Д.т.н Кузнецов Д.М.

Новочеркасская Государственная Мелиоративная Академия, г.Новочеркасск

аспирантка Ермакова В.С.

Новочеркасская Государственная Мелиоративная Академия, г.Новочеркасск

д.т.н. Гапонов В.Л.

Донской государственный технический университет, г.Ростов-на-Дону

профессор Захарова М.С.

Донской государственный технический университет, г.Ростов-на-Дону

О возможности регистрации акустического излучения на начальном этапе онтогенеза растений

Введение

Очевидно, что в работах, посвященных регуляции роста и развития растений главное внимание следует обратить на первые этапы онтогенеза растений, начиная с прорастания семян и роста проростков, когда происходят наиболее заметные, существенные и принципиальные изменения в растениях. К настоящему времени разработан целый ряд физико-химических и чисто физических методов, позволяющих осуществлять контроль процесс перехода семян от состояния покоя к интенсивной жизнедеятельности /1-4/. Каждый метод позволяет получить индивидуальную информацию о кинетике роста и развития растений, недоступную другими способами. Поэтому разработка принципиально нового физического метода идентификации процессов, проходящих на самых первых этапах онтогенеза растений, представляется актуальной.

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное изучение генерации ультразвуковых волн на начальном этапе онтогенеза растений. Основой данной работы послужили исследования явления акустической эмиссии (АЭ) в жидкой среде / 5-9 /. В частности, установлено, что по мере капиллярного продвижения жидкости имеется возможность регистрации ультразвуковых колебаний в достаточно широкой полосе частот – от 30 до 300 кГц.

Гипотеза индуцирования ультразвуковых волн, сопровождающих различные этапы роста и развития растений, основывается на следующих положениях. Капиллярное заполнение жидкостью гетерогенной пористой среды (в нашем случае фильтрации жидкости через покровные ткани семян и водного потока через сосуды ксилемы) является нестационарным процессом, причем движение фронта жидкости по сечению этой среды не являетСЯ ламинарным. Это связано с непостоянностью сечения капилляров как покровной, так и внутренней ткани растений. Если на пути движения мениска встречается сужение канала, самопроизвольное продвижение его ускоряется, если же на пути движения мениска встречается резкое расширение канала, самопроизвольное продвижение его замедляется или прекращается. Следовательно, в этом случае процесс фильтрации можно представить как прерывистое движение жидкости по внутрипоровому объему растений. В свою очередь, прерывистое движение жидкости – это и есть чередование волн уплотнения/разрежения, в данном случае идентифицируемых как акустические колебания с некоторой частотой и энергией.

С целью подтверждения полученных теоретических результатов была создана экспериментальная установка для обнаружения генерируемого акустического излучения, сопровождающего капиллярное движение жидкости на начальном этапе роста растений.

Методика исследования.

В качестве объекта исследования были использованы семена пшеницы(Triticum aestivum L.). Семена в количестве 10 штук замачивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге в дистиллированной воде (контроль), причем каждые 10 минут измерялись линейные размеры в трех взаимно перпендикулярных направлениях каждого из семян. Затем рассчитывался объём семян и площадь их поперечного сечения. Также контрольная партия семян взвешивалась с точностью ± 1*10^-3г с той же периодичностью в 10 минут.

Такие же семена помещались в жидкость (подвешивались в тонкой сетке) в количестве 10, 50 и 100 штук. В качестве жидкости была использована дистиллированная вода. Генерируемые в результате капиллярного движения акустические колебания достигали стенок ёмкости и воспринимались чувствительным пьезодатчиком. Форма ёмкости выбиралась конической, чтобы обеспечить усиление регистрируемого сигнала. Материал ёмкости представлял собой кварц, который характеризуется низким коэффициентом поглощение ультразвука. Пьезодатчик устанавливался со стороны дна ёмкости. Регистрация акустических сигналов осуществлялась с помощью акустико-эмиссионного комплекса A-Line 32. Частотный диапазон используемых пьезодатчиков составлял 100-500 кГц.

Рис.1. Схема экспериментальной установки и регистрируемые параметры акустических сигналов на начальном этапе онтогенеза растений

В качестве изучаемых параметров акустических сигналов выбраны следующие /6/ (рис.2): Длительность электрического сигнала АЭ Т₀[с] - время нахождения огибающей электрического импульса АЭ над порогом ограничения. Диапазон изменения 10^-4...10^-8 с.

Время нарастания Дт_н [с] - промежуток времени между появлением огибающей импульса АЭ над порогом ограничения и достижением огибающей ее максимальной амплитуды.

Суммарный счет АЭ (total emission) N [имп.] - число зарегистрированных превышений импульсами АЭ установленного уровня дискриминации (ограничения).

Выбросы АЭ [имп.] – количество осцилляций, превышающих установленной уровень дискриминации в период нахождения огибающей электрического импульса АЭ над порогом ограничения.

Активность АЭ (acoustic emission count rate) N [имп./с] –производная по времени суммарного счета АЭ. Диапазон изменения 0 ... 10¹⁵ [имп./с].

Энергия электрического сигнала АЭ E_c [Дж] - измеренная площадь под огибающей электрического сигнала АЭ. Диапазон изменения 10^-9...10^-5 Дж.

Обсуждение полученных результатов

Изменение суммы импульсов АЭ, а также другие регистрируемые характеристики АЭ на этапе физического набухания при замачивании в течение 1 часа различного количества семян пшеницы представлены в таблице 1. Эти данные свидетельствуют, что увеличение количества семян приводит как к росту количества регистрируемых акустических сигналов, так и к росту отдельных характеристик АЭ, что в свою очередь, отражает объективность процесса излучения акустических ультразвуковых волн.

