Применение и изменение потенциала действия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

ПРИМЕНЕНИЕ И ИЗМЕНЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛА ДЕЙСТВИЯ

Содержание

Реферат

Введение

1. Теоретическое обоснование применения потенциала действия в качестве параметра контроля всхожести семян пшеницы

1.1 Методы и средства контроля всхожести зерна пшеницы

1.2 Понятие потенциала действия

2. Исследование изменения потенциала действия от температуры

2.1 Методики проведения эксперимента

2.2 Статистический анализ полученных экспериментальных данных

3. Безопасность жизнедеятельности

3.1 Характеристика производственного помещения, рабочего места и выполняемой работы

3.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте

3.3 Санитарно-гигиенические требования при работе с ПЭВМ

3.4 Пожарная безопасность

3.5 Расчет искусственного освещения на рабочем месте

4. Основные разделы бизнес-плана, выбор метода оценки эффективности инвестиций в информационные системы и расчет цены разрабатываемой системы

4.1 Актуальность разработки

4.2 Сведения о предприятии-заказчике

4.3 Существо проекта

4.4 Описание стадий и этапов работ над проектом

4.5 Календарный план-график работы над проектом

4.6 Определение эффективности разработки методом оценки единовременных затрат

4.7 План внедрения системы

4.8 Заключение

5. Метрология

Заключение

Список использованных источников

Приложение А - Расчетные данные

Реферат

Актуальность работы заключается в том, что для получения богатого урожая необходимо создать оптимальные условия для проращивания семян пшеницы. Для создания так называемых оптимальных условий, необходимо учитывать множество факторов, одним из которых, возможно, является температура.

Цель проекта заключается в выявлении воздействия температурного фактора и исследовании зависимости потенциала действия зерна пшеницы от него.

Введение

Алтайский край со времен своего образования славится богатыми плодородными землями и обширными полями. Благодаря этому, в крае хорошо развит аграрный сектор, поля засеивают зерновыми культурами, среди которых основное место занимает пшеница. Урожай во многом зависит от качества посевных семян. За улучшение качества семян отвечают селекционеры, но и их работы не может гарантировать стопроцентного результата, так как семена могут потерять свои качества при хранении и транспортировке. Контроль качества сельскохозяйственных культур проводится на основании ГОСТ 12038-84. Но данный ГОСТ предполагает длительный, трудоемкий и неавтоматизированный процесс, что является его существенным недостатком.

В качестве альтернативного был выбран метод и средство контроля всхожести семян пшеницы в зависимости от изменения потенциала действия [39]. Потенциал действия, в свою очередь, это изменение мембранного потенциала, возникающего при возбуждении клеток. Поврежденное место в тканях растений всегда заряжается отрицательно относительно неповрежденных участков, а отмирающие участки растений приобретают отрицательный заряд по отношению к участкам, растущим в нормальных условиях. Заряженные семена культурных растений имеют сравнительно высокую электропроводность и поэтому быстро теряют заряд. Значение возникающего потенциала на мембране, образованного диффузией через неё i-тых ионов описывается формулой Нернста [2]:

,

где - разность потенциалов на мембране;

- число Фарадея;

- газовая постоянная;

- температура;

- концентрация ионов снаружи клетки;

- концентрация ионов внутри клетки;

- валентность i-того иона.

Цель работы заключается в исследовании влияния температуры на изменение потенциала действия.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

провести эксперименты на основании метода контроля всхожести зерна пшеницы по изменению потенциала действия при температурах от +21 ⁰С до +25 ⁰С;

по полученным экспериментальным данным построить графики и проанализировать влияние температурного фактора.

В результате реализации поставленных задач, мы сможем точно сказать, влияет ли температура на потенциал действия зерна пшеницы и какого рода это влияние.

1. Теоретическое обоснование применения потенциала действия в качестве параметра контроля всхожести семян пшеницы

1.1 Методы и средства контроля всхожести зерна пшеницы

В настоящее время определение всхожести семян пшеницы осуществляется методом проращивания семян в песке или фильтровальной бумаге. Процедура подготовки и проведения анализа производится на основании ГОСТ 12038-84 [17]. Настоящий стандарт распространяется на семена сельскохозяйственных культур (за исключением сахарной свеклы, цветочных культур и хлопчатника) и устанавливает методы определения всхожести.

Для озимых культур может быть определена жизнеспособность по ГОСТ 12039-82 семян и на основании полученных данных сделан вывод о всхожести анализируемой партии семян. Этот метод можно считать методом экспресс-анализа семян на всхожесть.

Методы определения всхожести по ГОСТ 12038-84

Действующий метод определения всхожести основан на проращивании семян в чашках Петри или Коха на прокаленном песке или фильтровальной бумаге [16].

Перед проведением анализа из семян основной культуры, выделенных из навесок при определении чистоты по ГОСТ 12037, отбирают четыре пробы по сто семян в каждой. В случае если проба семян представлена только для определения всхожести, то из нее выделяют одну навеску и разбирают на семена основной культуры и отход. Из семян основной культуры отбирают пробы для проращивания. Все необходимое оборудование перед проведением анализа промывается в горячей воде с моющим средством, стерилизуются и дезинфицируется. Материалы, используемые при анализе, также дезинфицируются (промываются и прокаливаются).

Свежеубранные и покоящиеся семена перед проведением анализа на всхожесть выводятся из состояния покоя. Существует несколько методов выведения семян из состояния покоя: предварительно охлаждение (семена, помещенные на увлажненное ложе, выдерживают при пониженной температуре (от 5 °С до 10 °С) в течение трех или четырех суток для зерна пшеницы), предварительное прогревание (сухие семена, предназначенные для проращивания, прогревают в открытых бюксах или в чашках Петри в течение пяти или семи суток при температуре от 30 °С до 40 °С), предварительная промывка семян (перед проращиванием семена промывают водой комнатной температуры в течение двух или трех минут, затем семена просушивают фильтровальной бумагой), обработка семян 0,2% водным раствором нитрата калия или гиббереллина.

