Биологические науки /9.Биохимия и биофизика

Проф. Аужанова Н.Б., к.ф.н., проф. Рахимбеков А.Ж.

ЖГУ им. И.Жансугурова, Казахстан

Из истории открытия электрических явлений в растении

Все знают что, исследования жизненных процессов, происходящих в растениях, ведутся в наши дни самыми современными средствами, и использование электрической аппаратуры в таких исследованиях не редкость. До отказа нашпигованные электроникой приборы применяются для измерения транспирации, содержания хлорофилла в листьях, интенсивности фотосинтеза и даже поверхности листа, т. е. традиционных ботанических экспериментах.

Речь пойдёт об электрических явлениях, возникающих в организме самого растения в процессе жизнедеятельности. Многие наблюдения и гипотезы, приводимые ниже, датируются концом прошлого или началом этого вв.

История открытия электричества в живых организмах не является закономерностью, оно было открыто совершенно случайно. В сентябре 1786 г. профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани прикоснулся отпрепарированной мышцей лягушки к холодным перилам балкона, обнаружил, что она при этом сокращается и заподозрил, что в ней возникает электрический ток. Мысли о существовании электрических явлений в живых организмах высказывались и до Гальвани, но это были именно предчувствия. Впервые гипотезу о том, что действующее в нерве начало есть электричество, высказал в 1743 г. Х.А.Гаузен.

«Остроумную догадку Х.А.Гаузена, - как в своё время отметил русский академик Ю. Чаговец, - можно с полным правом поставить на одну доску с догадкой, например, Теренция Веррона и Лукреция, которые с такой же уверенностью приписывают распространение заразных болезней мельчайшим существам, носящимся в воздухе, как это сделал 30 лет назад Пастер».

Роль Л.Пастера в этом случае сыграл Гальвани, давший первое доказательство электрических процессов в живых тканях. Начальный период исследования электрических явлений протекающих в живой ткани, был представлен исключительно работами, выполнявшимися на живых объектах. Первое бесспорное доказательство существования аналогичных процессов и в растительных тканях были получены в середине ХІХ Дюбуа-Рабмоном. После этого в «Записках» Петербургской Академии наук появляется обстоятельное исследование Н. Леваковского, в котором идёт речь об электрических токах в различных органах мимозы (Mimosa) и других растений: затем следует серия работ Раниса, посвященных сопоставлению характера электрическихпроцессов, протекающих в растительной и животной тканях.

Изучению растительного электричества в ХІХ в. было уделено немалое внимание. И как итог, уже в І901 г. вышла книга Т. Вяземского «Электрические явления растений», специально посвященная этим проблемам. Какое же электричество удалось открыть в растениях? Для начала были повторены основные опыты по открытию электрических процессов у животных - и обнаружилось далеко идущее принципиальное сходство электрических свойств животных и растительных тканей. Еще со времен Гальвани электрофизиологам были известны так называемые токи повреждения. Если, например, мышечный препарат разрезать поперек волокон и подвести электроды гальванометра к срезу и продольной неповрежденной поверхности, прибор зафиксирует разность электрических потенциалов около 0,1 в. По аналогии стали измерять токи на повреждениях на разных растительных тканях - и с почти неизменным успехом. Срезы листьев, стебля, репродуктивных органов, клубней всегда оказывались заряженными отрицательно по отношению к нормальней ткани.

Рассмотрим в качестве примера несколько нестандартный опыт, поставленный в 1912 г. Бейтнером и Лебом. Объектом этого опыта было яблоко. Вначале Бейтнер и Леб разрезали его пополам и вынули сердцевину. Затем они убедились, что если оба электрода, отведенных к гальванометру, приложить к яблоку с наружной стороны - к кожуре, прибор не фиксирует никакой разности потенциалов. Если же один электрод перенести во внутренние части мякоти - гальванометр отметит появление тока повреждения. При извлечении части мякоти от центра к периферии величина потенциалов долгое время не изменяется и начинает падать лишь после удаления последних слоев мякоти, прилегающих изнутри к кожуре. Когда между электродами остается только кожура, разность потенциалов равна нулю.

