автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Комплекс для регистрации биопотенциалов растений

На правах рукописи УДК 620.17.051+576

Морозов Вадим Анатольевич

Комплекс для регистрации биопотенциалов растений

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук л

Ижевск-2005

Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Барсуков Владимир Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Филинов Владимир Викторович

доктор технических наук, профессор Алексеев Владимир Александрович

Ведущая организация: Московский государственный

агроинженерный университет им. В. П. Горячкина.

Защита диссертации состоится 23 декабря 2005 г. В 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34, тел. (3412) 50-82-00.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной механики УрО РАН.

Автореферат разослан « ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор ------* Тарасов В.В.

¡пь-к 2Ш 7Л

т он 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Состояние биосферы и влияние на нее техногенной деятельности человека в промышленной и агропромышленной областях приобретает в настоящее время все более актуальное значение. Необходимость прогнозирования результатов этой деятельности, оптимизации параметров воздействия на живые организмы и растения с целью обеспечения наилучших условий их репродуцирования и жизнедеятельности затруднено рядом обстоятельств. В частности, для контроля за развитием растений используется сложное дорогостоящее оборудование, а методики не могут качественно, с большой точностью и за сравнительно короткий промежуток времени оценить эффективность различных факторов, влияющих на рост растений. Непосредственную реакцию растений на внешние воздействия за небольшой промежуток времени наблюдать трудно, однако можно фиксировать биоэлектрическую реакцию клеток. В связи с развитием методики регистрации электрических сигналов с помощью микроэлектродной техники появилась возможность создания аппаратуры для определения мгновенной реакции зеленых растений на внешние воздействия. Наличие такой аппаратуры, обеспечивающей фиксацию изменения потенциала растений, откроет широкие возможности проведения мониторинга в условиях техногенеза и позволит перейти к задаче оптимизации условий жизнедеятельности зеленых растений. Предпосылками проведения исследований в этом направлении служат потребности научных учреждений, занимающихся мониторингом состояния многих сфер нашей жизни, которые в условиях техногенеза быстро меняются, предприятий АПК при производстве сельскохозяйственной продукции с обеспечением оптимальных условий жизнеобеспечения и получения урожаев, приближающихся к биологической урожайности сельскохозяйственных культур. Научные исследования показывают, что внешние раздражители (такие как локальный нагрев, охлаждение, механическое воздействие) вызывают мгновенную реакцию, проявляющуюся в изменении электрического потенциала на мембранах клеток растений, что позволяет производить количественную оценку реакции.

Существует естественный диапазон параметров, включающий минимальные величины воздействия, приводящие к появлению реакций растений, и максимальные, превышение которых может приводить к торможению развития или к биологической смерти. В этом диапазоне параметров внешние воздействия используются природой зеленых растений в качестве основы процесса жизнедеятельности. В настоящее время определение величин пороговых параметров воздействия производится по конечным результатам жизнедеятельности (повышение

или понижение урожайности, фиксировфшобтоадиилоюйдиерти и т.п.).

БИБЛИОТЕКА I

СП •9

Для научных исследований используются экспериментальные устройства, характеристики которых отвечают решению частных задач. Поэтому можно сделать вывод о том, что в настоящее время не существует методики, которая могла бы оценить эффективность различных факторов системы культивирования растений. Эта методика должна предусматривать регистрацию реакции растения на изменение внешних факторов. Одним из перспективных направлений развития экспресс методов является регистрация трансмембранных потенциалов клеток растений. Эти потенциалы можно использовать в качестве обратных связей системы воспроизводства растений, которая функционирует в определенных границах питательной среды, энергии светового потока, температуры и состава газовой среды. Система должна быть эффективной в отношении максимального воспроизводства растений и энергосбережения.

В настоящее время также нет комплекса для регистрации биопотенциалов растений, который был бы простым в эксплуатации и не требовал бы специальных условий и высокой квалификации персонала. Такой комплекс позволит оптимизировать параметры среды обитания, найдет широкое применение при отработке технологии выращивания растений в светонепроницаемых культивационных сооружениях. Исследование влияния режимов освещения на рост растений позволит увеличить выход готовой продукции и решить задачу энергосбережения при выращивании растений. Эффективность проводимых исследований по разработке комплекса и методики регистрации биопотенциалов определяется экономией средств и времени на мониторинг, сокращением сроков экспериментального установления наилучших условий жизнедеятельности растений.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка комплекса для регистрации и обработки биопотенциалов высших растений и его применение для определения требований к фотометрическим характеристикам осветительных установок, используемых для репродуцирования растений в условиях светокультуры.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Разработка модели процесса отведения электрического потенциала с группы клеток растения с помощью микроэлектродной техники при введении электродов в ткань растения.

2. Разработка методики и комплекса для регистрации и обработки биопотенциалов растений.

3. Определение пороговых значений реакций растений на изменение различных внешних факторов.

4. Определение фотометрических характеристик и совершенствование светотехнических установок для репродуцирования растений в условиях светокультуры.

Объектом исследования являются: метод и аппаратура отведения биопотенциалов высших растений при фотостимуляции растений источниками излучения с различным спектральным составом и формой светового потока.

Предметом исследования являются: методика введения электродов в ткань растения для отведения биопотенциалов; экспериментальное определение с помощью разработанного комплекса пороговых значений освещенности и спектрального состава излучения, влияющих на осуществление процесса фотосинтеза; исследование влияния формы пульсации светового потока различных типов осветительных установок на скорость осуществления процесса фотосинтеза в растениях.

Методы исследования. В работе применялись модели электрохимических и фотосинтетических процессов в высших растениях, теоретические основы электроники, электротехники, информационно-измерительной техники, а также методы научного эксперимента.

Достоверность и обоснованность. Достоверность теоретических разработок подтверждена экспериментальными исследованиями влияния светового излучения на воспроизводство растений. Результаты исследований подтверждены практикой выращивания растений в меристемной лаборатории Удмуртского государственного научно-исследовательского института сельского хозяйства.

На защиту выносятся:

1. Комплекс для регистрации и обработки электрических потенциалов растений с новой методикой регистрации электрических потенциалов растений.

2. Электрофизиологическая модель системы "электрод-группа клеток растения".

3. Уточненные значения пороговых потенциалов действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции люминесцентными лампами и лампами накаливания.

4. Результат идентификации ценоза картофеля, как растения, активно растущего в красном спектре излучения, в условиях светокультуры.

5. Светотехническая установка с высокочастотными источниками питания люминесцентных ламп, обеспечивающая максимальную скорость осуществления процесса фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры.

Научная новизна:

1. Реализованная с помощью комплекса для регистрации электрических потенциалов растений методика регистрации потенциалов действия позволяет учитывать влияние микродавления электродов на клетки растения при введении электродов в ткань растения и освещении растений рсветительными установками с различными светильниками.

2. Предложенная электрофизиологическая модель системы "электрод-группа клеток растения" позволяет устанавливать связь между выходным сигналом электроизмерительного устройства, ионными потоками крупной поры клетки, электрическим сопротивлением тонопласта, плазмолеммы, клеточной стенки и электродов для группы клеток.

3. Уточнены пороговые значения освещенности растения картофеля. Показано, что для ламп накаливания это значение составляет 5-6 103 Лк, а для люминесцентных ламп - 7,5-9 103 Лк.

4. Впервые установлено, что длинноволновая часть спектра излучения фотосинтетической активной радиации имеет наибольшую значимость для жизнедеятельности растения картофеля.

5. Решена задача определения параметров светового потока, обеспечивающего максимальную скорость осуществления процесса фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры. Теоретически и экспериментально показано, что схемы люминесцентных ламп, питающиеся от высокочастотного источника питания, обеспечивают наибольшую скорость роста растений.

Практическая ценность. Предложенные технические решения просты в реализации и в эксплуатации, не требуют специальных условий работы и высокой квалификации персонала. Разработанные комплекс и методика регистрации электрических потенциалов растений позволяют определять пороговые значения освещенности и оценивать влияние спектрального состава излучения фотосинтетически активной радиации высших растений. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в работе, позволяют обеспечивать максимальную скорость фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (ИжГТУ. Ижевск, 2001), «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (ГОУ ВПО «ИжГТУ», Ижевск, 2004), научно-техническая конференция «Электрооборудование, электроснабжение, электросбережение» (ГОУ ВПО «ИжГТУ», Ижевск, 2004), Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения» (ФГОУ ВПО «ИжГСХА»,

Ижевск, 2005), Всероссийская научно-техническая конференция «Системы управления электротехническими объектами» (ТулГУ, Тула, 2005).

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 5 статьях и 5 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 221 наименований и 3 приложений. Диссертация изложена на 152 листах, содержит 10 таблиц, 72 иллюстрации.

Краткое содержание работы Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ существующей технологии культивирования меристем, массового размножения клонов и выращивания микроклубней в условиях светокультуры. Показаны недостатки применяемых светотехнических установок в условиях светонепроницаемых культивационных сооружений. Выявлено, что первостепенной задачей определения параметров светового излучения является: определение спектральной плотности излучения, фотопериода, динамичности излучения, которые должны имитировать естественное солнечное излучение. Проанализированы существующие методы оценки эффективности режима излучения, газового состава и температуры среды при выращивании растений в условиях светокультуры. Показаны недостатки существующих методик, которые включают в себя большую продолжительность опытов во времени при изменении минимума факторов из всей совокупной системы. Также выявлено, что в настоящее время нет методики, которая бы качественно, с большой степенью точности и за небольшой промежуток времени могла бы оценить эффективность вышеперечисленных факторов. На основе анализа исследований Дж. Чандра Боса, И.И. Гунара, В.Г. Карманова, В.П. Казначеева, К. Бакстера и др. было выявлено, что можно регистрировать собственные электрические потенциалы растений на изменение внешних факторов окружающей среды. Проанализированы

электрофизиологическая модель плазматической мембраны растений, электрохимическая модель генерации потенциала действия в растительных объектах, кинетическая модель фотосистемы высших растений. На основе этого анализа выявлено, что импульсная электрическая активность растений не является пассивным отражением изменения их физиологического состояния, она играет самостоятельную роль, передавая сигналы об изменениях в среде и вызывая ответ на эти реакции. Из трех типов импульсной электрической активности для

оптимизации параметров различных факторов, влияющих на репродуцирование растений, наибольший интерес представляют потенциалы действия (ПД). Выявлены требования к осветительным приборам с точки зрения параметров воздействия светом на растения -спектральной плотности, фотопериода, динамичности излучения. Предложено использовать осветительные установки (ОУ) с люминесцентными лампами, отличающиеся от существующих ОУ тем, что они питаются от высокочастотных электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА). Предложенные ОУ позволяют не только оптимизировать параметры светового излучения, но и обеспечить значительную экономию электроэнергии. На основании выявленных требований к системе для регистрации электрических потенциалов растений предложено специализированное устройство по отведению биопотенциалов растения, которое отличается от существующих устройств, простотой эксплуатации и не требует специальных условий и высокой квалификации персонала.

