WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Работа выполнена в ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт

На правах рукописи

генетики и селекции плодовых растений имени И.В. Мичурина Научный консультант доктор технических наук

, профессор, академик РАСХН Бородин Иван Фёдорович БУДАГОВСКИЙ Андрей Валентинович Официальные доктор технических наук, профессор оппоненты: Башилов Алексей Михайлович доктор биологических наук, профессор, академик РАСХН Шевелуха Виктор Степанович УПРАВЛЕНИЕ доктор физико-математических наук, профессор ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТЬЮ РАСТЕНИЙ Ковш Иван Борисович КОГЕРЕНТНЫМ СВЕТОМ Ведущая организация ГНУ Всероссийский селекционно-технологический институт садоводства и питомниководства 05.20.02 - электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

Защита состоится 22 декабря 2008 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.02 при ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина» по адресу 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Автореферат разослан Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Загинайлов В.И.

МОСКВА 20PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com плекса физических, биологических и технологических факторов и процессов управления

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

функциональной активностью растений. На основании такого понимания проблемы опре

Актуальность исследований. Проблема продуктивности растениеводства на проделено общее направление исследований, начатых нами в 1980 году. Их целью явилось тяжении веков не теряет своей актуальности. Её решение ищут на двух взаимодополизучение и теоретическое обоснование механизма биорегуляторного действия когеняющих уровнях регулирования биосистем – генетическом и эпигенетическом. Опыт рентного света, создание на этой базе комплекса новых, высокоэффективных спососельскохозяйственного производства показывает, что в современных быстроизменяюбов, технологических приёмов и технических средств, обеспечивающих более полное щихся экологических условиях предпочтительными являются именно эпигенетические использование генетического потенциала культурных растений.

методы, заключающиеся в управлении экспрессией генов без изменения наследственной Объектом исследований служили процессы взаимодействия когерентного электропрограммы живого организма. Такой подход позволяет оперативно и более полно исмагнитного излучения с биологическими системами и структурами, а предметом исследопользовать генетический потенциал уже существующих культурных растений, добиваваний - управление функциональной активностью растений когерентным светом в лабораясь высокой продуктивности и устойчивости. На практике он реализуется посредством торных условиях и агротехнологическом процессе. Реализация поставленной цели потреботехнологических приёмов, основанных на действии различных регуляторных факторов.

вала решения комплекса взаимообусловленных задач:

Среди них высокой экономичностью, технологичностью и полной экологической безо1. Разработать методологию, аналитический аппарат и технические средства исследовапасностью обладает электромагнитное излучение видимой области спектра, т.е. свет.

ния взаимодействия когерентного света с биологическими системами и структурами.

У фотосинтезирующих растений свет выполняет не только энергетические, но и 2. Исследовать закономерности ответной реакции растительных организмов на действажные регуляторные функции, управляя различными процессами, вплоть до экспресвие низкоинтенсивного лазерного излучения и дать им теоретическое обоснование.

сии генов. В основе световой регуляции лежит резонансное поглощение фотонов спе3. Выяснить роль статистической упорядоченности фотонного коллектива в биорегуцифическими хромопротеидами, например, фитохромом и криптохромом высших расляторных процессах; разработать концепцию управления функциональной активнотений. Фундаментальные работы Г. Мора (H. Mohr), С.В. Конева, И.Д. Волотовского, стью растений когерентным светом.

Н.П. Воскресенской позволили установить пути трансформации светового сигнала в 4. Осуществить системный подход к разработке прецизионных лазерных агротехнолохимический и его воздействие на метаболизм клетки. В целом фоторегуляторные прогий; провести оценку их эффективности.

цессы хорошо изучены, однако до сих пор остаётся неясным, каким образом сверхсла5. Создать научно-техническую базу конструирования высокоэффективных лазерных бые потоки фотонов биохемилюминесценции участвуют в межклеточной коммуникаустановок для биологических исследований и сельскохозяйственного производства;

ции, и чем обусловлена высокая биологическая эффективность когерентного, в частнопровести выпуск и внедрение опытных образцов.

сти лазерного, излучения.

Организация исследований, биологические материалы и технические средства.

Несмотря на отсутствие обоснованных представлений о механизме лазерной стиПредставленная работа выполнена во ВНИИ генетики и селекции плодовых растений им муляции, этот феномен нашёл применение в биологии, медицине и сельском хозяйстИ.В.Мичурина в рамках отраслевых программ ОСХ.04 «Разработать и внедрить методы, ве. В растениеводстве использование когерентного света позволило улучшить экологитехнологические процессы с использованием радионуклидов, источников ионизирующих ческое состояние агроценозов, повысить количество и качество выпускаемой продукции, излучений и других физических факторов (сельскохозяйственная радиология)»; «Плоды и снизить затраты на её производство. Лидером в разработке и внедрении лазерных агроягоды» задание № 08.04.И1-М5 «Рабочие органы оборудования экологически чистых техтехнологий (ЛАТ) был Советский Союз. В настоящее время такие технологии применянологий обработки плодов, семян и посадочного материала перед посадкой и хранением»;

ют в различных странах, особенно активно в Японии и Китае. Накоплен значительный федеральной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по позитивный опыт, и, тем не менее, при практическом использовании биологический эфнаучному обеспечению развития АПК, задание № 19 «Разработать и освоить экологически фект лазерной обработки растений оказывается ниже ожидаемого и носит неустойчивый безопасные ресурсосберегающие системы производства, переработки, хранения и доведехарактер. Основная причина заключается в том, что при создании ЛАТ научнония до потребителя высококачественной продукции садоводства…», госрегистрация методические, агротехнологические и инженерно-технические вопросы разрабатываются № 01.200.204901; а также Соглашения о научной кооперации с институтом садоводства и обособлено и недостаточно глубоко. До сих пор не получили должного разрешения таовощеводства Рейнского университета по проекту «Исследовать влияние когерентного кие положения, как: корректная оценка параметров когерентного излучения; принцип электромагнитного излучения на развитие адаптивных процессов живых организмов» и действия лазерной стимуляции; механизм длительного запоминания оптического сигнаМеждународного проекта МНТЦ № 3360, раздел: «Влияние излучения внешних небиолола; роль когерентности света в фоторегуляторных процессах; оптимизация параметров гических источников на физиологическую активность биологических объектов».

рабочего органа ЛАТ; безопасность, надёжность и технологичность облучательных усДля выявления наиболее общих закономерностей использовали разнообразный тановок; экспресс-диагностика функционального состояния растений; социальные и экобиологический материал, представленный 52 сортами 24 видов сельскохозяйственных логические последствия внедрения ЛАТ.

культур. Облучению подвергали отдельные клетки, ткани, органы, целые растения и Цель и задачи исследований. Решение актуальной проблемы создания экологически участки агроценозов. Их обработка проходила как в полевых, так и лабораторных усбезопасных, энергосберегающих электротехнологий, повышающих количество и качество ловиях с применением камер искусственного климата. Источниками когерентного изпродукции растениеводства посредством лазерной обработки, требует системного подхолучения служили газовые и полупроводниковые лазеры и лампы накаливания с монода. Он заключается в анализе, научном обосновании и экспериментальной проверке ком1 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com хроматором и коллимирующей оптикой. Параллельно с экспериментальными исследо- 7. Осуществлён системный подход к разработке прецизионных лазерных агротехнованиями проходила разработка специальных методов и технических средств облучения логий, основанный на комплексном использовании физических, биологических и техи функциональной диагностики растительных организмов. нологических факторов и процессов управления функциональной активностью растений низкоинтенсивным когерентным светом. Показана экологическая безопасность Научная новизна. Новизна исследований заключается в разработке и практическом применения ЛАТ.

использовании концепции управления функциональной активностью растений когерент8. Предложен и реализован блочно-модульный принцип конструирования лазерных обным светом. Она углубляет современные представления о механизме взаимодействия низлучательных установок и диагностических приборов для растениеводства. Методами коинтенсивного когерентного излучения (НКИ) с живыми организмами и служит теоретиинженерного моделирования и расчётов оптимизированы технические решения, обеспеческой базой для создания высокоэффективных способов, технологических приёмов и техчившие надёжность и эффективность функционирования разработанных устройств.

нических средств лазерной обработки растений. В процессе исследований получены следующие приоритетные результаты, послужившие научной базой концепции: Данные приоритеты защищены 10 авторскими свидетельствами, патентами и заявками на изобретения, 40 актами внедрения, 2 сертификатами международных выста1. Определены основные противоречия, препятствующие пониманию механизма биовок, 155 научными публикациями в отечественных и зарубежных изданиях.

регуляторного действия когерентного света, и найдены пути их преодоления.

2. Разработаны методология, аналитический аппарат и технические средства исследо- Практическая значимость и реализация работы. Теоретические и эксперименвания взаимодействия когерентного света с биологическими системами и структурами. тальные исследования позволили дать научное обоснование лазерным агротехнологи3. Установлены неизвестные ранее закономерности ответной реакции растительных ям и показать эффективность их внедрения в растениеводство. Разработанная методоорганизмов, имеющие принципиальное значение для понимания механизма лазерной логия повысила воспроизводимость результатов биофизических экспериментов с пристимуляции. Показана многомодальная, недозовая зависимость биологического эф- менением когерентного света и устранила существующие противоречия в их толковафекта от длительности облучения. Определены необходимые условия наибольшей вы- нии. Созданные способы, технологические приёмы и технические средства сократили раженности реакции растений на когерентное излучение. Обнаружена трансгрессия применение химических защитных препаратов при производстве зерна, повысили сро(расщепление) количественных признаков в генетически однородной популяции рас- ки хранения и товарное качество плодов, увеличили регенерационную способность тений, прошедших лазерную обработку и предложена эпигенетическая модель меха- трудноукореняемых культур, расширили возможности количественной диагностики низма длительного запоминания стимуляционного эффекта. Показан антистрессорный функционального состояния растений. В научную и производственную практику внеэффект при лазерном облучении плодовых культур. Обоснована возможность стиму- дрены следующие разработки:

ляции различных типов защитной реакции растительных организмов, а также повыше1. Методология облучения растений когерентным светом, основанная на количественния надёжности их функционирования в целом.

ном анализе энергетических и статистических характеристик действующего фактора.

4. Сформулировано принципиально новое понятие «биологическая мера когерентно2. Системный подход к разработке лазерных агротехнологий.

сти», вытекающее из установленной способности живых организмов различать сте3. Способ вегетативного размножения растений (А.С. № 1157717).

пень статистической упорядоченности света. Впервые теоретически обоснованы и экс4. Способ повышения сохранности плодов (Патент РФ № 1750487).

периментально подтверждены биокоммуникационные функции когерентного излуче5. Способы и устройства экспресс-диагностики функционального состояния растиния; показано его участие в индукции морфогенеза растительных тканей и дистанцительных организмов (Патенты РФ № 2016671, № 2222177, № 2225691, заявки онном межклеточном взаимодействии. Высказаны представления о механизме лазер№ 2007121425/(023322), № 2007139421/(043158), № 2007104756/(005122), ной стимуляции растений.

№ 20007135704/(039042), № 2008115264/(017066).

5. Обнаружено неизвестное ранее свойство фотосинтезирующих тканей, заключаю6. Блочно-модульный принцип конструирования лазерных облучательных установок.

щееся в быстрой динамической перестройке микроструктурной организации под дей7. Многофункциональные установки серии ЛИК (лазерный исследовательский комплекс).

ствием когерентного света. На базе выявленных закономерностей рассеяния лазерного 8. Производственные установки серии ЛОС (лазерный облучатель сельскохозяйственный).

пучка биоструктурами созданы способы диагностики функционального состояния расПроектно-конструкторская документация передана в Инженерный Центр «Садпитений, не имеющие аналогов в отечественной и зарубежной практике.

томникмаш». Практическое применение выполненных научно-технических разработок 6. Разработаны и экспериментально апробированы следующие математические и фиподтверждается актами внедрения от научно-исследовательских организаций и центров:

зические модели, иллюстрирующие биорегуляторные функции низкоинтенсивного коЦГЛ, ВНИИС (Мичуринск); ВНИИСПК (Орёл); ВНИИЦиСК (Сочи); МНТК «Микрохигерентного излучения:

рургия глаза» (Тамбов); НПО «Биотехника», Аэрокосмосэкология МЦОС (Москва); Рейн- аналитического описания многомодальной функции отклика биосистем;

ский университет (Бонн, Германия), а также медицинских учреждений, совхозов, колхозов - дистанционного межклеточного взаимодействия;

и фермерских хозяйств Тамбовской, Липецкой, Саратовской, Московской, Ленинградской - регистрации когерентного компонента биохемилюминесценции клеток;

областей и Краснодарского края. Результаты исследований вошли в научно-тематические - биологической меры когерентности действующего излучения;

планы ВНИИ генетики и селекции плодовых растений, ВНИИ садоводства (Мичуринск), - аналитического решения ядерно-плазменного отношения клетки;

ВНИИ селекции плодовых культур (Орёл), ВНИИ цветоводства и субтропических культур - голографической индукции морфогенеза в культуре растительных клеток.

(Сочи), Института садоводства и овощеводства Рейнского университета (Бонн, Германия).

3 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Апробация результатов исследований. Основные результаты исследований доло- 3. Системный подход к разработке прецизионных агротехнологий с использованием жены лично автором и обсуждены на заседаниях ученых советов и теоретических семина- когерентного света. Экологическая безопасность применения низкоинтенсивного ларах МГУ (факультеты биологии и физики 1983, 1993, 2001), МГАУ (1985, 2006), НИИ био- зерного излучения.