Песок и нарезанную фильтровальную бумагу увлажняют непосредственно перед раскладкой семян на проращивание. Фильтровальную бумагу смачивают, опуская в воду и давая стечь избытку воды. Песок увлажняют на 60% от его полной влагоемкости. Из увлажненного субстрата подготавливают ложе на которое раскладывают семена на расстоянии от 0,5 до 1,5 сантиметров друг от друга.

В термостатах поддерживают установленную температуру 20 °С, проверяя ее три раза в день: утром, в середине дня и вечером; она не должна отклоняться более чем на ±2 °С. Проращивание семян пшеницы при переменной температуре не предусмотрено ГОСТ. Необходимо обеспечивать постоянную вентиляцию в термостатах. Ежедневно приоткрывать крышки чашек Петри или Коха на несколько секунд.

Оценку и учет проросших семян при определении всхожести проводят на седьмые и восьмые сутки для пшеницы мягких и твердых сортов соответственно. При этом день закладки семян на проращивание и день подсчета всхожести считают за одни сутки. Если все семена проросли (полностью или с учетом загнивших) раньше установленного срока, то окончательный срок учета всхожести может быть сокращен, а при недостаточном развитии проростков продлен до трех суток.

По истечении срока проведения анализа вручную подсчитывается количество нормально проросших семян. К числу нормально проросших семян относят семена, имеющие:

хорошо развитые корешки, имеющие здоровый вид;

хорошо развитые и неповрежденные подсемядольное колено и надсемядольное колено с нормальной верхушечной почечкой;

две семядоли;

первичные листочки, занимающие не менее половины длины колеоптиля. потенциал действие пшеница инвестиция

Всхожесть семян вычисляют в процентах. За результат анализа принимают среднеарифметическое результатов определения всхожести всех проанализированных проб, если при определении всхожести семян по четырем пробам отклонения результатов анализа отдельных проб от среднеарифметического значения не превышает указанные в таблице 1.

Допустимое отклонение результатов анализа отдельных проб от среднеарифметического значения

Среднеарифметическое значение всхожести, %	Допускаемое отклонение результатов анализа отдельных проб от среднего для анализа 4*100 семян, %
99	-2
97 - 98	±3
95 - 96	±4
92 - 94	±5
88 - 91	±6
83 - 87	±7
75 - 82	±8
62 - 74	±9

В настоящее время в лабораториях «Россельхозцентра» проращивание является основным методом определения всхожести семян. Длительные сроки подготовки (от трех до семи суток) и проведения анализа (от семи до восьми суток) на всхожесть, ручная обработка полученных результатов делают действующий метод неэффективным для быстрой оценки всхожести семян пшеницы. Для уменьшения времени анализа применяют косвенный метод определения всхожести по жизнеспособности.

Методы определения жизнеспособности по ГОСТ 12039-82

ГОСТ 12039-82 устанавливает следующие методы определения жизнеспособности:

тетразольно-топографический (ТТМ);

окрашиванием семян индигокармином и кислым фуксином;

по скорости набухания семян;

люминесцентный.

Данные методы применяют для быстрого получения информации о качестве семян, когда семена находятся в состоянии покоя или требуют длительного срока проращивания, и при оценке набухших, но не проросших семян после завершения установленного срока проращивания.

Тетразольно-топографический метод определения жизнеспособности получил наиболее широкое применение в лабораториях. На сегодняшний день он является основным методом экспресс-анализа качества семян, включающего в себя оценку всхожести.

Определение жизнеспособности проводят по двум пробам по сто семян в каждой, отобранным из семян основной культуры, выделенных по ГОСТ 12037-81. Семена замачивают в воде в течение 15 - 18 ч (на ночь) при температуре 20 °С, а свежеубранные семена - при температуре от 10 °С до 15 °С в течение такого же времени.

Семена пшеницы разрезают на две половинки вдоль зародыша. Каждую подготовленную сотню половинок семян промывают несколько раз водой, полностью погружают в раствор тетразола и выдерживают в темноте. Продолжительность выдерживания при температуре 20 °С составляет полтора часа, а при 30 °С: 40 - 50 мин. Другая сотня семян аннулируется. Обработанные половинки семян после промывания водой раскладывают на пластинке или фильтрованной бумаге. Затем семена просматривают с помощью лупы или невооруженным глазом, поддерживая их во влажном состоянии во время всего исследования.

Каждое семя оценивается как жизнеспособное или нежизнеспособное в соответствии с чертежом окрашивания.

К жизнеспособным семенам пшеницы относят семена, у которых:

зародыш полностью окрашен;

некрозы на верхнем конце щитка и колеоризе.

Жизнеспособность семян вычисляют в процентах. За результат анализа принимают среднеарифметическое результатов анализа двух проб.

Расхождение между результатами анализа двух проб допускается не более приведенного в таблице 2.

Допускаемое расхождение между результатами анализа двух проб

Среднеарифметическое значение жизнеспособности, вычисленное по результатам анализа двух проб, %	Допускаемое расхождение между результатами анализа двух проб, %
99	±2
98	±4
97	±5
95 - 96	±6
93 - 94	±7
90 - 92	±8
88 - 89	±9
84 - 87	±10
79 - 83	±11
74 - 78	±12
65 - 73	±13

Преимущество методов определения жизнеспособности в том, что они сокращают время проведения анализа на 7 - 11 суток. Недостатками данных методов являются небезопасность применения химических реагентов и трудоемкость подготовки зерен к анализу. В настоящее время идет централизованный отказ от использования формальдегидов при проведении анализа на жизнеспособность и, как следствие, от методов, связанных с их применением.

1.2 Понятие потенциала действия

Потенциал действия - волна возбуждения, перемещающаяся по мембране живой клетки в процессе передачи нервного сигнала. По сути своей представляет электрический разряд - быстрое кратковременное изменение потенциала на небольшом участке мембраны возбудимой клетки (нейрона, мышечного волокна или железистой клетки), в результате которого наружная поверхность этого участка становится отрицательно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны, тогда как его внутренняя поверхность становится положительно заряженной по отношению к соседним участкам мембраны. Потенциал действия является физической основой нервного или мышечного импульса, играющего сигнальную (регуляторную) роль [2].