Во второй главе предложена модель системы "электрод - группа клеток растения" при введении электродов в ткань растения, так как известные модели (электрофизиологическая модель плазматической мембраны растений, электрохимическая модель генерации потенциала действия в растительных объектах, кинетическая модель фотосистемы высших растений) сложны и не позволяют рассчитать значение потенциала действия вследствие большого количества факторов влияющих на его формирование. Существующие методы регистрации процессов электрической активности растительной клетки построены на моделировании процесса отведения потенциалов с одной клетки растения при внутриклеточном введении микроэлектродов и моделирования процесса отведения поверхностного потенциала без введения электродов в ткань растения.

Процесс отведения электрического потенциала с группы клеток при введении микроэлектродов в ткань растения и регистрации потенциала можно представить следующим образом. Высшее растение состоит из множества клеток. Структура растительных клеток сложна, но в упрощенном виде ткань может быть представлена в следующем виде. Клеточная стенка пронизана отверстиями с узкими каналами -плазмодесмами, по которым молекулы диффундируют из клетки в клетку, обеспечивая во всем растении непрерывность протоплазмы. Участки, где сосредоточено много плазмодесм называют поровыми полями. Протопласт ограничен мембранами - плазмалеммой и тонопластом. Модель системы "электрод - группа клеток растения" при введении электродов в ткань растения представлена на рис. 1.

Рис. 1. Модель системы "электрод - группа клеток растения" при введении электродов в ткань растения.

КС-клеточная стенка, П-плазмалемма, Т-тонопласт, В-вакуоль, Пл-плазмодесма, КП-крупная пора, образованная разрывом клеточной стенки, Ц-цитоплазма, ЭУ-электрометрический усилитель, ИЭ-измерительный электрод, ЭС-электрод сравнения, Э-электролит, состоящий из смеси содержимого цитоплазмы, вакуоли и межклеточного вещества. С02-двуокись углерода из воздуха; Н20-вода из почвы; Ьг>~ квант световой энергии; (СН20)„-углеводы, накапливаемые в растении под действием реакции фотосинтеза; 02-кислород, выделяемый растением; I ос-температура окружающей среды.

Рост высших растений связан с осуществлением процесса фотосинтеза. Фотосинтез органических веществ в растении в свою очередь связан с наличием хлорофилла и других фотопигментов. Фотопигменты поглощают квант световой энергии и обеспечивают протекание диффузионных и метаболических процессов в клетках, что

вызывает изменение электрической активности растения, то есть образование источников тока посредством ионных потоков клетки. Упрощенное уравнение реакции фотосинтеза

С02 + Н20 + Ьи — (СН20)„ + 02. (1)

Рис. 2. Упрощенная схема образования источников тока ^ посредством ионных потоков клетки.

Металлический электрод, введенный в ткань растения, и клетки растения представляют собой два полюса гальванического элемента. Электролитом является раствор, состоящий из смеси содержимого цитоплазмы, вакуоли и межклеточного вещества. Концентрация электролита при повторных введениях различна, так как электрод разрывает клеточную стенку, плазмалемму и тонопласт каждый раз по-новому. Разрыв клеточной стенки, плазмалеммы и тонопласта там, где это происходит, образует большие каналы - крупные поры. Пронизывая клеточную стенку, электрод разрывает мембраны не всех клеток. При этом электрод механически давит на клетки, сжимая их, воздействуя на размеры каналов, изменяя скорость диффузии ионных потоков, что дополнительно обеспечивает изменение диффузионных и метаболических процессов в клетках. Электрическая схема замещения системы "электрометрический усилитель - электроды - группа клеток растения" представляет собой схему с параллельным соединением гальванических элементов -

"электрод - фуппа клеток растения". Гальванические элементы представляются в виде источников тока.

Рис. 3. Электрическая схема замещения системы "электрометрический усилитель - электроды - группа клеток растения".

1,^2, ..., Л -источники тока гальванических элементов - "электрод -клетка растения"; gl, -внутренние проводимости источников тока;

\ - количество гальванических элементов; в-входная проводимость электрометрического усилителя (ЭУ) с электродами; Еь Е2-ЭДС поляризации электродов.

Согласно принятой модели напряжение и на входе ЭУ может быть определено методом узлового напряжения

и = [(I, + 52 +...+ Д,)/+ •+ & + б)] + А<Рп, (2)

& = (Ят+Я„+К-кс)"\ где ЯТДПД,С - сопротивление тонопласта, плазмалеммы, клеточной стенки; в = (Я,,, + ^у)"1, где - сопротивление электродов

и электрометрического усилителя; А<р„ = Е1 - Е2 - потенциал вследствие поляризации электродов.

Без учета поляризации электродов напряжение на входе ЭУ можно считать равным потенциалу покоя растения и.

После введения электродов в ткань растения и первоначальной деформации клеток возникают ионные токи, как следствие этой деформации. Ионные токи протекают через плазмодесмы и крупные поры и изменяют величину электрохимического потенциала. Через некоторое время после введения электродов микродавление оказываемое ими на деформируемые клетки равномерно перераспределяется на все остальные близлежащие клетки ткани растения. Концентрации ионов внутри клеток и в электролите на поверхности электродов выравниваются. Это обеспечивает изменение первоначальной величины потенциала действия, вызванного введением электродов, до величины нового стационарного значения потенциала покоя растения.

Модель "электрод - группа клеток растения" позволила выявить основные направления при разработке устройства и методики регистрации

биопотенциалов клеток растений. Модель подтверждена в проведенных экспериментах по определению пороговых потенциалов действия при фотостимуляции растений.

При регистрации электрических потенциалов растения используют:

- микроэлектродную технику с введением микроэлектрода в клетку для внутриклеточного измерения;

- электродную технику для отведения поверхностного потенциала, то есть без введения электрода в ткань растения для внеклеточного измерения;

- измерение потенциалов покоя методом флуоресцентных зондов.

Регистрации электрических потенциалов растений сопряжены с многочисленными техническими трудностями при изготовлении и применении микроэлектродов, а также необходимостью высокой квалификацией экспериментаторов, что ограничивает широкое применение регистрации электрических потенциалов растений, как экспресс-метода. Применялись микроэлектроды из платиновой проволоки. Заточка платиновой проволоки электрохимическим методом позволяет получить электрод с диаметром кончика, сопоставимым с диаметром клетки растения. Микроэлектроды припаивались к цанговым сменным насадкам и надевались на наконечники, припаянные непосредственно к плате электрометрического усилителя. Предлагаемая конструкция микроэлектродов позволяет проводить регистрацию электрических потенциалов растения с минимальными затратами на их изготовление. Одновременно обеспечивается возможность многократного введения микроэлектродов в ткань растения.

Регистрация электрических потенциалов растений происходит в условиях действия индустриальных помех, которые можно разделить на внешние, входные и внутренние. Анализ помех и их источников позволил выявить методы уменьшения помех. Внешние и входные помехи уменьшались использованием дифференциального усилителя, охваченного глубокой отрицательной обратной связью, экранированием схемы усилителя и проводов отведения биопотенциалов, использованием клетки Фарадея. Внутренние помехи уменьшались за счет прецизионного согласования сопротивлений в схеме электрометрического усилителя, а также использованием прецизионного стабилизатора питающего напряжения. Все выше перечисленные факторы учитывались при создании комплекса для регистрации биопотенциалов растений. Основным узлом комплекса регистрации является электрометрический усилитель (ЭУ). В разработанном ЭУ использована прецизионная микросхема А0624С0, состоящая из законченного модуля со стандартной конфигурацией дифференциального усилителя с большим входным импедансом.

Комплекс регистрации и обработки потенциалов состоит из ЭУ, электродов измерительного и сравнения с приводами подач, источника питания, платы АЦП типа ЛА-70М4 и компьютера. Измерения производятся в клетке Фарадея. Для фотостимуляции используются лампы с различными характеристиками светового потока.

Приводы подачи электродов изготовлены на основе микрометров. Экранированная плата электрометрического усилителя закреплена на одном из приводов подачи. В плате электрометрического усилителя установлен микропереключатель, с помощью которого можно дискретно изменять величину коэффициента усиления. Делитель напряжения на выходе электрометрического усилителя позволяет изменять значение входного сигнала платы АЦП. Период опроса платы АЦП составляет 100 мсек. Оцифрованное напряжение обрабатывается для определения зависимости изменения биопотенциалов растения во времени. Внешний вид комплекса регистрации и обработки электрических потенциалов растений и структурная схема комплекса представлены на рис. 4, 5. Рассмотрены вопросы погрешности регистрации электрических потенциалов растений при введении электродов. Величины электрических потенциалов, полученные при экспериментальной регистрации можно считать равноточными или одинакового веса, так как они получены с помощью одного комплекса при одинаковых условиях. Основываясь на модельном представлении поры мембраны клетки, произведено определение величины электрического потенциала действия при введении микроэлектродов в ткань растения. Функционирование клетки растения сопровождается нарушением непрерывности клеточной мембраны, что приводит к образованию структурных дефектов типа сквозных пор. При введении микроэлектрода происходит механическое повреждение мембраны клетки растения с образованием крупной поры. Модель крупной поры мембраны клетки растения представлена на рис.6. Мембранный слой клетки растения является плоским. Искривление поверхности на границе раздела сред характеризуется лапласовым давлением. В рассматриваемой модели под действием радиуса кривизны стенки (Ь/2) и радиуса поры (г) образуется два давления. Давление Р(Ь/2) обеспечивает расширение поры, а Р(г) - сжатие поры. При механическом повреждении (введение микроэлектрода) мембрана клетки остается устойчивой с образованием крупной поры. Критерии устойчивости поры определяются ее энергетикой. Клеточные мембраны функционируют в условиях, когда к ним приложена разность элекфических потенциалов, обусловленная разной концентрацией ионов по обе стороны мембраны в клетке. Механизм разрыва мембраны в электрическом поле описывается электромеханической моделью Дж. Кроули. В модели мембрана

Рис. 4. Внешний вид комплекса регистрации потенциалов растений.

Стабилизированный источник питания

Клетка Фарадея

Плата

ЛА-70

М4 Мони-

тор

Систем-

ный

блок

Рис. 5. Структурная схема комплекса регистрации и обработки электрических потенциалов растений.

представляется как конденсатор с упругим диэлектриком. Наиболее полное экспериментальное и теоретическое исследование электромеханической модели проведено Чизмаджевым Ю.А..

Ы2

Рф/2)

щ Р(г) >—► <—1 С:

Г 2г 4-►

Р(Ь/2)

Рис.6. Модель крупной поры мембраны клетки растения: Ь - толщина мембраны, Ь/2 - радиус кривизны стенки, г - радиус поры.

Электромеханическая модель может быть использована для определения функциональной зависимости механической и электрической энергии поры клетки. Энергия поры (Е) мембраны клетки:

Е = 2яго/ - лаг2 - яг2С<р2/2, (3)

где (2лга' - лаг2) - работа, затраченная микроэлектродом на разрыв мембраны, с/ - линейное натяжение единицы длины периметра поры мембраны, а - поверхностное натяжение мембраны, яг2С<р2/2 - изменение электрической энергии конденсатора в объеме поры, связанное с заменой диэлектрика (материала поры) на содержимое вакуоли клетки. С = Со(е5 /еш - 1), где С0 - емкость единицы площади мембраны, не содержащей крупной поры, е5 - диэлектрическая проницаемость содержимого вакуоли клетки, ет - диэлектрическая проницаемость мембраны, ср - мембранный потенциал.

