Влияние нетеплового СВЧ излучения на фотосинтетическую активность

Размещено на http://www.allbest.ru

Муниципальное общеобразовательное учреждение МОУ гимназия №11

Дзержинского района г. Волгограда

Городской конкурс

учебно-исследовательских

работ старшеклассников

«Я и Земля»

им. В. И. Вернадского

Секция биологии

Влияние нетеплового СВЧ излучения на фотосинтетическую активность

Выполнили

учащиеся 10 класса

МОУ гимназии №11

Почевалова Дина

Горохова Виктория

Научный консультант: доцент кафедры физики ВолгГТУ Грецова Н. В.

Руководитель: учитель биологии

высшей категории

Недельская Наталья Олеговна

Волгоград 2010 г.

Содержание

Введение.

Раздел 1: Краткая теория вопроса

1.1 Что такое фотосинтез

1.2 Фотосинтез и жизнь на Земле

1.3 Факторы, влияющие на эффективность фотосинтеза

1.4 Влияние физических и химических факторов на процесс фотосинтеза

1.5 Влияние внутренних факторов

Раздел 2: Исследовательская часть

2.1 Ход эксперимента

Выводы

Список литературы

Приложение

Введение

Зеленый лист, или, вернее, микроскопическое зеленое зерно хлорофилла является фокусом, точкой в мировом пространстве, в которую с одного конца притекает энергия солнца, а с другого берут начало все проявления жизни на земле. © К.А.Тимирязев

Всё живое на Земле зависит от фотосинтеза. Этот процесс снабжает в основном растения, а через пищевую цепочку и животных энергией и углеводами, обеспечивает выделение кислорода в атмосферу. Растения поглощают только около 1% падающей на Землю солнечной энергии, связывают углекислый газ атмосферы, а также и воду, превращая их в 150 млрд. т сухого органического топлива в год. Часть этого органического вещества поедается травоядными животными, которыми питаются хищные животные и человек. Растительные и животные остатки разлагаются бактериями и грибами до уровня исходных неорганических веществ. Затем этот круговорот замыкается: энергия солнечного излучения, поглощённая растениями, в конечном итоге переходит в тепло и излучается Землёй в космическое пространство. Можно сказать, что жизнь на Земле напрямую связана с процессом поглощения солнечного света.

Актуальность. Процесс фотосинтеза напрямую связан со скоростью развития растений. Получив облученные на базе кафедры физики ВолгГТУ семена яровой пшеницы, мы попытались выявить, при каком излучении интенсивность фотосинтеза будет наиболее высокой. Данная работа может быть расширена для использования в сельском хозяйстве, предположительно для повышения урожайности зерновых культур.

Цель:

исследовать влияние СВЧ излучения разных частот на скорость фотосинтеза и активность роста семян

Задачи:

изучить теоретические факторы, влияющие на интенсивность фотосинтеза;

провести экспериментальные исследования интенсивности фотосинтеза в облученных растениях по отношению к контролю методом измерения давления;

выяснить какая частота наиболее благоприятна для процесса фотосинтеза;

проследить зависимость всхожести и длины ростков облученных растений по отношению к контролю.

Гипотеза: мы предполагаем, что некоторые СВЧ волны способны активизировать процесс фотосинтеза и прорастание семян.

Объектом исследования выступили семена озимой и яровой пшеницы.

Предметом исследования является изучение влияния СВЧ волн на семена озимой и яровой пшеницы.

При написании работы использовались следующие методы:

поиск информации при работе с научными и литературными источниками; фотосинтез излучение семена давление

наблюдение за исследуемым объектом;

фотосъемка,

описательная статистика;

графическое отображение данных;

анализ полученных результатов.

При подготовке исследования мы пользовались материалами:

Научных и публицистических изданий;

Периодических изданий;

Данных, опубликованных в сети Интернет.