Схема распределения зарядов по разные стороны мембраны возбудимой клетки в спокойном состоянии (A) и при возникновении потенциала действия (B)

Явления, лежащие в основе потенциала действия

Потенциалы действия могут различаться по своим параметрам в зависимости от типа клетки и даже на различных участках мембраны одной и той же клетки. Наиболее характерный пример различий: потенциал действия сердечной мышцы потенциал действия большинства нейронов. Тем не менее, в основе любого потенциала действия лежат следующие явления [5]:

мембрана живой клетки поляризована - ее внутренняя поверхность заряжена отрицательно по отношению к внешней благодаря тому, что в растворе возле её внешней поверхности находится большее количество положительно заряженных частиц (катионов), а возле внутренней поверхности - большее количество отрицательно заряженных частиц (анионов).

мембрана обладает избирательной проницаемостью - ее проницаемость для различных частиц (атомов или молекул) зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств.

мебрана возбудимой клетки способна быстро менять свою проницаемостъ для определённого вида катионов, вызывая переход положительного заряда с внешней стороны на внутреннюю (Рисунок 1).

Первые два свойства характерны для всех живых клеток. Третье же является особенностью клеток возбудимых тканей и причиной, по которой их мембраны способны генерировать и проводить потенциалы действия.

Фазы потенциала действия

Предспайк - процесс медленной деполяризации мембраны до критического уровня деполяризации (местное возбуждение, локальный ответ) [13].

Пиковый потенциал, или спайк, состоящий из восходящей части (деполяризация мембраны) и нисходящей части ( реполяризация мембраны ).

Отрицательный следовой потенциал - от критического уровня деполяризации до исходного уровня поляризации мембраны (следовая деполяризация).

Положительный следовой потенциал - увеличение мембранного потенциала и постепенное возвращение его к исходной величине (следовая гиперполяризация).

На рисунках 2, 3 приведены схематический и реальный потенциалы действия

Схематический потенциал действия

Ход реального потенциала действия

Поляризация мембраны живой клетки обусловлена отличием ионного состава с ее внутренней и наружной стороны. Когда клетка находится в спокойном (невозбуждённом) состоянии, ионы по разные стороны мембраны создают относительно стабильную разность потенциалов, называемую потенциалом покоя. Если ввести внутрь живой клетки электрод и измерить мембранный потенциал покоя, он будет иметь отрицательное значение (порядка (-70…-90 мВ). Это объясняется тем, что суммарный заряд на внутренней стороне мембраны существенно меньше, чем на внешней, хотя с обеих сторон содержатся и катионы, и анионы. Снаружи - на порядок больше ионов натрия, кальция и хлора, внутри -- ионов калия и отрицательно заряженных белковых молекул, аминокислот, органических кислот, фосфатов, сульфатов. Надо понимать, что речь идёт именно о заряде поверхности мембраны - в целом среда и внутри, и снаружи клетки заряжена нейтрально.

Потенциал мембраны может изменяться под действием различных стимулов. Искусственным стимулом может служить электрический ток, подаваемый на внешнюю или внутреннюю сторону мембраны через электрод. В естественных условиях стимулом часто служит химический сигнал от соседних клеток, поступающий через синапс или путём диффузной передачи через межклеточную среду. Смещение мембранного потенциала может происходить в отрицательную (гиперполяризация) или положительную (деполяризация) сторону. В нервной ткани потенциал действия, как правило, возникает при деполяризации - если деполяризация мембраны нейрона достигает некоторого порогового уровня или превышает его, клетка возбуждается, и от её тела к аксонам и дендритам распространяется волна электрического сигнала. (В реальных условиях на теле нейрона обычно возникают постсинаптические потенциалы, которые сильно отличаются от потенциала действия по своей природе - например, они не подчиняются принципу «всё или ничего». Эти потенциалы преобразуются в потенциал действия на особом участке мембраны - аксонном холмике, так что потенциал действия не распространяется на дендриты).

Простейшая схема, демонстрирующая мембрану с двумя натриевыми каналами в открытом и закрытом состоянии, соответственно

Это обусловлено тем, что на мембране клетки находятся ионные каналы - белковые молекулы, образующие в мембране поры, через которые ионы могут проходить с внутренней стороны мембраны на наружную и наоборот. Большинство каналов ионоспецифичны - натриевый канал пропускает практически только ионы натрия и не пропускает другие (это явление называют селективностью). Мембрана клеток возбудимых тканей (нервной и мышечной) содержит большое количество потенциал-зависимых ионных каналов, способных быстро реагировать на смещение мембранного потенциала. Деполяризация мембраны в первую очередь вызывает открытие потенциал-зависимых натриевых каналов. Когда одновременно открывается достаточно много натриевых каналов, положительно заряженные ионы натрия устремляются через них на внутреннюю сторону мембраны. Движущая сила в данном случае обеспечивается градиентом концентрации (с внешней стороны мембраны находится намного больше положительно заряженных ионов натрия, чем внутри клетки) и отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны (рисунок 4 ). Поток ионов натрия вызывает еще большее и очень быстрое изменение мембранного потенциала, которое и называют потенциалом действия.

Возникнув в той или иной части растения, потенциал действия распространяются по нему обычно со скоростью нескольких сантиметров в секунду (или в минуту) и, таким образом, передают известие о внешнем раздражении. Как известно, у животных проводниками потенциала действия являются нервные волокна. Их возникновение в ходе эволюции было большим шагом вперед в развитии этих организмов. Давно известно, что проводящие пучки служат для транспортировки по растению воды и питательных веществ. Д. Бос одним из первых экспериментально доказал причастность проводящих пучков высших растений к распространению потенциала действия. Для этого он использовал разработанный им метод электродного зондирования. Суть метода состояла в том, что с помощью микровинтов в ткани растения погружали металлический микроэлектрод, который был соединен с измерительной установкой. Таким образом, можно было отводить электрические сигналы от разных зон стебля или черешка. На основании этих опытов Д. Бос пришел к выводу, что только в проводящих пучках происходит распространение потенциала действия. При этом важно, что электрические импульсы распространяются не по крупным сосудам, а по мелким пучковым клеткам (мелким клеткам флоэмы и протоксилемы). Это свидетельствует о том, что каналы передвижения веществ и распространения электрических импульсов в проводящих пучках пространственно разделены. Следовательно, у растений, хотя и отсутствуют специальные образования (наподобие нервов), приспособленные только для проведения потенциала действия, в проводящих пучках имеются особые ткани, выполняющие эту функцию [33].

