Дослідницький проект на тему «Електрика в рослинах»
Вивчення електричних явищ у рослинах.
а) Вивчення потенціалів спокою та потенціалів дії кімнатних рослин на вплив різних факторів;
б) Вивчення варіабельних потенціалів кімнатних рослин різні пошкоджуючі чинники.
Методика проведення дослідження.
1) Вивчення потенціалів спокою, дії та варіабельного потенціалу кімнатних рослин: монстери, фікуса, каланхое, молоча.
2) Вивчення потенціалу на чинники: світло, полив, шум, музику, дотик рукою до аркуша.
3) Вивчення варіабельного потенціалу на опік, поранення шляхом щомиті цифрової мілівольтметром.
4) Обробка даних.
Відколи люди стали більшу частину свого часу проводити в будинках, квартирах, потреба прикрашати життєвий простір рослинами все збільшується. Рослини забезпечують нас їжею, і киснем, і багатьом іншим і позитивно впливають на наше тіло і душу.
У 80-ті роки було запроваджено поняття синдром хворого приміщення. Досвіди НАСА довели це. Людина неспроможна зрозуміти, що рослини не безмовні і бездушні істоти, а живі організми здатні реагувати на довкілля.
Факти, описані в книзі П. Томпкінса і К. Берда здаються фантастичними, але вони змусили по-новому поглянути на рослини, що послужило відправним моментом для того, щоб провести доступні дослідження і підтвердити, або спростувати їх. Рослини справді можуть «кричати від болю»?!
Серед численних фізіологічних процесів, що постійно протікають у тканинах та органах рослин, мабуть, найбільш загадковими є біоелектричні явища. Ще з часу відкриття Л. Гальвані електричних процесів у живих тканинах електрофізіологам були відомі такзвані струми ушкодження. При розрізанні поперек волокон м'язового апарату тварини і підведенні одного контакту гальванометра до зрізу, а іншого - до поздовжньої непошкодженої поверхні, прилад зафіксував різницю електричних потенціалів 0,1 В. Наступні вимірювання струмів пошкодження на рослинних тканинах показали аналогічні результати. Причому поверхні зрізів стебел, листя, репродуктивних органів та коренів завжди по відношенню до непошкодженої тканини мали негативний заряд.
Господарсько-технічне мислення людини породило глобальну екологічну кризу. Частиною екологічної філософії нашого часу має стати екологічна етика, яка має навчити людину гармонійному співіснуванню з собі подібними, з природою та Всесвітом. Основним принципом має стати посилення ролі та місця створення у Природі.
В. П. Казначєєвим (див. №4) доведено наявність ознак думки, свідомості, розумного початку у всіх середовищах та формах життя на Землі. Як приклад можна навести індійську солодку, чутливу до всіх форм електричних та магнітних впливів, використовувану як метеорологічну рослину.
Хоча рослини повсюдно розглядалися як безчутливі автомати, останнім часом за ними визнали здатність сприймати звуки, недоступні для слуху людини та розрізняти колірні довжини хвиль, такі як інфочервоне випромінювання та ультрафіолет, які не сприймають очей людини; Вони особливо чутливі до рентгенівського випромінювання телевізійного випромінювання ВЧ.
У 1950-х роках за допомогою мікроелектродів, що вводяться в клітину, у нитчастих водоростей нітелли були виявлені такі ж значення потенціалів спокою, як і у тварин клітин - близько 0,09-0,05 В. Було встановлено, що електричні, механічні,хімічні та інші подразники помірної інтенсивності викликають у місцях свого застосування до органів рослини (аркушу, кореню тощо) зміни потенціалів, подібні з місцевими (подпороговими) потенціалами у тварин клітин. Виявлено у рослин та спеціальні потенціали збудження, подібні до потенціалів дії тварин клітин. Найбільш наближаються до класичних потенціалів дії електричні потенціали, що виникають при поширенні хвилі збудження органами рослини. Так, типові двофазні струми дії тривалістю 0,1-0,2 мс супроводжують швидкі рухи комахоїдної рослини дианова мухоловка, а також захисну рухову реакцію складання листя у сором'язливої мімози (Mimosa pudica) у відповідь на механічне або електричне подразнення рослини. Потенціал спокою. У живих клітин у спокої між внутрішнім вмістом клітини та зовнішнім розчином існує різниця потенціалів порядку 60-90мв, яка локалізована на поверхневій мембрані. Внутрішня сторона мембрани заряджена електронегативно по відношенню до зовнішньої. ПП обумовлений вибірковою проникністю мембрани, що лежить, для іонів К+. Концентрація К+ у протоплазмі приблизно в 50 разів вище, ніж у позаклітинній рідині, тому, дифузуючи з клітини, іони виносять на зовнішню сторону мембрани позитивні заряди, при цьому внутрішня сторона мембрани, що практично не проникається для великих органічних аніонів, набуває негативного потенціалу. Оскільки проникність мембрани в спокої для Na + приблизно в 100 разів нижче, ніж для +, дифузія натрію з позаклітинної рідини (де він є основним катіоном) в протоплазму мала і лише незначно знижує ПП, зумовлений іонами К +. У скелетних м'язових волокнах у виникненні потенціалу спокою важливу роль відіграють іони Cl -, що дифундують всередину клітини. Наслідком ПП є струм спокою, що реєструється між пошкодженим та інтактним ділянками нерва або м'язи при додатку електродів, що відводять. Мембрани нервових та м'язових клітин (волокон) здатні змінювати іонну проникність у відповідь на зрушення мембранного потенціалу. При збільшенні ПП (гіперполяризація мембрани) проникність поверхневих клітинних мембран для Na+ та К+ падає, а при зменшенні ПП (деполяризація) вона зростає, причому швидкість змін проникності для Na+ значно перевищує швидкість збільшення проникності мембрани для К+.
