия со значительным понижением ЭП (например, в текстильной, деревообрабатывающей, электротехнической промышленности). В быту одежда, обувь, изготовленные из синтетических материалов, тоже являются источниками повышенных и неоднородных ЭП. В связи с широким применением электричества в народном хозяйстве растения также часто попадают в условия с повышенным ЭП. Например, растут вблизи высоковольтных линий электропередач. Поэтому актуальна проблема воздействия искусственных ЭП на растения. Ее решение может выявить роль естественных ЭМП в жизни растений.
ЭП делятся условно на слабые с напряженностью 1-104 В/м, сверхслабые -ниже 1 В/м и сильные - выше 104 В/м [6].
Влияние искусственного ЭП на растения изучено недостаточно, особенно это касается слабых и сверхслабых полей. Исследования в этом направлении должны дать ответ о величине порога чувствительности растений к ЭП и об уровне его вредного воздействия.
Многие исследователи отмечают, что в зависимости от применяемой напряженности ЭП можно получить эффект усиления или угнетения роста растений и прорастания семян.
Так, например, ЭП напряженностью от 500 В/м до 2500 В/м не изменяет всхожесть семян хвойных пород [7]. Однако при увеличении напряженности до
200 кВ/м всхожесть и энергия прорастающих семян падает на 30-40. Недостатком этой работы является то, что в ней не указаны величины напряженности и всхожесть в контроле.
В опытных вариантах луковицы лука репчатого обрабатывались в ЭП коронного разряда напряженностью 200 кВ/м (величина тока разряда не приведена) с экспозицией 0.5-40 с [8]. Эффективность обработки определяли по таким показателям: число, высота, и суммарная длина листьев на одном растении, ширина листовой пластины, общая масса, сырой и сухой вес листьев с одного растения. Результаты опытов свидетельствуют о существовании стимулирующего и угнетающего действия ЭП на растения. При высадке луковиц лука в день обработки стимулирующий эффект наблюдался при экспозиции 2 с, а угнетающий - 20-40 с. У растений, высаженных на десятые сутки, наблюдался максимальный положительный эффект, который автор объясняет влиянием ЭП, обеспечивающим снятие периода покоя и активацией ростовых процессов у растений лука репчатого на этапе 113 органогенеза. При выгонке лука-репка на перо в осенне-зимний период автору удалось уменьшить процент не проросших луковиц с 15-18 % до 5 % за счет выведения их из состояния покоя. Кроме этого, ЭП обеспечивало более раннее прорастание и получение зеленой продукции (на 4-6 дней). При этом увеличивается длина и ширина листьев, их количество и вес на 15-38% по отношению к контролю.
Полигонные исследования и экологические наблюдения под линиями ЛЭП дали интересные результаты. В полигонных экспериментах при ЭП с напряженностью 15-60 кВ/м (50 Гц) на поверхности земли обнаружено уменьшение общей численности беспозвоночных под линией, при 60 кВ/м (50 Гц) - разряжение травостоя и замедление темпов развития растений на 10-20 %. После 10-летней эксплуатации ЛЭП (500 кВ, 50 Гц) при ЭП на поверхности земли 10-14 кВ/м обнаружено повышение частоты аберраций (до 20 %) у некоторых видов растений, зависимость высоты вегетативных побегов травостоя от напряженности ЭП под ЛЭП, повышение тератологических изменений цветков двух видов растений [9].
Эффективность воздействия ЭП на биологические объекты, как и при применении других физических факторов, существенно зависит от физиологического состояния организма. Так в [10] показано, что биологическое действие ЭП промышленной частоты зависит от физиологического состояния гриба Botrytic cinerea. К сожалению, авторы не указали напряженность ЭП примененного в работе.
ЭП промышленной частоты напряженностью приблизительно 100 кВ/м проявляет мутагенное действие на культуру дрожжей Candida tropicalis в физиологическом растворе [11]. Оно позволяет значительно повысить выход морфологических мутантов, характеризующихся большей продуктивностью по сравнению с исходной культурой.