технологии (1990), ВНИИ молочной промышленности (1994), ВНИИ цветоводства и субДекларация конкретного собственного вклада в разработку научных результропических культур (1994, 1999, 2000), ВНИИ селекции плодовых культур (1993,1994), татов, представленных в диссертации. Формулировка рабочих гипотез, постановка ВНИИ садоводства (1982,1993, 2001), МичГАУ (1992, 2005), Центра подготовки космонавзадачи и планирование экспериментов, разработка физических и математических мотов (1994), Института химической физики РАН (1995), Управления приоритетных направделей проведены лично соискателем. Все экспериментальные исследования, техничелений фундаментальных исследований Министерства науки и технической политики РФ ские устройства и установки выполнены самостоятельно или под его руководством и (1995), Рейнского университета (Бонн, Германия, 1995, 1997, 1999), Института прикладной непосредственном участии. Анализ полученных результатов, формулировка положефизики этого же университета (1995, 1997), Исследовательского центра технологических ний и выводов диссертации, обоснование представленной концепции также сделаны лазеров (Ахен, Германия, 1997), Международного института биофизики (Ноис, Германия, лично соискателем. Более 60 авторских печатных листов опубликованных научных ра1999), а также на Всесоюзной конференции «Проблемы повышения эффективности совребот (68 % от общего объёма) написаны соискателем без соавторов, в остальных - доля менного садоводства» (Мичуринск, 1982), Всесоюзной конференции «Проблемы фотоего творческого участия превышает 30 %.

энергетики растений и повышение урожайности» (Львов, 1984), Всесоюзной школе «ПриПубликации. По теме диссертационных исследований опубликовано свыше 1менение лазеров в биологии» (Кишинев, 1986), Всесоюзной конференции «Проблемы принаучных работ, включая две монографии общим объёмом более 40 печатных листов и кладной радиобиологии растений» (Чернигов, 1990), Третьей Всесоюзной конференции по работы в международных изданиях на английском и немецком языках. Двадцать работ сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, 1990), Всероссийской конференции «Приопубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК. Объём всех публикаций по теме искладные аспекты радиобиологии» (Москва, 1994), International A.G. Gurwitsch Conference следований превышает 90 авторских печатных листов.

«Non-equilibrium and coherent systems in biophysics, biology and biotechnology» (Moscow, Структура диссертационной работы и её объём. Диссертация состоит из вве1994), Международном симпозиуме «Механизм действия сверхмалых доз» (Москва, 1995), дения, пяти глав, заключения и приложений. Основной текст изложен на 416 страниTenth International Congress of Radiation Research (Wrzburg, 1995, Germany), International цах, включая 178 рисунков и таблиц. Перечень цитируемых источников информации Ecological Congress (Voronezh, 1996), Седьмой международной конференции «Биология составляет 612 наименований, 105 работ на иностранных языках.

клеток растений in vitro, биотехнология и сохранение генофонда» (Москва, 1997), 2nd InterСОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

national AG Gurwitsch Conference «Biophotonics and Coherent Systems» (Moscow, 1999, Russia), Втором съезде биофизиков России (Москва, 1999), Четвёртом съезде общества физио В первой главе проведен анализ теоретических и прикладных вопросов управлогов растений России (Москва, 1999), Международной конференции «Электромагнитные ления функциональной активностью растений когерентным светом, определено их излучения в биологии» (Калуга, 2000), Вторых Кузинских чтениях (Пущино, 2001), Треть- место в решении проблемы повышения количества и качества продукции растениеем съезде фотобиологов России (Воронеж, 2001), Четвёртом съезде по радиационным ис- водства посредством лазерной обработки, обоснованы цель и задачи исследования. В следованиям (Москва, 2001), Международной специализированной выставке «Laser 2005» современных быстроизменяющихся экологических условиях традиционные селекци(Москва, 2005), Международном семинаре «Лазеры в растениеводстве и ветеринарии» онно-генетические методы недостаточно эффективны. Актуальным становится эпи(Минск, 2005), Международной выставке «Фотоника» (Москва, 2007), International Confer- генетический уровень управления биосинтезом. Для этого используют физические, ence on Laser Applications in Life Sciences (Moscow, 2007), Всероссийской конференции, химические и биотические регуляторные факторы. По критериям экологической посвященной 150-летию С.Ф.Черненко (Мичуринск, 2007), Втором межрегиональном со- безопасности, технологичности и экономичности предпочтение может быть отдано вещании «Актуальные вопросы организации РЛИТЦ» (Москва, 2008) и других. электромагнитному излучению видимой области спектра. Свет у растений выполняет ряд важных функций, контролируя рост, развитие, адаптацию организма к условиям Основные положения, выносимые на защиту.

внешней среды и продукционный процесс.

1. Методология исследования взаимодействия когерентного света с биологическими Фоторегуляторные процессы лежат в основе лазерных агротехнологий, разработка и системами и структурами. Закономерности ответной реакции растительных организпрактическое использование которых имеет почти сорокалетнюю историю. Позитивные мов на лазерное облучение дотепловой интенсивности. Нелинейный характер зависирезультаты получены как в России (СССР): (Бельский, 1987; Букатый, Карманчиков, 1999;

мости стимуляционного эффекта от продолжительности воздействия и условия его Умаров и др., 1991; Шахов, 1971; 1993; Якобенчук, 1989), так и за рубежом: в Австралии наибольшей выраженности. Влияние НКИ на повышение надёжности функционирова(Potts, 1973), Болгарии (Стаиков, 1983), Венгрии (Kerepesi et al., 1992), Германии (Kaufния растений при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Эпигенетиmann, Politz, 1990), Индии (Govil, 1991), Кубе (Fernandez, Teran-Vidal, 1994), Мексике ческий механизм лазерной стимуляции растений.

(Conconi, 1983; Hernandez Aguilar, 2005), Польше (Koper, 1994), Чехии (Rimovsky et al., 2. Концепция управления функциональной активностью растений когерентным све1991), Японии (Takatsuji Masamoto, 1999) и Китае (Cao S., 2003; Feng H.,2005). Однако вытом. Роль когерентности света в фоторегуляторных процессах и закономерности его сокие потенциальные возможности лазерных агротехнологий не удаётся полностью реаливзаимодействия с биологическими структурами. Способность клеток различать статизовать в производственных условиях. Таким образом, имеет место объективное противостическую упорядоченность оптического излучения и обоснование биологической меречие, которое может быть разрешено при достижении цели исследования.

ры когерентности электромагнитного поля.

5 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Анализ научной и технической литературы позволяет выявить четыре группы во- ный вес и габариты высокопроизводительных ЛОУ, их низкая надёжность и эргономичность просов, требующих тщательного изучения, более строгого теоретического обоснова- затрудняют эксплуатацию в условиях реального сельскохозяйственного производства.

ния и экспериментальной проверки. Анализ современного состояния проблемы показывает, что эффективное использова1. Методология исследования. При использовании когерентного света в биологи- ние лазерной стимуляции в растениеводстве невозможно без всестороннего изучения меческих исследованиях его характеристики описывают неточно и неполно. Ошибка в ханизма биорегуляторного действия когерентного света. Успешная разработка прецизионоценке энергетических параметров может достигать сотен процентов. Вместо количе- ных лазерных агротехнологий нуждается в системном подходе. Он заключается в решении ственного описания статистических характеристик квазимонохроматических волн ог- комплекса указанных выше научно-методических, агротехнологических и инженернораничиваются ссылкой на когерентность лазерного излучения и отсутствие когерент- технических вопросов, которые и определили задачи проведенных исследований.

ности у других (нелазерных) источников света. Несмотря на свою популярность, такой Во второй главе представлены методология и технические средства исследования.

интуитивно-качественный подход некорректен и препятствует правильному понимаМетодология строилась на понимании комплексного характера предмета исследований и нию результатов фотобиологических экспериментов. Столь же поверхностно проводят необходимости системного подхода для его изучения. Управление функциональной активоценку функционального состояния растений и условий их культивирования. Как ностью растений когерентным светом предполагает анализ и экспериментальную разраследствие, стимуляционный эффект пытаются получить там, где он не может проботку пяти взаимосвязанных блоков: биологическая модель, действующий фактор, ответявиться в силу биологических причин.

ная реакция биологических организмов, технологический процесс, технические средства 2. Механизм лазерной стимуляции. Разнообразие взаимопротиворечащих представоблучения и контроля функционального состояния растений. Созданная методология полений о механизме лазерной стимуляции живых организмов указывает на недостаточзволяет обосновать выбор биологической модели, сформировать поток когерентного излуную изученность этого вопроса. Широкую известность получили концепция биоплазмы чения с заданными характеристиками и установить основные закономерности ответной реИнюшина (1973), фотоэнергетическая - А.А. Шахова (1978, 1993), фотоиндуцированной акции облучаемых организмов. Полученные результаты обобщаются концепцией управлеактивности каталазы - Зубковой (1978), мембранно-комформационная - Н.Д. Девяткова и ния функциональной активностью растений. В свою очередь она служит теоретической бадр. (1987, 1991), спектральная - Т.И. Кару (1986), ДНК-фактора - Гамалея и др. (1983, зой разработки прецизионных агротехнологий и технических средств для их реализации.

1988), нерезонансной стимуляции Ворониной и др. (1990). Эти исследования внесли зна Предложен алгоритм проведения экспериментов по лазерному облучению растичительный вклад в биологическую науку, но не смогли объяснить всё разнообразие экстельных организмов. Он определяет последовательность действий при подготовке и пропериментально установленных фактов. Среди фундаментальных вопросов наиболее дисведении исследования, а также специфику математической обработки полученных рекуссионными являются представления о способности клеток различать статистическую зультатов. Применение статистических методов для оптимизации режимов лазерного упорядоченность электромагнитного поля, дозовом характере ответной реакции растеоблучения имеет определенные ограничения. Они связаны с многопараметричностью ний на лазерное облучение, механизме и условиях длительного сохранения стимуляциданного фактора. Величина ответной реакции организма зависит от таких показателей онного эффекта. Их изучение сталкивается с ещё более общей проблемой, касающейся (характеристик) qi электромагнитного поля, как длина волны, интенсивность и длительполевой (нехимической) формы регуляции живых организмов.

ность облучения, длина когерентности и радиус корреляции поля и т.п.:

3. Разработка лазерных агротехнологий. В научной и патентной литературе описано = (q1, q2, …qi). При равенстве нулю хотя бы одного из них, функция теряет физибольшое количество агротехнологий, использующих квазимонохроматический свет. Обычческий смысл, кроме q1 = q2 …= qi = 0 (отсутствие поля). В этой точке показатели но, его источником служат различные типы лазеров. Корректное описание полной совокупq1, q2, …qi становятся взаимозависимыми и многофакторный дисперсионный анализ тености параметров лазерного излучения не встречено ни в одном из проанализированных исряет свою корректность. Для сравнительной оценки с контролем (q1 = q2 …= qi = 0) в точников информации. В лучшем случае указывают один или два энергетических показатекачестве независимой переменной допустимо выбрать любой, но лишь один показатель, ля, при этом статистические характеристики поля не упоминаются вовсе. Не уделяют достаа все остальные необходимо оставить неизменными в течение каждой серии опытов:

точного внимания организации процесса облучения и учёту условий, в которых он происхо1 = ( q1 ), q, q... q = const дит. Вместо разработки технических требований и создания на их базе соответствующих об- 2 3 i = ( q ), q1, q... q = const 2 3 i лучательных установок ограничиваются имеющимся в наличии лазерным оборудованием.

.............. 4. Конструирование лазерных облучательных установок (ЛОУ). Одна из причин сни = ( q ), q1, q... q = const i i 2 i - жающих эффективность применения ЛАТ связана с техническими особенностями облучаЭкспериментов типа может быть несколько и в кажтельных установок. В большинстве случаев их конструкция не позволяет изменять и кон- i = (qi ), q1, q2...qi-1 = const тролировать параметры облучения. К этой категории относятся КЛ - 13, КЛХ - 1, Львов-дом из них уже ничто не препятствует определению факторальной и случайной дисЭлектроника, УЛПОС и другие. Установки более универсального типа, например, ЛОБО-персий однофакторного эксперимента.