Критическое значение радиуса поры (г,,,) в точке равновесия (крупная пора устойчива) определено из условия ЗЕ/Зг = 0.

гкр = а//(а + С<р2/2). (4)

Определено изменение электрического потенциала клетки растения при механическом разрушении мембраны, обусловленным введением микроэлектрода в ткань растения. Численное значение электрического потенциала клетки при введении микроэлектрода в ткань растения определено из выражения

Ф = [2/С(о// г,ф - о)] хп. (5)

Напряжение на выходе ЭУ определено из выражения (2), где I = ф/Ям , Я„ = Ят + Яп + Якс - сопротивление мембраны клетки. Сопротивление одной клетки зависит от размеров плазмодесм и может быть очень большим. В настоящее время нет методик, которые позволяли бы точно измерить это сопротивление. Поэтому принималось допущение, что сопротивление мембраны клетки растения сопоставимо с входным сопротивлением электрометрического усилителя, то есть Я ^ ~

При увеличении количества клеток, располагаемых на

поверхности электродов, происходит изменение потенциала в соответствие со следующим выражением

U = i<p/(i + 1). (6)

Проведен эксперимент введения электродов в ткань растения. Коэффициент усиления электрометрического усилителя составлял Ку = 20. На рис. 7 представлен график изменения электрического потенциала растения при линейном внутритканевом перемещении электродов. После временной выдержки, когда установился потенциал покоя, на десятой секунде (момент t|), был введен измерительный электрод в ткань растения на глубину S|= 0,01 мм, затем после окончания переходного процесса изменения потенциала действия, электрический потенциал установился на новом уровне стационарного значения потенциала покоя за время At = t2-t|. В моменты времени t2= 55 сек, t3= 150 сек, t» = 265 сек, измерительный электрод был введен на глубину S2= ОД мм, S3= 0,1 мм и S4= 0,01 мм соответственно. Функция изменения потенциала действия во времени при введении измерительного электрода в ткань растения представлена полиномом вида:

u(x) = a<,f + ait"'1 + a2t""2 + ... + а„ (7)

График изменения электрического потенциала растения при линейном внутритканевом перемещении электродов (рис. 7) разбит на участки (t|-*- t|' , t2+ t2' , t3-5- t3' , tr- tt'), характеризующие увеличение потенциала растения при линейном внутритканевом перемещении электродов. Частота опроса платы АЦП определяется l/2fd, где fd - частота дискретизации.

Каждый участок в интервалах времени tj-*- tt', t2', t3-*-13', t4+ <4' был аппроксимирован с помощью полиномиальной функции 2-ой степени. По уравнению полинома построена линия тренда и определены параметры аппроксимации изменения электрического потенциала растения в различных интервалах времени. Дополнение модели "электрод - клетки растения" электромеханической моделью Дж. Кроули, описывающей образование крупной поры при введении микроэлектродов в ткань растения, позволяет более корректно характеризовать изменение электрического потенциала. Адекватность модели "электрод - группа клеток растения" подтверждена теоретическим расчетом и экспериментами по определению изменения электрического потенциала растения при введении микроэлектродов в ткань растения.

Переходные процессы изменения потенциала действия при введении микроэлектродов в ткань растения на различную глубину описываются полиномиальной функции 2-ой степени и имеют хорошую повторяемость.

10,сек

4000

Рис. 7. Экспериментальный график изменения электрического потенциала действия при введении электродов.

Третья глава посвящена исследованию биопотенциалов клеток при изменении освещенности растений, выращиваемых из стеблевых черенков картофеля. Отраслевой стандарт (ОСТ 10 004-93) "Картофель семенной. Оздоровленный исходный материал. Выращивание в условиях in vitro" устанавливает в частности требования к выполнению технологического процесса по выращиванию оздоровленного исходного материала in vitro, который должен обеспечивать получение необходимого объема пробирочных растений и микроклубней, удовлетворяющих требованиям к их качеству.

Для определения необходимой освещенности растений использовался комплекс регистрации и обработки биопотенциалов высших растений. Применена методика отведения потенциалов действия с электрофизиологическим контролем потенциала при введении микроэлектродов в ткань растения картофеля. Коэффициент усиления электрометрического усилителя Ку=60. После введения электродов потенциал покоя регистрировался после 40 - 60 минутной выдержки. Для определения потенциалов действия стеблевые черенки фотостимулировались при температуре 23-24°С. Для определения порогового значения потенциала действия стеблевые черенки картофеля стимулировались световым потоком лампы накаливания (ЛН) и люминесцентными лампами с высокочастотными источниками питания (JIJI ВИП). В экспериментах растение стимулировалось световым потоком JIH и J1JI с минимальных до максимально возможных значений циклически. Цикл включения 100 сек чередовался с циклом

восстановительного периода 100 сек, в течении которого ЛН отключалась, а ЛЛ закрывалась шторками. Как показали экспериментальные исследования, 100 сек достаточно для окончания восстановительного периода у растения картофеля. Экспериментальные зависимости отклика Ди от изменения значения освещенности ЛН и ЛЛ были аппроксимированы методом минимизации суммы квадратов отклонений исходных данных. Типовые экспериментальные графики изменения значений и в зависимости от изменения во времени освещенности ЛН и ЛЛ представлены на рис. 8,9. Зависимость электрического отклика ди растения картофеля от изменения интенсивности общей освещенности ЛН и ЛЛ ВИП представлены на рис. 10, 11.

Анализ изменения потенциала действия от величины освещенности (рис. 9) показывает, что первые существенные биоэлектрические отклики ди растения картофеля на фотостимуляцию освещением лампой накаливания наблюдались при достижении освещенности значений 5-6 тыс. Лк. При достижении освещенности значений 13-14 тыс. Лк биоэлектрический отклик ди увеличивался в 22,5 раза.

Анализ изменения потенциала действия от величины освещенности (рис. 10) показывает, что в ответ на фотостимуляцию освещением ЛЛ биоэлектрические отклики Д11 наблюдались при освещенности 7,5-9 тыс. Лк, что в 2 раза больше значения рекомендуемого в типовом технологическом процессе (ОСТ 10 004-93).

Рис. 8. График изменения электрической активности и растения картофеля в зависимости от изменения во времени освещенности ЛН.

Для создания энергосберегающей технологии выращивания микроклубней растения картофеля в условиях светокультуры кроме и,В2,5

2 1,5 1

..11X1 .«Л

******

сек

О

200

400

600

800

1000 1200

Рис.9. График изменения электрической активности и растения картофеля в зависимости от изменения во времени освещенности

ЛЛ ВИП.

Е,Лк

0

10000 20000 30000 40000 50000

Рис. 10. Зависимость электрического отклика ди растения картофеля от изменения интенсивности освещенности ЛН.

ди,мВ

2,5 2 ■

1,5 I

1 I

0,5 ; 0 ^

5000

10000

Е,Лк 15000

Рис. 11. Зависимость электрического отклика ди растения картофеля от изменения интенсивности освещенности ЛЛ ВИП.

интенсивности излучения важно знать, каким должно быть по спектру излучение фотосинтетически активной радиации (ФАР).

Функцию спектральной чувствительности растения как приемника оптического излучения можно представить в виде

К = ЦЕ(Х);Л], (8)

где: К - функция спектральной чувствительности растения как приемника оптического излучения; Е(А.) - соответствующий данному процессу уровень освещенности определенного спектрального диапазона; Л - множество, состоящее из всех длин волн X, принадлежащих спектральному диапазону ФАР (400 - 700 нм).

Известно, что условие спектральной аддитивности в отношении полезной реакции (фотосинтез, урожай и др.) для К в целом не выполняется, т.е.

X ч«700им

В/Е,; 2ДХ.) Ф 1Ь/Е,|), (9)

^•1=400нм

где: В; - величина, характеризующая исследуемый процесс биосинтеза, т.е. образования биомассы, фотосинтез, и др.; Д^ - узкий 1 - й спектральный диапазон; ^ - значение ] - го исследуемого процесса при облученности в узком спектральном диапазоне Д^.

Знание свойств фитоценоза как приемника оптического излучения позволяет более корректно определять его требования к режимам излучения в условиях светокультуры. Исследования в этом направлении показали, что поиск функции спектральной чувствительности для каждого вида растений не имеет смысла, так как многие виды растений имеют близкие требования к спектру и интенсивности ФАР. Важно знать критерий, классифицирующий растения на разные группы. В качестве такого критерия принята чувствительность растений к красному спектру излучения, тогда виды растений, выращиваемых в условиях светокультуры, делятся на три группы: растения, погибающие при длительном воздействии красного излучения; растения, активно растущие в красном спектре; растения, наиболее активно растущие на белом свету. Растение картофеля относиться к роду пасленовых, к этому же роду относиться и ценоз томата. Томаты активно растут и плодоносят в красном спектре. Поэтому можно выдвинуть предположение, о том, что требования к спектру и интенсивности ФАР ценоза томата, близки к требованиям режимов ФАР ценоза картофеля. Отмечено важнейшее значение излучения в области 600-700 нм в достижении высокой продуктивности ценоза томата. Предыдущие исследования выявили

требования к предпочтительным спектральным характеристикам для ценоза томата:

Е(4ОО-5ООИН) : Е(5оо-боонм): Е(боо-7оонм)= (10-20)% : (15-20)% : (60-75)%. Для проверки подтверждения предположения об идентификации ценоза картофеля, отнесенного к группе растений активно растущих в красном спектре излучения, в условиях светокультуры, были дополнительно проведены эксперименты. Растение картофеля фотостимулировалось (рис.12) ЛЛ ВИП с освещенностью Е=9500 Лк.

и,в 3

2,5 2 1,5 -1

0,5 О

л

I. сек

100 200 300 400 500 600

Рис.12. График изменения электрической активности и растения картофеля в зависимости от изменения во времени освещенности

ЛЛ ВИП и ЛН.

С 0 сек до 100 сек ЛЛ ВИП закрыты шторками. На 100 сек, шторки открыты. На 200 сек, ЛЛ ВИП выключены. На 300 сек, включена ЛН обеспечивающая освещенность Е=9500 Лк., на 400 сек ЛН выключена. Из проведенного эксперимента следует, что фотостимуляция ЛН, после восстановительного периода в 100 сек, вызвала увеличение отклика Ди в 2,5-3 раза больше по сравнению с откликом ди, вызванного ЛЛ ВИП при одинаковой освещенности.

Исследование спектра излучения люминесцентных ламп и ламп накаливания дали следующие результаты. Спектр излучения ЛН составляет: 400-500 нм = 10%, 500-600 нм = 32%, 600-700 нм = 58%. Спектр излучения ЛЛ типа ЛБ-40 составляет: 400-500 нм = 39%, 500-600 нм = 36%, 600-700 нм ~ 25%. Поэтому проведенные эксперименты подтверждают предположения об особой значимости для жизнедеятельности растения картофеля длинноволновой части ФАР. Из этого следует, что ценоз картофеля относится к группе растений активно растущих в красном спектре излучения в условиях полной светокультуры.