С помощью современных экспериментальных приемов этот вопрос детально исследовали в нашей лаборатории. Применяя зондирование стебля тыквы микроэлектродом, мы установили, что в месте раздражения потенциала действия возникают примерно одинаковой амплитуды не только в указанных выше мелких клетках пучка, но и в клетках окружающей его основной паренхимы (рисунок 4). Однако, на расстоянии от этого места потенциалы действия регистрируются только в проводящих пучках. Таким образом, потенциал действия генерируют как пучковые, так и внепучковые клетки, но проводить его могут только первые. Причина этих различий лежит в особенностях межклеточных связей. У мелких пучковых клеток такие связи (в частности, с помощью специальных пор-плазмодесм) выражены гораздо лучше, что и обеспечивает их лучшую способность проводить потенциал действия.

Когда стало ясно, что потенциал действия у высших растений - это весьма универсальное и широко распространенное явление, возник вопрос о том, что же они собой представляют. Конечно, они очень напоминают потенциал действия нервов. Поскольку генерация потенциала действия у животных связана с передвижением через возбудимую мембрану ионов натрия и калия, то поведение ионов при генерации потенциала действия у растений естественно нас очень интересовало. Применяя различные методы исследования, в том числе и метод меченых атомов, мы показали, что, когда в растении генерируется потенциал действия, так же как и в нерве, возникают ионные потоки. Вначале под влиянием внешнего раздражителя увеличивается проницаемость мембраны для ионов кальция в результате открывания кальциевых каналов. Ионы кальция входят внутрь проводящих потенциал действия клеток, поскольку их больше во внешней среде. Войдя внутрь возбудимых клеток, они активируют хлорные каналы, которые открываются. Это приводит к возникновению направленного наружу потока ионов хлора, так как их концентрация выше внутри клеток. Поток отрицательно заряженных ионов хлора наружу приводит к деполяризации мембраны, поскольку ее внешняя сторона заряжена положительно, а внутренняя - отрицательно. Возникает восходящая ветвь потенциала действия. Деполяризация мембраны способствует открыванию калиевых каналов и возникновению направленного наружу потока ионов калия, которых, также как и ионов хлора, больше внутри клетки, чем в наружной среде. Нетрудно понять, что этот поток будет оказывать на мембранный потенциал реполяризующее действие, то есть приводить к восстановлению его исходного значения.

Нарисованная картина очень напоминает то, что происходит при генерации потенциала действия в нерве, только вместо ионов натрия в качестве деполяризующего иона у высших растений выступают ионы хлора. Это представляется чрезвычайно важным заключением, поскольку свидетельствует об общности механизмов генерации потенциала действия в живой природе. Что касается механизма распространения потенциала действия у растений, то он также подобен таковому у животных. Деполяризация участка ткани в месте генерации потенциала действия приводит к возникновению круговых местных токов, протекающих между деполяризованным возбужденным участком ткани и соседними участками, где мембранный потенциал клеток сохраняет нормальный уровень. Эти токи деполяризуют соседние с возбужденным участком области, что приводит к возникновению в них потенциала действия и таким образом к его распространению от исходного места. Ярким подтверждением такого механизма являются опыты с изменением электропроводности окружающей среды. Если вокруг участка проводящего пучка растения поместить раствор вазелинового масла (непроводящая среда, препятствующая возникновению круговых токов), то, дойдя до этого места, ПД дальше не распространяется.

Объяснение возникновения потенциала покоя

Возникновение разности потенциалов на полупроницаемой мембране проиллюстировано на рисунках 5-6 [34]:



Исходное состояние до возникновения разности потенциалов на полупроницаемой мембране.

Конечное состояние после возникновение разности потенциалов на полупроницаемой мембране.

Рассмотрим исходное и конечное состояния более подробно. Полупроницаемая мембрана обозначена буквой Б. Она пропускает положительные ионы калия, но не пропускает анионы. Глядя на рисунок 5, видим, что в исходном состоянии в наружной среде, то есть в среде с низкой концентрацией ионов, ионов калия (обозначены черными точками) мало; а во внутренней среде, где концентрация ионов внутри клетки высокая, ионов калия значительно больше. Следовательно, и там, и там заряды ионов калия компенсируются отрицательными зарядами анионов. Ситуация, представленная на рисунке 6, объясняет конечное состояние динамического равновесия: часть ионов калия проникла через полупроницаемую мембрану, снаружи положительных зарядов стало больше, чем отрицательных, внутри - наоборот. Таким образом, анионы тянут «убежавшие» ионы калия назад, в результате, потоки ионов калия через мембрану в ту и в другую стороны становятся равными, то есть, возникает нернстовский потенциал.

Рассмотрим ситуацию, когда внутри клетки имеется много свободных ионов какого-либо элемента, например, калия, а снаружи таких ионов нет или их гораздо меньше. Пусть клеточная мембрана пропускает только ионы калия К+ и не пропускает никаких других ионов. Тогда ионы калия К+ начнут выходить из клетки, где их много, наружу (двигаться по градиенту концентрации, диффундировать). Вместе с ними будет выноситься наружу их положительный заряд. Внутрь через мембрану будет проходить мало ионов, так как снаружи мало калия. В результате, на клеточной мембране будет возникать разность потенциалов: снаружи клетки «плюс», а внутри - «минус» (рисунок 5, 6). Эта разность потенциалов будет тормозить движение новых положительных заряженных ионов калия наружу и увеличивать поток этих ионов внутрь. Когда потоки ионов наружу и внутрь сравняются, установится динамическое равновесие и на мембране будет поддерживаться постоянная разность потенциалов. Это и есть потенциал покоя. Величина потенциала покоя описывается формулой Нернста (2).

,

где - разность потенциалов на мембране;

- число Фарадея;

- газовая постоянная;

- температура;

- концентрация ионов снаружи клетки;

- концентрация ионов внутри клетки;

- валентность i-того иона.