допускают возможность перестройки технологических режимов, но имеют слишком низВажное место в разработанной методологии занимает количественная оценка полкую производительность, порядка нескольких десятков килограмм семян в час. У многих ной совокупности параметров действующего фактора. Предложен адаптированный для ЛОУ отсутствует эффективная защита от внешних воздействий. В производственных усбиологических исследований аналитический аппарат описания энергетических и сталовиях потери мощности лазерного пучка из-за загрязнения оптических элементов доститистических характеристик квазимонохроматического излучения. (Подробно предгают 70…90 % и биологические объекты практически перестают облучаться. Значительставлен в монографиях Будаговский, 2004 и 2008). Для лазерных пучков ТЕМ00 моды 7 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com найдено математическое решение области равномерного облучения (ОРО): упорядоченность электромагнитных волн с достаточной для биологической реакции интенсивностью. В случае пространственно-ограниченной волны с равномерным рас1 - = z /(z + z) 2 exp -2 r2/ (z + z)2, где - угол расходимости лазерного r r пределением интенсивности по фронту, модуль нормированной поперечной корреляпучка, z и 2 r - продольный и поперечный размеры ОРО в цилиндрических коордиционной функции для точек r1, r2 описывается известным уравнением:

натах z и r. В этой области неравномерность облучения не будет превышать наперёд (s) = 2J1(kas/z)/(kas/z), где J1(kas/z) - функция Бесселя, k = 2 / - волновое число, заданной величины. Данное уравнение справедливо для пучков гауссова профиля.

s = r1 - r2, z - удаление от источника излучения до объекта. Радиус корреляции может При их искажении дифракционными помехами корректный расчёт энергетических параметров в зоне облучения может быть сделан только в случае подавления высших быть определён из условия s = rk при (s) = 0. Проведенные оценки показывают, что пространственных частот. С помощью расчётов и экспериментального моделирования при использовании лампы накаливания и дифракционного монохроматора МДР-2 с установлено, что для типичных микронеоднородностей оптического тракта оптималь- входной линейной апертурой 2а = 3…8 мм радиус корреляции rk будет изменяться в ная фильтрация помех происходит при использовании объективов с фокусным рас- диапазоне 193…515 мкм, а длина когерентности Lk – 25…67 мкм. Вопреки распростоянием 4…5 мм и Фурье-фильтров с линейной апертурой 30…35 мкм. Их примене- странённому мнению (Т.И. Кару, Н.Ф. Гамалея, В.В. Лобко и др.) такое излучение ни в ние позволило получить распределение интенсивности выходного пучка близкое к коей мере нельзя считать некогерентным. Примером излучения с низкой статистичетеоретическому (рис. 1). Разработана также и технология изготовления Фурьеской упорядоченностью служит рассеянный солнечный свет: Lk; rk с / kBT ~, где фильтров, применявшихся в созданных облучательных установках.

kB - постоянная Больцмана, T - температура источника (Ахманов и др., 1981). Его объём когерентности на 6 порядков меньше, чем в рассмотренном случае.

Для реализации разработанной методологии создано семейство установок серии ЛИК (лазерный исследовательский комплекс). Они позволяют формировать широкий спектр режимов облучения со строго контролируемыми параметрами. Характерной чертой ЛИК явился блочно-модульный принцип структурной организации конструкции (рис. 2). Это упрощает адаптацию комплекса к условиям проведения различных экспериментов. В отличие от распространённых рейторных оптических схем во всех моделях ЛИК сохранена осевая симРис. 1. Изображения пучков ТЕМ00 моды и профили интенсивности в их поперечном сечении, пометрия, как несущего каркаса, так и узлов крепления оптических элементов. Оптический лученные методом компьютерного сканирования изображения на CCD матрице. Слева - без Футракт представляет собой набор унифицированных по форме и способу крепления модулей, рье-фильтрации, справа - с Фурье-фильтрацией. Выполнено на разработанной нами установке каждый из которых выполняет определённую функцию. Такое техническое решение позвоЛИК-МЭК825 для измерения энергетических параметров лазерных пучков лило увеличить жёсткость и виброустойчивость конструкции при снижении её веса.

Принятое в фотобиологических исследованиях деление световых пучков на когерентные и некогерентные принципиально неправильно. Поле любых излучателей, лазерА Б ных, тепловых, люминесцентных и т.п. обладает хотя и существенно различающейся, но вполне определённой статистической упорядоченностью фотонного коллектива. Её количественной мерой может служить взаимная функция когерентности первого порядка:

Г(1)(r1,r2; t1,t2) = , где Е(r, t) - электромагнитное поле в точках с координатами r1,t1 и r2,t2. В проведенных исследованиях для сравнения статистики различных излучателей использовали модуль нормированной функции когерентности (степень когерентности) = (r1,r2; =t2- t1) 1 и объём когерентности поля Vk, соответствующий области пространства, в которой наблюдают корреляцию фаз фотонного В коллектива. На основании теоремы Винера-Хинчина определены характеристические параметры корреляционной функции: время когерентности 1/ и радиус корреk ляции rk /, где и - ширина временного и пространственного спектров излучения (Ахманов и др., 1981). Так как для фотобиологических экспериментов выполняются условия факторизации, то объём когерентности может быть представлен выражением Vk = ( /)2 /, где - интервал длин волн, соответствующий частот0 ному интервалу, - средняя длина волны в интервале.

Для выяснения роли когерентности света в фоторегуляторных процессах применяли источники излучения с изменяемой статистикой поля, например, мощные высокотемпературные лампы накаливания с различными пространственными и спектральРис. 2. Различные варианты исполнения ЛИК. А - одноярусная конструкция ЛИК-25.

ными фильтрами. Это позволило получить сравнительно высокую статистическую Б - применение ЛИК-25 с рентгеновской установкой «Супер лилипут» SL – 140 (внизу) для комбинированного облучения. В - двухъярусная конструкция ЛИК-30 А 9 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Регулирование плотности мощности излучения происходит за счёт изменения расхоБУК димости лазерного пучка. Для этого спроектирован и изготовлен объектив с переменным фокусным расстоянием (рис. 3). Определение фокусного расстояния входящих в него линз ПУИ проведено посредством графического решения системы двух уравнений (рис. 4):

f1 = 4max rвх / f2; f1=(max+f2) rвх / rz1; с тремя неизвестными max, f1 и f2, где rвх - характеристический радиус пучка на входе линзы, f1 и f2 - фокусные расстояния линз, ЗЦО ЗДО ЗДП ЗЦСС max - максимальное расстояние между их фокальными плоскостями. Разработанная оптическая система обеспечивает максимальную расходимость светового пучка код tоб код tп Nc = arctg ( rвх / fmin) = 14. Перестройка фокусного расстояния комбинированного объmax ектива с 4 мм до 1 м изменяет интенсивность светового потока в заданной точке в ЦК-1 ЦК-ФСИ 1,6107 раз. При использовании лазера мощностью 30 мВт диапазон плавного регули- рования плотности мощности составит 0,3…4,8106 Вт/м2.

f1 = 4max rвх / fNi Ni ТДО ТДП tоб 12 tп f1=(max+ f2) rвх / rzСЦО СЦС о 50 СУД СУЗ 8 6 КВ- БОС БФПИ 12 16 20 24 28 32 36 f2, мм ЗПУ КУ ПК РД ЭМЗ КВ-КИ Рабочий Рис. 3. Оптическая система облучательных уста- Рис. 4. Графический метод определения фокуспучок новок в собранном состоянии - 1 и её основные ных расстояний линз оптической системы ЛИК.

узлы: 2 - модуль сопряжения с лазером; Уравнения решены для трёх значений парамет3 - объектив с переменным фокусным расстояни- ра max = 40, 50 и 60 мм ДФС КИ РУ О ДУ ем и электромеханическим затвором;

М 4 - двухкоординатный оптический шарнир Рис. 5. Структурно-функциональная схема управления лазерным исследовательским комплексом Комплекс ЛИК-30А (рис. 2 В) позволяет проводить лазерную обработку биологичеЛИК-30А. БУКФ – блок управления и контроля функционирования; БФПИ – блок формирования поских объектов по заданной программе без участия оператора. Исполнительным элементом тока излучения; БОС - блок обратной связи с объектом облучения (О) служит перемещаемый оптический модуль с электроприводом. Его линейное позициони В третьей главе описаны и проанализированы результаты экспериментов по дейстрование, скорость перемещения, цикличность работы и длительность светового воздействию низкоинтенсивного когерентного излучения на биологические объекты различного вия задаются блоком управления и контроля функционирования ЛОУ (рис. 5). В основе уровня организации: от клеток и тканей, до вегетирующих в открытом грунте растений.

этого блока лежит система программируемых счетчиков и цифровых компараторов, котоШирокий выбор видов и сортов облучаемых организмов, а также моделирование условий рые определяют временные характеристики облучения. В ЛИК-30А предусмотрен коних жизнедеятельности позволили установить следующие закономерности, характеризуютроль энергетических параметров лазерного пучка и обратная связь с биообъектом по его щие механизм лазерной стимуляции функциональной активности растений:

гомеостатическим реакциям. Автоматизация процесса облучения значительно снижает 1. Биологическое действие НКИ носит не энергетический, а регуляторный хатрудоёмкость фотобиологических исследований. Разработанные методики облучения и рактер. Величина ответной реакции растительных организмов в широком диапазоне пареализующие их лазерные установки прошли испытания в России и Германии (Рейнский раметров облучения не пропорциональна поглощённой дозе и определяется, в основном, университет) и внедрены в ряде научно-исследовательских учреждений.

длительностью светового воздействия. В экспериментах с вегетативными и генератив11 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com f, мм ными органами плодовых, ягодных и зерновых культур получены близкие по смыслу ре- Дисперсионный анализ, проведенный с учётом сделанных выше замечаний, также зультаты. Типичной является реакция пыльцы вишни пенсильванской на лазерное облуче- показал, что наибольшее воздействие на функциональную активность мужского гамение (рис. 6). Установлено, что эквивалентные изменения длительности воздействия и ин- тофита оказывает продолжительность лазерного облучения (статистическое влияние тенсивности этого процесса в разной степени влияют на функциональную активность 68,2 % при уровне значимости нулевой гипотезы << 0.01). Реакция пыльцы на измепыльцы. Величина её ответной реакции не определяется количеством поглощённой энернение плотности мощности в выбранных границах параметров статистически несущегии и не может однозначно описываться дозой (плотностью дозы) облучения (табл. 1).

ственна (0,6 %; > 0,5). Всё это указывает на регуляторный характер действия НКИ.

Более строгое обоснование этого вывода получено с помощью математического 2. Неспецифичность биорегуляторного действия НКИ. Различные биологичемоделирования программными средствами статистических пакетов Matcad 2001 Proские модели: пыльца, семена, плоды, черенки, вегетирующие растения, культура ткаfessional и Excel 2000. Уравнение регрессии показывает хорошо выраженный многомоней проявляют однотипную ответную реакцию. Зависимость от длительности ладальный характер ответной реакции (рис. 7). Для диапазонов варьирования показатезерного облучения носит нелинейный многомодальный (многоэкстремальный) хараклей облучения I (1; 9) Вт/м2 и t (1; 8) мин рассчитано уравнение множественной регтер, наблюдаемый во временном диапазоне от долей секунды до десятков минут.

рессии, описывающее зависимость стимуляционного эффекта (t, I) от длительности t Максимумы стимуляционного эффекта имеют биологически значимые и статистии плотности мощности I лазерного облучения:

чески обоснованные различия с показателями необлучённого контроля. Средствами (t, I) = - 5410-3 t 2 + 3,0810-3 I 2 – 3,2410-3 t I + 0,54 t - 0,09 I + 0,93.

дисперсионного анализа показано, что доля неупорядоченных факторов в изменчивоЧисловые коэффициенты при одинаковых степенях значительно больше у переменной t, чем сти результативного признака не превышает 35 %. Следовательно, чередование максиI и, следовательно, именно длительность является определяющим параметром облучения.

мумов и минимумов стимуляционного эффекта вызвано не случайными флуктуациями, а отражает закономерное явление. В отдельных экспериментах зафиксировано до 5 - 8 таких экстремумов (рис. 8А). Различие максимальных и минимальных значений Прорастание пыльцы, статистически достоверно (Р > 0,99) также, как и превышение над контрольным уровотн. ед.

нем среднего по всем режимам результата (Р > 0,98).

Лазер А Б Контроль контроль 0,5 Вт/м8 Вт/м10 Вт/м02Плотность 55 Длительность облучения, мин. мощности, Длительность Вт/м 50 облучения, мин Рис. 6. Зависимость прорастания пыльцы Рис. 7. Графическое представление уравне45.10.01 0.1 1 10 100 вишни от длительности лазерного облуче- ния множественной регрессии (t, I) рассчи0,01 0,1 1 10 100 10ния (632,8 нм) при различных плотностях танного программными средствами Matcad Длительность облучения, с Длительность облучения, с мощности 2001 Professional Рис. 8. Многомодальный характер ответной реакции семян ячменя на лазерное облучение в диаТаблица 1. Недозовый характер ответной реакции пыльцы пазоне 0,05…240 с при плотности мощности 0,25 Вт/м2. А - экспериментальная зависимость;

Длительность Интенсивность Плотность дозы Прорастание Б - аналитическая аппроксимация стимуляционного эффекта облучения, мин облучения, Вт/м2 облучения, кДж/м2 пыльцы, % Другим доказательством многомодальности исследуемого процесса является воз4 8 1,9 45±можность аппроксимации ответной реакции растительного организма квазипериодиче8 4 1,9 34±16 2 1,9 22±ской функцией вида: ( I=const; t)=A+B{1+sin[c /(d+t)]}, где А, В, с, d - коэффициенты, 8 1 0,5 37±рассчитываемые программными средствами Matcad, на основании эмпирических дан8 5 2,5 34±ных (рис. 8Б). Это также позволяет классифицировать лазерную стимуляцию, как ре8 10 5 34±гуляторный процесс, обусловленный действием обратных связей в цепях управления Контроль 21±метаболизмом клетки.

13 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Прорастание пыльцы, % Энергия прорастания, % Энергия прорастания, % 3. Условия проявления лазерной стимуляции функциональной активности процессах. В модельной динамической системе в культуре in vitro наличие только сарастений. профитной микрофлоры не оказало заметного влияния на развитие проростков овса сорта Горизонт (вариант опыта S) (рис. 12). Доля вегетирующих in vitro растений достаточ3.1. Признаки, выбранные в качестве результативных, должны иметь потенциальную но высока - 92 %. Однако, лазерное облучение нестерильных, с сапрофитной инфекцией, возможность увеличения своих количественных показателей. Такая оценка необходизерновок (вариант S + L), достоверно (P > 0,99) снизило их всхожесть. Число непроросма по отношению к каждой из характеристик, рассматриваемых в качестве ответной ших семян увеличилось в 2,5 раза на фоне заметного усиления развития сопутствующей, реакции организма. Отсутствие возможности роста по одному из критериев не препятнепатогенной микрофлоры. Еще больше подавило всхожесть семян искусственное зараствует проявлению стимуляционного эффекта по другим показателям (рис. 9).