Установлено, что ЭП с напряженностью 550 кВ/м, воздействуя на проростки томатов, вызывает незначительное увеличение хромосомных нарушений в анафазе митоза [12]. При этом наибольшая частота аберраций достигает 1.55 % при 0.61 % в контроле.
Комбинированная обработка семян хлопчатника ЭП коронного разряда (напряженность ЭП не указана) и влиянием температурных факторов привела к получению к получению ряда хозяйственно-ценных мутантов [13].
ЭП напряженностью 600 кВ/м с экспозицией 1-3 с повышает полевую всхожесть семян яровой пшеницы на 17-22 % в зависимости от их сортовых особенностей, существенно увеличивает энергию прорастания (табл. 1), водопоглотительную способность (табл. 2), интенсивность дыхания проростков (табл. 3) и продуктивность фотосинтеза растений (табл. 4) [14]. При этом заметно увеличивается высота растений, длина и число колосков, озерненность и абсолютный вес семян. Кроме того, растениям свойственна и более высокая весенняя выживаемость, поэтому повышается сбор зерна и соломы с единицы площади.
Таблица 1
Влияние предпосевной электрообработки на энергию прорастания и всхожесть семян яровой пшеницы разных сортов
Сорт Энергия прорастания, % Всхожесть, %
контроль электрообработка контроль электрообработка
Саратовская 33 35.3 77.7 98.6 100
Саратовская 35 18.5 77.7 86.1 97.9
Харьковская 45 41.3 78 90 98
Комета 2 30.6 49.3 94 100
Красноуфимская 3 27 69 96 99
Таблица 2
Поглощение воды семенами яровой пшеницы Саратовская 33 спустя 2 часа от
начала замачивания
Вариант опыта Процент к контролю, %
Контроль 100
Предпосевная обработка семян в поле коронного разряда
Посев в день обработки 109
Обработка - посев 12 день 154
В результате обработки семян ЭП коронного разряда урожай хлопка-сырца, посаженного на площади 600 га, увеличился в среднем на 0.1 ц. с га. [13].
Предпосевная обработка семян в ЭП напряженностью 400 -500 кВ/м не только увеличивает урожайность, но и улучшает качество продукции нового урожая: повышается процентное содержание белка в зерне пшеницы на 0.55-5.7 % и витамина С на 0.6-5.6 % в картофеле; сахара на 0,3-0.5 % в корнеплодах сахарной свеклы [15].
Таблица 3
Влияние предпосевной обработки семян яровой пшеницы Саратовская 33 в электрическом поле на интенсивность дыхания двухдневных проростков
Вариант опыта СО2, мг на 100г сухого веса % к контролю
Контроль 9.45 100
Предпосевная обработка семян в ЭП коронного разряда
Посев в день обработки 9.72 103
Обработка - посев 12 дней 16.18 170
Обработка - посев 20 дней 13.69 145
Предпосевная обработка семян в электростатическом поле
Обработка - посев 12 дней 16.22 170
Таблица 4
Влияние предпосевной обработки семян на продуктивность фотосинтеза
растений
Вариант опыта г/м2 в сутки
Контроль 5.23
Предпосевная обработка семян в ЭП
коронного разряда. Обработка - посев 12 8.5
дней
Предпосевная обработка семян в
электростатическом поле. Обработка - 9.08
посев 12 дней
Сообщается, что путем изменения величины и знака потенциала платинового электрода, подведенного к растению через питательный раствор, можно влиять на поглощение углекислоты листьями кольраби и ячмене [16]. При понижении отрицательных потенциалов от 100 до 2500 В она плавно увеличивается в опытах с кольраби от 107 % до 162 % соответственно. С подачей на кольраби таких же положительных потенциалов фотосинтез снижался до 91% и 33% соответственно. Аналогичные результаты были получены и на листьях ячменя. Такие изменения ЭП наблюдаются в атмосфере перед грозой [17, 18] и, по мнению автора, могут оказать влияние на фотосинтез.
