Как ультразвук влияет на растения
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 19.09.2024
Некоторые растения научились сотрудничать с летучими мышами, которым они предлагают сладкий нектар, а заодно обсыпают пыльцой: когда летучая мышь перелетит на другой цветок, с ней прилетит и пыльца с первого цветка, и произойдёт опыление. Летучие мыши на самом деле довольно эффективные опылители: на их шерсти остаётся много пыльцы, и они летают на большие расстояния, что особенно важно для растений, которые растут отдельными группами и достаточно далеко друг от друга.
Бесхвостый длиннонос кормится нектаром на кактусе E. frutescens. (Фото: Ralph Simon / Vrije Universiteit Amsterdam)
При этом летучие мыши, как известно, ориентируются с помощью эхолокации: они в полёте испускают ультразвуковые сигналы, а потом ловят отражённое эхо, и по эху догадываются, что находится вокруг них. Среди растений, опыляемых рукокрылыми, есть такие, которые приспособились к эхолокации: их цветки особенно хорошо отражают ультразвук (например, благодаря особой согнутой форме лепестков), так что летучие мыши легко их находят.
Но кактус Espostoa frutescens, который растёт в Андах на территории Эквадора и который тоже полагается в опылении на летучих мышей, не отражает их ультразвуковые сигналы, а наоборот, поглощает. Цветки E. frutescens расположены сбоку растения и окружены длинными волосками, очень напоминающими шерсть. Исследователи из Амстердамского свободного университета вместе с коллегами направляли на цветы кактусов ультразвуковые сигналы бесхвостых длинноносов – главных опылителей E. frutescens.
Проектная работа ученицы 6 класса "Влияние звуков на рост и развитие растений".
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Нанайского района Хабаровского края
Автор работы: Хакимова И.,
ученица 6 класса
Руководитель: Савчук Марина Степановна, учитель биологии и географии.
Результаты эксперимента 6
Заключение, выводы. 7
Актуальность работы определяется тем, что в ней на основе анализа специализированной литературы и экспериментальных данных обосновывается эффект направленного действия резонирующих звуков музыки на рост и развитие растений, что позволит в дальнейшем использовать это в жизни.
Цель опыта: определить степень влияния добрых, злых слов, на рост и развитие растений. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
Изучить методики проведения опыта на растениях;
Научиться правильно выращивать растения для проведения опыта;
Обработать полученные данные;
Сравнить степень влияния различных слов на развитие растений.
Предмет исследования – отростки бальзамина.
Я выдвинула следующую гипотезу: слово несет информацию и оказывает определенное влияние на рост и развитие растений.
Для решения этой гипотезы я использовала следующие методы: изучение информационных источников, опытническая работа, наблюдение.
Влияние звуков на растения
Как влияет слово на живые организмы. Какую же силу имеет наше слово по отношению к людям? Попробуем ответить на этот вопрос, познакомившись с притчей. Притча о слове. Однажды Мастер рассказывал о великой силе Живого Слова. Сотни учеников внимательно слушали его. И каждый из них хотел владеть этой необычайной силой. Но не каждый верил Мастеру. Кто-то из задних рядов неожиданно выкрикнул: -Ты говоришь чепуху! Ерунда эта твоя сила Живого Слова! -Сядь на место, глупец! – грубо ответил Мастер. Человека охватила ярость, он стал ругаться еще больше, оскорблять Мастера. Гнев совершенно затмил его разум. Мастер выслушал его. А затем с видом раскаяния сказал: -Прости меня. я погорячился. Искренне прошу прощения. Мне не стоило оскорблять тебя. И ученик тут же успокоился. -Вот всем вам и ответ, - подытожил Мастер. - От одного слова человек пришел в ярость, а от другого - успокоился. Итак, словом можно спасти, умудрить и исцелить. Но словом же можно и посеять зло, отравить душу, ранить. А сколько мы знаем примеров, когда спасительное слово поддержки, любви, заботы, доброты, придавало сил больным и вело к выздоровлению. Доброе слово может помочь избавиться от комплексов, психологических барьеров или душевной боли, рассмешить и развеселить.