Раздел 1: Краткая теория вопроса

1.1 Что такое фотосинтез

Фотосинтез можно рассматривать как процесс преобразования лучистой энергии Солнца в химическую энергию растительных тканей. Фотосинтетический аппарат -- это та часть клетки листа или водоросли, которая содержит все компоненты, необходимые для поглощения света и преобразования его энергии в энергию возбужденных молекул пигментов в последовательных фотохимических и ферментативных реакциях показали, что пигментами, обеспечивающими поглощение квантов света, являются хлорофиллы. Соответствующая реакция будет иметь общий вид

(1)

Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем исходные вещества, т. е. СО2 и Н2О. Таким образом, за счет энергии светового луча энергетически бедные вещества СО2 и Н2О превращаются в богатые энергией продукты - углеводы и кислород. Энергетически совокупность реакций, описанных обобщенным уравнением (1), можно охарактеризовать величинами окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах.

Таким образом в процессе фотосинтеза идет выделение газов: СО2 и О2.

1.2 Фотосинтез и жизнь на Земле.

Содержание СО2 в атмосфере остается почти постоянным, несмотря на то, что углекислый газ расходуется в процессе фотосинтеза. Дело в том, что все растения и животные дышат. В процессе дыхания (в митохондриях) кислород, поглощаемый из атмосферы живыми тканями, используется для окисления углеводов и других компонентов тканей с образованием, в конечном счете, диоксида углерода и воды и с сопутствующим выделением энергии. Высвобождающаяся энергия запасается в виде высокоэнергетического соединения -- аденозинотрифосфата (АТФ), который и используется организмом для выполнения всех жизненных функций. На процессы дыхания во всех живых организмах и на сжигание всех видов топлива, содержащего углерод, в совокупности расходуется в масштабах всей Земли в среднем около 10 000 тонн О2 в секунду. При такой скорости потребления весь кислород в атмосфере должен был бы иссякнуть примерно в течение 3000 лет. К счастью для нас, расход органических веществ и атмосферного кислорода уравновешивается созданием углеводов и кислорода в результате фотосинтеза. В идеальных условиях скорость фотосинтеза в зеленых тканях растений примерно в 30 раз превышает скорость дыхания в тех же тканях. Таким образом, фотосинтез служит очень важным фактором, регулирующим содержание О2 и СО2 в атмосфере Земли. В ходе фотосинтеза вся имеющаяся в атмосфере двуокись углерода проходит через растения в среднем за 300 лет, а весь кислород совершает свой цикл за 2000 лет.

Энергия, высвобождающаяся при дыхании, в конечном счете, рассеивается живыми организмами в виде тепла и поэтому непригодна для повторного использования в рассмотренном выше цикле. Следовательно, в течение многих миллионов лет энергия постоянно поступала от Солнца и рассеивалась в земной атмосфере в виде тепла. И этой энергии, которая приходит от Солнца, достаточно, чтобы процесс фотосинтеза продолжался в течение грядущих миллионов лет. Солнечная энергия, достигающая в течение года атмосферы Земли, составляет примерно 5,6*1024 Дж. Около половины этой энергии отражается облаками и газами в верхних слоях атмосферы и не попадает на Землю. Из той энергии, которая достигает поверхности Земли, лишь 50% приходится на спектральный диапазон, соответствующий видимому излучению, которое способно вызвать фотосинтез, а другая половина - это инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Таким образом, годовое поступление энергии в виде фотосинтетически активной радиации, т. е, в виде света от фиолетового до красного, составляет в масштабах всей Земли около 15*1023 Дж. Однако примерно 40% этой энергии отражается поверхностью океанов, попадает в пустыни и т.п., и лишь оставшаяся доля может быть поглощена наземными и водными растениями.

Согласно, приведенным в последнее время данным (Д.Холл, К. Рао «Фотосинтез» - оформить ссылкой), автотрофные растения производят за год примерно 2*1011 тонн биомассы, что эквивалентно энергии 3*1021 Дж. Около 40% этого органического материала синтезируется фитопланктоном, мельчайшими растениями, обитающими вблизи поверхности океанов. Ежегодное потребление продуктов питания всем населением Земли (если считать численность населения равной 4,3 млрд. человек) составляет около 800 млн. тонн (если 6,5 млрд. чел. то 1.2 млрд. тонн), или 13*1018 Дж. Таким образом, получается, что средний коэффициент использования фотосинтетически активной радиации всей флорой нашей планеты составляет всего лишь 0,2% (3*1021/15*1023 Дж), но и из той энергии, которая была поглощена в процессе фотосинтеза, человечество потребляет в виде энергии питательных веществ менее 0,5% (13*1018/3*1021 Дж). Интересно отметить, что в 1976 г. потребление энергии в мировом масштабе составило 3*1020 Дж, или одну десятую долю энергии, запасенной за год благодаря фотосинтезу!

