Фотосинтез и растения

Искусственный фотосинтез и квантовая теория

0

 

Растения в необычном качестве

0

fRDt7IqXyTY

Растения в качестве сенсорных устройств. Проект PLEASED объединил группу ученых из Англии, Испании и Италии. Растения, используемые в качестве сенсорных устройств, намереваются трансформировать в биодатчики. Группа работает над созданием сети микросенсоров, которые присоединяются к «растениям киборгам» для того, чтобы получать информацию об изменениях в окружающей среды. Общеизвестно и доказано, что на изменения температуры, влажности, загрязнения воздуха, химические вещества растения отвечают изменением внутреннего электрического сигнала (биопотенциала). Но получение информации у растений не ограничивается изменением внутреннего состояния, каким-то образом они способны передавать эту информацию друг другу. Главные задачи, которые ждут решения, как передается информация и понять язык на котором говорят растения. Поэтому в группу входит исследователь Стефано Манкузо (Stefano Mancuso) специалист по программным продуктам, предназначенным для обучения иностранным языкам с помощью компьютера. Причина, по которой возникла необходимость в данном проекте, проста. Традиционно на станциях мониторинга окружающей среды используют несколько датчиков для каждого параметра, что очень дорого (проектирование, установка, эксплуатация, сбор и анализ данных). Главное достоинство растения оно комплексно реагирует на все изменения окружающей среды, т.е. не на отдельный параметр, а на сочетание качественных, количественных и временных показателей. Доктор Виталетти (Dr Vitaletti), координатор проекта, главный технический директор WLAB и его команда, создавали прототипы «растений киборгов»из недорогих, легко доступных компонентов в надежде на то, что это будет доступно всем желающим от специалистов до фермеров. И поскольку проект использует WiFi, мониторинг собственного сада или теплицы из уютной гостиной будет вполне возможен. И еще немаловажный факт, что все технологии и данные проект, являются абсолютно открытыми. Все данные, проанализированные на данный момент в рамках проекта, находятся в свободном доступе. Каждый желающий может узнать о том, как растения реагируют на такие вещи как изменение температуры или определенные удобрения. Конечно это проект будущего. Учёные в перспективе хотят «растениями киборгами» заменить аналогичные электронные устройства. Команда проекта PLEASED считает, что если из таких растений «биосенсоров», создать сеть, можно будет сделать уникальный анализ окружающей среды. Бесспорно это приведет к новым открытиям и возможностям.

к1

Растения в качестве живого компьютера. Шведские физики и биологи научились вставлять элементы электронных схем и аналоговых сигнальных цепей внутрь растений, с целью трансформации их в полноценные вычислительные устройства. 25 лет назад ученный Магнус Берггрен из университета Линчёпинга и его коллеги начали заниматься печатаемой электроникой – технологией, позволяющей наносить дорожки и микросхемы на бумагу, картон и другие материалы. В ходе этих работ возникла идея, нельзя ли использовать органические материалы растения в качестве основы для электронных приборов. Здесь говориться о создании «растений киборгов». Предлагается размещать различные датчики и устройства внутри растений и самое главное, использовать энергию, которая производится при помощи хлорофилла. Более 20 лет ученые потратили на изучение того, как работают клетки и ткани растений, а также на приспособление уже существующих технологий и материалов для работы внутри представителей растительности. И только недавно их разработки привлекли внимание инвесторов. Ключевым прорывом в создании «зеленых компьютеров» стало открытие полимера PEDOT-S. Разработчики идеи научились пропитывать сосуды в древесине таким образом, что они сохраняли способность транспортировать нутриенты и воду по растению, и при этом начинали проводить ток. Из этого понятно только одно, что изучать растения весьма перспективно.

к2

Растения как пульт управления. Технология «Botanicus Interacticus» стремится создать из комнатных растений сенсорную интерактивную составляющую. Новая технология позволяет людям через растения управлять разнообразными электронными устройствами, прикасаясь к листьям, цветкам и стеблям. Разработка системы «Botanicus Interacticus» стала возможной только благодаря исследованиям группы специалистов Disney Research, руководимыми Джейсоном Хинц Ллопис (Jason Hintz Llopis). Этой группой разработана технология Swept Frequency Capacitive Sensing, обнаружения и распознавания жестов, в которой может использоваться практически любой токопроводящий материал. Провод, установленный вдоль стебля растения, позволяет распознать даже сложные жесты и движения, такие как скольжение и оказание переменного давления. Система, получившая название «Botanicus Interacticus», является результатом работы группы специалистов, возглавляемых Иваном Пупыревым, старшим научным сотрудником компании Disney Research в Питтсбурге. Она стала заключительным этапом исследований, в которых разработаны новые методы взаимодействия с комнатными растениями и даже предполагалось растения оборудовать голосом. Технология «Botanicus Interacticus» отличается от других сенсорных технологий в применении сенсорных дисплей и поверхностей. Основой разработанной системы является электрод, который устанавливается вдоль стебля живого растения и с помощью специального кабеля подключенного к специальной плате в компьютере. Сигнал от этого электрода позволяет правильно обнаруживать жесты пользователя и преобразовывать их в команды управления.

к3

Растения в качестве зарядного устройства. Чилийский автор проекта E-Kaia Эвелин Аравена (Evelyn Aravena) занимается разработкой зарядного устройства для мобильных аппаратов. Отличительная особенность таких устройств: они использует остаточную энергию, которую вырабатывают растения в ходе фотосинтеза, превращая ее в электрическую энергию для зарядки мобильных аппаратов. Устройство E-Kaia сконструировано таким образом, что ток отводится от корней растения. E-Kaia сможет получать энергию от любого растения, кактус, алоэ или орхидея, которая стоит на подоконнике. Важным преимуществом зарядного устройства разрабатываемого в рамках проекта E-Kaia: для других аналогичных разработок, требуется не менее 100 м2 зеленых насаждений, чтобы зарядить один мобильный телефон, а для E-Kaia требуется всего одно здоровое растение. По утверждению самого автора растение в качестве эко-зарядки генерирует напряжение 5 В и ток равный 0,6 А, что позволит зарядить телефон с батареей до 2 А примерно за 2…3 часа. Эти показатели примерно сопоставимы с обычным зарядным устройством и даже немного выше. Разработчики биологического зарядного устройства намерены создать зарядку для ноутбука, планшета, фотоаппарата, скутера или даже электрокар, используя группу комнатных растений. Сегодня как никогда актуальны проекты «зеленной технологии» в поисках альтернативных источников энергии.

к4

«Зеленная технология» компании Kudos представлена разработкой зарядного устройства для iPhone, использующего солнечную энергию. Солнечная батарея весом в 135 грамм крепится к оконному стеклу и заряжает телефон за 3 часа. Конечно это не первое зарядное устройство, употребляющее возобновляемые источники энергии. Свои варианты экологичного зарядного устройства на солнечных батареях для iPhone выпустил Apple. Дизайнерские версии зарядок выполнены в форме миниатюрного дерева, веера, или комнатного растения со фотоэлементами на листьях.

к6

Анализ факторов, влияющих на продуктивность растений

0

zez2YinjcxsВ районах с умеренным и холодным климатом естественные условия позволяют выращивать растения только в ограниченный период времени. В остальное время года растениеводческую продукцию можно получить в условиях теплиц. Теплицы, предназначены для внесезонного выращивания овощей, плодов, цветов, зелени, а также рассады. В них создаётся искусственный микроклимат, отвечающий оптимальным условиям, необходимым для нормального развития и высокой продуктивности растений.

Настолько теплица высокотехнологична, насколько и энергоемка. В структуре себестоимости тепличной продукции стоимость используемого газа и электроэнергии доходит до 50…60 %. В настоящее время при постоянно возрастающих тарифах на энергоносители, применение оптического излучения необоснованно уменьшилось.

Однако известно, что в технологическом процессе теплиц оптическому излучению нет альтернативы. Оно является важнейшим фактором, создающим микроклимат для нормального развития растений. Свет способен определять рост и форму растений, влиять на геометрию и колористику листьев, продлевать или сокращать период цветения ит.д.

Микроклимат теплиц формируется при помощи светового, температурного, влажностного режимов и газового состава воздуха. Кроме факторов микроклимата на продуктивность растений существенное влияние оказывают агротехнические приемы: предпосевная обработка семян, почвенный состав, периодичность и норма полива, подкормка растений, пикирование и пасынкование, мульчирование и т.д.

Для каждой культуры тепличных растений создаётся индивидуальное сочетание факторов микроклимата, с целью установления равновесия между ростом и развитием растений. В свою очередь, в рамках одной культуры это сочетание меняется с каждой новой фазой вегетационного развития растения.

  1. Бексеев, Ш.Г. Выращивание ранних томатов / Ш.Г. Бексеев. – 2-е изд., переработанное и дополненное. – Ленинград: Агропромиздат. Ленинградское отделение, 1989. – 272 с.
  2. Брызгалов, В.А. Овощеводство защищенного грунта / В.А. Брызгалов, В.Е. Советкина, Б.И. Савинова; Под редакцией В.А. Брызгалова. – Ленинград: Колос. Ленингр. отделение, 1983. – 352 с.
  3. Круг Г. Овощеводство / Перевод с немецкого В.И. Леунова. – Москва: Колос, 2000. – 576 с.

Множество факторов, влияющих на растения, связаны именно с облученностью, в зависимости от светового режима устанавливается температурный, влажностный режимы, концентрация  и т.д. Многие физиологические нарушения, приводящие к снижению продуктивности растений и ухудшению качества овощей, связаны с дефицитом света. Недостаток света отражается на различных процессах жизнедеятельности растений, поскольку большинство физиолого- биологических превращений в растительном организме связано с поглощением световой энергии.

Наряду с уменьшением степени прироста недостаточное освещение приводит к образованию истонченных листьев, длинных стеблей и тонких клеточных стенок, а также рыхлых слоев клеток и нежных, но нестабильных тканей. У некоторых видов овощных культур (например, кочанный салат, черешковый сельдерей, ревень) подобная реакция желательна и ее специально вызывают искусственным затенением. Но у большинства культур недостаток освещения вызывает ухудшение качества из-за обесцвечивания и преобладания роста листьев, что влияет на стоимость урожайных (продуктовых) частей растений. Кроме того, в результате недостатка освещения у растений формируются уродливые урожайные органы (например, бутылочный стеблеплод у кольраби, овальные корнеплоды у редиса); в связи с конкуренцией между ростом листьев и побегов либо образуется меньше цветков, либо, наоборот, приходится удалять избыточное их количество (например, у томата); у редиса может вообще не образоваться корнеплод, а также уменьшается устойчивость к болезням. Разделение овощных культур по отношению к освещенности проблематично, тем не менее, такие виды, как томат или цветная капуста, очень четко реагируют на недостаток света.

  1. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы: Учебное пособие / Тихомиров А.А., Шарупич В.П., Лисовский Г.М. – Новосибирск: Издательство Сибирского отделения Российской Академии наук. – 2000. – 213 с.

Сорта, как и овощные культуры, также различают по пригодности к зимнему возделыванию. В основе этого разделения лежит способность растений того или иного сорта использовать незначительную интенсивность освещения через фотосинтез (точки выравнивания, интенсивность дыхания, образование листьев, особенно через площадь листьев или одного листа, масса одного листа, строение растений, а также различные физиологические реакции – фотопериодизм, яровизация).

Особенно наглядно это можно видеть на производстве ранних томатов защищенного грунта, которое является довольно трудоемким. Вопросы эффективности производства томатов в защищенном грунте необходимо рассматривать отдельно, потому что во многих тепличных хозяйствах выращивание томатов нерентабельно. И основными причинами являются незначительное количество выхода ранней продукции, низкая урожайность, неудовлетворительное качество товарной продукции.

  1. Туаева, Н.В. Влияние густоты посадки растений на величину и качество урожая тепличного томата / Гавриш №3 2008.

Важнейшим условием повышения раннего и общего сбора урожая томатов в теплицах является относительно высокая освещенность. Никакими другими факторами заменить ее невозможно. Поэтому все зависит от правильного выбора конструкции теплицы в зависимости от климатической зоны и оптической электротехнологии для дополнительного облучения растений.

  1. Ващенко, С.Ф. Основные факторы климата по зонам страны, определяющие виды сооружений защищенного грунта, сроки использования их и урожайность овощных культур / С.Ф. Ващенко. – Москва: Колос, 1984. – 246с.
  2. Аутко, А.А. Овощеводство защищенного грунта / А.А. Аутко. – Минск: Издательство «ВЭВЭР», 2006. – 320с.

Литературные данные показывают, что при слабом освещении возникают различные нарушения в развитии цветков томатов. Особенно показательна реакция у растений томатов, приводящая к морфологическим изменениям в соцветиях. Соцветия при слабом освещении получаются простые и мелкие, преимущественно с неполноценными цветками. Это является следствием недоразвития тычинки. При повышенной влажности и таком же слабом освещении тычинки более длинные. В некоторых случаях при недостатке света не происходит завязывание плодов, потому что пыльца недоразвита или стерильна. При недостаточном освещении в некоторых случаях пыльцевые мешки не растрескиваются даже при наличии созревшей и фертильной пыльцы.

Гистохимические исследования показывают, что в нормальных цветках крахмал в тканях стенок пыльников разлагается, а при недостаточном освещении не обнаруживают сахаров. Пыльники не раскрываются, так как при слабом фотосинтезе не образуется фермент, разлагающий крахмал в их стенках. Недостаточное освещение в таких случаях обусловливает функциональную стерильность. Неблагоприятные условия в теплице могут вызывать нарушения и в развитии пестика. Высокая температура или высокая влажность, при слабом освещении, способствуют удлинению столбика пестика, что, независимо от фертильности пестика, препятствует оплодотворению.

Важный фактор для оценки эффективности производства томатов является качество получаемой продукции. Окраска кожицы и мякоти плода в основном обусловлена процессами, происходящими под действием световой энергии. Зрелость плода зависит от содержания ликопина и каротина и является определяющим признаком. Во время созревания в томате происходят распад хлорофилла и синтез ликопина. Каротин содержится в еще незрелых плодах. Если свет способствует повышению интенсивности окрашивания, то температура выше 32 °С и ниже 16 °С подавляет образование ликопина при созревании. Вкус томата зависит в основном от наличия в нем нелетучих кислот, сахаров и горьких веществ. При этом главную роль играет соотношение между кислотами и сахарами, а также между яблочной и лимонной кислотами (у зрелых плодов оно составляет 1:7). При слабом освещении во время созревания общее содержание кислот снижается, а сахаров увеличивается, именно этим объясняется пресный вкус тепличных плодов.

Изложенное выше даёт основание сказать, что световой режим является стержневым при создании микроклимата в сооружениях защищённого грунта. Свет – важнейший фактор для фотосинтеза. Темпы роста и развития растений пропорциональны уровню освещенности и качеству энергии оптического излучения (спектрального состава). От его интенсивности, особенно в теплицах (где освещенность понижена), зависит рост вегетативных и репродуктивных органов. Недостаток света снижает поглощение листьями углекислого газа, значительно задерживает развитие растений. Анализ специальной литературы показывает, что солнечный свет (величина облученности, длительность воздействия в течение суток, сезонов года, высота стояния солнца над горизонтом) оказывает огромное влияние на длительность вегетации /18/. Таким образом, рост растений определяется процессами фотосинтеза, для которого главным источником энергии является свет.

  1. Полевой, В.В. Физиология растений. Москва: Высшая школа, 1989. – 464с.
Вверх