ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  ИЗМЕРЕНИЯ  ПОТЕНЦИАЛА  ПОКОЯ  ДЛЯ  ПОСТРОЕНИЯ  АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО  КОМПЛЕКСА  ПО  ОПРЕДЕЛЕНИЮ  ВСХОЖЕСТИ  ЗЕРЕН  ПШЕНИЦЫ

Лукоянычева  Ольга  Викторовна

аспирант,  Алтайский  Государственный  Технический  Университет

им.  И.И.  Ползунова, г. Барнаул

E-mail:  lukoya@bk.ru

Пронин  Сергей  Петрович

д-р  техн.  наук,  заведующий  кафедрой  Информационных  Технологий,  профессор,  Алтайский  Государственный  Технический  Университет  им.  И.И.  Ползунова г. Барнаул

THE  USE  OF  MEASURE  OF  RESTING  POTENTIAL  FOR  CONSTRUCTING  SOFTWARE  AND  HARDWARE  COMPLEX  FOR  THE  DETERMINATION  OF  GRAIN  SEEDS  GERMINATION

Lukoyanycheva  Olga

postgraduate  student,  Altai  State  Technical  University, Barnaul

Pronin  Sergei

doctor  of  technical  Science,  head  of  Information  Technology  department,  professor,  Altai  State  Technical  University, Barnaul

АННОТАЦИЯ

Исследование  потенциала  покоя  у  зёрен  пшеницы  с  целью  последующего  построения  аппаратно-программного  комплекса  для  определения  показателя  всхожести  зёрен  пшеницы.  Исследование  проводилось  с  помощью  стеклянно-серебряного  электрода  и  экспериментальной  установки.  Полученные  результаты  показывают  разброс  результатов  в  начальный  период  фиксирования  сигнала.  Определён  потенциал  покоя  для  зёрен  пшеницы.

ABSTRACT

The  research  of  resting  potential  of  grain  seeds  for  constructing  software  and  hardware  complex  for  the  determination  of  grain  seeds  germination.  With  the  help  of  glass  electrode  with  silver  needle  and  experimental  unit  the  research  were  made.  The  result  shows  a  lot  of  differences  in  the  beginning  of  signals.  The  resting  potential  was  determined.

Ключевые  слова:  потенциал  покоя,  мембранный  потенциал,  зёрна  пшеницы,  аппаратно-программный  комплекс,  экспериментальная  установка.

Keywords:  resting  potential,  membrane  potential,  grain  seeds,  software  and  hardware  complex,  experimental  unit.

Алтайский  край  представляет  собой  один  из  основных  аграрных  районов  страны.  Повышение  производительности  труда  в  сельскохозяйственном  секторе  в  современных  условиях  является  актуально  задачей.  Ответственный  этап  получения  хорошего  урожая  —  достоверное  определение  всхожести  зерна.  В  соответствие  с  ГОСТом  данный  процесс  занимает  несколько  дней.  Уменьшение  времени  для  определения  процента  всхожести  зерен  позволит  повысить  эффективность  труда  государственных  семенных  инспекций  и  даст  возможность  с  высокой  точностью  оценить  качество  посевного  материала  в  период  проведения  уборочных  работ,  избегая  тем  самым  засыпки  на  хранение  некондиционных  семян.

Наиболее  значимым  для  Алтайского  края  является  воспроизводство  семян  пшеницы.  Поэтому,  в  первую  очередь,  проводилось  исследование  по  данному  направлению.  Для  ускорения  процесса  идентификации  всхожести  зерен  предложено  исследовать  биоэлектрический  потенциал.  Наличие  биоэлектрического  потенциала  присуще  всем  живым  организмам,  включая  растения.  Особенностями  исследования  биоэлектрических  сигналов  у  зерен  являются  их  малые  размеры  и  связанные  с  этим  трудности  по  получению  идентичности  условий  эксперимента,  а  также  тот  факт,  что  в  процессе  определения  всхожести  зерна  находятся  в  активном  биохимическом  состоянии  и  с  течением  даже  непродолжительного  времени  их  биоэлектрические  потенциалы  могут  значительно  меняться.  Широко  известно,  что  основными  биоэлектрическими  потенциалами  живых  организмов  являются:  потенциал  покоя,  потенциал  действия  и  вариабельный  потенциал.  В  данной  работе  рассматривается  потенциал  покоя.  Он  соответствует  анализу  состояния  зерна,  когда  зерну  не  наносится  никаких  раздражающих  воздействий. 