1.3 Факторы, влияющие на эффективность фотосинтеза

Интенсивность, или скорость процесса фотосинтеза в растении, зависит от ряда внутренних и внешних факторов. Из внутренних факторов наибольшее значение имеют структура листа и содержание в нем хлорофилла, накопление продуктов фотосинтеза в хлоропластах, влияние ферментов, а также наличие малых количеств необходимых неорганических веществ. Внешние факторы - это параметры излучения, попадающего на листья, температура окружающей среды, концентрация углекислоты и кислорода в атмосфере вблизи растения. Рассмотрим подробнее некоторые из этих факторов.

1.4 Влияние физических и химических факторов на процесс фотосинтеза

При исследовании воздействия СВЧ излучения на пшеницу такими «косвенными» признаками являлись скорость прорастания, всхожесть, интенсивность (скорость) развития ростков [1, 2], которые являются следствием неизученных в полной мере процессов, протекающих в биосистеме при СВЧ воздействии. Даже в тех случаях, когда удается моделировать изменения на клеточном уровне, корреляционные исследования проводятся после облучения и выращивания растений. Таким образом, в большинстве случаев, ответная реакция биообъекта на воздействие оценивается по «отдаленным» эффектам. Одним из таких «отдаленных» эффектов для зеленых растений может являться и интенсивность фотосинтетических реакций.

Влияние интенсивности света на фотосинтетическую активность показано на рис. 2. При низких интенсивностях света скорость фотосинтеза, измеренная по выделению кислорода, возрастает прямо пропорционально увеличению интенсивности света. Соответствующий участок на графике, обозначенный буквой X, называют начальным участком, или областью, в которой скорость фотосинтеза лимитируется светом. По мере дальнейшего увеличения интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее и менее выраженным, и, наконец, когда освещенность достигает определенного уровня (около 10 000 лк), дальнейшее увеличение интенсивности света уже не влияет на скорость фотосинтеза. На рисунке это соответствует горизонтальным участкам кривых, или плато. Область плато, обозначенная буквой Y, называется областью светового насыщения. Если нужно увеличить скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность света, а какие-либо другие факторы. Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно 105 лк, или около 1000 Вт/м2.

Кроме того важную роль для фотосинтеза играет и температура (второй фактор). В случае низких интенсивностей света скорость фотосинтеза при 15°С и 25°С одинакова. Реакции, протекающие при таких интенсивностях света, которые соответствуют области лимитирования светом, подобно истинным фотохимическим реакциям, не чувствительны к температуре. Однако при более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при 25°С гораздо выше, чем при 15°С. Большинство растений в умеренном климате хорошо функционируют в интервале температур от 10°С до 35°С, наиболее благоприятные условия-- это температура около 25°С.

Третьим фактором, влияющим на скорость фотосинтеза, является изменение частоты светового кванта (цвета волны). Лучистая энергия излучается и распространяется в виде дискретных единиц - квантов, или фотонов. Квант света обладает энергией E = h·н= h·c /л где h - постоянная Планка. Из этой формулы ясно, что значение энергии квантов для разных участков спектра различна: чем короче длина волны, тем она больше.

Энергия квантов, соответствующих крайним участкам видимого диапазона -- фиолетовому (около 400 нм) и дальнему красному различается всего лишь в два раза, и все фотоны в этом диапазоне в принципе способны осуществить запуск фотосинтеза, хотя, как мы увидим далее, пигменты листа избирательно поглощают свет определенных длин волн.

Сравнительная характеристика разных участков спектра приведена в таблице 1.

Таблица 1.