Значение ЭП атмосферы оказывает влияние на минеральное питание растений [2]. При положительном заряде атмосферы помидоры поглощали больше анионов, а при отрицательном - катионов, причем в первом случае увеличивалось поглощение анионов в 1.3 раза, а во втором случае поглощение катионов в 2.5 раза.
Исследование влияния неоднородных ЭП и МП на изгиб колеоптилей проростков овса на клиностате показало, что в МП с магнитной индукцией 0.1020 и
0.0556 Тл изгиб составлял 10.44о (в контроле - 15.15о). В ЭП напряженностью 25.8123 кВ/м полностью устраняло изгиб [19].
Таким образом, анализ перечисленных выше работ показал, что сильные ЭП могут оказывать влияние на прорастание семян и рост растений.
В ряде работ на примере суспензии пурпурных мембран и бактериородопсина показано, что в ЭП напряженностью ~ 107 В/м у них возникает поляризационное состояние, которое можно зафиксировать низкой температурой (-80, -60, -30° С)
[20]. Последующее нагревание препарата при выключенном поле приводит к последовательной релаксации смещенных групп, которую можно наблюдать в виде токов, протекающих во внешней измерительной цепи. По мнению авторов, поляризация приводит к конфирмационным перестройкам, что в свою очередь сказывается на скорости активного транспорта ионов в мембране, а следовательно, и ее проницаемости. В последнее время ЭП коронного разряда напряженностью 2-105 В/м рассматривают как фактор воздействия, обеспечивающий снятие периода покоя и активацию ростовых процессов у растений лука репчатого, находящегося в состоянии покоя (на 113 этапе органогенеза) [8]. Однако по нашему мнению в этом случае на растения в основном действует электрический ток коронного разряда, механизмы влияния которого могут иметь совершенно другую природу. Как полагает Журбицкий [16], аэроиноны углекислоты С02+ и О2+ и другие азот и углерод содержащие ионные комплексы, являются основным звеном, через которое ЭП воздействует на растения. Таким образом, обобщая литературные данные, можно сделать вывод о том, что ЭП естественного и искусственного происхождения могут влиять на рост растений. Между тем остался открытым вопрос о пороге биологического действия этих полей на растения. К тому же до полного понимания механизмов влияния ЭП еще далеко.
Вопросы механизмов влияния ЭП на биологические объекты, в частности, на растения до конца не изучены [21]. Их решение позволит выявить роль природных и эндогенных ЭП в жизни растений. При этом будут определены порог чувствительности и порог вредного действия ЭП на растения.
В настоящее время ведется поиск биофизических, физико-химических и физиологических механизмов действия ЭП на различные биологические объекты
[21]. К сожалению, в литературе содержится очень мало сведений по этому вопросу в отношении растений. Поэтому мы кратко приведем данные о предполагаемых механизмах, полученных не только при исследовании растений, но и других биологических объектов.
По характеру данной диссертации мы ограничиваемся лишь случаями влияния внешних СЭП, так как анализ биологическогодействия ПеЭП является самостоятельным разделом электромагнитной биологии, и нами не изучался.
Кроме этого, мы не затрагиваем вопросы влияния локальных ЭП, неизбежно присутствующих в белковых системах т на кинетику химических превращений и транспорт заряженных частиц (электронов, ионов) в этих системах [22].
В основе биофизического механизма действия ЭП на растительные объекты может лежать явление поляризации тканей этих объектов в ЭП [23]. Оно заключается в том, что в ЭП неполярные молекулы становятся полярными и вместе
с полярными молекулами ориентируются по полю. При этом направление собственных полей молекул всегда противоположно внешнему ЭП, поэтому в диэлектрике электрическое поле всегда имеют напряженность меньшую, чем в вакууме. Величину, которая показывает, во сколько раз поле в веществе слабее внешнего называют диэлектрической проницаемостью,
В результате поляризации с одной стороны поверхности тела будут заряды одного знака, а с другой стороны - противоположного. Эти заряды называют поляризационными зарядами.