Несмотря на то, что мы, обитатели городов и деревень, давно уже "ушли из леса", вера о взаимном влиянии человека на растения и растений на человека упорно живет в сознании людей. Многие горожане убеждены, что жизнь комнатных растений теснейшим образом связана с жизнью их хозяев. "Если хозяин умрет, то и растение может умереть". "У юродивых в огороде всегда все прекрасно растет, потому что у них душа беззлобная". "Если в семье все хорошо, то и на окнах зеленеют и хорошо растут цветы. Если что-то не ладится - поливай их, добавляй удобрения - они все равно хорошо расти не хотят". При этом устойчиво поверье, что если разговаривать с растениями, то от этого они будут лучше расти. Дыня-рекордсмен весом в 278 кг была выращена американцем Норманом Галлагером, который, по словам его жены, прямо-таки жил на грядке рядом с дыней, разговаривал с ней и даже целовал. Интересно, что и самую большую в мире луковицу (5 кг) удалось вырастить английскому строителю из Йоркшира: он тоже каждое утро разговаривал со своей питомицей.
Ультразвуковые колебания – это упругие, механические колебания с частотой более 20 кГц, распространяющиеся в различных материальных средах (Сарвазян, 1977). При распространении ультразвуковых колебаний в среде возникают чередования сжатия и разряжения, причем амплитуда сжатия всегда соответствует амплитуде разряжения, а их чередование соответствует частоте колебаний ультразвуковой волны. Это явление называется ультразвуковым давлением (Красильников, 1960). Рабочий инструмент ультразвуковой колебательной системы приводит в движение прилегающие к нему частицы обрабатываемой среды и вызывает их постоянное смещение, называемое ультразвуковым ветром (Мэзон, 1966).
При распространении интенсивных ультразвуковых колебаний (интенсивностью более 1…2 Вт/см 2 ) в жидкости наблюдается обусловленный ультразвуковым давлением эффект, называемый ультразвуковой кавитацией (Бергман, 1957). Кавитационные пузырьки совершают пульсирующие колебания, приводящие к активной локальной турбулизации среды (Зубрилов, 1988). После кратковременного существования часть пузырьков захлопывается. При этом наблюдаются локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются также локальные повышения температуры и электрические разряды (Сиротюк, 1969).
Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода жидкости, частоты звука, температуры и других факторов. В воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см 2 (Розенберг, 1970).
Выявлено, что в диапазоне частот (5…10)×10 3 Гц отмечаются такие физико-химические явления, как разделение молекул и ионов с различной массой, искажение формы волны, появление переменного электрического поля, капиллярно-акустического и теплового эффекта, активация диффузии. Здесь проявляются сопутствующие эффекты, влияющие на процессы экстракции из лекарственного, растительного и животного сырья, наблюдается усиление процессов гиперфильтрации, проницаемости клеточных мембран, становятся возможными стерилизация термолабильных веществ, фонофорез, получение концентрированных ингаляционных аэрозолей (Рождественский, 1977).
Воздействие ультразвука на биологические объекты. Механическое действие ультразвука приводит к размельчению и диспергированию частиц (Рид, 1960). Механически работа ультразвука усиливает диффузию растворителей в биологические ткани ( Mummery , 1978). Физико-химическое действие ультразвука на биологические объекты, прежде всего, связано с морфологией их поверхности. Ультразвук усиливает в тканях проницаемость клеточных мембран и диффузные процессы, изменяет концентрацию водородных ионов в тканях, вызывает расщепление высокомолекулярных соединений, ускоряет обмен веществ. При умеренной и небольшой интенсивности ультразвука в живых тканях явления кавитации практически не выражены и наблюдается лишь пульсация естественных пузырьков в биологических жидкостях и усиление внутриклеточных и внеклеточных микропотоков жидкости, прекращающихся при отключении генератора ультразвука (Эльпинер, 1973).
Помимо освобождения механической энергии, образование кавитационных полостей сопровождается возникновением электрических зарядов на пограничных поверхностях, вызывающих люминесцентное свечение и ионизацию молекул воды, которые распадаются на свободные гидроксильные радикалы и атомарный водород (Н2 O = НО + Н) (Маргулис, 1986).
В химическом отношении продукты распада ионизированных молекул воды в тканях организма крайне активны. Именно их большой активностью обусловлен ряд общебиологических эффектов, проявляющихся под влиянием ультразвука (Мэзон, 1966).