В четвертой главе рассмотрены вопросы совершенствования светотехнических установок для выращивания черенков картофеля в условиях светокультуры. Приведены результаты сравнительного анализа различных схем осветительных установок. В осветительных установках (ОУ) для выращивания пробирочных растений существенным фактором, влияющим на рост растений, является пульсация светового потока. В ОУ возможно применение одно-, двух-, трехламповых схем, питающихся напряжением промышленной частоты и схем с высокочастотными источниками питания (ВИП). Экспериментальное исследование

люминесцентных ламп (JIJI) с электромагнитными пускорегулирующими аппаратами показало, что при малой инерционности люминофора световой поток ЛЛ пропорционален модулю синусоидального тока лампы и изменяется по закону

i(t) = Im sin cot,

Фл (t) = Фт abs(sin <ot), (10)

где Ira - амплитуда тока лампы, Фт- амплитуда светового потока лампы.

Световой поток люминесцентной лампы, питающейся от источника высокочастотного напряжения ®c(t) становится спрямленным и его можно считать постоянным. Для высших растений характерны максимальные (Ф„ас) и минимальные (пФнас) пороговые значения воспринимаемого растениями светового потока. За пределами этих значений световых потоков растения не способны к осуществлению процесса фотосинтеза. При достижении максимального значения воспринимаемого растением светового потока (Фнас) наступает «световое насыщение» и дальнейшего увеличения роста процесса фотосинтеза не происходит. Для определения зависимости скорости роста растения от величины светового потока при его пульсации необходимо знать зависимость скорости роста от мгновенного значения светового потока. Графики зависимостей скорости реакции фотосинтеза Х'(Ф) при изменении значения светового потока и изменения мгновенной скорости X(t) реакции фотосинтеза при изменении светового потока JIJI для одноламповой схемы представлены на рис.13 в относительных единицах. ЦФ) = ЦФ) / \ (Фнас) - приведенная скорость реакции фотосинтеза; X.'(t) -приведенная мгновенная скорость реакции фотосинтеза; Ф(0 = Фт / Ф„ас -приведенное амплитудное значение светового потока ЛЛ; п = 0 + 1; п - коэффициент, характеризующий минимальное значение светового потока, при котором начинается фотосинтез в растениях; Т = 1/f = 2я / со -период гармонического светового потока JIJI одноламповой схемы; f- циклическая частота гармонического изменения переменного тока;

со - угловая частота гармонического изменения переменного тока. Представленная на рис.13 зависимость X'(t) = ^Ф1 (t)] определяется

X (Ф)

X(t)

-»-----L -1-L-

ф' (t) t| t3 tj t4

Ü

пФик

tl

ф'(»

Рис. 13. График изменения мгновенной скорости X10) реакции фотосинтеза при

Ф™/Ф»к изменении значения

светового потока люминесцентной лампы для одноламповой схемы.

Г V (t) = 0, если Ф'(0<пФ'наС) J X1 (t) = р [Ф1 (t) - пФ'нас], если пф'нас < Ф1 (t) < Ф'1ИС, [_Х'(0=1,еслиФ,(0>Ф'„,с, (П)

где (3 = tg Ф = 1 / ф'нас (1 - п).

Приведенная мгновенная скорость реакции фотосинтеза определяется выражением

Х'(0 = [Ф'ф-п]/[1-п]. (12)

Ф,„(0 = Фт/к1лФ„ас abs (sin (ot) - приведенное мгновенное значение светового потока одноламповой схемы осветительной установки; ф'2л(0 = Фт/к2ЛФ|шс abs [sin (Ot + sin (cot-u/2)] - приведенное мгновенное значение светового потока двухламповой схемы осветительной установки. ф'зл(0 = Фт/к3пФиас abs [sin cot + sin («t - 2л/3) + sin (cat + 2я/3)] -приведенное мгновенное значение светового потока трехламповой схемы осветительной установки.

Среднее значение приведенной мгновенной скорости реакции фотосинтеза определяется выражением

Для одно-, двух- и трехламповых схем осветительных установок были построены зависимости Х'(Фт/Ф„ас) для различных значений

Т

^(Фт/Ф„ас)= 1/TÍ X' (t)dt.

(13)

о

коэффициента п. Средние значения Х'(Фт/Ф1ШС) определялись методом численного интегрирования. Графики зависимостей Х'(Фт/Фнас) на рис. 14,15 построены при условии, что ф'(0 = Фт / Фиас для двух-, трехламповых схем осветительных установок и люминесцентной лампы, питающейся от источника высокочастотного напряжения, приведены к световому потоку одноламповой схемы при частоте переменного напряжения 50 Гц. Приведение учитывается через коэффициент кл. Коэффициент кл определялся из условия ф\л0) = Ф2л0:)= Ф'злО) = Ф'с(0. при одинаковом амплитудном значении светового потока Фт для одно-, двух-, трехламповых схем. Для люминесцентной лампы, питающейся от источника высокочастотного напряжения постоянная времени люминофора во много раз больше чем период колебания светового потока. Поэтому Фс(0 = Фср = 2Фт / я , Ф'с(0 = 2Фт / 7гФнас , где Фср -среднее значение переменного светового потока за полупериод. Ф'с0) -приведенное значение светового потока осветительной установки с люминесцентной лампой, питающейся от источника высокочастотного напряжения.

Для разных схем получаются следующие коэффициенты: к1л = 1/2; к2л= 1/4; к3л= 1/6.

Рис.14. Графики изменения среднего значения приведенной мгновенной скорости реакции фотосинтеза при изменении приведенного мгновенного значения светового потока ЛЛ при п=0: 1-одно, 2-двух, 3-трехламповая схема, 4-одноламповая схема

сВИП.

Осветительная установка с одноламповой схемой вследствие значительных пульсаций светового потока обеспечивает меньшее среднее значение приведенной скорости роста растений. При двух- и

Рис.15. Графики изменения среднего значения приведенной мгновенной скорости реакции фотосинтеза при изменении приведенного мгновенного значения светового потока ЛЛ при п=0,3:1-одно, 2-двух, 3-трехламповая схема, 4- одноламповая схема с ВИП.

трехламповых схемах осветительных установок возможно получение максимальных значений скорости роста. Для трехламповой схемы достижение максимальной скорости роста обеспечиваете^ при меньшем значении амплитуды светового потока по сравнению с двухламповой схемой. Схемы ЛЛ питающиеся высокочастотными импульсами обеспечивают наилучшие условия скорости роста растений близкие к идеальным.

Рекомендуемая ОСТ 10 004 -93 осветительная установка для выращивания пробирочных растений имеет существенные недостатки из-за пульсаций светового потока люминесцентных ламп. С целью уменьшения пульсаций светового потока осветительной установки предложено применить систему трехфазного напряжения. Был создан осветительный модуль с 12-ю люминесцентными лампами ЛБ-80, запитанных для уменьшения пульсаций светового потока от различных фаз трехфазного напряжения. Дроссели и стартеры ламп располагались над отражающей панелью сверху модуля. Из отдельных модулей собирался стеллаж путем соединения модулей. Число модулей в стеллаже не более трех. Осветительный модуль позволял получать освещенность на уровне основания Е= 12000 Л к. Осветительный модуль используется в меристемной лаборатории Удмуртского государственного научно-исследовательского института сельского хозяйства для подращивания растений, имеющих задержку в росте. Также создан макет электронного

пускорегулирующего аппарата (ЭПРА) с целью исследования надежности работы схемы, определения параметров резонансного контура зажигания люминесцентных ламп (ЛЛ) и исследования возможности регулирования светового потока. Регулирование светового потока необходимо для воспроизведения режима освещения растений в условиях светокультуры приближенного к естественному циклу освещения. Исследовалась полумостовая схема источника питания ЛЛ, управляемая автогенераторным драйвером, реализованным на микросхеме 1112151. Для каждого дросселя определялась емкость конденсатора для т лучения резонансного режима при номинальной освещенности Ен. За номинальную освещенность лампы (Ен) была принята освещенность лампы, работающей в электромагнитной схеме (дроссельной схеме) включения. Характеристики лампы в электронной схеме (ЭПРА) сравнивалась с характеристиками лампы в электромагнитной схеме. Исследовалась люминесцентная лампа ЛБ-40. Из проведенных исследований следует при различных Ь и С резонансного контура можно добиться одинаковой освещенности в схемах электромагнитного и электронного ПРА. Регулирование светового потока можно осуществлять изменением частоты. Для ламп с нитями накала устойчивого изменения светового потока при изменении частоты можно достигнуть от 5% до максимального значения. Для ламп с закороченными нитями накала диапазон регулировки светового потока может достигать от 40% до максимального значения. При одинаковой частоте световой поток лампы с закороченными нитями накала больше, чем световой поток лампы с включенными нитями накала. Зажигание люминесцентной лампы с закороченными нитями накала в схеме с ЭПРА происходит при частоте большей, чем частота зажигания ламп с нитями накала. С целью создания номинального режима работы схемы ЭПРА при зажигании лампы с закороченными нитями накала, зажигание лампы должно производиться путем уменьшения частоты от наибольшего значения до резонансной.

Заключение

В результате проведенных в работе комплексных исследований разработаны и научно обоснованы физико-математические, алгоритмические, программные и методические средства для построения комплекса регистрации биопотенциалов растений, внедрение которого имеет существенное значение для решения задачи оптимизации параметров среды выращивания растений в светонепроницаемых культивационных сооружениях.

Основные результаты и выводы: 1. Разработан комплекс для регистрации биопотенциалов растений, включающий светотехническую установку, устройство регистрации с приводами перемещения микроэлектродов, компьютер с платой АЦП.

2. Реализована методика регистрации потенциалов действия, которая позволяет учитывать влияние микродавления электродов на клетки растения при введении электродов в ткань растения и освещении растений осветительными установками с различными светильниками.

3. Предложена электрофизиологическая модель системы "электрод-группа клеток растения", которая позволяет устанавливать связь между выходным сигналом электроизмерительного устройства, ионными потоками крупной поры клетки, электрическим сопротивлением тонопласта, плазмолеммы, клеточной стенки и электродов для группы клеток.

4. Уточнены пороговые значения освещенности растения картофеля для осуществления процесса фотосинтеза. Показано, что для ламп накаливания это значение составляет 5-6 103 Лк, а для люминесцентных ламп - 7,5-9 103 Л к.

5. Впервые установлено, что длинноволновая часть спектра излучения фотосинтетической активной радиации имеет наибольшую значимость для жизнедеятельности растения картофеля.

6. Решена задача определения параметров светового потока, обеспечивающего максимальную скорость осуществления процесса фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры. Теоретически и экспериментально показано, что схемы люминесцентных ламп, питающиеся от высокочастотного источника питания, обеспечивают наибольшую скорость роста растений.

В приложениях приведены: методика регистрации и обработки биопотенциалов растений; схемы электронных пускорегулирующих аппаратов люминесцентных ламп; акт испытания комплекса регистрации пороговых уровней биоэлектрических реакций растений при фотоиндуцировании; акт испытания светотехнической установки для выращивания меристем и пробирочных растений.

Список работ автора по теме диссертации:

1. Морозов В. А., Барсуков В.К. Проблемы оптимизации среды меристемных лабораторий. Сборник научных трудов УГНИИСХ. Вып. 1 (К 50-летию института). Ижевск: Изд-во УдГУ, 2000. - С.325-329.

2. Морозов В.А., Барсуков В.К. Вопросы создания биологического индикатора роста растений. Сборник научных трудов УГНИИСХ. Вып. 1 (К 50-летйЮ института). Ижевск: Изд-во УдГУ, 2000. - С. 330-332.