По расчету, проведенному в работе [24], ориентация отдельных молекул в ЭП пренебрежимо мала. Она определяется отношением dЕ/kТ, где d - дипольный момент (собственный или индуцированный) молекулы 9 обычно он равен 0.1-5Д. Е -напряженность ЭП, 1к- константа Больцмана, Т - абсолютная температура. Отношение dЕ/kТ характеризует соотношение между энергией, приобретаемой диполем при ориентации в ЭП, и тепловой энергией молекулы. Для молекул в поле напряженностью 107 В/м (такая величина напряженности будет в мембране при скачке потенциала 0,1 В и толщине 10-8 м) отношение dЕ/kТ ~ 0 ,001. Поэтому эффект ЭП пренебрежимо мал. Однако, как полагают авторы, липидные пленки в биологических мембранах по своему физическому строению являются жидкими кристаллами, в которых молекулы образуют правильно построенные домены или рои, состоящие из 106-107 молекул. В этом случае дипольный момент домена будет увеличен в 106-107 раз по сравнению с отдельной молекулой и станет возможной ориентация его в ЭП.
ВЫВОД
Электрические поля оказывают значительное влияние на рост и развитие разных видов растений.
Список литературы
1. Махоткин Л.Г. Атмосферики и их природа / Л.Г. Махоткин // В кн.: Электромагнитные поля в атмосфере Земли и их биологическое значение. - М.: Наука. - 2004. - С.72-83
2. Шидловская И.Л. Влияние электрического поля и ионов воздуха на минеральное питание и обмен в растениях кукурузы / И.Л. Шидловская, З.И. Журбицкий // Физиология растений. - 1966. - Т.13, №4. - С.657-664.
3. Шидловская И.Л. Влияние электрического поля атмосферы на накопление элементов минерального питания растениями кукурузы, лука, редиса и ячменя / И.Л.Шидловская, З.И. Журбицкий // В сб.: Роль минеральных элементов в обмене веществ и продуктивности растений. - М.: Наука. - 1964. - С. 286-295.
4. Казымов П.П. Движение листьев фасоли в условиях очень слабых электромагнитных полей / П.П. Казымов // Физиология растений. - 1973. - Т.20, №5. - С. 915-919.
5. Новицкий Ю.И. Реакция растений на магнитные поля / Новицкий Ю.И. - М.: Наука. - 1978. -С. 119-130.
6. Чуваев П.П. Влияние слабых и сверхслабых магнитных полей на одноклеточные растения различных ботанических типов и классов / П.П. Чуваев, А.И. Арнаутова, Н.А. Крюков // Тезисы докладов П зонального симпозиума по бионике. - Минск, 1967. - С. 107-108.
7. Стаканов В.Д. Некоторые аспекты действия постоянного электрического поля и тока на древесные растения / В. Д. Стаканов, Л.И. Голомозова // В сб.: Средообразующая роль леса. - Красноярск, 1974. - С. 121-132.
8. Серегина М.Т. Электрическое поле как фактор воздействия, обеспечивающий сжатие периода покоя и активацию ростовых процессов у растений лука репчатого на П3 этапе онтогенеза / М.Т. Серегина // Электронная обработка материалов. - 1983. - №4. - С. 73-76.
9. Карташев А.Г. Экологическая оценка переменного электрического поля ЛЭП / А.Г. Карташев, Г.Х. Плеханов // В сб.: Тезисы докл. Всесоюзного симпозиума «Биологическое действие электромагнитных полей». - Пущино, ОНТИ НЦБИ АН СССР. - 1982. - С. 95-100.
10. Лазаренко Б.Р. Значение физиологического состояния гриба при воздействии электрического поля / Б.Р. Лазаренко, И.Б. Горбатовская // Электронная обработка материалов. - 1970. - №5. - С. 73-76.