Ультразвук изменяет скорость процессов на границе газ–жидкость. Так, по данным F . Laugier (2008), его действие повышает растворимость азота в воде на 12 %. И в то же время ультразвуковое облучение растворов приводит к их обезгаживанию.
M . Breitbach (2001) показал эффективность влияния ультразвукового облучения на процессы сорбции и десорбции в гетерогенных системах.
Ультразвуковое воздействие частотой 1700 кГц, мощностью 14 Вт ускоряет растворение синильной кислоты в воде ( Ghodbane , 2009).
Тепловое действие ультразвука происходит вследствие превращения акустической энергии в тепловую в результате поглощения ультразвука. Кроме того, образование тепла обусловлено физическими явлениями, вызывающими так называемый эффект пограничных поверхностей. Сущность его заключается в усилении действия ультразвука на границе разделения двух сред. Особенно это сказывается на тепловом эффекте, который может усиливаться в несколько раз (Бергман, 1956).
Биологическое действие ультразвука на клетки и ткани определяется главным образом интенсивностью ультразвука и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях ультразвука (до 1…2 Вт/см 2 ) механические колебания частиц производят своеобразный микромассаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки) (Байер, 1958). Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).
Первичный эффект действия ультразвука проявляется влиянием на тканевые и внутриклеточные процессы, на изменение процессов диффузии и осмоса, проницаемости клеточных мембран, интенсивности протекания ферментативных процессов, окисления, кислотно-щелоч-ного равновесия, электрической активности клетки. В тканях под действием ультразвука активируются обменные процессы, увеличивается содержание нуклеиновых кислот и стимулируются процессы тканевого дыхания. Под влиянием ультразвука повышается проницаемость стенок сосудов (Молчанов, 2009).
В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу (Константинов, 1974).
В настоящее время ультразвук – один из методов интенсификации биокатализа. Ультразвуковое облучение ассоциируется с повреждением клеток, но доказаны и благотворные последствия озвучивания на усиление биокатализа и жизнедеятельность живых клеток ( Chisti , 2003).
Оксиление холестерола клетками Rhodococcus erythropolis , дегидрогенирование кортизола неподвижными клетками Arthrobacter было исследовано при ультразвуковом облучении на частоте 20 кГц. Значительное повышение скорости биотрансформации наблюдалось при облучении клеток в течение 5 секунд каждые 10 минут мощностью 2,2 Вт/см 2 . Ультразвук повышал массобмен через клеточные мембраны ( Bar , 1988; Zabaneh ,1991).
Кавитация в суспензиях клеток. При повышении интенсивности ультразвука до значений, когда в среде возникают механические усилия, сравнимые с прочностью клеточных мембран, начинается процесс разрушения клеток. Эффект наблюдается, если амплитуда пульсации пузырьков возрастает до определенной величины. Величина эта различна для разных клеток, зависит от их формы и размера, а также прочности цитоплазмической мембраны и наличия цитоскелета (Хенох, 1963; Журавлев, 1977).
Ультразвуковая дезинтеграция клеток получила широкое применение в биотехнологии, в биохимических и вирусологических исследованиях для выделения отдельных веществ и фрагментов клеток, а также в лабораторной диагностике для определения механической резистентности клеточных мембран (Хилл, 1989).
Воздействие ультразвука на белки. Известно, что в ультразвуковом поле происходит изменение структуры, формы и функции молекулы белка. Направление этих изменений зависит от строения белковых и концевых групп белка и свойств газа, содержащегося в водном растворе (Гауровиц, 1965).
Установлено, что эффект воздействия ультразвука на биомакромолекулы (нуклеопротеиды, нуклеиновые кислоты, липопротеиды и другие) зависит от природы газа, присутствующего в озвучиваемом растворе исследуемых веществ. В присутствии кислорода происходит процесс деградации биомакромолекул, вызывающий угнетение их биокаталитической активности. Данные процессы сопровождаются снижением вязкости растворов этих веществ. В присутствии водорода наблюдается увеличение молекулярной массы биомакромолекул при сохранении их нативных свойств, в частности таких белков, как сывороточный альбумин, трипсин и пепсин (Брагинская, 1965; Рейх, 1966).
Воздействие ультразвука на ферменты. Выявлено, что изменения ферментов при ультразвуковом облучении обусловлены не только структурой этих белков, но и природой присутствующего газа. В связи с этим ультразвук не всегда оказывает на них инактивирующее действие(Эльпинер, 1973). Инактивация ферментов при озвучивании наблюдается в том случае, если этот процесс происходит в присутствии кислорода; в среде, насыщенной водородом, инактивация не происходит. Это установлено при ультразвуковой обработке таких ферментов, как трипсин, пепсин, тирозиназа и других. Некоторые ферменты, например каталаза, вообще не инактивируются ультразвуком. Оксидазы более чувствительны к воздействию ультразвука, в то время как редуктазы, каталазы и амилазы обладают достаточной устойчивостью (Браунштейн, 1964; Поляновский, 1964).
Стерилизующий эффект ультразвука обусловлен разрушающим воздействием ультразвуковых колебаний на микроорганизмы, что позволило использовать ультразвук для стерилизации и дезинфекции. Так, например, стерилизация молока при озвучивании в течение 15…60 секунд задерживает его скисание на 5 суток, при этом витамины в молоке сохраняются. В 1 см 3 молока, стерилизованного ультразвуком, содержится в среднем 18 КОЕ, в то время как после обычной пастеризации в течение 1 часа в 1 см 3 его остается около 3000 КОЕ (Хмелев, 2006).
Механизм стерилизующего действия ультразвука весьма сложен и раскрыт не полностью. Очевидно, кавитация является ведущим фактором. Явление кавитации возникает в первую очередь там, где прочность жидкости наименьшая, т.е. на границе раздела сред клетка-жидкость. При образовании на поверхности клетки кавитационного пузырька в момент его уменьшения происходит как бы втягивание структуры стенки в полость каверны. В последующей фазе при захлопывании каверны возникает мощный гидродинамический удар, достигающий десятков мегапаскалей.
Выявлены положительные результаты дезинфекции воды посредством ультразвуковых колебаний; в течение 5 минут удается достигнуть полной стерилизации воды без применения каких-либо химических реагентов. Отмечается также положительный эффект применения ультразвуковых колебаний для стерилизации консервов и соков ( Geiduschek , 1958; Эльпинер, 1959; Mahvi , 2005 ).
Еще в 1928 году было впервые показано, что обработанные ультразвуком растворы, эмульсии, суспензии и отвары в течение некоторого времени после обработки остаются стерильными ( Sevag , 1938).
Существует метод очистки семян от спор грибов с помощью ультразвука ( United States Patent 6185865, 2001). Метод осуществляется путем погружения семян в водный раствор с инертным газом с помощью ультразвуковой обработки с частотой 15…30 кГц, удельной мощностью 1…10 Вт/см 2 и продолжительностью 1…15 минут.
Почти все микроскопические растения и организмы погибают, если подвергнуть их действию ультразвука высокой интенсивности, мощностью 500 кГц. Этот факт в настоящее время рассматривается как альтернативный, безопасный путь к очищению воды и продуктов питания ( Bar , 1987).
Разрушаются ультразвуком кишечная (Escherichia coli), брюшнотифозная (Salmonella typhi), дифтерийная (Corynebacterium diphtheriae), сенная (Bacillus subtilis) палочки, клетки столбняка ( T etanus b acillus ), сальмонеллы (Salmonella), кокки (Staphylococcus), трипаносомы (Trypanosoma bacillus ), трихомонады (Trichomonas), возбудитель тифа ( T yphus recurrens ) и др. Ультразвук высокой интенсивности оказывает разрушающее действие на вирусы табачной мозаики ( Tobaco mosaic virus ), энцефалита (Encephalitis virus ), сыпнотифозные, гриппа ( I nfluentia ). Бактериофаги больших размеров также чувствительны к действию ультразвука. Из патогенных микроорганизмов наибольшую устойчивость к воздействию ультразвука проявляют различные штаммы туберкулезных палочек ( T uberculum bacillus ) ( Davies , 1959; Elpiner , 1964; Joyce , 2003; Dehghani , 2005).
C терилизующее действие ультразвука на микроорганизмы проявляется на частотах 20 кГц и выше, при интенсивности более 0,5 Вт/см 2 в кавитационном режиме облучения (Брагинская, 1963; Вашков, 1973).
