Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Параметрические и физиологические аспекты действия постоянного магнитного поля на растения

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Новицкий, Юрий Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О БИОЛОГИЧЕСКОМ ДЕЙСТВИИ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

НА РАСТЕНИЯ

§ I. Основные физические принципы действия-ПМП на живые объекты.

§ 2. Роль органогенных ферромагнитных включений в восприятии ПМП

§ 3. О магнитных свойствах биологических объектов растительного происхождения.

§ 4. О различной природе ориентационных эффектов в ПМП

§ 5. О действии ПМП на движение цитоплазмы и хлоропластов

§ 6. О действии ПМП на дыхание

§ 7. О действии ПМП на фотосинтетический аппарат

§ 8. Действие ПМП на интегральный рост.

§ 9. Влияние ПМП на процесс клеточного деления.

§ 10.Влияние ПМП на процесс растяжения и дифференциации клеток и тканей.

§ II.Действие и последействие ПМП на радиационный эффект у растений.

§ 12.0 мутационном действии ПМП.

§ 13.0 влиянии ПМП на вирусную инфекцию.

§ 14.Действие ПМП на детерминацию полов у растений.

§ 15. О последействии предпосевной обработки семян ПМП.

§ 16.06 опосредованном через воду действии

ПМП на растения.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Параметрические и физиологические аспекты действия постоянного магнитного поля на растения"

Коренной воцроо физиологии растений - это вопрос о способах осуществления и условиях поддержания автотрофного синтеза. Способность растения к радиационной автотрофии выделяет его из всех прочих живых объектов - большинства микроорганизмов, грибов, животных и человека. Преобразуя энергию узкого диапазона электромагнитного спектра солнечного излучения в энергию химических связей, современное растение обеспечивает мир гетеротрофных организмов органогенным энергетическим субстратом и кислородом в количествах, достаточных для их повсеместного распространения и функциошфования. Кислород, выделяемый растениями, - существенный компонент в цепи геохимических превращений.

Издавна значительная доля сознательной деятельности человека направлена на поддержание автотрофной функции растения, преимущественно органического синтеза. Оно сводится, с одной стороны, к обеспечению оптимальных условий для синтеза растениями хозяйственно полезных веществ через совершенствование агротехнических мероприятий, а с другой - к совершенствованию (с точки зрения человека) внутренних соотношений автотрофных и гетеротрофных процессов путем селекции и воздействия на генетический аппарат.

Различные физические и химические способы воздействия на растения применяются с той же целью. Их назначение - стимуляция или торможение отдельных физиологических и биохимических процессов в ходе онтогенеза на фенотшшческом или генотшшческом уровнях.

Обычно оценка значимости (действенности) любого внешнего физического фактора происходит на фоне его изменения. Поэтому роль света и температуры, изменчивость которых в природных условиях велика, для жизни растений установлена давно. Факторы, изменение которых в природе малозаметно, - гравитация и постоянное магнитное поле Земли - долгое время оставались вне внимания биологов.

Постоянное магнитное поле (ПМП) принадлежит к тем немногим естественным физическим факторам земной биосферы, биологическая роль которых дискутируется до настоящего времени /feammner, 1967; Brown, 1967; Васипик, 1973; Травкин, 1969а,б, 1978 и т.д.), хотя общая концепция о возможности биологического действия ПМП высказана давно / D'Araonval, 1886/. Биологическая действенность ПМП в принципе уже не вызывает сомнений, но сравнительно недавно она еще отрицалась /Аккерман, 1964; Eiselein, 1961; Hall et al.J964 и т.д. /. Ныне речь, идет о возможных границах этой действенности, т.е. о физических параметрах ПМП, определяющих его биологическое действие и о самих пределах его воздействия, т.е. о степени возможного влияния магнитного поля на биообъект.

По этим вопросам среди магнитобиологов нет единого мнения, что, по-видимому, объясняется несколькими причинами, главнейшими из которых являются следующие:

1. До сих пор не существует общепринятых четких представлений о первичных механизмах действия ПМП на живые системы. Существо и предлагаемый набор этих механизмов меняются по мере развития науки от десятилетия к десятилетию.