3. Морозов В.А., Барсуков В.К. Устройство регистрации биопотенциалов клеток. Научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», ИжГТУ. Ижевск, 2001 .С. 24-27.

^a,eoft 2006-4

VÄ3808 28 27904

4. Морозов В,А., Барсуков B.K. Применение электронных ПРА в светотехнических установках для выращивания растений в условиях in vitro. Научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», ГОУ ВПО «ИжГТУ». Ижевск, 2004.- С. 101-118.

5. Морозов В.А., Зорин И.В. Исследование процессов в электронных пускорегулирующих аппаратах люминесцентных ламп // Электрика. -2004.-№11.- С. 19-21.

6. Морозов В.А., Зорин И.В. Исследование процессов в электронных пускорегулирующих аппаратах люминесцентных ламп. Электрооборудование, электроснабжение, электросбережение: Матер, науч.-техн. конф. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004.- С. 85-92.

7. Морозов В.А., Барсуков В.К. Устройство регистрации биопотенциалов клеток. Научно-практический журнал. Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, № 2(5), 2005.

8. Морозов В.А., Барсуков В.К. Исследование биопотенциалов клеток стеблевых черенков картофеля. Научно-практический журнал. Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, № 2(5), 2005.

9. Морозов В.А., Барсуков В.К. Модель системы "электрод-клетки растения" при введении электродов в ткань растения. Труды третьей Всероссийской научно-технической конференции «Системы управления электротехническими объектами», ТулГУ, Тула, 2005. С.33-36.

10. Барсуков В.К., Морозов В.А., Баранов М.Г. Сравнительный анализ светотехнических установок для выращивания растений. Труды третьей Всероссийской научно-технической конференции «Системы управления электротехническими объектами», ТулГУ, Тула, 2005.- С. 30-33.

11. Патент на полезную модель «Устройство регистрации биоэлектрических реакций», Барсуков В.К., Морозов В.А.. Решение о выдаче патента по заявке № 2005123631/22(026612).

12. Патент на полезную модель «Устройство для культивирования изолированных меристем и пробирочных растений», Барсуков В.К., Морозов В.А., Донец Н.В. Дата приоритета от 21.10.2005 г. № 2005132583.

Соискатель 3 В. А. Морозов

Подписано в печать 17.11.05. Формат 60x84/16. Усл.пл. 1,63. Тираж 100 экз. Заказ № 370.

Отпечатано в типографии издательства ИжГТУ. 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

Основные обозначения и сокращения

Введение

Глава 1. Проблемы оптимизации среды меристемных лабораторий

1.1. Задачи культивирования меристем. Оптимизационные факторы параметров устройства для выращивания растений

1.2. Оценка эффективности режима облучения, газового состава и температуры среды

1.3. Существующие модели процессов электрической активности растительных клеток высших растений

1.3.1. Электрическая активность структурных элементов растительной клетки при установившихся параметрах окружающей среды

1.3.1.1. Электрофизиологическая модель плазматической мембраны растений

1.3.1.2. Факторы, влияющие на электрогенез клеток высших растений в покое

1.3.2. Потенциалы действия у высших растений

1.3.2.1. Импульсная электрическая активность у высших растений

1.3.2.2. Пороговые условия генерации потенциалов действия

1.3.2.3. Генерация ритмически повторяющихся потенциалов действия

1.3.2.4. Распространение потенциалов действия в тканях высших растений

1.3.2.5. Электрохимическая модель генерации потенциала действия в растительных объектах

1.3.2.6. Особенности восстановительного периода у высших растений

1.3.3. Кинетическая модель фотосистемы высших растений

1.4. Обзор методик регистрации процессов происходящих в клетках растений

1.5. Требования к осветительным приборам

1.5.1. Анализ недостатков светотехнических установок

1.5.2. Постановка задачи по совершенствованию светотехнических установок

1.6. Требования к системе регистрации электрических потенциалов растений

1.6.1. Требования к электродам

1.6.2. Требования к электрометрическому усилителю

1.6.3. Требования к регистратору

1.7. Постановка задачи по регистрации процессов происходящих в клетках растений

Глава 2. Устройство регистрации биопотенциалов клеток растений

2.1. Модель системы "электрод — группа клеток растения" при введении электродов в ткань растения

2.2. Установка для регистрации электрических потенциалов растения

2.3. Методика отведения электрических потенциалов растения

2.4. Микроэлектроды, используемые для регистрации электрических потенциалов растения

2.5. Классификация помех, возникающих при регистрации электрических потенциалов растения

2.6. Электрометрический усилитель для регистрации электрических потенциалов растений

2.7. Комплекс регистрации и обработки электрических потенциалов растений

2.8. Отработка методики регистрации электрических потенциалов растений

2.9. Погрешности регистрации электрических потенциалов растений при введении электродов

2.9.1. Модель крупной поры мембраны клетки

2.9.2. Определение погрешности регистрации электрических потенциалов действия клеток растений 2.10. Выводы к главе

Глава 3. Исследование биопотенциалов клеток при изменении освещенности растений, выращиваемых из стеблевых черенков картофеля

3.1. Исследования пороговых уровней освещенности при выращивании стеблевых черенков картофеля

3.1.1. Определение порогового потенциала действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции лампами накаливания

3.1.2. Определение порогового потенциала действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции люминесцентными лампами с высокочастотными источниками питания

3.2. Исследование изменения потенциала действия от величины освещенности

3.3. Анализ спектра излучения фотосинтетически активной радиации 3.3.1. Экспериментальная проверка идентификации ценоза картофеля, как растения, активно растущего в красном спектре излучения в условиях светокультуры

3.4. Выводы к главе

Глава 4. Совершенствование светотехнических установок для выращивания черенков картофеля в условиях светокультуры

4.1. Экспериментальные светотехнические установки

4.1.1. Светотехническая установка с люминесцентными лампами и электромагнитными пускорегулирующими аппаратами

4.1.2. Светотехническая установка с люминесцентными лампами и высокочастотными источниками питания

4.2. Характеристики светового потока люминесцентных ламп для различных схем светотехнических установок

4.3. Выводы к главе

Актуальность темы. Состояние биосферы и влияние на нее техногенной деятельности человека в промышленной и агропромышленной областях приобретает в настоящее время все более актуальное значение. Однако, необходимость прогнозирования результатов этой деятельности, оптимизации параметров воздействия на живые организмы и растения с целью обеспечения наилучших условий их репродуцирования и жизнедеятельности затруднено рядом обстоятельств. В частности, для контроля за развитием растений используется сложное дорогостоящее оборудование, а методики не могут качественно, с большой точностью и за сравнительно короткий промежуток времени оценить эффективность различных факторов, влияющих на рост растений. Непосредственную реакцию растений на внешние воздействия за небольшой промежуток времени наблюдать трудно, однако можно фиксировать биоэлектрическую реакцию клеток. В связи с развитием методики регистрации электрических сигналов с помощью микроэлектродной техники появилась возможность создания аппаратуры для определения мгновенной реакции зеленых растений на внешние воздействия. Наличие такой аппаратуры, обеспечивающей фиксацию изменения потенциала растений, откроет широкие возможности проведения мониторинга в условиях техногенеза и позволит перейти к задаче оптимизации условий жизнедеятельности зеленых растений. Предпосылками проведения исследований в этом направлении служат потребности научных учреждений, занимающихся мониторингом состояния многих сфер нашей жизни, которые в условиях техногенеза быстро меняются, предприятий АПК при производстве сельскохозяйственной продукции с обеспечением оптимальных условий жизнеобеспечения и получения урожаев, приближающихся к биологической урожайности сельскохозяйственных культур. Исследования научно-исследовательских учреждений (ИФХБ, ИРЭ РАН и др.), учебных центров (МГУ, ТСХА, Сар.ГУ и др.) показывают, что и внешние раздражители (такие как локальный нагрев, охлаждение, механическое воздействие) вызывают мгновенную реакцию, проявляющуюся в изменении электрического потенциала на мембранах клеток растений, что позволяет производить количественную оценку реакции.

Существует естественный диапазон параметров, включающий минимальные величины воздействия, приводящие к появлению реакций растений, и максимальные, превышение которых может приводить к торможению развития или к биологической смерти. В этом диапазоне параметров внешние воздействия используются природой зеленых растений в качестве основы процесса жизнедеятельности. В настоящее время определение величин пороговых параметров воздействия производится по конечным результатам жизнедеятельности (повышение или понижение урожайности, фиксирование биологической смерти и т.п.). Для научных исследований используются экспериментальные устройства, характеристики которых отвечают решению частных задач. Поэтому можно сделать вывод о том, что в настоящее время не существует методики, которая бы качественно, с большой степенью точности и сравнительно за короткий промежуток времени могла бы оценить эффективность различных факторов системы культивирования растений. Эта методика должна предусматривать регистрацию реакции растения на изменение внешних факторов. Одним из перспективных направлений развития экспресс методов является регистрация трансмембранных потенциалов клеток растений. Эти потенциалы можно использовать в качестве обратных связей системы воспроизводства растений, которая функционирует в определенных границах питательной среды, энергии светового потока, температуры и состава газовой среды. Система должна быть эффективной в отношении максимального воспроизводства растений и энергосбережения.

В настоящее время также нет комплекса для регистрации биопотенциалов растений, который был бы простым в эксплуатации и не требовал специальных условий и высокой квалификации персонала. Такой комплекс позволит оптимизировать параметры среды обитания, найдет широкое применение при отработке технологии выращивания растений в светонепроницаемых культивационных сооружениях. Исследование влияния режимов освещения на рост растений позволит увеличить выход готовой продукции и решить задачу энергосбережения при выращивании растений.

Эффективность проводимых исследований по разработке комплекса и методики регистрации биопотенциалов определяется экономией средств и времени на мониторинг, сокращением сроков экспериментального установления наилучших условий жизнедеятельности растений.

Целью работы является разработка комплекса для регистрации и обработки биопотенциалов высших растений и его применение для определения требований к фотометрическим характеристикам осветительных установок, используемых для репродуцирования растений в условиях светокультуры.

В соответствии с поставленной целью в работе решались задачи:

1. Разработка модели процесса отведения электрического потенциала с группы клеток растения с помощью микроэлектродной техники при введении электродов в ткань растения.

2. Разработка методики и комплекса для регистрации и обработки биопотенциалов растений.

3. Определение пороговых значений реакций растений на изменение различных внешних факторов.

4. Определение фотометрических характеристик и совершенствование светотехнических установок для репродуцирования растений в условиях светокультуры.

Объектом исследования являются: метод и аппаратура отведения биопотенциалов высших растений при фотостимуляции растений источниками излучения с различным спектральным составом и формой светового потока.

Предметом исследования являются: методика введения электродов в ткань растения для отведения биопотенциалов; экспериментальное определение с помощью разработанного комплекса пороговых значений освещенности и спектрального состава излучения, влияющих на осуществление процесса фотосинтеза; исследование влияния формы пульсации светового потока различных типов осветительных установок на скорость осуществления процесса фотосинтеза в растениях.

Методы исследования. В работе применялись модели электрохимических и фотосинтетических процессов в высших растениях, теоретические основы электроники, электротехники, информационно-измерительной техники, а также методы научного эксперимента.