В отличие от Ньютонова яблока яблоко Бейтнера и Леба не оказалось провозвестником новой эры науки, но основные особенности токов повреждения демонстрировались с его помощью довольно наглядно. Выяснилось, что некоторая разность электрических потенциалов сушествует и между различными анатомическими элементами неповрежденных органов растений. В конце прошлого века Кункель показал, что центральная жилка листьев ряда культурных растений - каштана (Castánea), табака (Nicotiana), тыквы (Cucurbita), - электроположительна по отношению к зелёной поверхности листа. Многими исследователями отмечались также значительные разности потенциалов между частями цветка.

Для обозначения явлении подобного рода, наблюдавшихся как на целых, так и на повреждённых органах или тканях, использовали термин «токи покоя» - в отличие от обширного класса электрических процессов, возникающих в живых тканях под влиянием различных раздражителей, именуемых токами действия.

Токи действия первоначально были открыты на препаратах животных тканей.

Первые попытки обнаружения токов действия у растений предпринимались именно на тканях, способных к сокращению. Токи действия в растительных тканях были обнаружены в опытах с черешками листьев мимозы (Mimosa pudica), способными совершать механические движения под влиянием внешних раздражителей. Однако наиболее интересные результаты были получены в конце прошлого века Бердон-Сардерсоном, исследовавшем токи действия в закрывающихся листьях насекомоядного растения - венериной мухоловки (Dionaea muscipula). Оказалось, что в момент сворачивания края листа в его тканях возникают точно такие же токи действия, как в мышце при сокращении! Постепенно стали накапливаться сведения об электрических явлениях, сопровождающих многие процессы жизнедеятельности растений - фотосинтез, дыхание. Выяснилось, что в момент гибели некоторых растительных тканей их потенциалы резко возрастают.

Индийский исследователь Д.Бос соединил внешнюю и внутреннюю части зелёной горошины с гальванометром и затем нагрел ее до 60⁰С. При этом был зарегистрирован электрический потенциал 0,5 в. Вот комментарий Д.Боса: «Если 500 пар половинок горошин собрать в определённом порядке в серии, то конечное электрическое напряжение составит 500 в, что вполне достаточно для гибели на электрическом стуле не подозревающей об этом жертвы. Хорошо, что повар не знает об опасности, которая ему угрожает, когда он готовит это особенное блюдо, и, к счастью для него, горошины не соединяются в упорядоченные серии».

Спустя некоторое время были открыты электрические ритмы растений.

Если поместить кончик корня молодого бобового растения в воду и между различными точками корня и наружной средой измерять разность потенциалов, окажется, что эта величина колеблется с периодом 5-20 мин. причем амплитуда колебаний уменьшается по мере удаления от кончика корня, а частота сильно зависит от температуры окружающей среды.

Ритмические колебания потенциала зарегистрированы у очень многих высших растений и некоторых грибов. Они значительно отличаются по своим временным характеристикам. Принято различать три типа колебаний: ритмические, единичные спайки и генерализованную активность. Выяснилось, что колебания подобного рода зависят от степени освещенности растения.

Напрашивается вывод: если в растении вырабатываются какие-то токи, значит и внешний, приложенный ток должен неким образом влиять на жизнедеятельность растений. При действии сравнительно умеренных по силе токов в клетках листа, как, оказалось, замедляется движение протоплазмы. Увеличивая ток, его можно остановить совсем, не убивая при этом ткани - после снятия напряжения клетки оживают, движение протоплазмы восстанавливается.

По мере накопления опытного материала становилось все очевиднее, что электрические явления, существующие в растениях, играют какую-то важную роль в процессах жизнедеятельности и заслуживают самого детального исследования.

Все описанные измерения относятся к структурам довольно неоднородным. Например, лист образован тканями нескольких сортов, и микроскопическое его строение достаточно сложное. Так что если опыт показывает разность электрических потенциалов между жилкой и мягкой тканью, мы по-прежнему не можем ничего сказать о том, какие именно ткани или клетки ответственны за ее возникновение, а какие, выполняют роль пассивных проводников.

Из данной ситуации выход один - перенести исследования на клеточный уровень, установить, какие же электрические явления происходят в отдельной растительной клетке.

Литература:

1. Галактионов С.Е., В.М.Юрин. Ботаники с гальванометром. - М.: Знание, 1979.

2. Патури Ф. Растения гениальные инженеры природы. - М.: Прогресс, 1979.

3. Аужанова Н.Б. Электрические явления в растениях. Методическое пособие для студентов. – Алматы: Дайыр баспа, 2014. – 29 с., ил.