11. Действие электрического поля на культуру дрожжей / Б.Р. Лазаренко, Е.И. Квасников, И.Б. Крепис [и др.] // Электронная обработка материалов. - 1970. - №6. - С. 65-70.
12. Выродов Д.А. Цитогенетические эффекты действия электрических полей на проростки томатов / Д. А. Выродов // Тезисы докладов 4-го съезда генетиков и селекционеров - Кишинев: Штиница, 1981. - С. 8.
13. Мустафаев С.А. Модификация и генетическая изменчивость у хлопчатника от воздействия электрическим полем высокого напряжения / С.А. Мустафаев // В кн.: Экологическая генетика растений и животных. - Кишинев, 1981. - Т.2. - С. 99.
14. Предпосевная обработка семян яровой пшеницы в электрическом поле постоянного тока / З.М. Хасанова, Р.Р. Ахметов, Ш.Я. Гелязетдинов [и др.] // Электронная обработка материалов. -1972. - №4. - С. 71-77.
15. Блонская А.П. Влияние электрообработки сезонного материала на качество продукции нового урожая / А.П. Блонская, А.Н. Миронов, В.А. Окулова // Электронная обработка материалов. -1983. - №6. - С. 71-73.
16. Журбицкий З.И. Влияние постоянного электрического поля на абсорбцию СО2 листьями растений / З.И. Журбицкий // ДАН СССР. - 1975. - Т. 223, №5. - С. 1273-1275.
17. Гунар И.И. Функциональное значение токов действия в изменении газообмена высших растений / И.И. Гунар, А.И. Синюхин // Физиология растений. - 1963. - Т.10, №3. - С. 265-274.
18. Чалмерс Дж.Л. Атмосферное электричество / Чалмерс Дж.Л. - Л. Гидрометеоиздат. - 1974. - 434 с.
19. Pickett J.M. Responses of avena coleoptiles to magnetic fields / J.M. Pickett, A.R. Schrank // Texas J. Sci. - 1965. - V. 17, №3. - P. 243-256.
20. Электроиндуцированные изменения спектральных и структурных характеристик пурпурных мембран, модифицированных папаином / Э. Возари, Г.П. Борисевич, А.А. Кононенко [и др.] // Изв. АН СССР., Серия биол. - 1982. - №4. - С. 605-607.
21. Биологическое действие электростатических полей / Ф.Г. Портнов, Л.Ф. Воробьева, Э.Г. Лярский [и др.] // Успехи современной биологии. - 1985. - Т. 100, № 3(6). - С. 433-440.
22. Тимашев С.Ф. Влияние электрических полей на кинетику биологических процессов / С.Ф. Тимашев // Биофизика. - 1981. - Т.26, №4. - С .642-646.
23. Тамм И.Е. Основы теории электричества / Тамм И.Е. - М.: Наука. - 1989. - 504 с.
24. Бреслер С.Е. О жидко-кристаллической структуре биологических мембран / С.Е. Бреслер, В.М. Бреслер // Докл.АН.СССР. - 1974. - Т. 214. - С. 936-939.
Богатша Н.1 Вплив електричних полш на рослини / Н.1 Богатша, Н.В. Шейкша // Вчет записки
Тавршського национального ушверситету ш. В.1. Вернадського. Серш „Бюлогш, хiмiя". - 2011. - Т. 24 (63),
№ 1. - С. 10-17.
Представлено огляд лггературних даних про вплив електричних полш на рослини.
KnwHosi слова: електричне поле, гшомагттне поле, електромагштне поле.
Bogatina N.I. Influence of electric fields on plant ./ N.I. Bogatina, N.V. Sheykina // Scientific Notes of
Taurida V.I. Vernadsky National University. - Series: Biology, chemistry. - 2011. - Vol. 24 (63), No 1. -
Р. 10-17.
Provides an overview of published data on the effect of electric fields on plants.
Keywords: electric field, gipomagnetic field, electromagnetic field.
Поступила в редакцию 22.01.2011 г.