Достоверность и обоснованность. Достоверность теоретических разработок подтверждена экспериментальными исследованиями влияния светового излучения на воспроизводство растений. Результаты исследований подтверждены практикой выращивания растений в меристемной лаборатории Удмуртского государственного научно-исследовательского института сельского хозяйства.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Комплекс для регистрации электрических потенциалов растений с новой методикой регистрации электрических потенциалов растений.

2. Электрофизиологическая модель системы "электрод-группа клеток растения".

3. Уточненные значения пороговых потенциалов действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции люминесцентными лампами и лампами накаливания.

4. Результат идентификации ценоза картофеля, как растения, активно растущего в красном спектре излучения, в условиях светокультуры.

5. Светотехническая установка с высокочастотными источниками питания люминесцентных ламп, обеспечивающая максимальную скорость осуществления процесса фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры.

Научная новизна:

1. Реализованная с помощью комплекса для регистрации электрических потенциалов растений методика регистрации потенциалов действия позволяет учитывать влияние микродавления электродов на клетки растения при введении электродов в ткань растения и освещении растений осветительными установками с различными светильниками.

2. Предложенная электрофизиологическая модель системы "электрод-группа клеток растения" позволяет устанавливать связь между выходным сигналом электроизмерительного устройства, ионными потоками крупной поры клетки, электрическим сопротивлением тонопласта, плазмолеммы, клеточной стенки и электродов для группы клеток.

3. Уточнены пороговые значения освещенности растения картофеля. Показано, что для ламп накаливания это значение составляет 5-6103 Лк, а для люминесцентных ламп — 7,5-9'103 Лк.

4. Впервые установлено, что длинноволновая часть спектра излучения фотосинтетической активной радиации имеет наибольшую значимость для жизнедеятельности растения картофеля.

5. Решена задача определения параметров светового потока, обеспечивающего максимальную скорость осуществления процесса фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры. Теоретически и экспериментально показано, что схемы люминесцентных ламп, питающиеся от высокочастотного источника питания, обеспечивают наибольшую скорость роста растений.

Практическая ценность. Предложенные технические решения просты в реализации и в эксплуатации, не требуют специальных условий работы и высокой квалификации персонала. Разработанные комплекс и методика регистрации электрических потенциалов растений позволяют определять пороговые значения освещенности и оценивать влияние спектрального состава излучения фотосинтетически активной радиации высших растений. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в работе, позволяют обеспечивать максимальную скорость фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно и научно-технических конференциях: научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (ИжГТУ. Ижевск, 2001), «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (ГОУ ВПО «ИжГТУ», Ижевск, 2004), научно-техническая конференция «Электрооборудование, электроснабжение, электросбережение» (ГОУ ВПО «ИжГТУ», Ижевск, 2004), Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения» (ФГОУ ВПО «ИжГСХА», Ижевск, 2005), Всероссийская научно-техническая конференция «Системы управления электротехническими объектами» (ТулГУ, Тула, 2005).

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 5 статьях и 5 тезисах докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 222 наименований и 3 приложений. Диссертация изложена на 157 листах, содержит 13 таблиц, 72 иллюстрации.

Основные результаты и выводы:

1. Разработан комплекс для регистрации биопотенциалов растений, включающий светотехническую установку, устройство регистрации с приводами перемещения микроэлектродов, компьютер с платой АЦП.

2. Реализована методика регистрации потенциалов действия, которая позволяет учитывать влияние микродавления электродов на клетки растения при введении электродов в ткань растения и освещении растений осветительными установками с различными светильниками.

3. Предложена электрофизиологическая модель системы "электрод-группа клеток растения", которая позволяет устанавливать связь между выходным сигналом электроизмерительного устройства, ионными потоками крупной поры клетки, электрическим сопротивлением тонопласта, плазмолеммы, клеточной стенки и электродов для группы клеток.

4. Уточнены пороговые значения освещенности растения картофеля для осуществления процесса фотосинтеза. Показано, что для ламп накаливания это значение составляет 5-6103 Лк, а для люминесцентных ламп - 7,5-9'103 Лк.

5. Впервые установлено, что длинноволновая часть спектра излучения фотосинтетической активной радиации имеет наибольшую значимость для жизнедеятельности растения картофеля.

6. Решена задача определения параметров светового потока, обеспечивающего максимальную скорость осуществления процесса фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры. Теоретически и экспериментально показано, что схемы люминесцентных ламп, питающиеся от высокочастотного источника питания, обеспечивают наибольшую скорость роста растений.

Заключение

В результате исследований разработаны методика и комплекс для регистрации электрических потенциалов растений, включающий светотехническую установку, устройство регистрации с приводами перемещения микроэлектродов, компьютер с платой сбора и обработки информации. На основе анализа известных моделей, описывающих процессы электрической активности клеток высших растений, разработана модель процесса отведения электрического потенциала с группы клеток растения с помощью микроэлектродной техники при введении электродов в ткань растения. Адекватность модели "электрод — группа клеток растения" подтверждена теоретическим расчетом и экспериментами по определению изменения электрического потенциала растения при введении микроэлектродов в ткань растения. Разработка модели процесса отведения потенциала, методики и комплекса для регистрации и обработки электрических потенциалов растений позволила уточнить пороговые значения освещенности растения картофеля, классифицировать растение картофеля, как растения, активно растущего в красной части спектра излучения фотосинтетически активной радиации. Исследованы осветительные установки с различными источниками питания люминесцентных ламп.

1. Авраамеико Р.Ф., Николаева В.И., Пушкин В.Н. К вопросу об информационном воздействии изолированных систем без передачи энергии / Вопросы психогигиены, психофизиологии, социологии труда в угольной промышленности и психоэнергетики. М.,1980.

2. Адыгезалов В.Ф., Гусейн-заде Ф.Р. // Изв. АН АзССР. Сер. биол. наук. 1986. №3, С. 109-112.

3. Айвозян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: исследование зависимостей. М.: Финансы и статистика, 1985.

4. Акимова Н.А., Ангушев Г.И., Венчунас Л.В. и др. Электрофизиологическая реакция растения на изменение психологического состояния человека: VII научно-технический семинар "Контроль состояния человека-оператора". М., 1975.

5. Alexandre J., Lassales J. P., Thellier M. // Plant Physiol. 1986. Vol. 81, №4. P.l 147-1150.

6. Антонов В.Ф., Смирнова Е.Ю., Шевченко E.B. Липидные мембраны при фазовых превращениях. М.: Наука, 1992.

7. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. М.: Энергия, 1978. 592 с.

8. Backster С. Evidence of a Primary Perception in Plant Life / Intern. Jour, of Parapsychology. N. Y., 1968. Vol. 10, № 4. S. 329 348.

9. Baake E., Shloeder J.P. // Bull. Math. Boil. 1992. V.54. P. 999.

10. Behrens H.M., Gradmann D., Sievers A. // Planta. 1985. Vol. 163, №4. P. 463472.

11. Bentrup F.W. // Naturwissenschaften. 1985. Bd. 72, H. 4. S. 169-179.

12. Березин М.Ю., Ковалев Ю.И., Ремнев A.M. Методы улучшения коэффициента мощности электронного пускорегулирующего аппарата // Светотехника. 1997. №2.

13. Баррайярса Р., Синюхин A.M. // Докл. АН СССР. 1966. Т. 169, №1. С. 219222.

14. Биофизика: Учеб. для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. проф. В.Ф. Антонова. 2-е изд., испр. и доп. М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003. -288 с.

15. Болдырев А.А. Биологические мембраны и транспорт ионов. М.: Изд- во МГУ, 1985. 208 с.

16. Бос Д.Ч. Избранные произведения по раздражимости растений. М.: Наука, 1964. Т. 1. 427 с.

17. Бос Д.Ч. Избранные произведения по раздражимости растений. М.: Наука, 1964. Т. 2. 395 с.

18. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. 13-е изд., исправленное. М.: Наука, Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

19. Бурма Н.Г., Намитоков К.К., Рой В.Ф. Зажигание люминесцентных ламп при высокочастотном питании // Светотехника. 1990. №2.

20. Van Kooten О., Snel J.F.H., Vredenberg W.J. // Photosynth. Res. 1986. V.9. P. 211.

21. Vanselow K.H., Dau H., Hansen U.P. // Planta. 1988. Vol. 176, N 3. P. 351161.

22. Виш Б;, Калита В., Потенцки Ю. Полупроводниковые стартеры для люминесцентных ламп// Светотехника. 1990. №1.

23. Воробьев Л.Н. Ионный транспорт в растениях // Итоги науки и техники. Физиология растений. М.: ВИНИТИ, 1980. Т. 4. с. 5 77.

24. Георгобиани С.А., Клыков М.Е., Малков О.А., Соколов В.Б. Расчет пускового режима в электронных ПРА // Светотехника. 1991. №1.

25. Gibrat R., Barbier-Brygoo В., Guern J., Grignon С., // Biochemistry and function of vacuolar adenosine-triphosphatase of fungi and plants. B. etc.: Springer, 1985. P. 83-97.

26. Goldsmith M. H. М., Cleland R.E. // Planta. 1978. Vol. 143. N.3. P. 261-265.

27. Горчаков В.В. // Докл. Тимирязев, с.-х. акад. 1961. Вып. 70. С. 101-105.

28. Готфрыд М. Методы уменьшения гармонического состава входного тока в полупроводниковых аппаратах для люминесцентных ламп // Светотехника. 1989. №10.

29. Гунар И.И. Проблема раздражимости растений и ее значение для дальнейшего развития физиологии растений. М.,1953.

30. Гульков В.Н., Ермаков Е.И.,Черноусов И.Н. Оптимизация радиационного режима светонепроницаемых культивационных сооружений (Агросветотехнические аспекты)// Светотехника. 1988.№ 8.С.5-7.

31. Гэлстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. М.:Мир, 1983.

32. Dahse I., Linsel G., Muller E.et al. // Biochem. und Physiol. Pflaz. 1987. Bd.l82,H.2. S. 117-128.

33. Dahse I., Muller E., Libermann В., Eichhorn M. // Ibid. 1988. Bd. 183, H. 1. S. 59-66.

34. Dau H., Windecker R., Hansen U.P. // Biochim. Biophys. Acta. 1991. V. 1057. P. 337.

35. Dau H. // J. Photochem. Photobiol. B: Biology. 1994. V.26. P. 3.

36. Dau H. // J. Photochem. Photobiol. 1994. V.60. P. 1.

37. Демин O.B., Вестерхофф X.B., Холоденко B.H. // Биохимия. 1998. Т. 63. С. 755.

38. Дубинский А.Ю., Тихонов А.Н. // Биофизика. 1994. Т. 34. №4. С. 652.

39. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1970. — 644 с.

40. Dubrov А. P. Geomagnetic Field and Life, Geomagnetobiology. N. Y. ; L.: Plenum Press, 1978.

41. Дубров А.П., Пушкин B.H. Парапсихология и современное естествознание. М.:СП "Соваминко", 1989.

42. Ермолаева-Томина Л.Б. К вопросу об использовании кожно-гальванического показателя для определения типологических свойств нервной системы человека / Типологические особенности высшей нервной деятельности человека. М., 1963. Т. 3. С. 81 92.