жение патогеном Fusarium avenacium. В этом варианте опыта (S + P) число непроросших 3.2. Среда обитания (культивирования) не должна ограничивать переход организма в или с погибшими проростками зерновок в 3,4 раза превысило контрольный показатель новое стационарное состояние с большей активностью метаболических процессов. Ре(вариант S) при уровне значимости нулевой гипотезы < 0.01.

жимы облучения, соответствующие максимумам стимуляционного эффекта, не являются достаточным условием позитивного результата. Для усиления функциональной активно- 16 95 S S + L сти организма, его перехода в новое стационарное состояние с большей интенсивностью S + P метаболических процессов, необходим высокий жизнеобеспечивающий потенциал сре(S + L) + P ды обитания. Без соответствующего притока свободной энергии и метаболитов регуляторное действие НКИ будет носить недолговременный характер (использование внутренних ресурсов растения) или отсутствовать вовсе. Например, при культивировании в дистиллированной воде корневая система лучше развивалась у черенков, заготовленных из нижней части побега, т.к. они имели больший запас пластических веществ (рис. 10).

51Контроль Лазер Контроль Сапрофитная Патогенная 4Лазер 100 Контроль R L+R R+L микрофлора 3Рис. 11. Прорастание пыльцы облепихи при раз- Рис. 12. Количество вегетирующих растеличных способах облучения. R - рентгеновское об- ний овса сорта Горизонт в культуре in vitro 2лучение; L - лазерное облучение; L + R и при различных действующих факторах R + L - комбинированное облучение в соответст- (пояснения в тексте) 1вующей последовательности Присутствие патогена диаметрально изменило результат действия НКИ. Выход вегетирующих растений в варианте (S + L) + P увеличился почти до контрольного 0 уровня, а число нефункциональных семян сократилось в сравнении с необлучённым Энергия Длина листа, мм ВерхНиз прорастания, % вариантом (S + P) в 1,8 раза (P > 0,99). Объяснить это можно тем, что жизнедеятельность паразита по цепи химической регуляции индуцировала иммунную реакцию хоРис. 9. Энергия прорастания и длина первого лис- Рис. 10. Длина корней черенков смородины Пазяина, которая при лазерном облучении получила возможность большей экспрессии. В та пшеницы сорта Тамбовица в контроле и при мять Мичурина, заготовленных из верхней и нижлазерном облучении (632,8 нм; 0,5 с; 1,6 Вт/м2) ней частей побегов (632,8 нм; 20 мин; 1,5 Вт/м2) результате возросшей фунгицидной активности облученных семян была подавлена как паразитная, так и сапрофитная микрофлора.

Несмотря на очевидность двух первых условий, их часто не выполняют в экспериментах с лазерным облучением. Биологические возможности организма и условия 4. Длительное сохранение стимуляционного эффекта НКИ. Повышение функциосреды его обитания могут служить факторами, лимитирующими стимуляционный эф- нальной активности растительных организмов носит устойчивый характер и наблюдается фект любой природы. Но даже при отсутствии таких ограничений позитивный резуль- в течение времени, намного превышающего период облучения и релаксации продуктов фотат не всегда проявляется, что связано со следующим условием действия НКИ. тореакции. Воздействие НКИ на соматические ткани приводит в процессе вегетации к трансгрессии (расщеплению) ростовых признаков в генетически однородной популяции рас3.3. Необходимость эндогенной инициации биологического процесса для лазерной стимутений (рис. 13). Иные факторы, например, ионизирующая радиация, такого эффекта не выляции его активности. Воздействие НКИ несамодостаточно для включения de novo казывали (рис. 14). Согласно полученным результатам, одна часть растений остаётся индиффеких-либо определённых цепей эпигенетической регуляции. Оно лишь создает потенцирентной к НКИ, а другая реагирует максимально возможным образом. При оптимизации реальные возможности усиления тех процессов, которые запускаются действием иных жимов облучения возрастает коэффициент стимуляции k, равный отношению средних знафакторов и условий. Экспериментально установлено, что пострадиационное лазерное чений результативного признака в опыте и контроле. Это сопровождается усилением трансоблучение растений существенно эффективнее дорадиационного (рис. 11). Данная закогрессии и увеличением доли растений с наибольшей силой роста. Такая картина отвечает номерность проявляется не только на репарационных, но и других, например, иммунных 15 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Прорастание пыльцы, % Вегетирующие растения, % Длина корней, мм.

дискретному переключению экспрессии соответствующих генов. Следовательно, устойчиR (35) R+L (35) 50 R R (150) R+L (150) вость стимуляционного эффекта может поддерживаться механизмом двухоперонного тригR + L гера, открытого Ж. Моно и Ф. Жакобом (1964), т.е. на эпигенетическом уровне.

Контроль, k=1,0 Контроль 80 L Лазер, k=1,R Лазер, k=1,Лазер, k=2,5 0 2,5 5 15 30 50 100 220 020Доза облучения, Гр Доза облучения, Гр Рис. 15. Прорастание пыльцы вишни пен- Рис. 16. Выживаемость саженцев облепихи сорта 0 10 20 30 40 50 60 70 5 15 25 35 45 сильванской при различных дозах ионизи- Сюрприз через 35 и 150 дней вегетации при разВысота растений, см Высота растений, см рующей радиации R ( 60Со; 4,7 Гр/мин) и личных дозах ионизирующей радиации R ( 60Со;

комбинированном R + L (30 с; 0,9 Вт/м2; 4,7 Гр/мин) и комбинированном R + L (632,8 нм;

Рис. 13. Распределение однолетних растений Рис. 14. Распределение растений облепихи 632,8 нм) облучении 120 с; 0,5 Вт/м2) облучении смородины сорта Голландская белая по высоте сорта Сюрприз по высоте при различных спопри значениях коэффициента стимуляции k, опре- собах облучения. Длительность лазерного Установленные закономерности ответной реакции растительных организмов указываделённых на различных длительностях лазерного облучения 120 с, при плотности мощности ют на регуляторный механизм действия НКИ, который характеризуется неспецифичностью, облучения. Длина волны облучения 632,8 нм; 0,5 Вт/м2. Доза ионизирующего облучения плотность мощности 0,5 Вт/м2 10 Гр, мощность дозы 4,7 Гр/мин устойчивостью и несамодостаточностью своего проявления. В данной серии экспериментов изменяли только энергетические параметры: интенсивность, длительность и длину волны 5. При воздействии неблагоприятных факторов НКИ повышает надёжность облучения. Не меньшую роль в формировании биологической реакции играют и статистичефункционирования растительных организмов. В зависимости от конкретных условий ские параметры НКИ, обусловленные корреляцией фаз фотонного коллектива.

могут активизироваться различные защитные механизмы: толерантность, устойчивость, Четвёртая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям антистрессорная реакция и т.п. Лазерное облучение усиливает иммунные, репарационные и биорегуляторных функций когерентных электромагнитных полей оптической области регенерационные процессы, обеспечивая более полное использование адаптивного потенциаспектра. Спецификой лазерной стимуляции является то, что повышение функциональла растений. При лазерном облучении действие лимитирующего фактора, например, иониной активности растительных организмов происходит и при облучении в условиях естезирующей радиации, начинает проявляться в области бльших доз. Согласно закону ственной освещённости, значительно превосходящей НКИ по интенсивности. В этом явВ. Шелфорда, это позволяет говорить о расширении зоны толерантности организма. С увелении есть общие черты с дистанционным межклеточным взаимодействием (ДМВ), количением дестабилизирующей нагрузки включаются механизмы SOS-репарации, вызывая торое заключается в передаче регуляторных сигналов посредством биохемилюминесобщий подъём функциональной активности биосистем. Пострадиационное лазерное облуценции - сверхслабого свечения клеток, обусловленного их жизнедеятельностью. Такой чение значительно повышает активность протекающих процессов, что может быть выражено коммуникационный канал обладает высокой помехоустойчивостью. Принцип его функв виде синергической реакции на сравнительно небольших дозах или в виде высокой радиационирования может служить ключом к пониманию механизма лазерной стимуляции.

ционной устойчивости организма при критических дозах. Похожие результаты имели место Проведенные нами исследования показали, что кратковременное воздействие когеренткак при использовании гелий-неонового (632,8), так и азотного (337,1 нм) лазеров.

ного света существенно повышает эффективность ДМВ. Моделирование дистанционного В области сублетальных доз наблюдали эффект аномальной устойчивости взаимодействия проходило с помощью биологических препаратов, представляющих собой (рис. 15; 16, кривые R), который является следствием стресса - неспецифического адаптивстеклянные пластинки, покрытые слоем агаризированной питательной среды с равномерно ного синдрома. Его защитное действие заключается в торможении метаболизма клетки и нанесёнными пыльцевыми зёрнами плодовых растений. Пыльцу в препаратах-индукторах временном усилении катаболических процессов (Веселова и др, 1993). При таких же дозах, (И) подвергали лазерной обработке различной длительности. Препараты – детекторы (Д) и но комбинированном (R+L) облучении, аномальной устойчивости, а, следовательно, и контроль (К) содержали такую же, но не облучённую пыльцу. В процессе инкубации, котостресса, не наблюдали. Вероятно, это связано с тем, что НКИ повысило активность антирая проходила в течение суток при температуре 28°С, детекторы и индукторы имели между оксидантной системы. В результате, уровень свободно-радикальных процессов не достиг собой оптическую связь, а контроль был от них оптически изолирован. Об эффекте взаимокритической величины и у клеток не возникло оснований для развития стресс-синдрома. К действия судили по интенсивности прорастания пыльцы на различных препаратах (рис. 17, концу вегетации именно эти организмы оказались более жизнеспособными, чем переживтабл. 2). У индукторов и детекторов прорастание пыльцы было в 2…3 раза выше, чем в коншие стресс (рис. 16). Представленные закономерности характерны и для других дестабилитроле, но мало различалось между собой (Р < 0,6; R = 0,83…0,93). Отличия же с контролем у зирующих факторов. В целом, когерентное излучение обеспечивает повышение надёжноэтих препаратов существенны и статистически значимы (Р > 0,99).

сти функционирования растений на уровне развития различных защитных стратегий.

17 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com % Прорастание пыльцы, % Выживаемость растений, Количество растений, %.

Количество растений, %.

Таблица 2. Воспроизводимость эффекта В канале ДМВ со стохастическим фазовым экраном, снижающим пространственную И дистанционного взаимодействия пыльцы когерентность излучения, наблюдали меньшую величину реакции биодетектора (рис. 19), Д вишни по месяцам чем в канале с упорядоченным фазовым экраном, не нарушающим корреляцию фаз фотонК ного коллектива. Различия между этими вариантами математически обоснованы (Р > 0,97).

Варианты Прорастание пыльцы, % Следовательно, оптическое излучение клеток обладает статистической упорядоченностью, опыта май июнь август и это свойство поля необходимо для передачи регуляторных сигналов в канале ДМВ.

Индуктор 42,8 ± 2,6 26,1 ± 1,7 46,5 ± 2,2. Способность клеток различать статистические свойства действующего света доказывается результатами следующих экспериментов. Объектом облучения выбрана динамиДетектор 42,8 ± 2,8 33,6 ± 1,5 40,1 ± 1,ческая система «хозяин – паразит», в которой различающиеся по размеру клетки взаимоКонтроль 14,3 ± 3,9 10,5 ± 1,3 8,1 ± 0,действовали по механизму индуцированного иммунитета. Такой системой служили плоды яблони Malus domestica Borkh с находящимися на их поверхности спорами патогенных Рис. 17. Взаимодействие пыльцы сливы при различ0 4 8 12 16 20 грибов Penicillium expansum Link, Botrytis cinera Pers., Mucor racemosus Fres. и др. Эти инных длительностях лазерного облучения Длительность облучения, мин фицированные плоды подвергали кратковременному воздействию квазимонохроматического света с высокой или низкой когерентностью. В качестве источника излучения с выИз полученных результатов следует, что фотоактивированные клетки индукторов сокой когерентностью (rk, Lk >1000 мкм) использовали гелий-неоновый лазер (режим «Ладействовали на необлучённый детектор так же, как лазерное излучение. Это позволяет зер», рис. 20). Лампа накаливания с системой светофильтров и формирующей оптикой предположить, что в дистанционном нехимическом взаимодействии клеток коммуни(режим «Лампа») служила источником света с низкой когерентностью (rk, Lk 8 мкм).

кационные функции выполняет когерентное излучение. Такое статистически упорядоЭнергетические параметры обоих квазимонохроматических источников устанавливали ченное поле даже при очень низкой интенсивности может надёжно детектироваться на одинаковыми. Плоды облучали при температуре +18 °С и фоновой освещенности фоне существенно более мощной стохастической помехи, которой является естествен30…40 люкс, создаваемой рассеянным солнечным светом. Контрольные плоды находиная освещённость. Для того чтобы слабые световые сигналы выполняли биорегуляторлись в таких же условиях (режим «Фон»), но при этом их тщательно изолировали от мононые функции, необходима реализация трёх условий:

хроматического излучения. На момент облучения средние размеры клеток хозяина Dх (эпи 1 - клетки способны генерировать когерентные фотоны;

дермальные и паренхимные ткани плода) были 40…50 мкм, клеток паразита (споры гри 2 - клетки способны различать когерентность света;

бов) Dп - 3…8 мкм. Количество пораженных плодов определяли через 70 (Антоновкв 3 - на протяжении нескольких клеточных слоёв распространение когерентных волн в биообыкновенная) и 220 (Синап северный) суток хранения при температуре +4 °С и относиструктурах происходит без значительной потери статистической упорядоченности.

тельной влажности 90 %. Критерием поражения плодов служило наличие видимых симНами получено экспериментальное подтверждение всех трёх условий.

птомов грибных заболеваний.

1. Коммуникационные отношения посредством биохемилюминесценции наблюдали Рис. 20. Реакция динамической между стабилизированной гепарином кровью человека (индуктор) и семенами редиса (де- Лазер Фон Лампа системы «хозяин-паразит» после воздействия оптического излучетектор) (рис. 18, 19). Кровь предварительно возбуждали стимулирующей дозой ионизи- ния с различной когерентностью.

рующей радиации ( 60Со) или кратковременным лазерным облучением (632,8 нм). О меж30 «Лазер» - облучение высококогеклеточном взаимодействии судили по приведённой длине проростков (индекс роста по рентным светом гелий-неонового лазера: rk, Lk >1000 мкм. «ЛамА.М. Кузину, 1995) в вариантах опыта и контроле, которым служили интактные семена.

па» - облучение квазимонохроматическим светом лампы накаливаВысокая функциональния: rk, Lk 8 мкм. Фон - естественДетектор ная активность ный рассеянный свет, 40 лк:

Р>0,12 Антоновка обыкновенная Синап северный rk, Lk (контроль) Упорядоченный фазовый экран (УФЭ) Равновесие в динамической системе «хозяин-паразит» смещалось в зависимости от Р>0,когерентности действующего излучения. Низкокогерентный свет лампы накаливания Индуктор Возбуждённый индуктор (рис. 20) стимулировал только мелкие клетки паразита, вызывая большее поражение плоСтохастический 6 дов в сравнении с необлучённым контролем. Высококогерентное лазерное излучение с тефазовый экран (СФЭ) ми же энергетическими параметрами, активизировало также и более крупные клетки хоНизкая функциональзяина, возросшая иммунная реакция которых подавила патогенную инфекцию. СопоставДетектор Контроль У Ф Э С Ф Э ная активность ление размера клеток с радиусом корреляции и длиной когерентности действовавшего светового пучка приводит к выводу, что функциональная активность в наибольшей степени Рис. 18. Схема эксперимента. Индуктор - кровь Рис. 19. Функциональная активность биодетекчеловека, возбуждённая ионизирующей радиа- торов со стороны упорядоченного (УФЭ) и сто- возрастала у клеток, полностью помещавшихся в объёме когерентности поля. Из этого цией. Детектор - прорастающие семена редиса хастического (СФЭ) фазовых экранов следует, что величина детектируемой области фазовых корреляций поля задана наиболь19 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Прорастание пыльцы, % Поражение плодов, % с, ка ет дс но м Ир м шим размером клетки D, а условие распознавания когерентного сигнала, т.е. максимальной Проведенные нами исследования показывают, что реакция растительных клеток зависит от статистической упорядоченности действующего излучения. Физиологически знавыраженности фотоиндуцированной реакции имеет вид: Lk; rk D. Тогда параметр D, случимой для них является не только временная, но и пространственная когерентность. Это жащий порогом дискриминации статистических свойств излучения, может быть принят за хорошо согласуется с описными выше результатами экспериментов со стохастическим фанекую биологическую меру когерентности оптического излучения.

зовым экраном. При одной и той же длине когерентности и, следовательно, постоянной Важное теоретическое значение имеет вопрос: спектральные или когерентные ширине спектральной линии, изменение радиуса корреляции поля существенно влияет на свойства света лежат в основе наблюдаемого явления? Обе эти характеристики, согласно фотоиндуцированную реакцию различных биосистем. В целом, величина стимуляционнотеореме Винера-Хинчина, аналитически связаны между собой, но сопряженные с ними биологические механизмы могут существенно различаться. Т.И. Кару с соавт. (1983, го эффекта квазимонохроматического света будет определяться двумя соотношениями:

1985), С.В. Москвин (2003) полагают, что реакция клеток зависит от ширины спектраль1. Для отдельной клетки - той её долей, которая помещается в объёме когерентноной полосы света и не зависит от его когерентности. Для получения однозначного ответа сти поля.

необходимо использовать излучение с постоянной шириной спектра, но различной ста2. Для совокупности неоднородных по размеру клеток - тем их количеством, для котистической упорядоченностью. Этому требованию отвечает тепловой источник с фикторого выполняется условие Lk; rk D.

сированным значением длины когерентности и изменяемым радиусом корреляции поля.

Иными словами, фотоиндуцированная реакция выражена тем сильнее, чем в большем На трёх существенно различающихся биологических моделях наблюдали одну и объёме клеточной популяции имеет место корреляция фаз фотонного коллектива дейтуже закономерность (табл. 3). Величина фотоиндуцированной реакции возрастала с увествующего света.

личением статистической упорядоченности квантов действующего света. Наибольший Порог дискриминации (биологическая мера) когерентности по наибольшему размеру стимуляционный эффект получен при использовании лазерного излучения, обладающего клетки указывает на то, что весь её объём принимает участие в оценке статистических высокой пространственно-временной когерентностью. У семян редиса менее когерентсвойств действующего излучения. Тогда фазовым детектором соответствующих размеров ный свет теплового источника (Lk = 32 мкм; rk = 40 мкм) вызвал достоверное (Р = 0,98), представляется мембранный пул клетки. В таком детекторе первичными акцепторами фоно не столь значительное усиление функциональной активности. Это может быть связатонов служат ассоциированные с липидным бислоем хромопротеиды. Вероятно, их возбуно с тем, что приблизительно 15 % клеток превосходили по размеру характеристический ждение достаточно когерентным (по критерию D) светом увеличивает вероятность коопепараметр Lk и, соответственно, не полностью помещались в объёме когерентности поля.

ративных процессов в биомембранах и приводит к дискретному (триггерному) изменению регуляторных функций. В силу этого, биологическая эффективность когерентного излучеТаблица 3. Зависимость фотоиндуцированного эффекта ния может оказаться достаточно высокой, чтобы позволить клеткам использовать слабые от статистических параметров действующего света световые потоки в коммуникационных целях. Наличие стохастической помехи накладываСредний Статистические Существенность ет на параметр D дополнительное ограничение: размер клетки должен быть больше длины Объект размер параметры Коэффициент различий облучения клеток, облучения стимуляции когерентности и радиуса корреляции излучения, создающего естественный фон, то есть, с контролем мкм Lk, мкм rk, мкм D (Lk*; rk*)~. Величины Lk* и rk* меньше размера абсолютного большинства клеток и, Более Более следовательно, соотношение Lk; rk D Lk*; rk* легко реализуется для квазимонохроматиСемена 2,1 Р > 0,15…25 1000 10ческого излучения, действующего на фоне естественной освещённости.

редиса 32 40 1,7 Р > 0, 3. При распространении световых волн в оптически гетерогенной среде биологиБолее Более Микропобеги 3,9 Р > 0,ческих структур снижается пространственная когерентность поля. Однако это проис10…20 1000 10ежевики ходит не столь заметно, как полагали ранее. Согласно проведенным измерениям, ста32 5 2,1 Р < 0,тистическая упорядоченность излучения сохраняется на глубине нескольких миллиБолее Более 2,9 Р > 0,Пыльца 1000 10метров (табл. 4), что соответствует десяткам и сотням клеточных слоёв.

40…сливы 32 40 1,4 Р > 0,Таблица 4. Снижение степени пространственной когерентности лазерного пучка 32 5 1,1 Р < 0,при распространении в растительных тканях Роль статистической упорядоченности света наиболее заметна при облучении круп- Степень когерентности проходящего пучка, % Толщина клеточных слоёв, мм ных клеток. Кратковременное воздействие низкокогерентного квазимонохроматического Огурец Яблоко 0,5 32,6 ± 1,излучения теплового источника (Lk = 32 мкм; rk = 5 мкм) практически не повлияло на 1 51,7 ± 1,0 17,5 ± 1,функциональную активность пыльцевых зерён сливы. Коэффициент стимуляции в этом 2 24,5 ± 1,0 5,5 ± 1,случае был равен 1,1. Увеличение радиуса корреляции до 40 мкм при той же спектральной 3 4,9 ± 1,ширине линии с высокой достоверностью (Р >> 0,99) повысило прорастаемость пыльцы 4 1,04 ±0,(табл. 3), т.к. часть клеток, имеющих меньшие размеры, уже помещалась в объёме коге4,7 1,5 ± 0,рентности поля. Максимальный стимуляционный эффект имел место при лазерном облу6 0,77 ±0,чении, обеспечивающем выполнение условия Lk; rk D для всех без исключения клеток.

21 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Взаимодействие когерентного света с растительными организмами носит сложный, не- ного поля, привело к структурной организации бессистемно делящихся клеток каллуса.

линейный характер, при котором изменяются как структурно-функциональная организация В этом варианте опыта получено 26,1 % растений-регенерантов.

тканей, так и амплитудно-фазовые характеристики поля. Установлено, что степень когерентности рассеянного излучения зависит от состояния биологического объекта. У функционально активной ткани происходит меньшая стохастизация фаз когерентных волн, на что указывают бльшие значения радиусов корреляции rk. Действие различных дестабилизирующих факторов (физических, химических, биотических), нарушающих нормальную жизнедеятельность организма, приводит к уширению спектра пространственных частот и изменению параметров пространственной поперечной корреляционной функции поля (рис. 21).

Обнаружено явление фотоиндуцированной перестройки микроструктурной организации растительной ткани непосредственно в процессе воздействия квазимонохроматической волны. В течение нескольких десятков секунд облучения происходит рост степени пространственной когерентности (рис. 22) и радиуса корреляции рассеянного зондирующего пучка, Рис. 23. Схема голографического эксперимента (вид сверху). Объекты облучения находятся в одчто указывает на снижение степени стохастизации поля. Причиной этого может служить ном стеклянном сосуде с питательной средой и разделены непрозрачными перегородками.

увеличение топологической упорядоченности оптических неоднородностей растительной 1 - контроль (без облучения), 2 - лазерное облучение, 3 - лазерное облучение вместе с индуктоткани. Под влиянием квазимонохроматического света её микроструктура становится более ром, 4 - облучение по схеме записи объёмной голограммы Ю.Н. Денисюка, 5 - индуктор - дифференцированная растительная ткань (побег). На фото справа растениеорганизованной, то есть имеет место обоюдное (взаимное) действие когерентного поля и регенерант (указано стрелкой), полученное методом голографической индукции морфогенеза биологических структур. Естественное или искусственное снижение функциональной активности организма делает динамический эффект менее выраженным, а в случае сильного по Обработка лазерным пучком без пространственной модуляции дало 8,3 % регенеражения наблюдали обратную тенденцию. Рост статистических характеристик рассеянного рантов, в то время как в контроле (без облучения) их было всего 3,6 %. В случае с гоизлучения сменялся их спадом (рис. 22). Это явление было использовано для экспресслограммой внутри каллуса происходило наложение двух встречных когерентных пучдиагностики функционального состояния растительных организмов (глава 5).

ков. Их интерференция образовывала новое распределение поля, отражающее структуру дифференцированных тканей побега. Это сложно организованное поле стимулиро100 1 вало пролиферативные процессы в строго определённых областях каллуса, которые, по 2 всей видимости, и явились инициальными зонами морфогенеза. В дальнейшем, расте3 ния-регенеранты, полученные с помощью голограммы, нормально развивались, не отличаясь фенотипически от исходного сорта.

40 Голографические эксперименты иллюстрируют влияние пространственноорганизованного когерентного поля на структурную организацию биосистем. Информация о формообразовательном процессе живого организма заключена в его генетической программе. Исходя из этого, выдвигается гипотеза о трансляции клеточным ядром когерентных сигналов по принципу фазовой антенной решётки (ФАР). Между нуклеотидами rk3 rk2 rkв цепи ДНК существует безизлучательный обмен энергией в виде триплет-триплетного экситона. Его миграция, согласно фосфоресцентным измерениям, наиболее вероятно 0 4 8 12 16 0 20 40 60 80 100 1идет в направлении цитозин – гуанин – аденин – тимин и может быть приостановлена s, усл.ед.

Длительность облучения, с (тепловая диссипация) ионом металла, связанным с одним из оснований. Если на пути экситона окажется основание с более высокой энергией электронного уровня, например Рис. 21. Пространственные корреляционные Рис. 22. Динамика фотоиндуцированного изменецитозин, то образуется потенциальная яма, в которой произойдёт высвечивание фотона.