Роль потенциала действия у высших растений

Мы подошли к одному из самых важных вопросов проблемы потенциалов действия у растений [24]. Полученные в настоящее время результаты позволяют утверждать, что у высших растений распространяющиеся потенциалы действия выполняют вполне определенную функциональную роль. Они служат наиболее быстрым сигналом об изменениях в среде их обитания. Однако, при этом надо иметь в виду, что у растений нет центральной нервной системы - этой «диспетчерской», откуда управляющие сигналы после поступления туда информации о внешнем раздражителе направляются к различным органам. У растений потенциал действия сам несет в себе возможность непосредственно влиять на функции органов и тканей, по которым он распространяется. Это связано, прежде всего, с тем, что при прохождении потенциала действия по данному участку ткани или в месте, до которого он дошел, сильно меняется ионный состав, в особенности содержание ионов калия и хлора, которые, как мы видели, выходят из возбудимых клеток при генерации импульса. В результате, их концентрации в окружающих проводящий пучок тканях могут увеличиться. Меняется соотношение и других ионов, хотя и в меньшей степени. В то же время известно, что уровень обменных процессов в ткани сильно зависит от ионного состава. Поэтому потенциал действия в состоянии оказывать влияние на органы или ткани, по которым они распространяются или которых они достигают. При этом следует иметь в виду, что возникновение потенциала действия в ответ на действие внешнего раздражителя неспецифично, то есть самые разные воздействия вызывают, как правило, однотипную электрическую реакцию. Кроме того, у растений обычно в ответ на действие раздражителя генерируются одиночные импульсы (в отличие от животных, у которых возникают ритмически повторяющиеся потенциалы действия). Исходя из этого, можно заключить, что у высших растений распространяющиеся потенциалы действия не имеют специфической информационной нагрузки, а являются скорее сигналом о каком-то внешнем воздействии. Сам по себе потенциал действия как сигнал неспецифичен, но в тканях и органах наряду с общими неспецифическими явлениями он вызывает изменение некоторых специфических процессов, свойственных данному органу (например, в листьях изменение фотосинтеза, в корнях усиление поглощения веществ и т.д.).

Сигнальная роль потенциала действия проявляется, прежде всего, в ряде естественных процессов [7]. Например, при попадании пыльцы на рыльце пестика в нем возникают многочисленные электрические импульсы, распространяющиеся по направлению к завязи. Это запускает цикл процессов, подготавливающих завязь к восприятию пыльцы и оплодотворению. Потенциалы действия возникают и в усиках вьющихся растений при соприкосновении с механической опорой и, по-видимому, способствуют их лучшей ориентации в пространстве. При умеренных изменениях в состоянии окружающей среды также могут возникать потенциалы действия, причем они иногда генерируются в ответ на очень слабые воздействия (например, перепад температур всего от одного до двух градусов). Генерация потенциала действия растением в этом случае, казалось бы, лишена какого-либо смысла. Для растения и в этом случае генерация электрических импульсов имеет определенный смысл, состоящий, как нам удалось показать, в своеобразном «предупреждении» его органов и тканей о вполне вероятных весьма существенных изменениях во внешних условиях. Например, незначительный перепад температур в сторону охлаждения сам по себе может быть и незначим для растения, однако он может свидетельствовать о возможном предстоящем заметном понижении температуры окружающей среды.

Предупреждающая роль потенциала действия сводится, как оказалось, к временному повышению устойчивости органов и тканей растения к неблагоприятным воздействиям [26]. Это временное повышение устойчивости носит, по-видимому, неспецифический характер (то есть проявляется по отношению к разным воздействиям) и может рассматриваться как своеобразная предадаптация. Она служит как бы подготовкой к глубокой адаптации, если вслед за «предупреждением», действительно, наступит усиление данного внешнего фактора (например, вслед за незначительным понижением температуры резкое похолодание).

Таким образом, можно считать, что при действии слабых и умеренных раздражителей мы имеем дело с ролью потенциала действия, которая связана с опережающим отражением действительности. Отсюда нами было сделано заключение, что растениям свойственна элементарная недифференцированная чувствительность.

Постулируя у высших растений наличие определенной чувствительности, было бы неверно утверждать вслед за Бекстером, что эта чувствительность соответствует эмоциональным восприятиям животных (например, что растения чувствуют человека, который повредил их, и при его появлении реагируют усиленной генерацией электрических импульсов). Это именно элементарная чувствительность, но она, очевидно, играет существенную роль во взаимоотношениях растения со средой. Наконец, при действии сильных раздражителей потенциалы действия выполняют роль первичной экстренной сигнальной связи, которая позволяет растению оперативно начать перестройку жизненных функций в экстраординарных условиях. Итак, по современным представлениям сигнальной функции потенциала действия принадлежит вполне определенная роль в осуществлении быстрых взаимодействий высших растений с окружающей средой.

2. Исследование изменения потенциала действия от температуры

2.1 Методики проведения эксперимента

Как показал анализ литературы, потенциал действия зерен, высчитываемый по формуле Нернста, сильно зависит от температуры.

Проанализируем формулу Нернста, исходя из следующих критериев: температуры и концентрации ионов снаружи и внутри клетки (2).

,

где; ;

,

Переходим от дифференциалов:

,

Итак, видим, что действительно, решающим внешним фактором является температура.

Проведем серию опытов, подтверждающих теоретическое обоснование.

Семена пшеницы замачивали в дистиллированной воде, исключая тем самым, влияние всевозможных примесей, содержащихся в трубопроводной воде, на ионный состав зерна.

По ГОСТ 12038-84 семена размещают на фильтровальной бумаге или прокаленном песке. Расстояние между зернами должно составлять не менее 15 миллиметров. Был предложен альтернативный вариант размещения зерен на специальной матрице (рисунок 7), выполненной из пенополиуретана (поролона) черного цвета. Данная матрица позволяет проводить многократные эксперименты, сокращая расходы на бумагу и песок, хорошо накапливает и удерживает влагу.

Для эксперимента составляем пять матриц с зернами. Матрицы с зернами пропитывали дистиллированной водой и затем помещали в полиэтиленовые пакеты, оставляли открытым небольшой участок для доступа воздуха. Весь процесс замачивания проходил в темном месте, без доступа света, что соответствует требованиям ГОСТ 12038-84. Проращиваем зерна в течение двенадцати часов при температуре 30 ⁰С. Для того, чтобы зерна не пересушивались при проведении эксперимента по исследованию изменения потенциала действия зерна закладывали с задержкой в тридцать минут [39].

