0
Экологический клуб
 
"STENUS"
 
 
 
Калужский краеведческий Интернет-портал


 
Модин И.Н., Павлов М.Ю.   Исследования площадных вариаций биопотенциалов деревьев в низовьях реки Вори   / /   Природа и история Поугорья. Выпуск 4.     Калуга:   ИЦ «Постскриптум»   -   2006 C. 58-64.



И.Н.Модин, М.Ю.Павлов


Исследования площадных вариаций

биопотенциалов деревьев в низовьях реки Вори


Введение

В разведочной геофизике традиционно рассматривалось три типа полей естественного поля (ЕП): 1) диффузионно-адсорбционный, в котором электрическое поле возникает вследствие разной скорости диффузии положительных и отрицательных ионов, растворенных в поровой влаге, и адсорбции части ионов на стенках капилляров; 2) фильтрационный, который связан с движением жидкости в тонких капиллярах, что вызывает смещение внешних зарядов двойного электрического слоя относительно неподвижных, заряженных стенок; 3) окислительно-восстановительный, который возникает на локальных объектах, обладающих электронной проводимостью, если их верхняя или нижняя части находятся в разных окислительно-восстановительных условиях. Наиболее сильными аномалиями ЕП обладает третий тип поляризации (отрицательные аномалии достигают 1–2 В). Обычная амплитуда фильтрационных потенциалов также не превышает первых сотен мВ. Самые незначительные по амплитуде аномалии первого типа (диффузионно-адсорбционные потенциалы не превышают первых десятков мВ). В зависимости от масштабов процессов, которые вызывают ЕП, линейные размеры аномалий обычно составляют десятки или первые сотни метров.

Однако геофизики, которые используют метод ЕП, знают, что существует еще одна составляющая этого поля, которая является неустойчивой во времени и может создавать приповерхностные потенциалы амплитудой до первых десятков мВ. Такие потенциалы принято относить к разряду шума, связанного с неоднородностью приповерхностного слоя.

Необходимо отметить исследования, проведенные биофизиками в течение последних 30 лет, четко указывающие на наличие электрических потенциалов у растений, которые способны создать подобную шумовую картину [1]. Природа биопотенциалов до конца не изучена. Большая часть исслшедователей считает, что причиной возникновения биопотенциалов у растений является диффузия ионов через клеточные мембраны [2]. Иной механизм, основанный на электрокинетических явлениях течения жидкости в присутствии двойного электрического слоя на границе раздела фаз, поддерживает меньшее число исследователей. Поэтому мы не будем вдаваться в физико-химические тонкости вопроса, а для краткости будем называть их биопотенциалами и выделим их в четвертый тип аномалий ЕП, который возникает на поверхности земли вследствие жизнедеятельности растений.

Рис.1. Зависимость электрического потенциала от высоты дерева(а), суточная(б) и сезонная(в) динамика биопотенциалов (по Р.А.Коловскому).

Биопотенциалы растений

Что мы знаем на сегодняшний день об электрических полях, которые создают растения? Прежде всего: все живые растения выше поверхности земли заряжены положительно (рис.1а). Почти все исследователи указывают, что максимальные амплитуды биоэлектрических потенциалов соответствуют моменту максимального роста растений в начале лета. Другие авторы утверждают, что максимальные биопотенциалы появляются в конце лета, когда у деревьев максимально развита крона, через которую идет сильное испарение влаги (рис.1в). Чем выше дерево, тем сильнее биопотенциалы. У взрослых деревьев (например, кедр) величина электрического потенциала кроны может составлять +240 мВ. Отмечается преимущественное линейное нарастание потенциала вдоль ствола снизу вверх. Корневая система заряжена электрически отрицательно, и ее потенциал может составлять от –20 до –60 мВ. При этом минимальные значения потенциала порядка –50–100 мВ отмечаются непосредственно у корневой шейки. Учитывая, что корни растений распространяются на значительные расстояния от ствола и что они причудливым образом по сложной сетке переплетены друг с другом, на поверхности земли вследствие этого могут наблюдаться локальные отрицательные аномалии ЕП размером в несколько метров. Эти локальные аномалии в плане, по–видимому, располагаются случайным образом.
Кроме этого существует суточная динамика изменения потенциалов у растений. Однако разные авторы указывают на разные пики активности растений. Есть данные, что максимальные величины биопотенциалов наблюдаются утром с 4 до 10 часов. В других случаях – вечером с 18 до 23 ч или днем с 12 до 13 ч. Некоторые авторы утверждают, что днем потенциалы увеличиваются, а к ночи спадают. В целом же большинство исследователей считает, что дневной максимум биопотенциалов наблюдается в районе 14–17 ч (рис.1б). При этом наблюдается устойчивая положительная корреляция биопотенциалов с температурой воздуха и отрицательная – с влажностью.
Таким образом, в корневой сфере растений существует постоянное электрическое поле, которое меняется вокруг средней величины, характерной для данного типа дерева. Каждое дерево принимает участие “в генерации этого поля и, вероятно, подчиняется ему в смысле приближения характеристик своего поля к средней результирующей. Нормально функционировать в данном насаждении могут только растения, имеющие собственные электрические поля, близкие к средним[1].

Считается, что основное негативное значение взрослые деревья оказывают на подрост путем уменьшения освещенности. Однако многие исследователи-биофизики утверждают, что, когда одинаковые ритмы электрического поля возникают у растений, стоящих на разных этапах ортогенеза или условий произрастания, то такие ритмы могут отрицательно сказываться на жизнедеятельности ряда более слабых растений, у которых расшатываются так называемые потенциалы покоя.