Таблица 1. Влияние изменения количества замачиваемых семян пшеницы на общий уровень регистрируемых параметров АЭ

Количество замачиваемых семян пшеницы	Пороговый уровень ослабления сигналов АЭ, дБ	Суммарный счет АЭ, имп	Максимальное значение энергии, дБ	Максимальное количество осцилляций
100	32	536	88	3128
50	32	208	81	1436
10	32	70	74	315

На рис.2 представлена динамика изменения активности АЭ, суммарного счета АЭ, а также формы и частотного спектра регистрируемых сигналов, сопровождающих начальную стадию онтогенеза семян пшеницы.

Рис.2. Динамика изменения суммарного счета АЭ (А), энергии (В), времени нарастания (С), а также частотного спектра регистрируемых сигналов, сопровождающих начальную стадию онтогенеза семян пшеницы.

Ниже, в таблице 2 показана тенденция изменения количества регистрируемых импульсов АЭ и массы замачиваемых семян, а на рис.3 - изменение их геометрических размеров. Очевидно, что регистрация АЭ колебаний отражает объективный процесс фильтрации влаги через покровные ткани семян и процесс набухания семян (активация метаболизма). Причем, следует отметить, что связь между массой замачиваемых семян и количеством регистрируемых импульсов АЭ имеет высокий коэффициент корреляции (0,9978).

Таблица 2. Динамика изменения количества регистрируемых импульсов АЭ и массы замачиваемых семян

Время, мин	Сумма импульсов АЭ	Масса партии семян пшеницы	Связь между массой замачиваемых семян и количеством регистрируемых импульсов АЭ
0	0	0,519
10	410	0,553
20	456	0,562
30	500	0,567
40	531	0,574
50	547	0,575
60	553	0,578

Рис. 3 Изменение геометрических размеров семян пшеницы при замачивании

Можно высказать предположение, что эти процессы разделены во времени. Так, максимальная длина семян зарегистрирована уже через 10 минут после начала замачивания, причем поперечное сечение семян практически оставалось на прежнем уровне. Следовательно, о таком процессе, как набухание семян, на данном этапе можно говорить лишь с большой осторожностью. Тем не менее, именно в этот период (от 0 до 10 минут) зарегистрирована самая большая активность сигналов АЭ, самая большая амплитуда и энергия сигналов. Следует также отметить экспоненциальное снижение всех этих акустических параметров в течение первых 10 минут. Процесс набухания семян, в свою очередь, достигает своего максимума спустя 30 минут с начала замачивания, характеризуется испусканием импульсов относительно небольшой амплитуды и энергии. Частота АЭ сигналов в процесс замачивания также несколько меняется. Можно отметить, снижение активности, энергии и амплитуды сигналов АЭ после часового замачивания семян, скорее всего, свидетельствует о том, что достигнуто именно то состояние клеток, когда они полностью тургесцентны.

Работа была выполнена в рамках гранта РФФИ №12-08-01190-а

Выводы:

1. На основе акустико-эмиссионного комплекса A-Line 32 создана экспериментальная установка для обнаружения генерируемого акустического излучения, сопровождающего капиллярное движение жидкости на начальном этапе роста растений.

2. С помощью созданной установки удалось зафиксировать генерацию ультразвуковых колебаний начальном этапе онтогенеза растений.

3. Установлено, что регистрация АЭ колебаний отражает объективный процесс фильтрации влаги через покровные ткани семян и процесс набухания семян (активация метаболизма).

4. Изменение суммарного счета сигналов АЭ показывает наличие функциональной связи с изменением массы замачиваемых семян.

Литература:

1. Дунаевский Я. Е., Сарбаканова Ш. Т., Белозерский М. А., Заиров С. З. Совместное действие протеаз покоящегося и прорастающего зерна пшеницы // Прикл. биох. и микробиол. 1990. Т. 26. С. 273-278.

2. Мосолов В. В. Новое о природных ингибиторах протеолитических ферментов // Биоорганическая химия. 1998. Т. 24, № 5. С. 332-340.

3. Рубцова М.С., Федулина С.Б. БЭР на раздражение прорастающих семян пшеницы и тыквы и их возможная роль в процессе прорастания/ Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия // Серия: Биология. 2001. С. 31-35

4. Ретивин В.Г., Опритов В.А. Использование проростков тыквы как модели для изучения возбудимости у высших растений / Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия: Биология. 2001. С. 45-47

5. Трепачев В.В., Кузнецов Д.М., Гаевская П.В. Математическое моделирование сигналов акустической эмиссии при сольватизации. Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф. Т7. Секция 3. 2011 – (с.112-114).

6. S.I. Builo and D.M. Kuznetsov «Acoustic_Emission Testing and Diagnostics of the Kinetics of Physicochemical Processes in Liquid Media».- Russian Journal of Nondestructive Testing, 2010, Vol. 46, No. 9, pp. 686–691.

7. Кузнецов Д.М., Смирнов А.Н. Акустическая эмиссия в жидкости при физико-химических процессах дегазации http://www.chemphys.edu.ru/pdf/2006-11-13-001.pdf

8. Гапонов В.Л., Кузнецов Д.М., Трепачев В.В., Азимова Н.Н. Влияние площади поверхности кристаллов на акустико – эмиссионные параметры растворения . Вестник развития науки и образования, № 3, 2011, с. 7-14.

9. Kuznetsov D.M., Smirnov, A.N., and Syroeshkin, A.V., Acoustic Emission during Phase Transformations in Water, Ross. Khim. Zh., 2008, no. 1, pp. 114–121.