функции G(s)=100 (s) лазерного пучка, рассе- ния степени когерентности монохроматического янного листовыми пластинками амброзии трёх- излучения (650 нм), рассеянного листовыми плаБлагодаря межнуклиотидному экситону, обладающему значительной пространственраздельной при различных функциональных со- стинками цисуса ромболистного в функционально но - временной свободой, возможна фазировка отдельных актов излучения в соответстстояниях: 1 - начало старения; 2 - развитие про- активном состоянии (Fv / Fm = 0,8) - 1 и поражёнвии с последовательностью нуклеотидов, т.е. генетическим кодом. В результате генетицесса старения; 3 - выраженные признаки ста- ными хлорозом (Fv / Fm = 0,6) - 2; линии тренрения. Измерения проведены с помощью раз- да - (3). О функциональном состоянии судили по ческий код получает отражение в пространственно-временных характеристиках когеработанного компьютеризированного прибора показаниям хлорофиллфлуориметра Fv / Fm рентного электромагнитного поля ядра, которое, воздействуя на определённые участки биомембран, может изменять их свойства. Таким образом, ядро, как транслирующая Используя пространственную модуляцию лазерного пучка, впервые удалось осуФАР и мембранные структуры клетки в качестве фазочувствительного приёмника обраществить голографическую индукцию морфогенеза в каллусных тканях плодовых зуют полевой коммуникационный канал. Косвенным подтверждением его существовакультур со слабой регенерационной способностью (рис. 23). Воздействие голограммы ния служит ядерно-плазменное отношение Р. Гертвига. Сущность явления заключается в дифференцированного органа, то есть, организованного некоторым образом когерент23 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com G(s) Степень когерентности, % постоянстве отношения между объёмами ядра и цитоплазмы функционально активных высших растений. Их спектры действия лежат в интервалах 350…500 нм и клеток одного вида. То есть, ядро имеет свою определённую сферу действия. 600…690 нм. В этих диапазонах генерируют различные газовые лазеры: аргоновые, геВ рамках высказанной гипотезы удалось установить, что соотношение между ядром и лий-неоновые, гелий-кадмиевые. Наиболее доступными являются гелий-неоновые цитоплазмой такое же, как между размерами ФАР и областью её синфазной (когерентной) (632,8 нм) лазеры, что и определило их популярность в растениеводстве.

трансляции. Используя формализм ФАР, найдено аналитическое решение ядерно2. Плотность мощности (интенсивность) излучения. Проведенные нами исследования плазменного отношения митотически активной клетки: NP=[(2D / n )3/2 – 1] –1, где показали, что биорегуляторное действие НКИ проявляется в широком диапазоне инNP - ядерно-плазменное отношение, D - размер клетки, - длина волны излучения, тенсивностей: от сотых долей до сотен ватт на квадратный метр. С позиций произвоn - постоянный коэффициент. Сопоставление вычисленных по этой формуле значений с дительности и энергосбережения выгодна низкая облучённость. Однако при малой полученными экспериментально Я.Е. Хесиным (1967), С.М. Зубковой (1993) и др. показало плотности мощности контроль светового пятна в рабочей зоне становится затруднихорошее совпадение результатов (рис. 24). Когерентное поле ядра - ФАР охватывает весь тельным и требует экранирования внешней засветки. Расчёты, проведенные с учётом объём митотически активной клетки. Такое положение полностью согласуется с ранее сде- спектральной чувствительности глаза показывают, что удовлетворительной может ланным выводом, что эффект фотостимуляции монохроматическим светом наиболее вы- быть интенсивность превышающая 0,1 Вт/м2. С другой стороны, наибольшее значение ражен, когда клетка целиком помещается в объёме когерентности поля. этого параметра ограничено термоинактивацией биосистем. Оценка предельно допустимой интенсивности I0 для листовых пластинок растений, находящихся в стационарРис. 24. Зависимость ядерноплазменного отношения от разменом световом потоке, сделана на основании решения уравнения Лапласа:

ров клетки.

kI a b 2, kI kI a 50 2 2 0 1 - определённая аналитически;

,, T1 - Tст = (b - x ) Tст - T0 = Tmax - T0 = (1 + ) 2 - рассчитанная по результатам ци- 4 b 2 2 2a Область 1 2 тологических исследований синфазной где Тст - температура освещаемой поверхности листовой пластинки Т0 - температура возЯ.Е. Хесина (1967);

трансляции 30 духа на расстоянии а b от листа; Тmax - максимальная температура внутри листовой 3 - рассчитанная по результатам ципластинки; k - доля световой энергии, идущая на нагревание листа; 2b - толщина столбтологических исследований С.М. Зубковой и В.И. Попова (1993) Область чатой паренхимы; 1 и - теплопроводности листовой пластинки и контактирующей с осцилляций поля ней среды. В типичном случае, с учётом расходования энергии на транспирацию, тепловое повреждение фотосинтезирующей ткани может произойти при плотности мощности 1015излучения гелий-неонового лазера 430…540 Вт/м2. Измерения, проведенные с помощью Размер клетки, мкм метода лазерного анализа микроструктуры, дали сопоставимые результаты.

3. Длительность облучения. Продолжительность лазерной обработки в большей степени Выдвинутые теоретические положения и подтверждающие их экспериментальные влияет на стимуляционный эффект, чем плотность мощности. В главе 3 было показано, данные легли в основу концепции управления функциональной активностью растений что ответная реакция растительных организмов на облучение когерентным светом неликогерентным светом. Сама же концепция послужила научной базой для разработки нейно зависит от длительности воздействия. Максимумы стимуляционного эффекта напрецизионных (высокоточных) лазерных агротехнологий.

блюдали в диапазоне от долей секунды до десятков минут. Для производственных услоВ пятой главе рассмотрен системный подход к созданию прецизионных агротехвий характерна пространственно-временная нестабильность позиционирования обрабанологий с использованием когерентного света. Принципиальное значение в нём имеет тываемой продукции. При малых (доли секунды) временах облучения, как это имеет мевзаимосвязанное решение комплекса агробиологических, технологических и инженерносто на установке «Львов-1 Электроника», не все биологические объекты будут попадать технических вопросов. Такой подход позволил разработать высокоэффективные способы в зону действия лазерного пучка. Значительное увеличение продолжительности обработи технологические приёмы лазерного облучения и функциональной диагностики растеки (более 20 минут) снизит производительность технологического процесса. Тогда, доний. Их новизна защищена изобретениями и патентами, а полезность доказывается репустимый временной диапазон составит 1…1200 с. В нём, как правило, регистрируют не зультатами внедрения в научную и производственную практику.

менее пяти экстремальных значений ответной реакции растительного организма и, по В основе лазерных агротехнологий (ЛАТ) лежит взаимодействие когерентного света с крайней мере, один из максимумов лежит в интервале 1…240 с. Именно такие длительбиологическими системами и структурами. В результате такого взаимодействия может ности экспозиций можно рекомендовать для практического использования.

быть увеличена физиологическая активность растительных организмов и получена инфор4. Длина когерентности и радиус корреляции светового пучка. В основе ЛАТ лежит мация об их функциональном состоянии. Следовательно, именно когерентное электромагприменение лазерного, т.е. высококогерентного излучения. Нами установлено, что нитное поле служит рабочим органом оборудования ЛАТ. Обоснование диапазонов его корреляция фаз фотонного коллектива играет важную роль в фоторегуляторных пропараметров проведено на основании литературных данных, собственных экспериментальцессах. Из этого следует, что статистические свойства электромагнитного поля также ных исследований и теоретических расчётов.

являются значимой характеристикой рабочего органа оборудования ЛАТ. Количест1. Длина волны излучения. Выбор длины волны когерентного источника и, соответственной мерой когерентности служат длина когерентности Lk и радиус корреляции rk венно, типа лазера проведен a priori на основании анализа фоторегуляторных систем 25 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com отношение, % Ядерно-плазменное поля. Как было показано выше, для произвольного квазимонохроматического световоЗагар го пучка они должны удовлетворять условию Lk; rk D, где D - размер клетки. На ос- Лазер Контроль Пухлость новании этого критерия может быть определена ширина спектральной линии квазимо18,50 Гниль нохроматического света, обладающего наибольшим стимуляционным эффектом. У фи3,тохрома транс-изомерный переход в физиологически активную форму происходит в диапазоне длин волн излучения 600…690 нм. Биологической мере когерентности для 2,30 34,15,этого участка спектра соответствует квазимонохроматический свет с шириной спек31,тральной линии менее 25 нм (расчёт проведен для среднего размера растительных 15,11,10,клеток более 20 мкм). Следовательно, один из определяющих параметров рабочего ор 3,гана имеет порядок десятков нанометров, а сами технологии, использующие биорегуКонтроль Лазер Контроль Лазер ляторное действие когерентного света, могут быть отнесены к классу нанотехнологий.

Благоприятный год Неблагоприятный год Рис. 26. Влияние лазерной обработки на соОбоснованные диапазоны параметров рабочего органа оборудования ЛАТ простояние плодов сорта Синап северный с мехашли экспериментальную проверку в разработанных технологиях лазерного облучения Рис. 25. Структура потерь плодов сорта Анто- ническими повреждениями, имитирующими новка обыкновенная через 160 дней хранения удар о ребро тарного ящика. Срок хранения плодов и растений. При этом был решён следующий комплекс вопросов, реализующих в разные по климатическим условиям годы 220 дней системный подход к данной проблеме:

Повышение сохранности плодов наблюдали в диапазоне плотностей мощности от 0,1. Оптимизация параметров рабочего органа оборудования ЛАТ и технологического до 280 Вт/м2. На многих сортах яблок апробирован энергетически более выгодный интерпроцесса в целом.

вал 0,1…4,0 Вт/м2 и его можно рекомендовать для практического применения. Математи2. Создание эффективных методов экспресс-диагностики растительных организмов.

ческое моделирование реакции плодов на лазерное облучение позволило установить, что 3. Опытное производство многофункциональных ЛОУ для растениеводства.

для плодов различного срока созревания и в неодинаковые по климатическим условиям 4. Оценка эффективности разработанных способов, технологических приёмов и технигоды оптимальной является длительность обработки 19…24 с. Этот результат находится в ческих средств ЛАТ.

хорошем соответствии с экспериментальными данными (табл. 6).

1.1. Лазерное облучение плодов и ягод в послеуборочный период (патент РФ Таблица 6. Оптимизация длительности облучения по выходу здоровых плодов № 1750487). При разработке технологического процесса исследовали влияние таких Оптимальная длительность параметров, как когерентность, плотность мощности, длительность воздействия, споСорт Уравнение регрессии облучения t, с соб организации светового потока, положение в нём плодов и срок их хранения в атрасчёт эксперимент мосфере без регулируемой газовой среды.

Ренет Черненко y = 0,0001t3 - 0,012t2 + 0,36 t + 97 20 16…Статистические характеристики квазимонохроматического света существенно влияЗвёздочка y = 0,0002t3 - 0,017t2 + 0,47 t + 96 24 16…ют на сохранность плодов. Объяснить это явление удаётся через представления о биологи- Богатырь y = 0,0004t3 - 0,049t2 + 1,44 t + 86 19 8…Синап северный y = 0,0006t3 - 0,068t2 + 1,99 t + 83 20 10…ческой мере когерентности (глава 4). В объёме когерентности поля лампы накаливания Антоновка новая y = 0,0007t3 - 0,078t2 + 2,32t + 74 21 16…полностью только мелкие клетки патогенов, что усиливает поражение плодов гнилями в Антоновка обыкновенная y = 0,0008t3 - 0,085t2 + 2,64t + 33 23 20…сравнении с необлученным контролем (табл. 5). Более крупные клетки эпидермальных и Производительность лазерной обработки плодов определяется длительностью облупаренхимных тканей яблока оказываются индифферентными к такому свету, и уровень чения и площадью рабочей зоны, в которой этот процесс происходит. Для увеличения её физиологических заболеваний плодов остаётся без изменений. Активность этих клеток размеров использовали три способа формирования светового потока: Расфокусировка пучвозрастает только при высококогерентном лазерном облучении, о чём свидетельствует знака лазерных лучей с помощью короткофокусной линзы (режим «Луч»). Расфокусировка чительное снижение как грибных (гнили), так и физиологических (загар) заболеваний. Такую лазерного пучка посредством растрового рассеивателя РРФ-3-60-5,6 (ТУ - 7.189.286) (ретенденцию наблюдали в различные по климатическим условиям годы (рис. 25). У плодов с жим «Растр»). Сканирование узкой полосой (режим «Полоса»). При хранении различных ушибами, сдирами и проколами происходило частичное заживление (регенерация и консерсортов наименьшие потери товарной продукции обеспечивал режим «Луч».

вация) тканей в зонах механических повреждений (рис. 26), в результате чего снижались поЭффект облучения яблок со стороны чашечки, плодоножки или экватора зависел от тери товарной продукции и повышался срок её хранения.

формы плода. Наилучший результат наблюдали, когда освещалась наибольшая его поТаблица 5. Потери плодов яблони сорта Антоновка обыкновенная верхность. Плоды конической формы (Синап северный) целесообразно облучать со сторочерез 190 дней хранения после световой обработки с различной когерентностью ны чашечки, а плоскоокруглые (Антоновка обыкновенная) со стороны экватора.

Потери товарной продукции, % Варианты опыта Лазерная обработка позволяет при сохранении уровня допустимых потерь (10 %) увеПоражение загаром Поражение гнилью личить срок хранения плодов. Для сортов осеннего и раннезимнего сроков созревания в храКонтроль 13,1 ± 2,8 12,8 ± 2,нилищах без регулируемой газовой среды он может быть увеличен на 2…3 месяца в сравнеНизкая когерентность 13,9 ± 2,7 25,6 ± 5,Высокая когерентность 4,4 ± 2,2 7,1 ± 1,5 нии с необлучённым контролем. Математическое моделирование динамики потерь показало, 27 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Потери товарной продукции,% что для этих помологических сортов наибольший экономический эффект наступает через I0 - интенсивность излучения в центре светового пучка, Ia - интенсивность излучения на гра5…6 месяцев после закладки на хранение и заключается в дополнительном выходе нице актуальной зоны, Sэф - эффективное сечение биообъекта, Тп и То - длительность подго250…280 кг стандартных плодов с каждой тонны заложенной продукции. товительного периода и длительность облучения. По данным производственных испытаний максимальная часовая производительность лазерной обработки достигает 2,5 тысяч черен1.2. Не менее эффективной оказалась и ков, 800 кг яблок, 750 кг земляники.