Методика измерений

Измерения проводились 2 и 3 мая 2004 г. по профилю длиной 20 м, расположенному на опушке леса на западной окраине Александровского моренного плато, в 150 м к югу от базы МГУ в Юхновском районе Калужской области. При этом первые 5 м профиля расположены в поле, на бывшей пашне, а 15 м – в смешанном лесу (береза, осина, ель, сосна). Месяц спустя, 9–10 июня были выполнены аналогичные измерения в 50 метрах к западу от первого профиля. В целом характер электрического поля в первом и во втором случае был сходным.

Пункт, на котором располагался электрод N, находился в 6 м к западу от пикета 0. Все пикеты, включая точку сравнения N, расположены вдоль одной линии, отклоняясь от нее не более чем на 30 см. Расстояние между точками наблюдения было 1 м. Периодичность повторения измерений составляла примерно 1 час. Общее время измерений в пределах одного цикла менялось от 10 до 25 мин.

При измерениях использовалось 2 неполяризующихся электрода конструкции ВИРГ. Электрод N в течение суточного цикла измерений не менял своего положения и на ночь не извлекался из грунта. Вода в грунт не подливалась, а грунт, в который устанавливался электрод М, разрыхлялся только один раз перед производством измерений. В пределах каждого часового цикла определялась собственная разность потенциалов электродов M и N путем совмещения их в одной точке.

В конце каждого цикла также проводилось контрольное измерение разности потенциалов на M и N, а затем выполнялись измерения на ПК0. Разница между измерениями на ПК0 использовалась для оценки точности измерений, которая составила ±0.5мВ.

Рис.2. Изменение электрического потенциала в пространстве(а), во времени(б). Индекс кривой на рис. 2б соответствует номеру пикета. Две пунктирные кривые на рис. 2в показывают границы коридора экстремально возможных изменений графика dU(t) при точности измерений ±0,5%.


Результаты режимных измерений

естественного поля

На рис.2а показан пространственный график потенциала ЕП, который построен для 12 ч дня. Пятый пикет соответствует границе леса и поля. Эта граница четко фиксируется в знаке потенциала. Поверхность леса в целом заряжена отрицательным зарядом, поверхность поля имеет положительный заряд. Горизонтальные размеры локальных аномалий ЕП составляют порядка 3–5 метров.

Амплитуда аномалий в лесу меняется от –10 до –26 мВ. Аномалии ЕП в поле составляют от +5 до +10 мВ. Подобная структура ЕП сохраняется и в зимнее время. На рис. 3 показана карта потенциала ЕП в этом же месте, отснятая 2 февраля 2004 г. Профиль 10 на этой карте соответствует профилю, который показан на рис.2а. Результаты зимней съемки показали, что амплитуда аномалий ЕП может достигать порядка –70 мВ. В среднем лес в зимнее время также заряжен отрицательно, а поле положительно. Амплитуда аномалий ЕП в поле составляет от +5 до +10 мВ. Граница между лесом и полем в зимнее время проявлена в поле ЕП не четко. Во время летней съемки смена знака ЕП проходит строго по границе леса. Если летние аномалии можно легко объяснить как вертикальное движение флюида, то происхождение зимних аномалий ЕП имеет более сложную природу. В зимнее время корневая система деревьев вполне может функционировать, так как при наличии снежного покрова толщиной более 50–60 см температура грунта может иметь положительные значения.
Рис.3. Карта потенциала ЕП.
Зимняя съемка.
На рис.2б показаны результаты режимных наблюдений на 9-и пикетах того же профиля наблюдений, выполненные 7, 8 мая 2005 г. Можно отметить несколько особенностей графиков dU(t). Во-первых, все вариации ЕП вне леса имеют положительные значения потенциала, а значения потенциала ЕП в лесу характеризуются только отрицательными значениями. Во-вторых, амплитуда колебаний потенциала в лесу составляет приблизительно ±5 мВ, а в поле примерно в два раза меньше. В третьих, днем амплитуда ЕП в поле достигает максимальных значений примерно в 13–14 ч, в лесу потенциал ЕП днем уменьшается, достигая минимальной величины примерно в 18-20 ч.
Для доказательства существования вариаций ЕП во времени на пикете 8 относительно кривой dU(t) были построены две параллельные кривые, которые отстояли от наблюденной на ±0,5 мВ. Получился "коридор" шириной 1 мВ, внутри которого была проведена наименее изменяющаяся кривая (рис.2в). Эта кривая показывает, что характер кривой dU(t) остался неизменным. Поэтому достоверность сформулированных выводов не вызывает сомнения.

Выводы

  1. Кроме общеизвестных потенциалов ЕП существует еще один тип аномалий, который мы будем называть биопотенциалом или электрическим полем растений.
  2. Особенностью биопотенциалов является их изменчивость во времени. Для наблюдения изменений ЕП во времени необходима инструментальная точность измерений не хуже ±1 мВ.

Литература

  1. Коловский Р.А. Биоэлектрические потенциалы древесных растений. Новосибирск: Наука, 1980. 176 с.
  2. Нобел П. Физиология растительной клетки. М.,1973. 288 с.




Скачать.rar



Сайт создан при поддержке РОССИЙСКОГО ГУМАНИТАРНОГО НАУЧНОГО ФОНДА проект № 09-06-59610 а/Ц "Создание экологического Интернет-портала, как регионального компонента экологического образования"; № 10-06-59629 а/Ц"Создание региональной экологической Интернет-библиотеки"


© Авторы статей