В области лимитирования светом скорость фотосинтеза не изменяется при уменьшении концентрации СО2 в окружающей среде (четвертый фактор). Но при более высоких интенсивностях освещения, лежащих за пределами области лимитирования светом, фотосинтез существенно возрастает при увеличении концентрации СО2. У некоторых зерновых культур фотосинтез линейно возрастал при увеличении концентрации СО2 до 0,5% (эти измерения проводили в кратковременных опытах, поскольку длительное воздействие столь высоких концентраций СО2 повреждает листья). Очень высоких значений скорость фотосинтеза достигает при содержании СО2 около 0,1%. Средняя концентрация углекислоты в атмосфере составляет от 0,03 до 0,04%. Поэтому в обычных условиях растениям не хватает СО2 для того, чтобы с максимальной эффективностью использовать попадающий на них солнечный свет.

1.5 Влияние внутренних факторов

Так же на скорость фотосинтеза влияют внутренние факторы, такие как количество хлорофилла в растении, площадь зеленной поверхности растения и пр. В нашей работе мы изучаем влияние внешних факторов.

Раздел 2: Исследовательская часть

Ход эксперимента

В ходе работы было проведено три эксперимента по определению фотосинтетической активности. Наши зерна были обработаны излучением нетепловой интенсивности с частотой 14; 14,25; 14,5; 14,75; 15; 16 ГГц. Облучение зерен проводилось студентами и аспирантами кафедры физики ВолгГТУ.

В качестве объекта исследования выбраны непроращенные зерна пшеницы, прошедшие фазу биологического покоя. Затем семена зеленых растений, облученные СВЧ энергией, высаживаются, и через определенное время исследуется скорость выделения кислорода их ростками, а также ростками из контрольной партии.

Первой задачей на данном этапе явилось установить, влияет ли облучение непроращенных семян пшеницы до высадки СВЧ излучением низкой интенсивности на скорость фотосинтетических реакций развивающихся ростков; во-вторых, если такое влияние установлено, определить его характер (стимулирует или, наоборот, подавляет указанное воздействие процессы фотосинтеза) и, в-третьих, сравнить действие СВЧ облучения на скорость прорастания, всхожесть, интенсивность развития ростка и скорость фотосинтеза в нем.

Облучению подвергались непроращенные зерна яровой пшеницы не элитного сорта, полностью прошедшие фазу физиологического развития и находящиеся в фазе вынужденного покоя. Все отобранные для эксперимента зерна подвергались облучению, продолжительностью 10 минут в один и тот же день.

Облученные зерна были высажены в грунт в течение первых трех суток после облучения в емкости по 20 - 40 зерен одновременно с зернами из контрольной партии. Основная масса проростков облученных зерен появилась на третьи сутки, контрольных - на пятые. На десятый - четырнадцатый день вегетации ростки были срезаны, определена всхожесть зерен и длина их ростков (характеризующая скорость их развития). Всхожесть и длина ростков в контрольной и облученной партиях приведены на рис 1. и рис. 2.[3]

Кривая 1 - контроль, 2 - эксперимент, 3 - доверительный интервал для эксперимента

Рис. 1 - Всхожесть зерен яровой пшеницы

Кривая 1 - контроль, 2 - эксперимент,

3 - доверительный интервал для эксперимента - 10 %

Рис. 2 - Относительная длина ростков яровой пшеницы (по отношению к контролю)

При облучении волнами частотами 14, 15 и 16 ГГц семена взошли на 3 день (график 3)

Рис. 3. График всхожести семян озимой пшеницы.

Из рис. 1. и 2 видно что, на частоте 14,75 ГГц наблюдается угнетение всхожести и роста зерен пшеницы, в то время как на частоте 15,00 ГГц происходит стимуляция и того, и другого. Из рис. 3 видно, что наилучшим образом на всхожесть влияет облучение зерен частотой микроволнами 15 ГГц.

Если рассмотреть последний результат посуточно (рис. 4), то можно отметить, что динамика всхожести зерна, облученного микроволнами 14 и 16 ГГц, почти не отличается от контрольной, а зерно, облученное частотой 15 ГГц, всходит быстрее.

рис. 4. Всхожесть посуточно. Кривая 1 - контроль, 2 - зерна облученные частотой 14 ГГц, 3 - 16 ГГц, 4 - 15 ГГц.

