В.Г. Карманов
Перепечатывается из журнала
"Доклады Академии наук СССР",
1959 г., Том 126, N.1, стр. 207-209.
При выращивании растений как в естественных, так и в тепличных и даже в лабораторных условиях - когда возможно поддерживать основные факторы роста и развития растения на определенном уровне, нет уверенности, что растение действительно в каждый момент времени находится в условиях, обеспечивающих его наивысшую продуктивность.
Характеризуя внешние условия роста и развития растений, можно говорить лишь о средних благоприятных или неблагоприятных условиях за сравнительно большой промежуток времени. Между тем для получения максимально возможной продуктивности организма необходимо непрерывно следить за происходящими в нем обменными процессами и так корректировать внешние условия, чтобы они соответствовали его наибольшей жизнедеятельности.
У теплокровных животных имеется следящая за их состоянием система регуляции, согласовывающая условия существования с общим процессом жизнедеятельности - автоматически работающая, следящая, координирующая и управляющая система, которой нет у растений. Нервная система высших организмов способна не только отвечать на внешние раздражения, но и регистрировать, запоминать их и отвечать на них с образованием условных и безусловных рефлексов. Человеческому организму свойственно, кроме того, и логическое сопоставление, что дает возможность сознательно реагировать на внешние раздражения. Способность к саморегулированию предполагает наличие не только системы восприятия, но и системы исполнения. Последней в силу особенностей эволюции почти не имеется у растительных организмов.
Современные средства автоматики, используя принципы кибернетики, позволяют снабдить растительные и другие простейшие организмы аппаратурой, следящей за отдельными процессами, регистрирующей их и согласовывающей воздействие внешних условий с физиологическим состоянием организма. Эта аппаратура будет, таким образом, выполнять некоторую функцию нервной системы и мышечной ткани.
В настоящей работе будут изложены результаты применения созданной нами аппаратуры для управления световым режимом растений фасоли по программе, задаваемой самим растением.
Для управления световым режимом был выбран процесс транспирации, за которым мы имеем возможность непрерывно и неограниченно долго следить без нарушения нормальной деятельности листа. Как и в предыдущих наших работах (1-3), для определения транспирации нами были применены оба метода: температурный и гигрометрический. Процесс транспирации не мог бы быть положен в основу управления, если бы он следовал только за окружающими растение физическими условиями. Но как уже указывалось нами ранее, интенсивность транспирации и при постоянстве внешних условий не остается постоянной, а подчиняется определенным биологическим закономерностям. Так, для фасоли сорта "Робюст", выращиваемой при освещении люминесцентными лампами, было установлено наличие дневного хода транспирации с максимумом через 5 - 7 часов после начала освещения и общей продолжительностью в 13 - 14 часов. К концу этого периода транспирация прекращается и при продлении освещения не возобновляется. При более коротком фотопериоде, менее 10 - 12 часов, транспирация растений начинается еще в темноте и к концу указанного срока освещения полностью не прекращается.
В нашем случае автоматическая система, следящая за транспирацией, включала свет как только транспирация начиналась в темноте и выключала его при достижении транспирацией на свету ночного уровня. Таким образом, растение, при помощи приданной ему аппаратуры, стало способным устанавливать для себя как соотношение продолжительности дня и ночи, так и общую продолжительность суток.
Растение фасоли вначале выращивалось на непрерывном освещении люминесцентными лампами вплоть до образования первых листьев. С этого момента начиналась регистрация транспирации. Как уже указывалось в наших прежних работах (4, 5), транспирация у растений, выращиваемых при непрерывном освещении, как правило, очень мала и более или менее постоянна во времени. По истечении суток регистрации транспирации на свету растение выдерживалось сутки в темноте. Как мы убедились, в это время растение продолжает равномерно транспирировать примерно с той же интенсивностью, что и при непрерывном освещении, и никаких скачкообразных повышений испарения не происходит. При таком однообразном световом режиме растение оказалось не способным к саморегуляции. Поэтому мы перевели растение на режим с ежесуточным световым периодом в 4 часа и темновым периодом в 20 часов, т. е. оно ставилось в условия явно малой длительности светового и заведомо большого темнового периода. В первый светлый 4-часовой период транспирация у опытных растений сразу немного возросла и оставалась на таком уровне в течение всего светового промежутка времени. После выключения света интенсивность транспирации резко уменьшилась, через 15 - 20 минут достигла постоянного значения и далее оставалась на этом уровне в течение всего дальнейшего темнового периода.
