Чего хочет огурец, знает биосенсор

Ученые Академии наук создадут систему минидатчиков для растений

Растения могут много рассказать опытному глазу о своем самочувствии. Но даже ученые-биологи способны увидеть признаки их нездоровья или ухудшения условий содержания не сразу, а только тогда, когда появятся первые признаки изменения внешнего вида листьев, цветков или плодов. Стало быть, если, например, специалисты тепличного хозяйства хотят вовремя реагировать на постоянно меняющиеся потребности своих питомцев, нужно использовать современные средства тестирования растений. Именно этот принцип и стал руководством к действию для ученых Института биофизики и клеточной инженерии Национальной академии наук Беларуси, разрабатывающих комплекс методов регистрации физиологического состояния вегетирующего растения.

— Даже если качественно (по существующим представлениям) управлять световым режимом и водным питанием, невозможно добиться того, чтобы создаваемые условия были одинаково приемлемы для всех растений, — поясняет старший научный сотрудник лаборатории биофизики и биохимии растительной клетки кандидат биологических наук Владимир Доманский. – Исследования говорят, что верхним листьям одного и того же растения требуется одно количество света, среднему ярусу – другое, а нижнему – третье, причем в разных стадиях вегетационного периода и в разное время суток картина может кардинально меняться. По-разному потребляют свет и разные растения. То же самое можно сказать и о потребности в воде. Но существующая технология все эти запросы нивелирует. Что и приводит к недобору урожая. Современные аграрные технологии стараются учитывать эти тонкости, однако возникает вопрос цены, которая будет заплачена за прибавку урожая. Как обеспечить сбор достоверной информации с множества точек и при этом понести минимальные расходы? Мы считаем, что проблему решат размещаемые на растениях миниатюрные сенсоры, модели которых нами уже испытываются.

До окончания работы, выполняемой по государственной комплексной программе научных исследований «Биологическая инженерия и биобезопасность», остался еще год, и к этому сроку ученые рассчитывают предложить готовый к использованию образец. Если будет спрос, то освоить это несложное производство отечественной промышленности не составит труда.

Правда, иллюзий по поводу того, что перспективная новинка будет должным образом востребована нашим консервативным сельским хозяйством, биофизики не питают. Но на мировом рынке, по мнению специалистов, спрос должен быть. Ведь используемые сегодня системы контроля климата ориентированы на поддержание усредненных параметров, а зарубежные отдаленные аналоги белорусской разработки также делают пока лишь первые шаги.

Голландские специалисты, например, оснащают свои компьютеризированные теплицы датчиками, измеряющими ничтожно малую разницу температур воздуха в помещении и на поверхности листьев. Этот показатель говорит об интенсивности испарения влаги, так как, теряя воду, испаряющая поверхность, как известно, охлаждается. Такая информация, как считают белорусские ученые, тоже представляет интерес, но все же это не совсем то, что нужно для оперативного управления водным режимом. Гораздо важнее прямо спросить у самого растения, хватает ли ему влаги или нет? А именно эти данные и добывает разрабатываемая в Институте биофизики и клеточной инженерии информационная система.

Чуткий датчик, укрепленный на зеленом листе, деформирует его, и, анализируя степень этой деформации, микропроцессор определяет упругость растительной ткани, обусловленную внутриклеточным давлением воды. По этим сведениям и рассчитывается, насколько удовлетворена потребность растения во влаге. Можно даже оценить степень снижения интенсивности фотосинтеза (а следовательно, и недобор урожая) в сравнении с условиями идеального водоснабжения растения. Система будет автономной и не потребует от персонала специальных знаний, так как по радиоканалу на компьютер должна сбрасываться уже обработанная информация.

Группой Владимира Доманского найдены оригинальные решения и для регулирования светового режима в соответствии с реальными потребностями растений.

— Дело в том, — говорит ученый, — что, если растению света слишком много или мало, это отражается на интенсивности флуоресценции хлорофилла, благодаря которой живые клетки сбрасывают вовне лишнюю энергию. Это свечение мы фиксируем с помощью миниатюрных датчиков и можем точно сказать, соответствует ли в данный момент уровень освещенности этого участка теплицы физиологическим потребностям конкретной группы растений. Думается, что, используя такую систему, можно не только заметно увеличить урожай без использования дополнительных доз удобрений и пестицидов, но и сэкономить на электроэнергии. Если удастся найти приемлемые решения также и по минеральному питанию, то система регистрации и контроля физиологического состояния растений станет полноценной и еще более привлекательной для внедрения в практику.

Параллельно ученые пытаются с помощью биодатчиков решить и еще одну проблему, не менее интересную и важную. Речь идет о контроле содержания в воздухе, воде и почве токсичных веществ, которые легко и с минимальными затратами обнаруживаются по реакции на загрязнение растительных клеток.

В принципе, такие растения-контролеры, погибающие при чрезмерном загрязнении среды, известны и иногда используются на практике. Однако обслуживание биологических систем требует постоянного внимания специалистов, а потому преимущества, которые заключаются в более низкой стоимости такого контроля по сравнению с химическим приборным анализом, сводятся к минимуму. Кроме того, оценка степени опасности загрязнения при этом бывает субъективной, а оперативность контроля оставляет желать лучшего. Но, рассудили ученые, если создать симбиоз микрочипа и живых организмов, то электроника сможет считывать их первую реакцию на опасное повышение концентрации токсичных веществ и вовремя подаст сигнал.

Испытания экспериментальных устройств показали, что водоросли хлореллы, поселенные в питательном геле на поверхности микрочипа, прекрасно справляются с обязанностями контролеров содержания некоторых гербицидов в воде и почве, а также сигнализируют о превышении допустимого уровня сернистого газа и аммиака в воздухе. Электронные устройства точно измеряют параметры флуоресценции хлореллы и, передавая сигнал тревоги по радиоканалу, могут сообщать даже цифровые значения загрязнения. Для обслуживания биоэлектронного сигнализатора требуется минимум внимания, так как культура хлореллы может храниться в высушенном и замороженном состоянии годами, а будучи активированной, способна работать до замены месяц.

Впрочем, как и в первом случае, увидеть эти уникальные устройства работающими не в лаборатории, а реальном деле можно будет лишь после того, как к ним проявят интерес заказчики.

Заметили ошибку? Пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter