РЕЄСТРАЦІЯ БІОЕЛЕКТРИЧНИХ ПОТЕНЦІАЛІВ ЗАСОБАМИ КОМПЛЕКСНОЇ АВТОМАТИЗОВАНОЇ СИСТЕМИ

Оптимізація кліматичних та енергетичних характеристик середовища вирощування рослин у штучних контрольованих умовах потребує безперервного моніторингу показників життєдіяльності рослин, тому актуальними є методики електрофізіологічної діагностики, які дозволяють здійснювати прижиттєвий контроль стану та розвитку рослин без їх пошкодження.

Механізми впливу внутрішньоклітинних процесів на динаміку біоелектричних реакцій систем в цілому сьогодні ще остаточно не визначені [4], їх вивчення потребує накопичення значного об’єму експериментальних даних в умовах різних комбінацій фізичних факторів подразнення рослин. У той час, як сучасні електронно-вимірювальні прилади здатні забезпечити реєстрацію біоелектричних потенціалів рослин як контактно, так і дистанційно, з високою чутливістю та малою інерційністю, в наукових дослідженнях та при розв’язанні практичних задач актуальною залишається задача комплексної автоматизації процесу реєстрації та обробки біопотенціалів із застосуванням сучасних комп’ютерних технологій.

Метою роботи є розробка та апробація автоматизованої системи реєстрації, обробки та аналізу біоелектричних потенціалів рослин.

Запропонована система реєстрації біоелектричних потенціалів здійснює оцифровку експериментальних даних двоканальним USB-осцилографом IRIS з подальшою обробкою у ПК [1]. Розроблений апаратний комплекс є універсальним та дозволяє проводити дослідження біопотенціалів як в умовах окремого впливу на досліджуваний об’єкт холодової, теплової, фото- та електростимуляції, так і в умовах різноманітних комбінацій вказаних впливів.

Обробка, аналіз та подальша візуалізація оцифрованих біопотенціалів виконуються оригінальними програмними засобами. Для поєднання USB-осцилографа з персональним комп’ютером розроблено універсальний драйвер пристрою. Окрема спеціалізована програма забезпечує автоматичне збереження у відповідних файлах формату *.dat даних про динаміку змін потенціалу, отриманих у цифровому форматі через USB-порт ПК.

Клієнтська частина програмного забезпечення розроблена на базі візуального середовища програмування LabView [3]. У вікні клієнтської програми відбувається представлення та кількісний аналіз отриманих даних. Програма також дозволяє визначати та зберігати у базі даних експерименту такі головні показники зареєстрованих сигналів як амплітуди піків холодових (теплових або ін.) потенціалів з відповідними часовими відмітками; відсоткові співвідношення амплітуд піків відведених потенціалів, що характеризують динаміку протікання процесу; поточні налаштування часових та амплітудних параметрів для калібровки та кількісної оцінки отриманих сигналів і візуалізації шкал графічної залежності «потенціал-час».

Апробація апаратного та програмного забезпечення розробленої автоматизованої системи реєстрації біоелектричних потенціалів проведена в експериментах з дослідження впливу холодових та теплових стимулів на біоелектричну реакцію листя кукурудзи. Для отримання більш чітких та якісних сигналів, придатних для подальшої обробки, під час реєстрації біопотенціалів рослин при холодовому подразненні підключено та налаштувано програмно реалізований фільтр із змінними параметрами та згладжуючий фільтр типу фільтра Баттеворта 3-го порядку (рис.1).

За результатами окремих експериментів з вивчення теплового впливу, збережених у файлах бази даних спеціальною програмою комплексу, розраховані необхідні значення та побудовано графік залежності відносної амплітуди потенціалу відповіді від інтервалу часу між першим і наступним тепловими стимулами (рис.2). Встановлено, що відношення амплітуди послідовних відповідей до амплітуди першої відповіді на подразник з часом значно зростає з поступовою стабілізацією на рівні 130%. .

Рис. 1. Холодові потенціали під час ритмічної стимуляції, зареєстровані:

а – без додаткової фільтрації сигналу, б,в – із застосуванням фільтруючих засобів

Рис. 2. Залежність амплітуди потенціалів листя кукурудзи від інтервалу часу

між стимулами при ритмічній тепловій стимуляції. По осі ординат –

амплітуда стимулів у відсотках до амплітуди першої відповіді

Результати, отримані із застосуванням автоматизованого програмно-апаратного комплекту, у цілому добре узгоджуються з результатами попередніх експериментів, отриманих за допомогою лише каналових пристроїв [2]. Перевірка відповідності отриманих в експерименті та оброблених цифрових даних записам, одночасно зафіксованим самописцем, свідчить про високу точність роботи автоматизованої системи.

Аналіз отриманих експериментальних даних дозволяє припустити, що в основі електричної відповіді клітини лежить селективна зміна електричної провідності клітинної мембрани для іонів Н+ і K+. Така зміна може бути частиною внутрішньоклітинних механізмів виникнення та динаміки біоелектричних потенціалів активності, що реєструвалися з поверхні рослини.

Література

1. Автоматизована система реєстрації біоелектричних потенціалів / Д.В. Чернетченко, М.П.Моцний, Н.П.Боцьва, О.В.Єліна, М.М.Мілих // Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Екологія. – 2013. – Т.2. – С. 70-75.

2. Вплив термічної стимуляції на біопотенціали листя кукурудзи / М. П. Моцний, Н.П.Боцьва, О.В.Єліна, С.В.Власова, І.П.Матвій // Вісник Дніпропет-ровського університету. Біологія. Медицина. – 2010. – Т.2. – С. 65–70.

3. Евдокимов Ю. К. LabView для радиоинженера: от виртуальной модели до реального прибора / Ю. К. Евдокимов, В. Р. Линдваль, Г. И. Щербаков. – М.: ДМК Пресс, 2007. – 399 с.

4. Пятыгин С. С. Сопряжение генерации потенциала действия в клетках растений с метаболизмом: современное состояние проблемы / С. С. Пятыгин, В. А. Воденеев, В. А. Опритов // Усп. соврем. биол. – 2005. – Т. 125. – С. 534–542.