2. Велика зависимость биологической действенности ПМП от корригирующих факторов - температуры, света, ионизирующей радиации, электромагнитного поля несветового диапазона и т.д. Стабильность некоторых из них в обычных условиях проведения опытов контролируют плохо.

3. Большую (а, может быть, и большую, чем цри действии других факторов) роль в определении действенности поля играет физиологическое состояние объекта, обуславливаемое внешними и внутренними причинами, лежащими в особенностях организации обмена веществ индивидуума.

4. Нет ясного понимания дщух сторон действенности магнитного поля - сигнальной и энергетической, степени их связи и обусловленности друг другом.

Невысокая воспроизводимость" некоторых магнитобиологических опытов, так раздражающая иных исследователей /Бучаченко, 1974; Волкенштейн, 1975/, во многих случаях объясняется не общим низким уровнем магнитобиологических экспериментов, а второй и третьей причинами среди перечисленных выше.

Актуальность проблемы. Мы выбрали постоянное магнитное поле в качестве фактора воздействия на растительный организм потоку, что, во-первых, это естественный малоизученный компонент земной биосферы и нашей Вселенной /Монин, 1977; Почтарев, 1966; Белов и Бочкарев, 1983/. Во-вторых, - это фактор производственной деятельности людей и технического прогресса.

Наконец, магнитные поля - это инструмент исследования в различных областях естествознания.

Основная задача настоящей работы: на примере высших растений, выросших или временно помещенных в ПМП, обобщить наиболее типичные закономерности в проявлении реакции на него, определяемые как физическими параметрами поля, так и физиологическим состоянием растительного организма, обеспечивающим возможности восприятия действия магнитного поля.

Постановка такой задачи имеет известное практическое значение. В перспективе ее решение позволит определить условия вредного воздействия постоянного магнитного поля на растительный объект и сопоставить их с его параметрами, встречающимися в практической деятельности людей. С другой стороны, это, по-видимому, может способствовать выработке принципиальных подходов к определению пределов возможного применения ПМП как положительного, стимулирующего шш защитного фактора.

В решениях ХХУ съезда КПСС акцентировалось внимание магнито-биологов именно на первой части проблемы /152/, так как в производственной деятельности людей и в научных исследованиях давно применяются магнитные поля, в последействии которых замечена негативная сторона, опасная в какой-то мере для здоровья. Поэтому определены и законодательно закреплены предельно допустимые дозы воздействия ПМП на людей. Однако ПМП давно применяется и как стимулирующий, лечебный фактор, также введенный в практику здравоохранения.

Таких доз обработки ПМП, достаточно обоснованных для его практического применения, нет в растительной магнитобиологии. Да на данном этапе мы и не претендуем на это, памятуя слова К.А.Тимирязева, высказанные им по поводу деятельности Пастера: "Да, вопрос не в том, должны ли ученые и наука служить своему обществу и человечеству - такого воцроса и быть не может. Вопрос в том, какой путь короче и вернее ведет к этой цели. Идти ли ученому по указке практических житейских мудрецов и близоруких моралистов, или идти, не возмущаясь их указаниями и возгласами,по единственному возможному пути, определяемому внутренней логикой фактов, управляющему развитием науки: ходить ли упорно, но бесполезно вокруг да около сложного, еще не поддающегося анализу науки, хотя практически важного явления, или сосредоточить свои силы на явлении, стоящем на очереди, хотя с виду далеком от запросов жизни, но с разъяснением которого получается ключ к целым рядам практических загадок. во всяком случае, критериумом истинной науки является не та внешность узкой ближайшей пользы, которой именно успешнее всего прикрываются адепты псевдонауки, без труда добивающиеся для своих пародий признания их практической важности и даже государственной полез

- 12 ности." /К.А.Тимирязев, Избранные сочинения, 1948 г., т.2, с. 276/.