Потенціал дії (ПД). Усі подразники, які діють клітину, викликають насамперед зниження ПП; коли воно досягає критичного значення (порога), виникає активна відповідь, що поширюється — ПД. Під час висхідної фази ПД короткочасно перекручується потенціал на мембрані: її внутрішня сторона, заряджена в спокої електронегативно, набуває в цей час позитивного потенціалу. Досягши вершини, ПД починає падати (низхідна фаза ПД), і потенціал на мембрані повертається до рівня, близького до вихідного, - ПП. Повне відновлення ПП відбувається лише після закінчення слідових коливань потенціалу – слідової деполяризації чи гіперполяризації, тривалість яких зазвичай значно перевищує тривалість піку ПД. Згідно з мембранною теорією, деполяризація мембрани, викликана дією подразника, призводить до посилення потоку Na + всередину клітини, що зменшує негативний потенціал внутрішньої сторони мембрани – посилює її деполяризацію. Це, своєю чергою, викликає подальше підвищення проникності Na + і нове посилення деполяризації тощо. Внаслідок такого вибухового кругового процесу, т.з. регенеративної деполяризації, відбувається збоченнямембранного потенціалу, характерне для ПД. Підвищення проникності для Na + дуже короткочасно змінюється її падінням, отже, зменшенням потоку Na + всередину клітини. Проникність для К+, на відміну від проникності для Na+, продовжує збільшуватися, що призводить до посилення потоку К+ із клітини. Внаслідок цих змін ПД починає падати, що веде до відновлення ПП. Такий механізм генерації ПД у більшості збудливих тканин.
Клів Бакстер з Каліфорнії, який займався комунікативними зв'язками рослин, відкрив здатність рослин реагувати на думки і почуття людей. Адже недарма кажуть, що в людини «зелені руки», якщо в неї чудово ростуть рослини.
Відомі випадки, коли після смерті господині кімнатні рослини за одну ніч в'януть.
Досвідом, проведеним у лабораторії біокібернетики Інституту агрофізики Академії наук СРСР, було встановлено, що рослини Квасолі, поєднані з чутливими приладами, видавали імпульси високої частоти, коли їм не вистачало води, таким чином вони самі встановлювали режим поливу.
Байрд встановив, що рослини можуть «непритомніти» при надмірному стресі. Ч.Бос виявив, що рослини втрачають чутливість подібно до тварин, і знову стають чутливими, як тільки закінчується дія наркозу.
За даними Єви-Катаріни Хоффман погано ростуть рослини у приміщенні з поганим психологічним кліматом.
Рослина - справжній генератор електричного струму, вона повністю себе електрифікувала, мембрани клітини, групи клітин, органи та цілі рослини, співтовариства рослин - все пронизане електрикою.
Негативний потенціал щодо антрактних учасників називається потенціалом ушкодження. Його значення варіює від 20 до 120 мВ. Струмпошкодження реєструється в рослинах, наприклад, при таких шкідливих впливах як розріз, розрив, розминання, термічні та хімічні опіки.
У певних межах амплітуда та тривалість струму ушкодження пропорційні інтенсивності або площі ушкодження.
Біопотенціали рослин реагують на смерть живих істот, якщо вона відбувається поблизу рослини. Потенціали відіграють важливу роль у регуляції фізіологічних процесів. Швидкість поширення ПД у вищих рослин можна порівняти зі швидкістю поширення збудження у деяких тварин.