лазерная обработка земляники. Кратковре- 1менное (2…8 с) воздействие когерентного 2. Грамотное применение агротехнологических приёмов, анализ действия неблагосвета интенсивностью 0,3…1,6 Вт/м2 усили- приятных факторов, отбор устойчивых генотипов и т.п. нуждается в адекватной оценке вало иммунную реакцию плодов, о чём можфункционального состояния возделываемых растений. При всем разнообразии сущест20 часов но было судить по подавлению развития 60 вующих в биологии методов, экспресс-диагностика разработана весьма слабо и нуждается микробной инфекции. Разработанная технов поиске более совершенных подходов. Предложено принципиально новое техническое логия позволила продлить период реализации 40 решение, в основу которого положена установленная связь между функциональным сосвежих ягод без применения химических обстоянием организма и амплитудно-фазовыми характеристиками лазерного излучения, расЛазер работок или специализированных хранилищ.

20 сеянного его тканями (патенты РФ № 2016671, № 2222177, № 2225691). Сущность метода Контроль На сортах Фестивальная, Ред Гондланд, Зензаключается в Фурье-преобразовании пространственного спектра плоской монохроматичега-Зенгана имело место двукратное снижение ской волны после её взаимодействия с биологическим объектом. Для экспотерь товарной продукции и увеличение пресс-диагностики функционального состояния растений разработано и создано семейство 40 60 80 1срока её хранения при комнатной температуре оптико-электронных приборов (рис. 28), получивших название ЛАМ - лазерные анализаСрок хранения, часы на 15…25 часов (рис. 27). Для сравнения, такой торы микроструктуры. Модель ЛАМ-4 имеет автономное питание и может использоваться же результат может быть получен при использо- Рис. 27. Влияние лазерной обработки плодля полевых исследований (рис. 28 В). Более универсальными являются компьютеризиродов земляники сорта Фестивальная на дивании рефрижераторов или изотермических конванные модели, например, ЛАМ-5К (рис. 29). Процесс измерений у них полностью автонамику их сохранности в послеуборочный тейнеров, поддерживающих температуру матизирован и управляется по заданному алгоритму. При этом происходят расчёт и регипериод при естественных условиях содер0…+3°С (Бенне, 1978), но с существенно боль- жания страция в виде табличных данных и текущих графиков таких характеристик, как средняя шими экономическими затратами. интенсивность рассеянного светового потока I(t), степень его когерентности G(t), радиус корреляции поля rk(t), и вид пространственной корреляционной функции G(s). По величине 1.3. Исследования, проведенные на зелёных и одревесневших черенках облепихи, и скорости изменения этих параметров может быть дана количественная оценка функциосмородины, яблони, вегетирующих растениях облепихи, смородины, крыжовника, жимонального состояния растений.

лости, калины и ряда других культур, показали значительное усиление регенерационных и ростовых процессов при лазерной обработке. Наилучшие результаты достигнуты при длительности облучения 8…60 с и плотности мощности 0,2…1,4 Вт/м2. Разработанная техно- В А логия вегетативного размножения растений (А.С. СССР № 1157717) позволила в 2…3 раза увеличить выход саженцев трудноукореняемх культур и сократить затраты на их производство. При этом имело место расширение нормы реакции морфологических показателей облучённых совокупностей растительных организмов в сравнении с контрольными (необлученными) вариантами. Следовательно, лазерные агротехнологии позволяют более полно использовать генетический потенциал культурных растений (табл. 7) Таблица 7. Расширение нормы реакции морфологических показателей Б укорененных черенков облепихи сорта Новость Алтая при лазерном облучении Интервал варьирования Ростовые показатели Рис. 28. Различные модели лазерных анализаторов микроструктуКонтроль Лазер ры растительных тканей. А - многофункциональная модель Число корней, шт. 1 - 5 1 - ЛАМ-3М; Б - ЛАМ-3М (показан пунктирной стрелкой) в составе комДлина корней, мм 62 - 121 58 - 3плекса ЛИК-30А; В - ЛАМ-Число корневых клубеньков, шт. 0 - 12 0 - Надземный прирост, мм 0 - 120 15 - 2Метод и реализующие его устройства прошли испытания в научных центрах России 1.4. Создана автоматизированная линия лазерной обработки плодов, ягод, черенков и (ВНИИГиСПР, ВНИИС, ВНИИЦиСК, МГУ) и Германии (Рейнский университет). Установвегетирующих растений, позволившая практически реализовать разработанные технологии.

лена большая чувствительность и разрешающая способность ЛАМ в сравнении с зарубежДля световых пучков гауссова профиля выведено уравнение, описывающее производительными аналогами иного принципа действия. Так, например различия в оценке здоровых и поность облучения Q = - (P0 / I0 ) ln (Ia / I0 )/ [Sэф(Тп + То)], где P0 - мощность излучения лазера, 29 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Выход здоровых плодов, % ражённых патогеном Perenospora spinaceae растений шпината методом импульсной флуо- Разработанный метод использовали для оценки устойчивости растений к грибным и риметрии («РАМ-2000» фирма Heinz Walz GmbH, Германия) не превышали 40 %. Количест- вирусным заболеваниям, действию высоких и низких температур, экстремальной освевенные показатели этих же растений, определённые методом ЛАМ, различались в 4,4 раза. щённости, загрязнению почвы тяжёлыми металлами, избыточной засолённости и т.п.

При оценке устойчивости батата к низкой температуре состояние стресса (пик аномальной ЛАМ позволил оценивать последствия использования различных химических технологий. Показано, что фунгицид превикур наряду с подавлением грибной инфекции разруустойчивости при 15°С) удалось зарегистрировать только методом ЛАМ (рис. 30). Методом шает микроструктурную организацию тканей обработанных листовых пластинок. Ещё хлорофиллфлуоресценции выявить такую реакцию на охлаждение не удалось.

более выражено действие ретарданта церона, вызывающего искусственное старение тканей. Также было зарегистрировано стабилизирующее действие хлорида кальция.

Совместно с Институтом цветоводства и субтропических культур (г. Сочи) ме- раннеспелые формы тодом ЛАМ проведено исследование различных генотипов фейхоа. Установлено, что амплитудно-фазовые характеристики лазерного излучения (650 нм), рассеянного листовыми пластинками раннеспелых и позднеспелые формы позднеспелых форм существенно различаРис. 29. Функциональная схема и внешний вид лазерного анализатора микроструктуры растительных ются. У раннеспелых растений степень котканей ЛАМ-5К. 1 - источник когерентного излучения; 2 - поляроид; 3 - телескопическая система с Фурьегерентности рассеянного зондирующего фильтром; 4 - ограничивающая диафрагма; 5 - держатель объекта; 6 - светосильный интерферометр пучка в 1,5…2 раза больше, чем у позднес- 25 30 35 40 45 сдвига; 7 - выходная диафрагма; 8 - согласующая линза; 9 - фотоприёмник (СCD матрица);

пелых. Области локализации оптических 10 - электронная схема сопряжения; 11 - регистрирующее устройство (персональный компьютер) Интенсивность излучения, усл.ед.

параметров не перекрываются и при авто Наибольшую чувствительность обеспечивает динамический режим измерений. Колиматической сортировке саженцев могут Рис. 32. Распределение различных сортовых чественную оценку функциональной активности тканей позволяет получить аппроксимабыть разделены линейным решающим форм фейхоа по скороспелости в амплитудноция рядов экспериментальных данных степенными уравнениями регрессии вида фазовой системе координат рассеянного лазеруравнением (рис. 32). Также разработан G(t); I(t) = A t b, где b - динамический показатель, определяющий скорость изменения региного излучения. Пунктиром показана линия дисспособ диагностики потребности растений криминации генетического материала стрируемых величин. Например, интенсивное световое воздействие (лампа накаливания, в микроэлементном питании.

900 Вт/м2, 15 мин), приводящее к термофотодеструкции хлоропластов, снизило величину 3. Успех применения лазерных методов в сельском хозяйстве во многом зависит динамического показателя в 17 раз (рис. 31). С помощью хлорофиллфлуориметра на этих от технических средств облучения. Большинство существующих установок не отвеже объектах зарегистрировано изменение фотосинтетической активности всего в 1,6 раза.

чают необходимым требованиям, что явилось основанием для создания новых, более технологичных и универсальных устройств. Их конструирование проходило на основе 0,85 52 G2(t) = 49,4 t 0,0принципов безопасности, надёжности, многофункциональности и простоты эксплуата55 ции. В соответствие с заказами растениеводческих хозяйств разработана и выпущена 0,опытная партия установок серии ЛОС (лазерные облучатели сельскохозяйственные):

ЛОС-25, ЛОС-25А и ЛОС-25М. Эти ЛОУ предназначены для эксплуатации в жёстких 0,75 40 климатических условиях, обладают повышенной надежностью, имеют пыле- влаго- и 3 виброзащиту, допускают агрегатирование с различными с.-х. машинами и механизма0,ми, осуществляют коммутацию их электропривода, позволяют в широких пределах Fv/Fm менять параметры облучения. В установках защита от механических перегрузок проG G1(t) = 33,7 t 0,10,65 28 исходит на пассивном и активном уровнях. Первый - обеспечивается креплением ла20 15 10 5 зера внутри цилиндрического защитного кожуха на амортизирующей подвеске. Вто0 25 50 75 1Действующая температура, °С рой - отключением ЛОС и сопряжённых с ним оборудования (погрузчиков зерна, Длительность облучения, с транспортёров, шнековых подъёмников и т.п.) при достижении предельноРис. 30. Оценка влияния пониженных тем- Рис. 31. Изменение когерентности рассеянного допустимых механических нагрузок на лазер. Падения и удары вызывают колебаператур на вегетирующие растения батата лазерного пучка в процессе измерений листовой тельное движение упруго закреплённого излучателя по известному закону методами РАМ (Fv/Fm) и ЛАМ (G) пластинки цисуса ромболистного в исходном состоянии (низкая освещённость) - 1 и после свеx = A e-qt sin[ t ], где А - амплитуда колебаний, m – масса лазера с ( ( / m ) - q ) товой обработки - 2. Линии тренда - оптической системой, - коэффициент жесткости амортизирующей подвески, 31 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Когерентность излучения, % G, % Fv/Fm Когерентность излучения, % q - коэффициент затухания колебаний, – начальная фаза Установки серии ЛОС внедрены в хоколебаний. Согласно ТУ для единичных ударов предель- зяйства Тамбовской, Саратовской и Линая нагрузка на излучатель ограничена 8g, следовательно, пецкой областей. Их применяли для облучения растений в полевых условиях 4 А/T2 8g. На основании этих уравнений проведен расчёт (рис. 35), плодов и овощей перед закладподвесной системы. Экспериментальное (рис. 33) и матемакой на хранение, посадочного материала тическое моделирование показало, что установки серии при вегетативном размножении растений.

ЛОС могут выдерживать энергию удара по корпусу до Наиболее значимой для сельского хозяй100 Дж или падение с высоты 35…40 см.

ства является предпосевная лазерная обраЛОУ сельскохозяйственного назначения эксплуатируютботка зерна. Кратковременное воздействие ся в условиях повышенной запылённости. Оседание частиц на когерентного света усиливает иммунные и оптических элементах лазерных установок приводит к поглоростовые процессы, позволяя значительно щению и рассеиванию излучения. Так, например, установка снизить объём применения фунгицидов.

«Львов-1 Электроника» через несколько часов работы в зерРис. 33. Экспериментальное Рис. 35. Ночное облучение плантации земляники Наибольшая производительность достиганохранилище теряет большую часть (до 80 %) выходной мощисследование амортизис помощью самоходной лазерной установки ется при установке ЛОС на выходной рующей подвески с помо- ности лазерного пучка. Чтобы избежать этого негативного явЛОС-25-М щью вибрографа ВР-1А шнек протравителей семян типа «Мобиления, оптический тракт установок серии ЛОС выполнен гертокс» или «ПС-10». Тракт химической обработки при этом отключают. В час может метичным. Единственным оптическим элементом, имеющим контакт с внешней средой, облучаться до 10 тонн семян без привлечения дополнительного обслуживающего перстало стекло выходного иллюминатора. Для его очистки применили струю воздуха, обрасонала. По своим характеристикам ЛОС превосходят широко известную установку зующую в актуальной зоне турбулентный вихрь. Воздух нагнетается внутрь защитного Львов-1 Электроника или её современный аналог УЛПОС, выпускаемый ОАО АК кожуха прямоточным вентилятором ВВФ-112М (рис. 34). Проносящиеся с большой скоро"Туламашзавод". Так, например, при вдвое большей производительности ЛОС имеет в стью частицы пыли не только не оседают на стекле, но и очищают его от возможных за22 раза меньший вес, в 6 раз меньшее энергопотребление, более компактен. В отличие грязнений. Профилактическая разборка установок проработавших 3 - 5 лет в условиях реот УЛПОС созданные установки позволяют изменять режимы облучения и контролиального сельскохозяйственного производства показала полное отсутствие пыли в их оптировать их в процессе работы.

ческих трактах. Стёкла выходных иллюминаторов также оказались совершенно чистыми.

4. Внедрение лазерных агротехнологий затрагивает сложный комплекс социальных, экологических и экономических вопросов. Среди социальных, наибольшее негативное влияние оказывают: низкая информированность специалистов аграрного производства о механизме биорегуляторного действия НКИ и результатах применения лазеров в растениеводстве; недостаточное количество научно-методической литературы по данному вопросу; закрытие ранее действующих специализированных школ подготовки кадров; лоббирование интересов производителей химических препаратов на всех уровнях государственной власти. Сдерживающим фактором является также психологическая инерция при принятии новых решений и высокая бюрократизация управления сельским хозяйством.