На второй день транспирация сразу после включения света возросла примерно втрое по сравнению с первым 4-часовым световым периодом и в дальнейшем продолжала постепенно нарастать. На третий день растение впервые включило себе свет после 16 часов темноты и тем самым перешло к 8-часовому периоду освещения, так как в этот день еще сохранялось ручное выключение света.
В дальнейшем растению была предоставлена возможность полностью контролировать и момент включения и момент выключения света. При этом длина светового периода продолжала нарастать и в конечном счете через 5 - 7 суток стала равной 14 плюс-минус 1 час., а длина темнового периода сократилась до 10 плюс-минус 1 час. Таким образом, растение фасоли, управляя продолжительностью светового и темнового периода через процесс транспирации, установило себе 14- и 10-часовые периоды света и темноты. Чрезвычайно интересно, что при этом общая сумма часов "суток" оказалась очень близкой к продолжительности солнечных суток. Это наблюдалось как в начальный период опыта, так и после установления постоянного ритма.
То, что растение самостоятельно, через посредство приданной ему аппаратуры установило себе "суточный" ритм, практически равный солнечному для средних широт, является, по нашему мнению, проявлением внутренних ритмов физиологических процессов (в данном случае транспирации), сложившихся в результате процесса эволюции, наследственно закрепленных и отражающих постоянные условия среды.
Следует особенно подчеркнуть, что в наших экспериментах осуществлялось самое тщательное наблюдение за сохранением неизменными всех остальных условий помимо освещения, которые могли бы маскировать проявление исследуемых закономерностей и функциональных связей. При указанных условиях полученный результат служит надежным свидетельством достоверности ранее полученных и опубликованных нами материалов, так как если бы все изменения в транспирации следовали только за изменениями условий внешней среды, то невозможно было бы построить аппаратуру, отвечающую поставленной задаче.
Таким образом, современные средства автоматики позволили снабдить растения аппаратурой, следящей за процессом транспирации, регистрирующей ее и согласовывающей световой режим с этим физиологическим процессом. Это позволило искусственно устранить основной недостаток, присущий растительным организмам, - полную зависимость от условий среды. Растения оказались способными выполнять некоторые функции, присущие высшим организмам. Система восприятия - рецептор представлена в данном случае искусственными чувствительными элементами, изменение показаний которых пропорционально интенсивности транспирации. Сигнал от чувствительного элемента передается в аппаратуру, которая регистрирует, следит за трансиирацией и дает сигнал к изменению условий аналогично действию нервной ткани животных. Далее этот сигнал приводит к определенному изменению внешних условий посредством исполнительных устройств, питаемых от электрической сети, что аналогично функции мышечной ткани. Питающая исполнительные устройства электрическая сеть подобна энергетическим ресурсам мышечной ткани, в которых она запасена в определенных химических веществах, переходящих в другие при преобразовании химической формы энергии в механическую.
Пример использования следящей системы, приводимый в настоящей работе, связывает лишь один физиологический процесс - транспирацию и только с одним световым воздействием, вернее даже с одной стороной его действия, - ритмичностью. Тем не менее ясно, что предоставляются неограниченные возможности координации многих физиологических процессов с любым внешним воздействием и в любом сочетании.
Для практики выращивания растений, особенно в условиях закрытого грунта, это означает, что тепловой и все стороны светового режима, режим влажности (почвы и воздуха) и минерального питания (качественный и количественный) и другие могут быть согласованы в каждый промежуток времени с проходящими в растениях физиологическими процессами и управляться ими.
Делом человека остается настроить аппаратуру так, чтобы были обеспечены изменения условий в такую сторону, которая соответствует наивысшей продуктивности растений.
В заключение хочется указать, что применение следящей, регистрирующей и координирующей аппаратуры, использующей принципы кибернетики, является новым методом в физиологии растений, способным ускорить получение результатов и повысить их достоверность при сокращении числа повторностей.
Поступило 8.VIII.1958
Цитированная литература
1. В.Г. Карманов, ДАН, 77, в. 5 (1951).
2. В.Г. Карманов, Диссертация, Л., 1957.
3. В.Г. Карманов, С.Л. Пумпянская, Биофизика, I, в. 1 (1956); Бот журн., 41. N. 3 (1956).
4. В.Г. Карманов, С.Л. Пумпянская, Агробиология. N. 6 (1956).
5. В.Г. Карманов, Бюлл. информ. Агрофиз. инст., N. 4 (1958).