Пенополиуретановая матрица, предназначенная для размещения зерен

По истечении указанного времени, приступаем непосредственно к эксперименту. Первую матрицу с зернами необходимо охладить до температуры +21 ⁰С. Когда это условие выполнено, переходим к снятию показания с помощью системы сбора и обработки данных Saver.

Необходимо подготовить к работе экспериментальную установку (рисунок 8). Подготовка к работе разработанного средства измерения состоит из двух частей: установки программного обеспечения для платы сбора данных ЛА-50USB и установки аппаратных средств.

1 - держатель зерна с электродами;

2 - низкочастотный фильтр;

3 - операционный усилитель;

4 - плата сбора данных;

5 - персональный компьютер

Структурная схема экспериментальной установки

Вначале производится установка всех блоков средства измерения на рабочее место, где оно будет эксплуатироваться. К разъему на плате сбора данных подключается USB кабель. Второй конец кабеля подключается к персональному компьютеру.

К разъему аналогового входа платы сбора данных подключается блок предварительного усиления и фильтрации входного сигнала с измерительными электродами. Так как источник сигнала удален на расстояние менее полутора метров, то применяется однополюсное подключение к разъемам аналогового входа. Сигнальный провод подключается к любому из первых шестнадцати контактов (AIN 1 - AIN 16). Аналоговая земля соответствует контактам 17-20 (рисунок 9)

Разъемы аналогового входа платы сбора данных.

Все неиспользуемые аналоговые входы заземляются. Это устранит наводку помех со стороны свободных каналов. Если их оставить незаземленными, то из-за проникания сигнала через мультиплексор на входе аналого-цифрового преобразователя будет возникать дополнительный шум, ухудшающий соотношение сигнал-шум и, как следствие, приводящий к уменьшению числа эффективных разрядов для сигналов в используемых каналах.

Для обеспечения совместной работы платы сбора данных и персонального компьютера необходимо установить драйвера устройства и специальное программное обеспечение, позволяющее осуществлять сбор (программа Saver) и последующую обработку (программа Converter) полученных данных. Программное обеспечение и документация к нему содержится на входящем в состав прибора CD диске.

При помощи программы Saver осуществляется конфигурирование параметров платы сбора данных ЛА-50USB и сбор входных сигналов в режиме реального времени с одновременной их записью на жесткий диск персонального компьютера.

Во вкладке «Параметры платы» выбирается драйвер для платы ЛА-50USB и базовый адрес канала, к которому подсоединен сигнальный провод. Задание параметров платы изображены на рисунке 10.

Конфигурация вкладки «Параметры платы» в программе Saver

Во вкладке «Параметры измерений» устанавливается значение частоты дискретизации равное 300 Гц и снимаются все галочки с полей, как показано на рисунке 11.

Последним шагом в настройке режима работы платы сбора данных является указание папки, в которую будут записываться получаемые данные, а также вариант остановки процесса измерения. В нашем случае остановка процесса сбора данных с входа платы осуществляется через тридцать секунд после старта. На рисунке 12 показаны настройки последней вкладки.



Конфигурация вкладки «Параметры измерений» в программе Saver

Программа Saver каждый раз при выходе (если она была нормально закончена) сохраняет свою конфигурацию в файл Saver2.cfg. В следующий раз, при загрузке программы, она проверит наличие этого файла, и если он есть попробует считать настройки из него. В противном случае будут использованы настройки по умолчанию.



Конфигурация вкладки «Параметры файлов» в программе Saver

Процедура измерения потенциала действия предварительно подготовленного зерна происходит следующим образом:

предварительно подготовленное зерно устанавливается вертикально в электрод-держатель;

программой Saver запускается сбор данных с аналогового входа платы сбора данных;

электродом-иглой прокалывается сверху вниз одна из семядолей зерна. Электрод вводится полностью, на глубину 4 мм;

сбор данных, поступающих на аналоговый вход платы, продолжается 30 сек, после чего автоматически прекращается;

зерно удаляется из электрода-зажима. Электрод-игла и электрод-зажим протираются чистой бумажной салфеткой, удаляются остатки проростков, если таковые имеются.

Далее необходимо конвертировать полученные данные с помощью Converter в Excel.

Программа Saver производит сохранение данных в файлы в формате .dat. Этот формат не воспринимается большинством из существующих обработчиков, поэтому производится конвертирование данных в формат Microsoft Excel посредством программы Converter.

Для конвертирования данных из бинарного .dat формата в .csv нужно выполнить настройку программы Converter и запустить процесс конвертирования (рисунок 13)

Установка настроек программы Converter

Задать входной файл в поле «1», изображенном на рисунке 13. Файл может быть задан либо вручную, либо через диалоговое окно открытия файла. Для отображения диалогового окна нужно нажать на кнопке с тремя точка справа от поля ввода.

Задать выходной файл в поле «2». Файл может быть задан либо вручную, либо через диалоговое окно открытия файла. Для отображения диалогового окна нужно нажать на кнопке с тремя точка справа от поля ввода.

В группе настроек «3» задать количество битов на одно измерение и формат представления числа. Данная настройка зависит от программного обеспечения, которым был записан двоичный файл.

В группе настроек «4» задать количество каналов равное 1 и частоту дискретизации 300.

В группе настроек «5» задать первый значащий бит равный нулю. Смысл данного поля заключается в том, чтобы отсечь ненужные данные с цифровых портов идущие в младших битах отсчета.

В поле «6» убрать галочку с «Первый столбец».

В поле «7» настроить разделитель столбцов. Для конвертирования в формат CSV файла нужно задать «;» (точка с запятой).

В группе полей «8» нужно задать входной диапазон платы. Коэффициент усиления необходимо задать равным единице, а входной диапазон равным десяти.

Поле «9» с выбором предустановок параметров плат оставить пустым.

Нажатие кнопки «Конвертировать» запускает процесс конвертирования.