Таким чином, біопотенціали лежать в основі нормальної життєдіяльності будь-якої клітини і особливо важливі для процесів збудження та гальмування у тварин та людини та подразливості у рослин. Порушення провідності клітинних мембран можуть спричиняти серйозні патології організму (аж до смерті). Дослідження біоелектричних потенціалів застосовують з діагностичними цілями в електрокардіографії, електроенцефалографії, електроміографії.
Вивчення електричних явищ у рослинах має не лише наукове, а й практичне значення. Якщо рослина, плід чи бульба починають псуватися, його клітини, стають млявими, знижується електрична реакція, за показанням якої модно зробити висновок про якість продукції.
Будь-які на організм у тому мірою змінюють властивості клітинних мембран, викликають перерозподіл іонів і змінюють біопотенціали. Розрізняють біопотенціали – струми спокою та біопотенціали, що виникають у стан збудження-струми дії або потенціали дії (ПД), які реєструються у вигляді різниці потенціалів.
Для вивчення реакцій рослин було взято кімнатні рослини: монстера, молочай, фікус. Електричні реакції листа реєстрували цифровиммілівольтметром. Щомиті знімали показання електричної реакції рослин. Потім заносили дані до комп'ютера для побудови графіків електричної активності рослин на дію різних факторів. Як фактори, що ініціюють електричні потенціали були: вода, світло, шум, музика, дотик рукою.
Для достовірності досвіду були проведені тричі на зазначених рослинах і завжди отримували аналогічні результати кожного з них. Деякі показники, отримані нами, корелюються з показниками, але далеко не всі, оскільки кількість рослин і діапазон факторів, що впливають на рослини, у нас значно ширші. Крім того, нами були взяті для дослідження рослини, яких немає у вказаних джерелах. Нами отримані дуже цікаві дані щодо чутливості рослин. Здавалося нам фантастичними фактами виявилася реальністю. Потенціали на різні подразники наведені нижче. Наведені у таблиці показники свідчать, що найбільш чутливими є фікус, молочай і каланхоэ, тобто. у них розвивається вищий електричний потенціал. Це пояснюється за літературними джерелами хорошим розвитком провідної тканини в листі цих рослин, а в листі товстуни добре розвинена паренхіма, що накопичує воду, що знижує здатність рослини до генерації імпульсів та їх проведення.
Молочай, до досвіду добре підсушений, мав потенціал спокою 25 мВ, а через 5 хв після поливу розвинув потенціал дії до 59 мВ. Аналогічна реакція на полив та у фікуса. Потенціал спокою фікуса був 13 мВ, при дії агресивного крику потенціал знизився до 11 мВ. Ймовірно, далося взнаки те, що рослина вирощена в школі (кабінет біології) і для нього це шумове середовище – норма. Також не сильно зріс ПД у молоча (кабінет фізики) – до 30 мВ,а у каланхое (методичний кабінет) ПД помітно підвищився до 52 мВ. Фікус виявився чутливим до класичної музики (Бетховен «Місячна соната») середньої гучності – ПД знизився до 0 мВ. При дії на квітку музики у стилі «Хеві-метал» на великій гучності ПД різко підвищився до 100 мВ. Аналогічні тенденції простежувалися в інших рослин. Ці результати в галузі фітопсихології але, проте, вони отримані.
Цікаві результати вивчення реакції каланхоэ на дотик руки до листа. Зазнали 4 людей. Отримали таку тенденцію: потенціал спокою каланхое – 30 мВ. При дотику 1 людини до листя ПД підвищується до 50 мВ, при дотику інших – знижується до 3 мВ.
Цікавий результат, аналогічний результатам досвіду Бакстера, отриманий досвіді з молочаєм. Дві рослини молоча були поставлені поруч (вони стояли на відстані), з однієї рослини знято показання потенціалу спокою, а потім було поранено аркуш сусідньої рослини. Електричний потенціал сусідньої непошкодженої рослини значно змінився. воно відреагувало на поранення як на власне, яке робили раніше.
Потенціал ушкодження відрізняється від потенціалу дії тривалою нерегулярною низхідною гілкою імпульсу, що підтверджується графіками.
Дуже цікава реакція на сильні звуки (крик, шум). При виникненні ПД у клітинах настає абсолютний рефрактерний період (короткочасний період повного зникнення або зниження збудливості нервової та м'язової тканин, що настає після їхньої реакції на якесь подразнення), який характеризується тим, що навіть надпорогові подразнення не викликають появи електричної реакції. Незважаючи на дії звуку тієї ж сили, відбувається загасання реакцій рослини - у фікуса за 90 сек. Струми діїзнизилися на 80 мВ.