Положения, выносимые на защиту.

1. Несмотря на то, что ПШ является слабо действующим фактором, потенциальная чувствительность к нему растений достаточно велика.

2. Эта чувствительность выражается в разнообразных ответных реакциях на величину, направление и структуру магнитного поля в широком диапазоне его параметров на различных этапах онтогенеза, на разных уровнях организации растительного организма: от целого растения до отдельных частей.

3. Действенность магнитного поля определяется фоном корригирующих факторов (электромагнитным и температурным), а также индивидуальными особенностями организации растительного объекта, его энантиоморфной принадлежностью и принадяежностыо к магнитофизио-логическому типу.

Научная новизна исследований. Практически впервые в физиологии растений оценена зависимость ростовой реакции корня и колеоп-тильных тест-объектов от параметров воздействующего постоянного магнитного поля - его напряженности и градиента.

Впервые изучено действие и последействие ПМП на сухие семена и показано изменение водоудерживающей способности сухих семян в магнитном поле.

Впервые показано, что корригирующие факторы - температура и электромагнитное поле несветового диапазона - мо1ут изменять действенность ПМП на растения на различных уровнях его организации: от физико-химического (изменение ионного баланса ) до физиологического (прирост в длину, дыхательный газообмен, баланс вещества при прорастании). Существенное значение при этом имеют соотношения между частотой электромагнитного поля и величиной напряженности постоянного магнитного поля.

Впервые показано существование у растений одновидовой популяции различных магнитофизиологических типов, отличающихся друг от друга характером ориентационной реакции в магнитном поле, а также физиологическими и биохимическими особенностями, что дает основание определить их как физиологические типы у растений.

По материалам диссертации опубликовано около 40 работ.

Материалы, содержащиеся в ней, докладывались на Всесоюзных совещаниях по изучению влияния магнитных полей на биологические объекты в г.Москве в 1966, 1969, 1972 гг., на совещаниях и симпозиумах, посвященных изучению слабых искусственных и естественных магнитных полей в Москве в 1971 г. и в Белгороде в 1973 г., на научно-методических конференциях пед.института им. Ольминского в г.Белгороде в 1968, 1970 и 1976 гг., на третьем всесоюзном симпозиуме "Влияние магнитных полей на биологические объекты" в г.Калининграде в 1975 г., на конференции по электронной обработке материалов в г.Кишиневе в 1972 г., на научных конференциях ЦНЙЯ при Томском мединституте в 1964, 1965, 1982 гг., на П зональном симпозиуме по бионике в г.Минске в 1967 г., на Всесоюзном совещании по аллелопатии в г.Минске в 1969 г., на первой Московской областной конференции молодых ученых в 1966 г., на ежегодном совещании по действию электромагнитных полей в г.Пущино в 1979 г., на Всесоюзной конференции в г.Фрунзе в 1975 г., а также на конференциях Института физиологии растений им. К.А.Тимирязева АН СССР и постоянно действующем московском семинаре "Действие постоянных и электромагнитных полей на биологические объекты" в 1968, 1972 и 1982 гг. при секции бионики Научного совета по комплексной проблеме "Кибернетика" АН СССР и др.

Многие разделы работ, вошедших в диссертацию, выполнены ее автором в содружестве с сотрудниками группы биомагнетизма ШР им. К.А.Тимирязева АН СССР канд.биол.наук В.Ю.Стрековой,канд. биол.наук Г.А.Таракановой, Г.А.Субботиной, Е.В.Тихомировой, З.П.Хейн, О.Е.Федоровой, В.П.Пруднжовой. Ряд работ выполнен в содружестве с доцентом каф. ботаники Белгородского пединститута М.П.Травкиным, сотрудником КНИИТиМ канд.с/хоз.наук А.И.Лебедиком, с сотрудниками Славянского педагогического института кандидатами физ.-мат.наук В.П.Овчаренко и А.Ф.Пруном, канд.пед.наук Н.И.Калугиным и др.