2.2 Статистический анализ полученных экспериментальных данных

Оценка достоверности полученных данных проводилась с использованием доверительных интервалов и проверки гипотезы о разности двух математических ожиданий независимых случайных величин с разными неизвестными дисперсиями (двухвыборочный t-критерий для нормальных случайных величин с различными дисперсиями) с уровнем значимости p=0,05 (6). Расчетные данные приведены в таблицах приложения Б.

где - величина доверительного интервала;

- величина заданной доверительной вероятности;

- среднеквадратическое отклонение;

- число измерений.

После конвертирования мы имеем тридцать необработанных массивов с данными [55]. Из каждого массива мы выбираем 1800 значений, делим их на группы по 30 показаний в каждой, после чего рассчитываем для них среднее скользящее. Оно рассчитывается как среднее арифметическое (7).

Далее рассчитываем общее среднее, воспользовавшись следующей формулой (8):

где N - количество зерен (в нашем случае - 30.)

В результате экспериментов, проведенных Матлаевым А.Г. в диссертационной работе на тему: «Метод и средство контроля всхожести семян пшеницы по изменению потенциала действия» выделены шесть отличительных признаков потенциала действия, по которым можно выявить влияние температуры.

Отличительными признаками изменения ПД весной являются [14]:

время фазы нарастания потенциала действия - ;

начальное значение потенциала действия - ;

максимальное значение потенциала действия - ;

изменение подпорогового потенциала - ;

время фазы реполяризации подпорогового потенциала - ;

диапазон нарастания потенциала действия - .

На рисунке 14 приведены графики изменения потенциала действия для семенного (всхожесть > 91%) и некондиционного (всхожесть < 91%) зерна пшеницы. Отмечены отличительные признаки изменения ПД, характеризующие всхожесть.

Отличительные признаки изменения потенциала действия зерен пшеницы в весенний период: 1 - семенная пшеница; 2 - некондиционная пшеница

Результаты измерений, полученные в ходе проведения экспериментов, будем сравнивать по отличительным признакам, приведенным выше.

Измерение потенциала действия зерна пшеницы при +21 ⁰С

Среднее скользящее рассчитаем по формуле (7) и занесем полученные результаты в таблицу 3.

Среднее скользящее при температуре +21 ⁰С

	Ср_ск_1	Ср_ск_2	Ср_ск_3
1	-1,734441186	-2,790811339	-1,067448688
2	-1,734115347	-2,776474422	-1,069077875
3	-1,619420007	-2,757575758	-1,038449006
30	0,246334311	0,22319974	0,111762789

Далее рассчитываем общее среднее по формуле (8) и заносим полученные данные в таблицу 4.

Общее среднее при температуре +21 ⁰С

	Общее среднее	СКО	Доверительный интервал
1	-2,045642691	1,103642	0,292617287
2	-2,071793201
3	-1,997276227
30	0,215477354

По полученным экспериментальным данным построили график, приведенный на рисунке 15.



Усредненное изменение потенциала действия зерен пшеницы с всхожестью 96 % при температуре +21 ⁰С

По графику, изображенному на рисунке 15, определим шесть отличительных параметров потенциала действия и занесем их в таблицу 5.

Значения отличительных параметров потенциала действия

Критерий	Значение
Время фазы нарастания, сек	2,1
Начальное значение ПД, мВ	-2,1
Максимальное значение ПД, мВ	0,3
Время фазы реполяризации подпорогового потенциала, сек	2,9
Изменение подпорогового потенциала, мВ	0,1
Диапазон нарастания ПД, мВ	2,4

Измерение потенциала действия зерна пшеницы при +22 ⁰С

Среднее скользящее рассчитаем по формуле (7) и занесем полученные результаты в таблицу 6.

Среднее скользящее при температуре +22 ⁰С

	Ср_ск_1	Ср_ск_2	Ср_ск_3
1	-0,127403063	-1,750733138	-4,463994787
2	-0,124144673	-1,745845552	-4,499511242
3	-2,224177256	-1,72987944	-4,369501466
30	0,136852395	0,11143695	0,09123493

Далее рассчитываем общее среднее по формуле (8) и заносим полученные данные в таблицу 7.

Общее среднее при температуре +22 ⁰С

	Общее среднее	СКО	Доверительный интервал
1	-2,911649271	1,586117	0,42054
2	-2,890637558
3	-2,912251548
…	…
30	0,135516455

По полученным экспериментальным данным построили график, приведенный на рисунке 16.

Усредненное изменение потенциала действия зерен пшеницы с всхожестью 96 % при температуре +22 ⁰С

По графику, изображенному на рисунке 16, определим отличительные параметры потенциала действия и занесем их в таблицу 8.

Значения отличительных параметров потенциала действия

Критерий	Значение
Время фазы нарастания, сек	2,1
Начальное значение ПД, мВ	-2,9
Максимальное значение ПД, мВ	0,3
Время фазы реполяризации подпорогового потенциала, сек	2,9
Изменение подпорогового потенциала, мВ	0,1
Диапазон нарастания ПД, мВ	3,3

Измерение потенциала действия зерна пшеницы при +23 ⁰С

Среднее скользящее рассчитаем по формуле (7) и занесем полученные результаты в таблицу 9.

Среднее скользящее при температуре +23 ⁰С

	Ср_ск_1	Ср_ск_2	Ср_ск_3
1	-4,198435973	-2,565330727	-1,76344086
2	-4,218637993	-3,248615184	-1,76702509
3	-3,619745846	-3,470837407	-1,729553601
30	0,105897687	0,080482242	0,095470838

Далее рассчитываем общее среднее по формуле (8) и заносим полученные данные в таблицу 10.

Общее среднее при температуре +23 ⁰С

	Общее среднее	СКО	Доверительный интервал
1	-2,79234944	1,446812	0,383605
2	-2,822526339
3	-2,742808008
30	0,099880526

По полученным экспериментальным данным построили график, приведенный на рисунке 17.

Усредненное изменение потенциала действия зерен пшеницы с всхожестью 96 % при температуре +23 ⁰С

По графику, изображенному на рисунке 17, определили отличительные параметры потенциала действия и занесли их в таблицу 11.