Потенциал  покоя,  фиксируемый  в  клетке  живого  организма  —  это,  главным  образом,  мембранный  потенциал,  то  есть  потенциал  между  внутренней  и  наружной  поверхностями  мембраны  клетки.  Происхождение  потенциала  покоя  объясняет  мембранно-ионная  теория.  Согласно  этой  теории,  мембрана,  которая  покрывает  все  клетки,  не  одинаково  проницаема  для  разных  ионов.  В  состоянии  покоя  мембрана  наиболее  проницаема  для  ионов  калия,  по  сравнению  с  другими,  содержащимися  в  клетке  ионами,  например,  Na⁺  и  Cl^–.  Диффузионный  процесс  положительно  заряженных  ионов  калия  создает  на  наружной  поверхности  мембраны  клетки  положительный  заряд.  Отрицательно  заряженные  ионы  хлора,  аминокислот  и  других  крупных  органических  соединений  практически  через  мембрану  не  проникают  и  создают  внутри  клетки  на  внутренней  поверхности  мембраны  отрицательный  потенциал.  Диффузионный  ток  ионов  калия  прекращается,  когда  уравновешивается  разностью  потенциалов  на  мембране,  поэтому  эту  разность  потенциалов  часто  называют  калиевым  равновесным  потенциалом.  Данный  потенциал  покоя  рассчитывается  по  формуле  Нернста.  Если  же  учитывать  диффузию  через  мембрану  ионов  не  только  K⁺,  но  и  Na⁺,  Cl^–,  то  используется  уравнение  Гольдмана.  Расчеты  показывают,  что  неодинаковое  распределение  ионов  Na⁺,  K⁺  и  Cl^–  между  клеткой  и  внешней  средой,  согласно  уравнению  Гольдмана,  дает  в  среднем  величину  от  –70  до  –90  мВ  [3,  с.  51].  Расхождение  с  действительными  значениями  потенциалов,  фиксируемыми  в  клетках  и  тканях  организмов,  свидетельствует  о  том,  что  большая  часть  мембранного  потенциала  связана  с  подключением  процессов  активного  транспорта  ионов.  Основной  вклад  в  создание  активной  компоненты  мембранного  потенциала  у  растительных  организмов,  по  всей  вероятности,  связан  с  работой  Н⁺-АТФазы,  активное  функционирование  которой  в  плазматической  мембране  доказано  практически  для  всех  типов  клеток  и  видов  растений  [3,  с.  51].  С  учетом  работы  электрогенных  ионных  насосов  для  мембранного  потенциала  было  получено  уравнение  Томаса  [1,  с.  29].

Вклад  активных  процессов  в  величину  мембранного  потенциала  у  клеток  растений  составляет  более  50  %.  Это  свидетельствует  о  том,  что  величина  мембранного  потенциала  существенно  зависит  от  энергетики  клетки.  На  основе  потенциала  покоя  формируются  все  типы  электрофизиологических  процессов  [3,  c.  47].  Чем  выше  потенциал  покоя,  тем  более  высокая  интенсивность  обмена  веществ  внутри  клетки.

Для  исследования  потенциала  покоя  у  прорастающих  зерен  пшеницы  использовалась  установка,  описанная  в  [2,  с.  32].  Для  устранения  возможности  нанесения  повреждений  зерну  в  качестве  индикаторного  электрода  использовался  стеклянно-серебряный  щуп. 

Перед  проведением  экспериментов  зерна  размещаются  во  влажных  кюветах  на  специальных  формах,  выполненных  из  пенополиуретана  (поролона),  в  течение  12  часов  при  температуре  21  градус  Цельсия.  Расстояние  между  зернами  составляет  не  менее  15  мм.  Весь  процесс  замачивания  проходит  в  темном  месте,  без  доступа  света,  как  того  требует  ГОСТ  12038–84.  Результаты  эксперимента  для  зерен  разной  всхожести  для  усредненных  выборок  по  20  зерен  показаны  на  рис.1.

Рисунок  1  Результаты  исследования  биоэлектрических  потенциалов  зерен  пшеницы  с  различной  всхожестью:  По  вертикальной  оси  —  напряжение  в  mV;  по  горизонтальной  оси  —  точки  отсчета.  300  точек  соответствуют  1  секунде

Результаты  показывают,  что  стеклянно-серебряный  испытательный  электрод  не  наносит  ощутимых  повреждений  прорастающему  зерну.  Он  проникает  на  незначительную  глубину  под  оболочку  в  эндосперм  зерна  и,  таким  образом,  фиксируемый  биоэлектрический  потенциал  является  потенциалом  покоя.

Прорастание  зерен  связано  с  активными  процессами,  которые  непосредственно  влияют  на  значение  потенциала  покоя.  Чем  интенсивнее  проходит  обмен  веществ  и  выше  энергетика  зерен,  тем  более  высокий  уровень  потенциала  покоя  и,  соответственно,  более  высокая  всхожесть  зерна.  Это  наглядно  видно  из  рисунка  1.  Так,  у  зерен  с  всхожестью  99  %  он  составляет  порядка  325÷335  mV,  у  зерен  всхожести  93—94  %,  соответственно,  310÷315  mV,  а  у  зерен  со  всхожестью  91  %,  соответственно,  250÷260  mV.  Усреднение  по  времени  периода  фиксации  потенциала  покоя  c  5  по  14  секунды  (с  1500  отсчета  по  4200)  дает  в  качестве  среднего  значения  биоэлектрического  сигнала  для  99  %  всхожести  значение  –331  mV,  для  93—94  %  —  значение  —  313  mV,  для  91  %  —  значение  —  257  mV. 

Для  оценки  погрешности  окончательных  результатов  измерений  были  определены  доверительные  интервалы.  При  расчетах  доверительная  вероятность  принималась  равной  95%.  В  соответствие  с  этим  значением  выбирался  коэффициент  Стьюдента.  Расчет  доверительных  интервалов  для  полученных  результатов  показан  на  рисунке  2.  Максимальная  величина  отклонения  от  усредненного  значения  потенциала  покоя  для  зерен  всхожести  99  %  составляет  15,6  mV,  для  93—94  %  —  17  mV,  для  91  %  —  41,7  mV.  Усредненные  значения  отклонения  на  данном  интервале  у  зёрен  с  всхожестью  99  %  составляют  15  mV,  у  зёрен  с  всхожестью  93—94  %  —  14  mV,  у  зёрен  с  всхожестью  91  %  —  38  mV.

Большое  среднеквадратичное  отклонение  на  первоначальном  участке  измерения  связано  с  ручной  синхронизаций  начала  измерения,  интенсивностью  (длительностью)  прокалывания  оболочки  зерна  и  другими  факторами,  зависящими  от  экспериментатора.  Этим  объясняется  интервал  фиксации  потенциала  покоя  —  с  5-ой  секунды.

Рисунок  2.  Доверительные  интервалы  для  зерен  с  всхожестью  99  %,  93—94  %  и  91  %  на  временных  интервалах  с  1  по  14  сек.  (а,  б,  в)  и  с  5  по  14  сек.  (г,  д,  е)  соответственно.  По  вертикальной  оси  —  напряжение  в  mV,  по  горизонтальной  оси  -  точки  отсчета.  300  точек  соответствуют  1  секундах

Практическим  результатом  исследования  стеклянно-серебряным  испытательным  электродом  биоэлектрического  потенциала  зерен  пшеницы  является  определение  потенциала  покоя,  который  может  являться  одним  из  показателей  аппаратно-программного  комплекса,  используемого  для  определения  процента  всхожести  зерен  [2,  с.  34].

Однако,  как  отмечалось  ранее,  зерно  в  данной  фазе  развития  находится  в  процессе  активных  биохимических  процессов,  поэтому  для  практического  применения  в  базу  данных  эталонных  оценочных  показателей  необходимо  внести  результаты  при  различных  значениях  влажности,  температуры  и  времени  вымачивания.  Накопление  данных  при  параметрах,  отличных  от  ГОСТовских,  может  дать  интересные  результаты,  которые  позволят  существенно  уменьшить  трудоемкость  (время)  определения  всхожести.

Список  литературы:

1.Биоэлектрогенез  у  высших  растений  /  В.А.  Опритов,  С.С.  Пятыгин,  В.Г.  Ретивин.  М.:  Наука,  1991.  —  216  с.

2.Лукоянычева  О.В.,  Пронин  С.П.  Программно-аппаратный  комплекс  для  исследований  всхожести  зерен  пшеницы  //  Наука  в  центральной  России.  —  2013.  —  №  2.  —  С.  30—35.

3.Медведев  С.С.  Электpофизиология  pастений:  учебное  пособие.  СПб.:  Изд-во  С.-Петербургского  университета,  1997.  —  122  с.