Исследование возможности воздействия лазерного и ультрафиолетового излучений на всхожесть и урожайность растений

Для человечества, жизненно важными являются проблемы повышения урожайности и создания новых продуктивных растений, т. е. обеспечения людей пищей и растительным сырьем.

С давних времен важнейшим условием увеличения продуктивности растениеводства справедливо считается улучшение плодородия земли. Из источника известно, что на мелиорацию и химизацию земледелия расходуются во всем мире огромные средства и усилия ученых, но печальный парадокс прогресса заключается в том, что после чрезмерного применения нитратов, фосфатов, пестицидов, синтетических регуляторов роста злой тенью следует отравление урожая, пищи, воды, угроза здоровью и жизни людей. Поэтому заслуживает внимания разработка новых путей и методов интенсификации продуктивности растениеводства.

В настоящее время главная задача - повышение урожайности культур за счет рационального использования посевных угодий и получение экологически чистых продуктов. В этом плане в научных центрах уделяется большое внимание разработке методов воздействия на сельскохозяйственные культуры различными физическими факторами, оказывающими стимулирующее влияние на рост и развитие растений и на урожайность самих культур. В последние годы активно изучается влияние лазерного излучения на рост и развитие растений, всхожесть семян и урожайность различных сельскохозяйственных культур.

Научная новизна работы заключается в разработке новых путей и методов интенсификации продуктивности растениеводства

Практическая значимость: возможность применения лазерного и ультрафиолетового излучения в сельском хозяйстве.

Электромагнитные волны

Рассмотрим, что представляет электромагнитная волна. Из литературного источника узнаем о том, что существование электромагнитных волн было вначале предсказано английским ученым Дж. Максвеллом. Его идея заключалась в том, что не только электрическое поле может создавать магнитное, но и переменное магнитное поле способно порождать электрическое. И если создать условия, когда быстро меняется одно из полей, тут же так же быстро начинает меняться другое. Эта эстафета переменных магнитных полей захватывает одну за другой области пространства с самой большой в мире скоростью - со скоростью света. Иначе говорят, что побежала электромагнитная волна.

Электромагнитные волны могут распространяться в воздухе, в металле, а самое главное - в пустоте, в вакууме.

В 1888г. немецкому ученому Генриху Герцу удалось получить и зарегистрировать электромагнитные волны.

В настоящее время все электромагнитные волны разделены по длинам волн на шесть основных диапазонов: радиоволны(0,3-1,5*104м), инфракрасное излучение(780нм-1мм), видимое излучение(380-780 нм), ультрафиолетовое излучение(10-380 нм), рентгеновское излучение(10-12-10-8м), гамма-излучение(<10-12м).

Электромагнитные волны разных частот отличаются друг от друга проникающей способностью, скоростью распространения в веществе, видимостью, цветностью.

Ультрафиолетовое излучение

Из источника узнали о том, что ультрафиолетовое (УФ) излучение было открыто в 1801 г. немецким ученым Иоганном Риттером.

Изучая почернение хлористого серебра под действием видимого света, Риттер обнаружил, что серебро чернеет еще более эффективно в области, находящейся за фиолетовым краем спектра, где видимое излучение отсутствует. Невидимое излучение, вызвавшее это почернение, было названо ультрафиолетовым.

Озоновый слой атмосферы Земли сильно поглощает УФ-излучение. Человеческий глаз не видит УФ-излучение, так как роговая оболочка глаза и глазная линза поглощают ультрафиолет. Однако люди, у которых удалена глазная линза при снятии катаракты, могут видеть УФ-излучение. Ультрафиолетовое излучение видят некоторые животные. Например, голубь ориентируется по Солнцу даже в пасмурную погоду.

В малых дозах УФ-излучение оказывает благотворное оздоровительное влияние на человека, активизируя синтез витамина D в организме, а также вызывая загар. Большая доза УФ-облучения может вызвать ожог кожи и раковые новообразования. Кроме того, чрезмерное УФ-облучение ослабляет иммунную систему организма, способствуя развитию некоторых заболеваний.

Биологическое действие ультрафиолетового излучения Ультрафиолетовое излучение представляет собой мощный фактор воздействия на растения. Оно стимулирует накопление пигментов, вырабатывает устойчивость к неблагоприятным условиям, фотосинтез, увеличивает продуктивность, предотвращает чрезмерное вытягивание, снижает заболеваемость растений, повышает качество плодов.

Большие дозы ультрафиолетовое излучение, несомненно, неблагоприятны для растений.

На микроорганизмы и культивируемые клетки высших животных и растений ультрафиолетовое излучение оказывает губительное и мутагенное действие Основная роль в действии ультрафиолетового излучения на клетки принадлежит изменениям ДНК. Определенное значение в летальном действии ультрафиолетового излучения на клетки имеют также повреждение мембран и нарушение синтеза различных компонентов мембран и клеточной оболочки.

Большинство живых клеток может восстанавливаться от изменений вызываемых ультрафиолетовым излучением. Способность восстанавливаться от повреждений, вызываемых ультрафиолетовое излучение, возникла на ранних этапах эволюции и играла важную роль в выживании первичных организмов, подвергавшихся интенсивному солнечному ультрафиолетовому облучению.

Генетические последствия облучения ультрафиолетовое излучение пыльцы высших растений, клеток растений и животных, а также микроорганизмов выражаются в повышении частот мутирования генов. Генетическое действие ультрафиолетовое излучение могло играть существенную роль в эволюции живых организмов.

Изобретение лазера

В 1939 г. российский физик В. А. Фабрикант наблюдал экспериментально усиление электромагнитных волн (оптическое усиление) в результате процесса индуцированного излучения.

Российские ученые Н. Г. Басов и А. М. Прохоров и американский физик Ч. Таунс, создавшие в 1954 г. квантовый генератор излучения, работающий в сантиметровом диапазоне, были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии по физике. Первый лазер, работающий на кристалле рубина в видимом диапазоне, был создан в 1960 г. американским физиком Т. Мейманом.

Лазер - наиболее мощный искусственный источник излучения.

В настоящее время существует много различных типов и конструкций лазеров.

Всего около сорока лет отделяет нас от того момента, когда совместными усилиями радиофизиков и оптиков были созданы первые оптические квантовые генераторы (ОКГ) - лазеры. Однако за это весьма короткое время прогресс в развитии лазерной физики и техники оказался настолько существенным, что на его основе возникли многие направления науки и техники.

Применение лазеров

Особенности лазерного излучения и разнообразные способы его использования помогли сдвинуться с мертвой точки во многих разделах современного знания и способствовали развитию различных областей науки, техники и медицины. Очень перспективно применение лазерного излучения для космической связи, в светолокаторах, измеряющих большие расстояния с точностью до миллиметров, для передачи телевизионных и компьютерных сигналов по оптическому волокну. Лазеры используются при считывании информации с компакт-дисков, со штрих - кодов товаров. С помощью луча лазеров малой интенсивности можно проводить хирургические операции, например «приваривать» отслоившуюся от глазного дна сетчатку, делать сосудистые операции. Излучение мощных лазеров сваривает и разрезает металлические листы. Перспективно использование мощного лазерного излучения для осуществления управляемой термоядерной реакции. Лазеры также применяются для топографической съемки. С помощью лазерного излучения получаются объемные голографические трехмерные изображения. Лазеры продолжают внедряться почти во все отрасли народного хозяйства, непрерывно открываются новые возможности

Лазерное излучение в биологии

Почти одновременно с созданием первых лазеров началось изучение биологического действия лазерного излучения. В последние годы активно изучается влияние лазерного излучения на рост и развитие растений, всхожесть семян и урожайность различных сельскохозяйственных культур.

Различные ткани неодинаково поглощают и отражают лазерное излучение. Кроме того, лазерное излучение в разных областях спектра оказывает не одинаковое, а подчас и антагонистическое действие на биообъект. Лазерное излучение с меньшей плотностью потока излучения вызывает в биообъекте изменения, механизм которых не полностью выяснен. Это сдвиг в активности ферментов, структуре пигментов, нуклеиновых кислот и др. важных в биологическом отношении веществ. Опыты показали, что лазерное облучение стимулировало биосинтез хлорофилла, нарастание и активизацию физиолого-биохимических процессов в короткое время, но в зависимости от особенностей культуры, сорта растения.

Как при непосредственном облучении гелий-неоновыми лазерами растительных тканей, так и при предпосевном облучении семян выявлено стимулирующее влияние лазерного излучения на ряд биохимических процессов. В результате обработки семян лазерным излучением наблюдается повышение урожайности растений.

Для проведения опытов взяли семена гороха среднеспелых сортов «Жигалова» и «Сахарный» и семена редиса раннеспелого «Заря».

Часть семян облучались в течение 10 мин с помощью полупроводникового лазера, часть – ультрафиолетовой лампой. Были отобраны семена для контрольной группы.

Семена были высажены в грунт 26 мая на приусадебном участке. Затем велись наблюдения за всхожестью растений, их ростом и в конце лета – урожайностью.

Результаты опытов приведены в таблицах и диаграммах.

Редис «Заря»

Растения Вид облучения Число семян Число взошедших семян % всхожести семян Кол-во растений выросших

Шт. в «ствол»

Редис «Заря» У. Ф. 15 12 80 12

Редис «Заря» Лазерное 15 12 80 1

Редис «Заря» Контрольная 15 10 67 1

Вывод: из таблицы 1 видим, что при воздействии лазерным и ультрафиолетовым излучением всхожесть семян повышается. Но при ультрафиолетовом облучении редис весь вырос в «ствол», эти растения дали семена, но для употребления в пищу, они не годились. Еще интересный факт: в конце лета на грядке «хозяйничал» крот, он съел всю редиску, но к редису, облученному ультрафиолетовым излучением не притронулся.

Горох

Растения Вид облучения Число семян Число взошедших % всхожести Урожайность Среднее кол-во

Шт. семян семян Шт. стручков / растение

Горох «Жигалова» У. Ф. 8 2 25,0 9 4,5

Горох «Сахарный» У. Ф. 15 10 66,7 71 7,1

Горох «Жигалова» Лазерное 8 5 62,5 48 9,6

Горох «Сахарный» Лазерное 15 11 73,3 92 8,3

Горох «Сахарный» Контрольная 15 12 80,0 72 6

Горох «Жигалова» Контрольная 8 4 50,0 25 6,3

Вывод: при анализе результатов таблицы 2 видно, что разные сорта гороха по-разному реагируют на лазерное и ультрафиолетовое излучения. Урожайность при воздействии лазерным излучением повышается.

Из теоретической части следуют выводы:

• ультрафиолетовое излучение в небольших дозах стимулирует рост растений, повышает качество плодов,

• большие дозы ультрафиолетовое излучение неблагоприятны для растений,

• облучение семян лазерным излучением оказывают благотворное влияние на развитие растений

При проводимых экспериментах выявлено положительное влияние лазерного излучения на всхожесть и урожайность растений, и это может позволить использовать данную методику в сельском хозяйстве. О влиянии ультрафиолетового излучения на растения нельзя сказать однозначно. Проведенные исследования нельзя считать исчерпывающими. В дальнейшем планируем провести исследования при облучении семян в течение других промежутков времени и выбрать оптимальный вариант для повышения урожайности растений.