Значения отличительных параметров потенциала действия

Критерий	Значение
Время фазы нарастания, сек	1,4
Начальное значение ПД, мВ	-2,8
Максимальное значение ПД, мВ	0,5
Время фазы реполяризации подпорогового потенциала, сек	2,5
Изменение подпорогового потенциала, мВ	0,1
Диапазон нарастания ПД, мВ	3,3

Измерение потенциала действия зерна пшеницы при +24 ⁰С

Среднее скользящее рассчитаем по формуле (7) и занесем полученные результаты в таблицу 10.

Среднее скользящее при температуре +24 ⁰С

	Ср_ск_1	Ср_ск_2	Ср_ск_3
1	-2,380254154	-4,542521994	-3,656239818
2	-2,557184751	-4,484522646	-3,550016292
3	-2,809384164	-4,51026393	-3,627891822
30	0,041381557	0,077875529	0,068752036

Далее рассчитываем общее среднее по формуле (8) и заносим полученные данные в таблицу 13.

Общее среднее при температуре +24 ⁰С

	Общее среднее	СКО	Доверительный интервал
1	-3,170662925	1,785913	0,473513
2	-3,180662925
3	-3,045082848
30	0,175616379

По полученным экспериментальным данным построили график, приведенный на рисунке 18.



Усредненное изменение потенциала действия зерен пшеницы с всхожестью 96 % при температуре +24 ⁰С

По графику, изображенному на рисунке 18, определили отличительные параметры потенциала действия и занесли их в таблицу 14.

Значения отличительных параметров потенциала действия

Критерий	Значение
Время фазы нарастания, сек	2,2
Начальное значение ПД, мВ	-3,2
Максимальное значение ПД, мВ	0,3
Время фазы реполяризации подпорогового потенциала, сек	2
Изменение подпорогового потенциала, мВ	0
Диапазон нарастания ПД, мВ	3,5

Измерение потенциала действия зерна пшеницы при +25 ⁰С

Среднее скользящее рассчитаем по формуле (7) и занесем полученные результаты в таблицу 15.

Среднее скользящее при температуре +25 ⁰С

	Ср_ск_1	Ср_ск_2	Ср_ск_3
1	-0,13196481	-0,054415119	-4,670576735
2	-0,141088302	-0,054415119	-4,639622027
3	-1,915933529	-0,050179211	-4,664385794
30	0,139133268	0,032583903	0,123492995

Далее рассчитываем общее среднее по формуле (8) и заносим полученные данные в таблицу 16.

Общее среднее при температуре +25 ⁰С

	Общее среднее	СКО	Доверительный интервал
1	-3,755678183	2,024421	0,536751
2	-3,70024981
3	-3,715319262
30	0,109579668

По полученным экспериментальным данным построили график, приведенный на рисунке 19.



Усредненное изменение потенциала действия зерен пшеницы с всхожестью 96 % при температуре +25 ⁰С

По графику, изображенному на рисунке 19, определим отличетельные параметры потенциала действия и занесем их в таблицу 17.

Общее среднее при температуре +25 ⁰С

Критерий	Значение
Время фазы нарастания, сек	1,4
Начальное значение ПД, мВ	-3,8
Максимальное значение ПД, мВ	0,2
Время фазы реполяризации подпорогового потенциала, сек	2,8
Изменение подпорогового потенциала, мВ	0,1
Диапазон нарастания ПД, мВ	4

Для дальнейшего анализа необходимо все отличительные признаки потенциала действия занести в одну таблицу 18, назовем ее сводной таблицей параметров.

Сводная таблица параметров

Критерий	+21 0С	+22 0С	+23 0С	+24 0С	+25 0С	Доверительный интервал
Время фазы нарастания, сек	2,1	2,1	1,4	2,2	1,4	±0,46
Начальное значение ПД, мВ	-2,1	-2,9	-2,8	-3,2	-3,8	±0,54
Максимальное значение ПД, мВ	0,3	0,3	0,5	0,3	0,2	±0,09
Время фазы реполяризации подпорогового потенциала, сек	2,9	2,9	2,5	2	2,8	±0,34
Изменение подпорогового потенциала, мВ	0,1	0,1	0,1	0,1	0,1	-
Диапазон нарастания ПД, мВ	2,4	3,3	3,3	3,5	4	±0,51

По каждому из критериев построим график, рассчитав предварительно для каждого из них доверительный интервал.

На рисунке 20 приведен график изменения времени фазы нарастания в интервале температур от +21 ⁰С до +25⁰С.

Зависимость времени фазы нарастания потенциала действия от температуры

Фаза нарастания (фаза деполяризации) потенциала действия - период, в течение которого происходит полное изменение полярности электрических потенциалов, регистрируемых на внешней и внутренней поверхностях мембраны покоящейся клетки (т.е. изменение на обратные отрицательного заряда на внутренней и положительного на внешней поверхности). В данном случае мы воспользовались аппроксимирующей прямой, так как сделать это позволяет доверительный интервал. Влияние температуры здесь выяснить нельзя.

Следующим отличительным признаком является начальное значение потенциала действия от температуры (рисунок 21).

Зависимость изменения начального значения потенциала действия от температуры

График показывает, что начальные значения потенциала действия уменьшаются с ростом температуры.

Максимальное начальное значение зарегистрировано при температуре +21 ⁰С, минимальное - при температуре +25 ⁰С. То есть, с повышением температуры начальное значение потенциала действия уменьшается.

На рисунке 22 изображено изменение максимальных значений потенциала действия в диапазоне температур от +21 ⁰С до +25 ⁰С.

Зависимость изменения максимального значения потенциала действия от температуры

Максимальное значение потенциала действия изменяется в пределах от 0,2 до 0,5 мВ. Следует обратить внимание, что при температуре +23 ⁰С наблюдается резкий скачок максимального значения.

Следующим отличительным критерием является фаза реполяризации подпорогового потенциала (рисунок 23).



Зависимость времени фазы реполяризации подпорогового потенциала от температуры

Фаза реполяризации потенциала действия - период, в течение которого расположение электрических зарядов, характерное для полной деполяризации клетки (отрицательные заряды - на внешней поверхности клеточной мембраны, положительные - на внутренней), изменяется на противоположное. В нашем случае наблюдается зависимость от температуры, но не значительная. Максимальное значение фазы реполяризации зарегистрировано при температурах +21 ⁰С и +22 ⁰С, а минимальное значение - при температуре +24⁰С.