В анализе растительного материала принимали участие канд.хим. наук В.Н.Пауков и канд.биол.наук Г.В.Новицкая, сотрудники московского филиала Всесоюзного института жиров.

Всем им приношу искреннюю благодарность.

Электромагнитные величины даны в системе СГСМ (Гаусса). При обозначении разновидностей электромагнитного поля (ЭМП) приняты сокращения:

ПМП - постоянное магнитное поле; ПЕМП - переменное магнитное поле, МПЗ - постоянная составляющая магнитного поля Земли, МП -магнитное поле.

Ориентация относительно стран света обозначена русскими буквами: С, Ю, 3, В; ориентация к магнитным полюсам: J\T , S .

Заключение Диссертация по теме "Физиология и биохимия растений", Новицкий, Юрий Иванович

Постоянное магнитное поле - векторный физиологически действую щий на растения в широком диапазоне напряженностеи (10 - 10 ) Э фактор среды. Реальное проявление этой действенности определяется сочетанием условий, к которым относятся:

а) параметры действующего поля - напряженность и градиент,

б) взаимное расположение объекта и магнитного потока,

г) длительность экспозиции,

д) физиологическое состояние объекта и особенности его орга низации,

1, Установлено, что действие горизонтального постоянного маг нитного поля на рост зависит от его параметров следунщим образом: А. Однородное магнитное поле слабо стимулирует рост неотделен ного корня и колеоптильных тестов.. Эта стимуляция для корня прибли зительно пропорциональна ^ аН поля в интервале (0,5 - 10^) Э. Б, Действие неоднородного поля на рост колеоптильных тест объектов определяется соотношением угнетающего действия неоднород ности поля '^ H'^ i^ cLol Н и стимулирущего действия пропорционального to средней напряженности поля.2, Показано, что в постоянных, оптимальных для существования При искусственном стимулировании ростового процесса в фазе растяжения П Ш может выступать как значительно подавляющий рост фактор (до 30^ подавления),

3, Установлено, что действие П Ш на сухие семена злаков зак лючается в снижении их водоудержнвающей способности в процессе об работки полем в условиях нормальной и повышенной температуры. Пос тоянное магнитное поле может оказать защитное действие на сухие

денатурациошшх)и в большей устойчивости ее аминокислотного состава при гидролизе.4. Выраженность физиологических реакций на действие слабого постоянного магнитного поля имеет сезонный характер (Например, ростовая реакция на направление поля у прорастающих семян; измене ние скорости движения хлоропластов в ответ на его включение).5, Эффективность и непостоянство действия П Ш на растения и их тест-объекты в значительной мере определяются уровнем электро магнитного фона и, в частности, потоком мощности резонансных по данной напряженности частот ЭМП по протону. Электромагнитный фон сказывается на балансе протонов между культивационной средой и тест-объектом, на уровне темпового дыхания в П Ш , на балансе и распределении запасных веществ при прорастании зерна в темноте, эффективности их расходования при построении новых органов и ха рактере распределения веществ между ними,

6. В слабых однородных магнитных полях (0,5-20,0) Э индивиду альные физиологические свойства растительного объекта, определяе мые его видовой, сортовой и энантиоморфной принадлежностью, имеют решающее значение в формировании реакции на П Ш . Это проявляется в

полевых условиях, где реакция на различную принудительную ориента цюо семян относительно горизонтальной составляющей МП выражается во временном, разном, по сравнению с разбросным севом, изменении темпов роста и развития опытных вариантов и в изменении их выжи ваемости. Однако большинство этих изменений носит преходящий ха рактер.7. У ряда корнеплодных растений (редис, репа, свекяа и т.д.) реакция на направление естественного и слабого искусственного од норсдных магнитных полей выражается в ориентированной закдадке и формировании плоскости корневых борозд. По направлениям ее ориента ции одновидовые популяции этих растений делятся на магнитоориента щонные типы, из которых северо-южный и западно-восточный в изучен ных условиях составляют большинство особей популяции. Кроме того популяции этих растений содержат небольшое число промежуточных по ориентации особей и неориентированные по избранному признаку формы.Установлено, что основные магнитоориентационные типы - различ ные физиологические типы особей популяции, отличающиеся друг от друга темпом развития реакции на внешний раздражитель, темпом на копления Сахаров в корнеплоде, степенью взаимовлияния при совмест ном выращивании в культуре тканей, составом и соотношением некото рых конституционных и запасных веществ в листьях и корнеплоде, а также холин-эстеразной активностью в листовых жилках и черешках.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Новицкий, Юрий Иванович, Москва

1. Рожь ( Secale cereale L.)' яровая "Онохойская" и озимая -"Вятка", "Вятка-2", "Гибридная-2", "Харыеовская-76".

2. Пшеница (iriticum vulgare )' "Мироновская", "Краснозерная".

3. Овес (Avena sativa L. ): "Голозерный".

4. Ячмень (Hordeum vulgare L. ): "Спартак", "Полярный", "Винер".

5. Огурцы (Cucumis sativus L. ): "Неросимые", "Муромские", "Мелкобугорчатые".

6. Редис (Rhaphanus sativus L.var.radicola D.C. ) "Дунганский", "Розовый с белым кончиком".

7. Репа ( Brassica campetris subsp.rapifera Metzg«

8. Бобы ( Vicia fata L* ) "Кузьминские", Русские черные".

9. Люпин ( Lupinus sativus Ь. ) "Немчиновский".11. Ряска ( bemna minor Ь.)

10. Хлорелла ( chiorella vulgaris Beyer)

11. Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.- 116

12. Определение потребления кислорода по методу Журавского90/, см.также работу Таракановой, 1971а.

13. Весовое определение сухого и воздушно-сухого веса.

14. Определение магнитной восприимчивости по 1уи /346/.

15. Определение светопропускания и светопоглощания на адсорб-циометре ЛШ>-64 как способов характеристики светорассеяния коллоидного раствора белка.

16. Определение электросопротивления и электроемкости белковых водных растворов, как показателей состояния воднорастворимых белков на ячейке с платиновыми электродами с помощью моста Р-38 и измерителя емкости, индуктивности и сопротивления E-I2-I.

17. Определение содержания железа,калия, натрия, кальция, магния методами пламенной спектрометрии на пламенных фотометрах Цейса и Хитачи /32/.

18. Определение содержания общего и белкового азота микрометодом Кьелдаля /154/.

19. Определение содержания белка в корнеплодах, листьях и отдельных фракциях веществ методом Лоури /459/.

20. Определение содержания белка в различных его фракциях по Ермакову /154/.

21. Определение содержания Сахаров методом газовой хроматографии /36/.

22. Определение содержания сахарозы в корнеплодах сахарной- 121 свеклы антроновым методом /310/.

23. Определение содержания сухих веществ (дигестия сахара) в клеточном соке сахарной свеклы рефрактометрическим способом.

24. Определение содержания крахмала в зерновке рефрактометрическим способом /154/.

25. Определение содержания жирных кислот в листьях редиса методом газо-жидкостной хроматографии /43/.

26. Определение количественного содержания полярных и нейтральных липидов методом тонкослойной хроматографии /177/.

27. Определение содержания сульфгидрильных групп в пробе методом амперометрического титрования /31/.

28. Оцределение концентрации цротонов (водородных ионов) на рН-метрах 302 и 340 Рн -метрическим способом по Бейтсу /22/.

29. Количественное определение ацетил-холинэстеразной активности с помощью рН-метрии /261/.

30. Определение содержания ацетилхолина по Ассатиани /15/.

31. Определение содержания холина по Кейтсу /103/.

32. Определение интенсивности видимого фотосинтеза (и дыхания) по поглощению углекислоты в токе воздуха /176/.

33. Количественное определение общего фосфора в корнеплодах редиса методом Bartletta /360/ в модификации Geriach и Deuticke /426/.