Как известно, срезанное растение некоторое время остается живым, и процесс фотосинтеза в нем происходит с выделением кислорода. В герметично закупоренных пробирках, заполненных раствором бикарбоната натрия, через некоторое время достигается насыщения раствора кислородом. В результате, измеряя давление в закрытой емкости, можно оценить, насколько интенсивно протекает процесс фотосинтеза. Рассмотрим этот процесс подробнее с точки зрения физики. Раз сосуд закрыт (см. схему на рис. 5) , то процесс, происходящий в нем, можно описывать как переход газа из одного состояния в другое при изменении массы газа.

рис. 5 Схема эксперимента

Изменение давление в пробирке, определенное опытным путем, составляет около 10 % от атмосферного. В этом приближении можно описывать процесс уравнением Менделеева - Клапейрона (уравнением состояния идеального газа) . Так как объем V постоянен, то изменение давления в пробирке обусловлено выходом кислорода в процессе фотосинтеза. . Так как кислород довольно плохо растворим в воде, например его растворимость при температуре 200 составляет 44, 5 мг/л, мы считаем, что весь кислород, образованный ростками пшеницы, выходит в воздушную прослойку в пробирке. Объем воздуха в пробирке составляет . Тогда, изменение давления на 8кПа (см рис 7) для ростков, облученных волнами частотой 15 ГГц, предполагает выход кислорода приблизительно .

После измерения длины ростки пшеницы сразу же помещались в герметично закупоренные пробирки с 0,5% (по массе) раствором бикарбоната натрия (пищевая сода). Суммарная длина всех ростков изменяется от партии к партии, что, естественно влияет на процесс выделения кислорода. Чтобы исключить это влияние число ростков, помещаемых в пробирку, подбиралось из одной партии так, чтобы их суммарная длина составляла приблизительно 150 см. Выдержка ростков в растворе для достижения насыщения составила от одного часа до двух с половиной часов при естественном уровне освещенности (800 - 1000 Лк). Измерения давления были проведены в пробирках с помощью датчиков давления и УЛК «Микролаб» (рис. 6).

Рис. 6 - Измерение давления для оценки интенсивности процессов фотосинтеза

Давление в пробирке измерялось в двух режимах - с частотой 10 раз в секунду и один раз в 10 секунд, общая длительность измерений составила от 16 до 30 минут. Результаты измерений (рис. 7) показали различное давление в пробирках с ростками облученных и необлученных растений. [3]

Причем, как видно из рис. 7, максимум кривой давления, позволяющей оценить скорость фотосинтеза, приходится на частоту 14,75 ГГц, где всхожесть и рост минимальны.

Кривая 1 - контроль; 2 - облученные образцы; 3 - доверительный интервал для облученных образцов; 4 - атмосферное давление на момент проведения эксперимента

Рис. 7 - Оценка процесса фотосинтеза облученных и необлученных образцов

Данное экспериментальное исследование показало, что при облучении зерен пшеницы на данной частоте всхожесть и интенсивность роста угнетаются, а скорость процесса фотосинтеза увеличивается.

Для озимой пшеницы частота 15 ГГц дает повышение всхожести (см. рис. 3), но все три выбранные для облучения частоты угнетают процессы фотосинтеза по сравнению с контролем (см. рис. 8)

рис. 8 Оценка скорости фотосинтеза ростков озимой пшеницы. Кривая - 1 - контрольная партия, 2 - 14 ГГц, 3 - 15 ГГц, 4 - 16 ГГц.

Из анализа графиков всхожести и активности фотосинтеза видно, что при воздействии на тех частотах, на которых заметно увеличиваются всхожесть и интенсивность роста, скорость фотосинтеза замедляется, и, наоборот. Возможно, процессам развития растения и процессам фотосинтеза соответствуют различные энергетические уровни биологически активных макромолекул, поэтому воздействие на той или иной частоте приводит к резонансному взаимодействию с различными молекулами и их частями, ответственными за тот или иной биологический эффект. И как следствие этого активируются или процессы развития и роста растения, или процессы фотосинтеза. Данные рассуждения являются лишь предположениями и для более детального изучения обнаруженных эффектов будут проведены дополнительные исследования.

Выводы

По результатам работы можно сделать следующие выводы

1. Метод оценки фотосинтетической активности в первом приближении дает хороший результат.

2. Облучение волнами с частотой 14,75 ГГц вызывает угнетение всхожести и роста зерен яровой пшеницы, в то время как обработка волнами с частотой 15,00 ГГц вызывает стимуляцию и того, и другого.

3. Максимум кривой давления, позволяющей оценить скорость фотосинтеза, приходится на частоту 14,75 ГГц, где всхожесть и рост минимальны.

4. Для зерен озимой пшеницы частота облучения 15 ГГц дает максимальную всхожесть.

5. Активность фотосинтеза ростков озимой пшеницы угнетается после облучения всеми выбранными частотами.

Список литературы

АААА - Бецкий, О.В. Миллиметровые волны низкой интенсивности в медицине и биологии / О. В. Бецкий, Н. Д. Девятков, В. В. Кислов // Вопросы физической метрологии. Вестн. Поволжск. отдел. метрол. акад. России. Вып. 1. 1999. - С. 44 - 81.

Грецова Н. В. Исследование воздействия СВЧ-излучения нетеплового уровня мощности на интенсивность фотосинтеза ростков пшеницы/ Никулин Р. Н., Грецова Н. В. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2010. - №6. - с. 22 - 25.

Д.Холл К. Рао «Фотосинтез» Перевод с английского кандидат физ.-мат. Наук А.О. Ганаго, под редакцией доктора биол.наук Ф. Ф. Литвина

Материал открытой энциклопедии по наукам о Земле: ссылка на интернет -ресурс http://wiki.web.ru/wiki/Фотосинтез

Онлайн - энциклопедия «кругосвет»: ссылка на рабочий ресурс http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/FOTOSINTEZ.html

Рубин А. Б. Биофизика. Избранные главы. ссылка на рабочий ресурс: http://www.library.biophys.msu.ru/rubin/

Рубин А. Б. Биофизика сложных систем. Часть четвертая. Биофизика фотобиологических процессов: ссылка на рабочий ресурс http://nehudlit.ru/books/detail6160.html

Фотосинтез: ссылка на рабочий ресурс http://ru.wikipedia.org/wiki/Фотосинтез

Шеин, А.Г. Экспериментальное исследование воздействия СВЧ - излучения низкой интенсивности на всхожесть и интенсивность роста зерен пшеницы / А.Г. Шеин, Р.Н. Никулин, И.А. Ковалев, Д.Г. Артемова, Лыу Хуен Чанг, М.П. Никулина // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2009. - №4. - с. 10 - 14.

Шеин, А.Г. Особенности воздействия излучения двухсантиметрового диапазона на злаковые культуры / А. Г. Шеин, Н. В. Кривонос // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2002. - №4. - С. 5 - 8.

Приложение

Термины

Освещенность - физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности. Единицей измерения освещённости в системе СИ служит люкс (1 люкс = 1 люмену на квадратный метр)

Световой поток - физическая величина, характеризующая «количество» световой энергии в соответствующем потоке излучения. Иными словами, это мощность такого излучения, которое доступно для восприятия нормальным человеческим глазом.

Нетепловое СВЧ излучение - ЭМ волновое излучение, при воздействии которого, энергия переданная им облучаемому объекту повышает температуру объекта не более чем на одну десятую градуса.

Интенсивность - средняя по времени плотность потока энергии (или мощность), переносимая волной через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны.

Фаза физиологического покоя - Физиологический покой - состояние живой клетки, характеризующееся оптимальным обменом веществ в условиях отсутствия специфических раздражающих воздействий извне.

Фаза развития - по истечение трех месяцев после сбора урожая - зерно невсхожее. или фаза биологического покоя - эти самые три месяца.

Люкс - единица измерения освещённости в системе СИ. Люкс равен освещённости поверхности площадью 1 мІ при световом потоке падающего на неё излучения, равном 1 лм.

Микроволны - это высокочастотные неионизирующие электромагнитные волны

Размещено на Allbest.ru