43. Ермаков Е.И. Системы интенсивного культивирования растений в регулируемых условиях/ Системы интенсивного культивирования растений. Л.: изд. Агропромиздат,1987.

44. Etherton В., Higinbotham N. // Science. 1960. Vol. 131. P. 409-410.

45. Зацепина Г.Н., Коломиец А.А. // Биофизика. 1988. Т. 33. №1. С. 155-157.

46. Злобин В.А. Изделия из ферритов и магнитоэлектриков: М. "Советское радио", 1972.

47. Золтникова И.Ф., Гунар И.И. Паничкин Л.А. // Изв. Тимирязев, с.-х. акад. 1977. Вып. 3. С.10-14.

48. Иванов-Циганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС. —М.: Высшая школа, 1991.

49. Источники вторичного электропитания / Под ред. Ю.И. Конева: М.: Радио и связь, 1983.

50. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1985.

51. IEK 81; 1984 Tubular fluorescent lamp general lighting service. (Amendment #2, 1988).

52. IEC 555-2; 1982. Disturbances in supply systems caused by household appliances and similar electrical equipment. Part: Harmonics (Amendment #2, 1988).

53. КагаваЯ. Биомембраны. M.: высш. шк., 1985. 303 с.

54. Казначеев В.П., Михайлова Л.П. Сверхслабые излучения в межклеточных взаимодействиях. Новосибирск: Наука, 1981.

55. Калантаров П.Л. Расчет индуктивностей. 1986.

56. Калинин В.А. Опритов В.А., Шагарова Н.С. // Передвижение веществ у растений в связи с метаболизмом и биофизическими процессами. Горький: Горьк. ун-т, 1976. Вып. 7. С. 3-8.

57. Каменская К.И. // Изв. Тимирязев, с.-х. акад. 1982. Вып. 1. С. 11-15.

58. Карманов В.Г., Лялин О.О., Мамулашвили Г.Г. // Физиология растений. 1972. Т. 19, №2. С. 424-430.

59. Карманов В.Г., Лялин О.О., Мамулашвили Г.Г. Динамика водного обмена высшего растения и его информационная роль / Физиология и биология культурных растений. 1974. Т. 6, № 1. С. 69 76.

60. Киселев М.И., Клыков М.Е., Овсепьянц Е.Г. Об электромагнитной совместимости полупроводникового пускорегулирующего аппарата с питающей сетью // Светотехника. 1984. №12.

61. Kinraide Т.В., Etherton В. // Ibid. 1982. Vol. 69, N 3. P. 648-652.

62. Кларксон Д. Транспорт ионов и структура растительной клетки. М.: Мир, 1878. 368 с.

63. Koopowitz Н., Dhyse R., Fosket D.E. // J. Exp. Bot. 1975. Vol. 26, N 90. P. 131-137;

64. Коштоянц X.C. Основы сравнительной физиологии. M.: Изд-во АН СССР, 1958. Т. 2. 636 с.

65. Crowley J.M. Electrical breakdown of bimolecular lipid membranes as an electromechanical instability//Ibid. 1973. Vol. 13. P. 711-724.

66. Кукушкин A.K., Тихонов A.H. Лекции по биофизике фотосинтеза высших растений. М.: Изд-во МГУ, 1988.

67. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерения. М.: Энергоатомиздат, 1986.

68. Ктиторова И.Н., Лялин О.О., Хабарова А.Л. // Физиология растений. 1974. Т.21, №6. С. 1194- 1196.

69. Латманизова Л.В. Очерк физиологии возбуждения. М.: Высш. шк., 1972. 272 с.

70. Лебедева Г.В., Беляева Н.Е., Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б., Демин О.В. Кинетическая модель фотосистемы II высших растений // Журнал физической химии. 2000, том 74, №10, с. 1874-1883.

71. Leibl W., Breton J., Deprez J., Trissl H.W. // Photosynth. Res. 1989. V.22. P. 257.

72. Леман B.M. Курс светокультуры растений. М.:В.Ш.,1976.

73. Ленк Д. 500 практических схем на популярных ИС. М.:ДМК, 2001.

74. Lijima Т., Sibaoka Т. // Ibid. 1985. Vol. 26, N 1. P. 1-13.

75. Листенгорт Ф.А., Пояльников А.А., Щагин А.В.Киселев М.И., Клыков М.Е., Овсепьянц Е.Г. Об электромагнитной совместимости полупроводникового пускорегулирующего аппарата с питающей сетью // Светотехника. 1984. №12.

76. Лоу-Чень-Хо // Журн. общ. биологии. 1958. Т. 19, №5. С. 329-337.

77. Малек-Мансур М., Никольс Г., Пригожин И. // Термодинамика и кинетика биологических процессов. М.: Наука, 1980. С. 59-83.

78. Максимов Г.Б. АТФ-зависимый мембранный транспорт катионов и роль цитокининов в его регуляции у растений : Дис. д-ра биол. наук в форме науч. докл. М., 1989. 47 с.

79. Малогабаритная радиоаппаратура: Справочник радиолюбителя / Терещук P.M. и др. Киев: Наук, думка, 1976.

80. Мамулашвили Г.Г., Красавина М.С., Физиология растений. 1972. Т. 19, №3. С. 551-557.

81. Мамулашвили Г.Г., Красавина М.С., Лялин О.О. // Физиология растений. 1973. Т.20, №3. С. 442-450.

82. Marmor M.F., Gorman A.L.F. // Science. 1970. Vol. 167, N 3914. P. 65-67.

83. Marre E. // Annu. Rev. Plant Physiol. 1979. Vol. 30. P. 273-288.

84. Marre E., Ballarin-Denti A. // J. Bioenerg. And Biomembrane. 1985. Vol. 17, N l.P. 1-21.

85. Матвеев А.Б. К вопросу о влиянии спектра облучения на продуктивность растений/ Светотехника. 1989. №1.С.5-7.

86. Мацуока X. // Кагацу то сэйбуцу. 1987. Т. 25, №6. С. 377-378 (на яп. яз.).

87. Melamed-Harel Н., Reinhold L. // Plant Physiol. 1979. Vol. 63, N 6. P. 10891094.

88. Mertz S.M., Arntzen C.J. // Ibid. 1978. Vol. 62, N 5. P. 781-783.

89. Minorsky P.V., Spanswick R.M. // Plant, Cell and Environ. 1989. Vol. 12, N 2. P. 137-144.

90. Молекулярные механизмы трансформации энергии в первичных процессах фотосинтеза // Итоги науки и техники. Сер. Биофизика. М.: ВИНИТИ, 1987. Т.20.

91. Морозов В. А., Барсуков В.К. Проблемы оптимизации среды меристемных лабораторий. Сборник научных трудов УГНИИСХ. Вып. 1 (К 50-летию института). Ижевск: Изд-во УдГУ, 2000.- С.325-329.

92. Морозов В.А., Барсуков В.К. Вопросы создания биологического индикатора роста растений. Сборник научных трудов УГНИИСХ. Вып. 1 (К 50-летию института). Ижевск: Изд-во УдГУ, 2000.-С.ЗЗ0-332.

93. Морозов В.А., Барсуков В.К. Устройство регистрации биопотенциалов клеток. Научно-техническая конференция «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства», ИжГТУ. Ижевск, 2001.-С.24-27.

94. Морозов В.А., Зорин И.В. Исследование процессов в электронных пускорегулирующих аппаратах люминесцентных ламп // Электрика. 2004. №11.-С.19-21.

95. Морозов В.А., Зорин И.В. Исследование процессов в электронных пускорегулирующих аппаратах люминесцентных ламп. Электрооборудование, электроснабжение, электросбережение: Матер, науч.-техн. конф. — Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004. С.85-92.

96. Морозов В.А., Барсуков В.К. Устройство регистрации биопотенциалов клеток. Научно-практический журнал. Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, № 2(5), 2005.

97. Морозов В.А., Барсуков В.К. Исследование биопотенциалов клеток стеблевых черенков картофеля. Научно-практический журнал. Вестник Ижевской государственной сельскохозяйственной академии, № 2(5), 2005.

98. Морозов В.А., Барсуков В.К. Модель системы "электрод-клетки растения" при введении электродов в ткань растения. Труды третьей Всероссийской научно-технической конференции «Системы управления электротехническими объектами», ТулГУ, Тула, 2005.-C.33-36.

99. Morse M.J., Spanswick R.M. // Biochim. et biophys. acta. 1985. Vol. 818, N10. P. 386-390.

100. Moreland D.E., Novitzky W.P. // Pestic. Biochem. and Physiol. 1988. Vol. 31. N 3. P. 247-260.

101. Мосолов A.H., Каменская B.B. Вибрационные процессы в клетке в период деления / Радиоэлектроника, физика, математика в биологии и медицине. Новосибирск, 1971. С. 166 175.

102. Nakochara L. Rev Sins Instr, 1989, vol. 60, p. 31-38.

103. Nelles A. // Ibid. 1985. Bd. 180, H. 6. S. 459-463.

104. Nelles A., Laske E. // Ibid. 1982. Bd. 177, H. 2. S. 107-113.

105. Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. М.: Энергоатомиздат, 1989.

106. Nishizaki Y. // Plant and Cell Physiol. 1986. Vol. 27, N 1. P. 155-162.

107. Nishizaki Y. // Ibid. 1987. Vol. 28, N 6. P. 1163-1166.

108. Новак В.А., Иванкина Н.Г. // Физиология растений. 1975. Т. 22. №1. С. 4954.

109. Ольшанская Л.Н., Рабодзей А.Н. Некоторые вопросы нормирования и обеспечения показателей качества ЭПРА для ЛЛ // Светотехника. 1999. №4.

110. Opritov V.A., Pyatygin V.G. // Biochem. und Physiol. Pflanz. 1989. Bd. 184, H. 5/6. S/ 447-451.

111. Опритов B.A. // Успехи соврем. Биологии. 1977. Т. 83, №3. С. 442-458.

112. Опритов В.А. Распространяющееся возбуждение и функциональная активность проводящих тканей растений: Автореф. дис. д-ра биол. наук. М., 1976. 36 с.

113. Опритов В.А., Крауз В.О., Треушников В.М. // Физиология растений. 1972. Т. 19, №5. С. 961-967.

114. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. // Докл. Ан СССР. 1988. Т. 300, №2. С. 466-468.

115. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. Биоэлектрогенез у высших растений. М.: Наука, 1991.

116. Pantoja О., Willmer С.М. //J. Exp. Bot. 1986. Vol. 37, N 176. P. 315-320.

117. Паничкин Л.А., Черницкий М.Ю. Биоэлектрические реакции растений на бесконтактном тепловом раздражении. — Электрофизиологические методы в изучении функционального состояния растений. Ред. А.И. Пупонин. М.: МСХА, 1988. С. 82-90.

118. Pickard B.G. // Bot. Rev. 1973. Vol. 39, N 2. P. 172-201.

119. Paszewski A., Zawadzki Т., Dziubinska H. // Folia Soc. sci. Lublin. Biol. 1977. Vol. 19, N2. P. 95-116.

120. Пейсахов Н.М., Кашин А.Н. Системно-структурный анализ свойств нервной системы / Дифференциальная психофизиология и ее генетические аспекты. М., 1975.