Применение ультразвука возможно для стерилизации лекарственных препаратов, приготовленных как в заводских, так и в аптечных условиях. В аптечных условиях, применяя ультразвук частотой 490 кГц и интенсивностью 20 Вт/см 2 в течение 5 минут, достигали полной стерилизации глазных капель: 0,25 %-ного раствора сульфата цинка,
1 %-ных растворов дионина, платифиллина гидротартрата, солянокислого пилокарпина. Анализ приготовленных растворов показал сохранение подлинности и количественного содержания лекарственных веществ в растворах до и после ультразвукового воздействия (Молчанов, 1980).
Известно, что высокую степень микробной обсемененности имеет лекарственное сырье, в особенности растительное. Поэтому настои, отвары и слизи в аптеках сохраняются не более 2 суток, так как после этого срока может бурно развиться микрофлора. Ультразвук определенных частот и интенсивности вызывает эмульгирование двух несмешивающихся жидкостей и одновременно стерилизацию обращенных эмульсий. Если же возникает необходимость простерилизовать готовые эмульсии ультразвуком, то экспозицию озвучивания по сравнению с озвучиванием суспензии следует уменьшить до 5…10 мин при интенсивности до 5…10 Вт/см 2 независимо от частоты ультразвука (Стекольников, 1977). Одновременное использование антисептиков и ультразвуковой обработки позволяет снизить концентрацию антисептиков в 10…50 раз в лекарственных формах (Молчанов, 2009).
По данным Koda (2009), инактивирование грамотрицательных бактерий Escherichia Coli и грамположительных бактерий Streptococcus Mutans происходит при ультразвуковом воздействии частотой 500 кГц и мощностью 1,7…12,4 Вт.
При ультразвуковой обработке водных суспензий микобактерий частотой 20 кГц происходит разрушение 93 % микобактерий, а при высокочастотном ультразвуковом воздействии (612 кГц) – 35,5 % ( Bsoul , 2009).
Ультразвуковой капиллярный эффект – явление увеличения глубины и скорости проникновения жидкости в капиллярные каналы под действием ультразвука (по сравнению с глубиной и скоростью, обусловленных только капиллярными силами). Открытие ультразвукового капиллярного эффекта принадлежит белорусскому ученому академику Е.Г. Коновалову (1961).
Впервые Ричардс обнаружил влияние ультразвука на подъем жидкости в капиллярах (Новицкий, 1983). В его эксперименте использовались стеклянные трубки с диаметром 2 мм, имевшие входной рупор. При нормальном падении волн на отверстие рупора в трубке наблюдался дополнительный подъем уровня жидкости (сверх высоты капиллярного уровня), пропорциональный силе звука.
Животные, люди и, возможно, даже другие растения могут использовать звуки, издаваемые растением для получения информации о его состоянии
Группа биологов из Тель-Авивского университета обнаружила, что напряженные растения под стрессом издают звуки — подобно многим животным — с помощью ультразвуковых щелчков, не обнаруживаемых человеческими органами слуха, и эти звуки несут информацию о физиологическом состоянии растения.
Растения также выделяют летучие органические соединения, например, при воздействии засухи или травоядных животных. Эти соединения могут воздействовать на соседние растения, что приводит к повышению устойчивости таких растений.
Ранее было продемонстрировано, что растения производят визуальные, химические и тактильные сигналы, на которые иногда могут реагировать другие организмы. Тем не менее, способность растений излучать звуки изучена недостаточно.
В исследовании ученые намеревались проверить, производят ли растения информативные звуки, которые могут служить потенциальными сигналами или сигналами для окружающей среды.
Они сконструировали систему записи, в которой каждое растение регистрировалось одновременно двумя микрофонами в акустически изолированной коробке. Исследователи сфокусировались на ультразвуковом диапазоне (20-150 кГц), где фоновый шум слабее.
Биологи изучали томат (Solanum lycopersicum) и табак (Nicotiana tabacum) при различных воздействиях: стресс от засухи, обрезка стебля и контрольные растения без влияния на них.
Количество звуков, издаваемых растениями, пораженными засухой, составляло около 35 и 11 в час для томата и табака соответственно, а срезанные растения томата и табака издавали около 25 и 15 звуков в час соответственно.
Напротив, количество звуков, издаваемых растениями из всех контрольных групп, было меньше, чем один звук в час.
Ученые также разработали модели машинного обучения, которые были способны различать звуки растений и общие шумы и определять состояние растений — засохшие, срезанные или нетронутые — на основе исключительно излучаемых звуков.
Читайте также: