Применение пространственных модуляторов для стимуляции биосистем семян

Согласно гипотезе [7] эффект лазерной биостимуляции проявляется при условии «согласования пространственного распределения интенсивности поля лазерного облучения (спекл-структуры) со структурой биологического объекта, характеризующейся конформационными состояниями макромолекул».

Одним из отличий лазерного когерентного излучения от некогерентного света является его способность формировать спекл-структуры. Спекл (англ. speckle — крапинка, пятнышко) — это случайная интерференционная картина, которая образуется при взаимной интерференции когерентных волн, имеющих случайные сдвиги фаз и/или случайный набор интенсивностей. На такой картине, как правило, можно отчётливо наблюдать светлые пятна, крапинки (их и называют спеклами), которые разделены тёмными участками изображения. Типичная реализация спекл-поля представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Типичная реализация спекл-поля

Спекл-поле, формируя на облучаемой поверхности микронеоднородную структуру с определенными характеристиками, является наиболее биологически активным, что позволяет достичь значительного эффекта при стимулировании биосистемы. Поэтому формируя электромагнитные поля с близкими для облучаемой биосистемы пространственно-временными характеристиками (спекл-структурами) можно получить более существенный эффект биостимуляции. Для формирования такого электромагнитного поля применяется пространственный модулятор.

Пространственный модулятор это многослойная структура со случайно неоднородной средой, заключенная между двумя прозрачными пластинами.

Сформированное ПМ оптическое спекл-поле попадая на живую ткань, проходит через сложную по структуре среду, имеющую квазижидкокристаллическое строение, изменяя свое пространственное распределение интенсивности за счет оптической анизотропии живой ткани. Результирующий биологический эффект обусловлен воздействием излучения с комбинационной частотой, которая, в свою очередь, определяется нелинейными характеристиками биоткани, при этом нет критической зависимости от частоты падающего излучения. Процесс взаимодействия лазерного излучения с живой тканью является самоорганизующимся: сама ткань меняет пространственные и частотные характеристики первоначального излучения, которое, в свою очередь, меняет оптические характеристики ткани за счет возбуждаемых биологических процессов. Изменение структуры светового фронта должно идти до тех пор, пока его фрактальная размерность не сравняется с фрактальной размерностью частиц составляющих облучаемую биоткань, что обеспечит наилучшие условия возбуждения биологических структур и макромолекул [8].

Материалы и методы

В качестве биологического объекта использовались семена огурца сорта «Кустовой» раннего срока созревания.

Для проведения лабораторных исследований, целью которых было определение оптимального режима обработки, сухие семена формировались в пять отдельных групп (по 50 семян в каждом из опытов), каждая сформированная группа состояла из контрольной и опытной. Затем семена замачивали в отстоявшейся из под крана воде при комнатной температуре и оставляли на сутки. Проклюнувшиеся семена 50 штук однократно подвергалась воздействию НИСЛИ через ПМ при освещении 10-15лк.

На рисунке 2 показана схема стимуляции семян огурца согласно [9]. Низкоинтенсивное воздействие лазерного излучения красного диапазона осуществлялось твердотельным лазером типа (HLDH-660-A-50-01) излучение которого закрыто пространственным модулятором, при соблюдении следующих параметров: длина волны λ = 658нм, длительность импульсов τ и = 250нс, частота импульсов f = 1000Гц, мощность излучения лазера P изл = 50мВт, экспозиция излучения 15, 30, 60, 120, и 240с.

Излучение

Чашка Петри с семенами

Рис. 2. Схема стимуляции семян

Пространственный модулятор это многослойная структура со случайно неоднородной средой, заключенная между двумя прозрачными пластинами диаметром (20мм X 20мм X 2мм). В качестве компоненты пространственного модулятора использовалась биологически активная добавка (БАД) чаванпраш при соблюдении следующих параметров:

• -    коэффициент пропускания  — 41%;

• -     оптическая плотность      — 0.39.

Выбор частоты повторения импульсов лазерного излучения в 1000Гц и временная экспозиция выявлены экспериментальным путем предыдущими опытами. Такой режим облучения стимулирует протекание ростовых процессов и способствует реализации генетического потенциала. Затем семена высевали в рассадные пластиковые кассеты, заполненные торфяным питательным грунтом фирмы «Агробалт». Кассеты размером 30 X 50см состояли из 35 ячеек. В каждую ячейку высевали по 1 семени. Посев был проведен 25 мая, массовые всходы появились через 4-5 дней. К моменту высадки рассада была в фазе 1-2 настоящих листа.

Результаты и обсуждение

При оценке продуктивности растений в контрольном варианте товарная урожайность составила 25,6 плодов с одного м ² . По всем остальным вариантам с использованием НИСЛИ с ПМ эти показатели значительно выше. Самые высокие показатели отмечены во II опытной и составили 32,8 плодов с одного м ² (см. таб. 1).

Таблица 1 - Структура урожайности огурца

При сравнении данных урожайности было установлено существенное превышение по урожайности во всех вариантах опыта по отношению к контролю. Во всех вариантах опыта, где было использовано воздействие НИСЛИ с ПМ, были получены существенные прибавки урожая. Самая высокая прибавка урожайности получена во II варианте ― 4,2кг/м2, что на 50,0% выше, чем в контрольном варианте.

Проведенные опыты показали увеличение урожайности по всем вариантам опыта, оно происходило в основном за счет увеличения числа плодов с единицы площади. Увеличение массы плодов также отмечено по сравнению с контролем, однако оно не так велико. Лишь при воздействии НИСЛИ с ПМ при экспозиции 30сек плоды были на 16г больше, чем в контроле.

Таким образом, воздействие оптического излучения, модулированное пространственным модулятором, на биологические системы сельскохозяйственных растений приводит к положительным результатам, повышающим биологическую активность биосистемы. Оптимальный режим облучения создается частотой повторения импульсов 1000Гц и временной экспозицией 30сек.