121. Petzold U., Dahse I., Muller Е., // Biochem. und Physiol. Pflanz.1985. Bd. 180, H. 9 S. 655-666.

122. Полевой B.B., Саламатова T.C. // Ионный транспорт в растениях. Итоги науки и техники. Физиология растений. М.: ВИНИТИ, 1980.1. Т. 4. С. 78-125.

123. Поляков В.Д. Источники питания разрядных ламп: Учеб. пособие М.: Изд-во МЭИ, 2002.

124. Пресман А.С. Идеи Вернадского В.И. в современной биологии. М.: Знание, 1976.

125. Принципы регуляции и модельные системы первичных процессов фотосинтеза // Итоги науки и техники. Сер. Биофизика. М.: ВИНИТИ, 1987. Т.22.

126. Прикупец Л.Б., Тихомиров А.А. Оптимизация спектра излучения при выращивании овощей в условиях интенсивной светокультуры// Светотехника. 1992. №3. С. 5-7.

127. Прянишников В.А. и др. Электротехника и ТОЭ в примерах и задачах: Практическое пособие :КОРОНА принт, 2001.

128. Пушкин В.Н. Психология и кибернетика. М.: Педагогика, 1971.

129. Пушкин В.Н., Шавырина Г.В. О системности интеллекта / Вопр. психологии. 1972. № 5. С. 55 65.

130. Пятыгин С.С., Опритов В.А. // Биофизика. 1987. Т. 32. №4. С. 656-659.

131. Пятыгин С.С., Опритов В.А. // Успехи совр. биологии. 1987. Т. 104, №30, С. 426-442.

132. Пятыгин С.С., Опритов В.А // Биоэлектрическая активность и мембранный транспорт у растений. Горький; Горьк. ун-т, 1988. С. 5-12.

133. Пятыгин С.С., Опритов В.А // Биоэлектрогенез и транспорт веществ у растений. Горький; Горьк. ун-т, 1986. С. 22-28.

134. Пятыгин С.С. // Ферменты, ионы и биоэлектрогенез у растений. Горький; Горьк. ун-т, 1982. С. 98-106.

135. Racusen R.H., Satter R.L. // Nature. 1975. Vol. 255, N 5507. P. 408-410.

136. Ретивин В.Г., Федосеев B.B. // Мембранный транспорт и биоэлектрогенез растений. Горький: Горьк. ун-т, 1987. С. 55-63.

137. Renger G., Shulze А. // Photobiochem. Photobiohys. 1985. V.9. P. 79.

138. Reynolds I.A., Johnson E.A., Tanford C. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985. V.82. P. 6869.

139. Roblin G. // Biol. Rev. 1979. Vol. 54, N 2. P. 135-153.

140. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат, 1991.

141. Рубин А.Б. Биофизика, кн. 1,2. М.: Высш. шк., 1987.

142. Рубин А.Б., Кононенко А.А., Шайтан К.В. и др. // Биофизика. 1994. Т. 39. №2. С. 213.

143. Русин Ю.С. Проектирование индуктивных элементов приборов. JI. Машиностроение, 1981.

144. Русин Ю.С. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппаратуры: Справочник . М.: Радио и связь. 1991.

145. Рутковски Д. Интегральные операционные усилители. Справочное руководство. М.:Мир, 1978.

146. Рыбаков A.M. Электрические помехи при электрокардиографическом обследовании. Автореф. дисс. канд. М. 1965.

147. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. М.: Изд-во «СОЛОН-Р», 2001.

148. Sibaoka Т. // Sci. Rep. Thoku Univ. Biol. 1950. Vol. 18, N 1. P. 370-376.

149. Sibaoka T.// Ibid. 1953. Vol. 20. P. 72-88.

150. Sibaoka T. // Science. 1962. Vol. 137, N 3525. P. 226.

151. Sibaoka T. // Symp. Soc. Exp. Biol. 1966. Vol. 20. P. 49-74.

152. Sibaoka Т. // Annu. Rev. Plant Physiol. 1969. Vol. 20. P. 165-184.

153. Сидоров И.Н. Индуктивные элементы радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. М.: Радио и связь, 1992.

154. Сидоров И.Н. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники: Справочник. М.: Радио и связь, 1989.

155. Сидько Ф.Я., Шарупич Т.С., Шарупич В.П. Светонепроницаемые теплицы для районов крайнего севера// Светотехника. 1990.№8 С.5-7.

156. Синюхин A.M. // Изв. Тимирязев, с.-х. акад. 1964. Вып. 3. С. 59-70.

157. Синюхин A.M., Горчаков В.В. // Биофизика. 1966. Т. 11. №5. С. 840-846.

158. Скулачев В.П., Козлов И.А. Протонные аденозинтрифосфатазы: молекулярные биологические генераторы тока. М.: Наука, 1977.

159. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989. 564 с.

160. Соколов В.Б., Соловкин Э.Л., Утехин В.А. Вторичный источник питания для люминесцентных ламп // Светотехника. 1985. №12.

161. Spanswick R.M. // Biochim. et biophys. acta. 1972. Vol. 288, N 1. P. 73-89.

162. Spanswick R.M. // Annu. Rev. Plant Physiol. 1981. Vol. 32. P. 267-289.

163. Тихомиров А.А. Фитоценоз как биологический приемник оптического излучения // Светотехника. 1998.№4.С.22-24.

164. Тихомиров А.А., Лисовский Ф.Я., Сидько Ф.Я. Спектральный состав света и продуктивность растений. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. 1991.168 С.

165. Тихонов А.Н. // Мат. сб. 1952. Т. 31. №3. С. 575.

166. Tompkins P. Bird Chr. The Secret Life of Plants. N.Y.: Harper & Row, etc., 1973.

167. Trissl H.-W., Gao Y., Wulf K. // Biohys. J. 1993. V.64. P. 974.

168. Trebacz K., Tarnecki R., Zawadzki T. // Physiol. Plant. 1989. Vol. 75, N 1. P. 20-23.

169. Ullrich-Eberius C.I., Novacky A., Ball E. // Plant Physiol. 198. Vol. 72, N 1. P. 7-15.

170. Umrath K. // Ergebn. Biol. 1937. Bd. 14, H. 1. S. 1-142.

171. Umrath K. // Handb. Pflanzenphysiol. 1959. Bd. 17/1. S. 24-110.

172. Umrath K., Kastberger G. // Phyton. 1983. Vol. 23, N 1. P. 65-78.

173. Westerhoff H.V., Van Dam K. Thermodynamics and Control of Biological Free-Energy Transduction. Amsterdam: Elsevier, 1987.

174. Fensom D.S. Canad. J. Bot., 1959, vol. 37, N 5, p. 1003-1026.

175. Фегенфиров M.M. Электрические схемы с газоразрядными лампами. М.: Энергия, 1974.

176. Хайнрих М. Возможности и тенденции экономии электроэнергии при применении электронных пускорегулирующих аппаратов и светорегулирующей системы LUXCONTROL в осветительных установках // Светотехника. 1997. № 1.

177. Hall D.O., Rao К.К. Photosynthesis. Fifth edition. Studies in Biology. Cambrige University press, 1994.

178. Higinbotham N., Graves J.S., Davis R.F.// Membrane Biol. 1970. Vol. 3, N 3. P. 210-222.

179. Hodick D., Sievers A. // Ibid. 1989. Vol. 179, N 1. P. 32-42.

180. Ходоров Б.И. Общая физиология возбудимых мембран. М.: Наука, 1975. 406 с.

181. Холодов Ю.А. Реакция нервной системы на электромагнитные поля. М.: Наука, 1975.

182. Норе А.В.//Austral. J.Biol. Sci. 1961. Vol. 14, N 2. P. 312-321.

183. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. М.:Мир, 2001.

184. Chedhomme F., Rona J.P. // J. Plant Physiol. 1988. Vol. 133, № 1. P. 89-95.

185. Cheesman J.M., Hanson J.B., // Plant Physiol. 1979. Vol. 63, №1. P. 1-4.

186. Cheesman J.M., Pickard B.G. //Canad. J. Bot. 1977. Vol. 55, №5. P. 497-510.

187. Zawadzki T. // Ibid. 1979. Vol. 48, N 2. P. 305-315.

188. Zawadzki Т.//J. Exp. Bot. 1980. Vol. 31, N 124. P. 1371-1377.

189. Zawadzki Т., Trebacz K.//J. Exp. Bot. 1982. Vol. 33, N 132. P. 100-110.

190. Чизмаджев Ю.А., Черномордик JI.B., Пастушенко В.Ф., Абидор И.Г. Электрический пробой бислойных липидных мембран // Ионные каналы и их модели. М.: ВИНИТИ, 1982.

191. Shatz G.H., Brock Н., Holzwarth A.R. // Biophys. J. 1988. V.54. P. 397.

192. Schanz G.H., Brock H., Holzwarth A.R. // Biophys. J. 1988. V. 54. P. 397.

193. Shiina Т., Tazawa M. // Plant and Cell Physiol. 1986. Vol. 27, N 6. P. 10811089.

194. Шогенов Ю.Х., Миронова E.A. Измерительный комплекс для электрофизиологических исследований растений. В сб.: Современные проблемы водного хозяйства и природообустройства. М.: МГУП, 1997. С. 5758.

195. Шогенов Ю.Х., Миронова Е.А., Третьяков Н.Н., Моисеенкова В.Ю., Романовский Ю.М. Спектр действия низко интенсивно го локального излучения УФ и видимого диапазонов на биоэлектрическую систему растений. // Известия ТСХА, выпуск 1, 1999. С. 127-138.

196. Янушкевичус З.И., Вишенштейнас Г.А., Шнипас П.А., и др. Преимущества регистрации ЭКГ неполяризующимися электродами. // Медицинская техника.1971.№3,С.43-44.

197. ГОСТ Р МЭК 925-98. Аппараты пускорегулирующие электронные, питаемые от источников постоянного тока, для трубчатых люминесцентных ламп. Требования к рабочим характеристикам.

198. ГОСТ Р МЭК 928-98. Аппараты пускорегулирующие электронные, питаемые от источников переменного тока, для трубчатых люминесцентных ламп. Требования к рабочим характеристикам.

199. ГОСТ 16809-88 Аппараты пускорегулирующие для разрядных ламп. Общие технические условия.

200. Лампы люминесцентные трубчатые для общего освещения. Руководство по эксплуатации. ОАО «Лисма», 2002.

201. ОСТ 10 004-93 Картофель семенной, оздоровленный исходный материал, выращиваемый в условиях in vitro. Типовой технологический процесс.

202. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования. М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1992.

203. Патент ФРГ № DE 3223409 А1.

204. Патент ФРГ № DE 3025405 С2.

205. Патент ФРГ № DE 2825708 А1.

206. Патент ФРГ № DE 3319739 А1.

207. Патент ФРГ № DE 3302093 А1.

208. Патент ФРГ № DE 2 949 074 А1.

209. Патент на полезную модель «Устройство регистрации биоэлектрических реакций», Барсуков В.К., Морозов В.А. Решение о выдачи патента по заявке № 2005123631/22(026612).

210. Патент на полезную модель «Устройство для культивирования изолированных меристем и пробирочных растений», Барсуков В.К., Морозов В.А., Донец Н.В. Дата приоритета от 21.10.2005 г. № 2005132583.