Рис. 34. Блок формирования потока излучения установок серии ЛОС. 1 - металлическая сетка;

2 - вентилятор; 3 - детектор референтного пучка; 4 - виброзащитная подвеска; 5 - защитный ко- Экологическое значение лазерных агротехнологий заключается в сокращении жух; 6 - источник когерентного излучения (лазер); 7 - оптическая система с выходным иллюминаприменения токсичных компонент агротехнологий, оздоровлении сельскохозяйствентором (справа на фотографии); 8 - съёмный колпак; 9 - крышка с прозрачным (пластиковым) окных территорий и проживающего на них населения, производстве экологически чисном. (Стрелками показано направление воздушных потоков) тых продуктов пригодных для детского и диетического питания.

Модели с индексами «А» и «М» снабжены электронным устройством контроля Экологическая безопасность лазерной обработки растений доказывается:

параметров облучения. Оно производит анализ температуры корпуса лазера, напряже1. Низкой энергией действующих квантов света: h < 2,5 эВ, недостаточной для разния питающей сети, наличия заземления, мощности излучения, степени запыленности рыва ковалентных связей макромолекул.

воздуха, интенсивности вибрации. При этом три последние характеристики контроли2. Незначительной плотностью мощности: I = 0,1…10 Вт/м2, много меньшей порога руются одним датчиком - детектором референтного пучка. Электрические сигналы фототермодеструкции биоструктур.

датчиков сравниваются на компараторах уровней с пороговыми значениями. При дос3. Спектральным составом, не соответствующим спектру поглощения ДНК и гистонтижении любым из показателей установленного предела, срабатывает логическое устных белков.

ройство, управляющее через усилитель мощности сильноточным реле, и происходит 4. Эпигенетическим, а не мутационным механизмом длительного запоминания стимуотключение лазера, а также сопряжённых с ЛОУ механизмов.

ляционного эффекта 33 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com В известной нам научной литературе, охватывающей тридцатипятилетний пе- стью растений когерентным светом. Она представляет теоретическую базу лазерных агриод, отсутствуют указания на негативные последствия практического использова- ротехнологий и разрешает комплекс научно-методических, технологических и инженерния лазерных агротехнологий. но-технических вопросов создания средств и методов повышения количества и качества Экономическая ситуация в стране не благоприятствует развитию лазерных агротех- продукции растениеводства посредством лазерной обработки. Новизну изложенных в нологий. Основными причинами являются: кризис и структурные изменения промыш- концепции идей и технических решений доказывают приоритетные публикации и патенленного и сельскохозяйственного производства; потеря рентабельности большинства ты, а её практическую значимость - внедрения в научную и производственную практику.

крупных хозяйств и их раздробление; отсутствие средств у мелких товаропроизводите3. Предложена методология исследования взаимодействия НКИ с биологическими лей для внедрения наукоёмких технологий; резкое сокращение государственного финансистемами и структурами, основанная на количественной оценке энергетических и стасирования аграрной науки; отсутствие инвестиций в разработку, маркетинг и практичетистических характеристик действующего фактора. Показано, что для получения восское освоение лазерных агротехнологий; отказ Государства от защиты собственного производимых результатов и понимания их физической сути принципиальное значение производителя; замена отечественных товаров и технологий их производства импортныимеет анализ полной совокупности параметров когерентного излучения.

ми; недобросовестная конкуренция на рынке агротехнологий; крупные капиталовложе4. Экспериментально установлено, что растительные организмы, различающиеся по ния зарубежных фирм в маркетинг химических средств защиты растений. Несмотря на структуре и функциям, морфофизиологическим и оптическим параметрам, проявляют всё это мировой опыт показывает экономическую эффективность и экологическую целеоднотипную реакцию на воздействие НКИ. Она характеризуется следующим комплексообразность применения лазерных агротехнологий.

сом надёжно воспроизводимых закономерностей:

Разработанный научный подход позволил создать конкурентоспособные лазерные • Зависимость величины результативного признака (рост, регенерация, репарация, имагротехнологии. Их экономическая эффективность слагается из ряда показателей: сомунная реакция и т.п.) от длительности лазерного облучения в диапазоне от долей секращение применения фунгицидов, увеличение выхода кондиционных растений, повыкунды до десятков минут имеет нелинейный многомодальный (многоэкстремальный) шение сохранности плодов и ягод в послеуборочный период и др. При производстве зервид. Максимумы стимуляционного эффекта характеризуются биологически значимыми на годовой экономический эффект применения ЛОС-25 составляет 1,6 миллиона руби статистически обоснованными различиями с показателями необлучённого контроля.

лей (по ценам 2005 г.). Облучатели этой серии окупаются через 2 - 3 месяца эксплуата• Стимуляционный эффект в широком диапазоне интенсивностей не подчиняется дозовоции. Лазерная технология вегетативного размножения растений обеспечивает прибыль му закону. Изменение длительности облучения в большей степени влияет на функциов размере 800 тыс. рублей с гектара питомника. Для яблок раннезимнего срока созренальное состояние растений, чем изменение плотности мощности светового потока.

вания лазерная обработка позволяет дополнительно получить 250…280 кг стандартных • Воздействие НКИ несамодостаточно для включения de novo каких-либо определённых плодов с каждой тонны заложенной на хранение продукции.

цепей эпигенетической регуляции. Оно лишь создает потенциальные возможности усилеВ последние годы в Европе на законодательном уровне ограничивают использования тех процессов, которые инициируются в соответствии со сценарием онтогенеза, гоние пестицидов (Keipert, 2000). Идёт поиск альтернативных способов защиты растений.

меостатическими реакциями организма, действием эндогенных и экзогенных факторов.

Всё это даёт основание с оптимизмом смотреть на будущее лазерных агротехнологий.

• Кратковременное лазерное облучение (единицы и доли минут) приводит к трансгрессии количественных признаков в генетически однородной популяции растений, что указывает на дискретный, триггерный механизм переключения генной экспрессии.

ВЫВОДЫ Вследствие этого стимуляционный эффект приобретает устойчивость и может в тече1. В современных экологических условиях наиболее эффективна эпигенетическая ние длительного времени поддерживаться на эпигенетическом уровне.

стратегия повышения продуктивности растениеводства. Одним из путей её реализации • Растительная клетка способна различать когерентность действующего света; наибольявляется внедрение методов, основанных на биорегуляторном действии когерентного ший стимуляционный эффект возникает, если клетка полностью помещается в объёме косвета. Его кратковременное воздействие усиливает регенерационные, репарационные и герентности, т.е. её размеры не больше длины когерентности и радиуса корреляции поля продукционные процессы, позволяя более полно использовать генетический потенциал (D Lk; rk). Данное условие предложено считать биологической мерой когерентности.

культурных растений. Лазерные агротехнологии используют как в России, так и за ру• Распространяющийся в растительной ткани когерентный световой поток на протяжебежом, однако их широкое внедрение сдерживается слабой теоретической базой, нении десятков и сотен клеточных слоёв сохраняет различимую (регистрируемую) статидостаточной обоснованностью технологического регламента, отсутствием высокотехстическую упорядоченность фотонного коллектива.

нологичных облучательных установок, а также конкурентной борьбой на рынке агро5. Лазерное облучение повышает надёжность функционирования растительных оргатехнологий.

низмов посредством активизации различных защитных механизмов: толерантности, 2. Для создания высокоэффективных лазерных агротехнологий необходим системный устойчивости, антистрессорной реакции и т.п., в целом позитивно влияя на адаптивподход, который заключается в анализе, научном обосновании и экспериментальной ный потенциал культурных растений. В области критических и сублетальных доз иопроверке комплекса физических, биологических и технологических факторов и процеснизирующей радиации лазерное облучение в 2 - 3 раза повышает жизнеспособность сов управления функциональной активностью растений когерентным светом. С испольгенеративных и вегетативных органов растений, что значительно расширяет возможзованием такого подхода разработана концепция управления функциональной активноности радиационного мутагенеза.

35 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 6. Теоретически обоснована и экспериментально доказана способность живых орга- Основные публикации по теме исследований низмов использовать НКИ в виде полевого (нехимического) коммуникационного ка1. Будаговский, А.В. Дистанционное межклеточное взаимодействие / А.В.Будаговский - М.:

нала. Когерентное излучение, эндогенное или экзогенное (лазерное), воспринимается НПЦЛ Техника, 2004. - 104 с. (монография).

клеткой, как сигнал повышения функциональной активности, что определяет его вы- 2. Будаговский, А.В. Теория и практика лазерной обработки растений / А.В.Будаговский. - Мичуринск-наукоград РФ, 2008. – 548 с. (монография).

сокую биологическую эффективность. Разработан и экспериментально апробирован 3. АС СССР № 1157717, МКИ5 А 01 G 1/00. Способ вегетативного размножения растений / ряд математических и физических моделей, иллюстрирующих биорегуляторные А.В.Будаговский, Г.И.Мокроусова. – Заявлено 27.04.82, № 3470587/30-15; 1985. БИ №19.

функции НКИ:

4. Патент России № 2016671, МКИ5 В 07 С 5/34. Способ определения качества плодов и уст- аналитического описания многомодальной функции отклика биосистем;

ройство для его осуществления / О.Н.Будаговская, А.В.Будаговский. - Заявка № 4907043- дистанционного межклеточного взаимодействия;

от 31.01.91; Опубл. 30.07.94, БИ №14.

- регистрации когерентного компонента биохемилюминесценции клеток;

5. Патент России № 1750487, МКИ5 A01F25/00, A23L3/54, A23B7/015. Способ подготовки - биологической меры когерентности действующего излучения;

плодов к хранению / О.Н.Будаговская, А.В.Будаговский - Заявл.09.07.1990, №4849046;

- аналитического решения ядерно-плазменного отношения клетки;

Опубл. 30.07.1992 г. БИ №28.

- голографической индукцией морфогенеза в культуре растительных клеток. 6. Патент РФ № 2222177, МПК7 A01G 1/00, A01H 1/04 Способ оценки скороспелости растений фейхоа / О.Н.Будаговская, А.В.Будаговский, Н.Г.Огиенко. - Заявка № 2001129543 от 7. Обнаружено явление фотоиндуцированной перестройки микроструктурной орга01.11.2001. – Опубл.27.01.2004, БИ.№ 3.

низации растительной ткани непосредственно в процессе воздействия квазимоно7. Патент РФ № 2225691, МПК7 A01G 7/00 Способ диагностики потребности растений в микхроматического света. Динамика этого процесса и степень стохастизации рассеяннороэлементном питании / О.Н.Будаговская, А.В.Будаговский, З.В.Притула, О.Г.Белоус, го излучения зависят от функционального состояния организма. На этой базе разраЮ.С.Абильфазова. - Заявка № 2002108804 от 05.04. 2002 г. - Опубл.20.03.2004, БИ № 8.

ботан и защищён патентами принципиально новый метод экспресс-диагностики 8. Будаговский, А.В. Автоматизированная измерительная система для анализа развития усталостных трефункционального состояния растений, позволяющий количественно оценивать влия- щин при нестационарном нагружении / А.В.Будаговский, Л.П.Перельштейн // Дефектоскопия. 1982. - № 7. - С.42-43.

ние различных дестабилизирующих факторов (экстремальные температуры, пести9. Будаговский, А.В. Лазерная техника в садоводстве / А.В.Будаговский, О.Н.Будаговская, циды, ретарданты, соли тяжёлых металлов, вирусная и грибная инфекции и др.), опГ.А.Гуди, Г.И.Мокроусова, Е.В.Гульшина // Садоводство и виноградорство. - 1993. – N 3. - С. 6-7.

тимизировать условия выращивания сельскохозяйственных культур, проводить от10. Будаговский, А.В. Неспецифическая реакция адаптации - стресс у плодовых и ее модификабор селекционного материала по определённым признакам. Для реализации метода ция когерентным излучением лазера / А.В.Будаговский, Г.А.Гуди, Г.И.Мокроусова, Н.М.

создана серия измерительных приборов. Испытания, прошедшие в России и ГермаТуровцева // Генетика. - 1994. - Т.30. - С. 19.

нии, показали их конкурентоспособность с зарубежными приборами аналогичного 11. Бородин, И.Ф. Использование когерентного электромагнитного излучения в производстве назначения, но иного принципа действия.

продукции растениеводства / И.Ф.Бородин, А.В.Будаговский, О.Н.Будаговская, Г.А.Гуди. - Доклады РАСХН. - 1996. - № 6. - С. 41-44.

8. Реализован системный подход к разработке прецизионных лазерных агротехноло12. Кузин, А.М. Вторичное биогенное излучение -облученной крови человека / А.М.Кузин, гий. В его основе лежит концепция управления функциональной активностью растеГ.Н.Суркенова, А.В.Будаговский, Г.А.Гуди //Радиационная биология и радиоэкология. - ний когерентным светом. Созданы, защищены патентами и внедрены в производство 1997. - Т.37, вып.5. - С.577-581.

новые методы, технологические приёмы и технические средства лазерной обработки 13. Бородин, И.Ф. Адаптация растений к когерентному электромагнитному излучению/ плодов и растений. Оптимизированы параметры рабочего органа оборудования ЛАТ, И.Ф.Бородин, А.В.Будаговский, О.Н.Будаговская, Г.А.Гуди // Доклады РАСХН. - 1998. - №1.

теоретически и экспериментально доказаны его высокая биологическая эффектив- С.46-48.

ность и экологическая безопасность. Внедрены в научную и производственную прак14. Будаговский, А.В. Когерентные электромагнитные поля в дистанционном межклеточном тику лазерные облучательные установки для фотобиологических исследований и взаимодействии / А.В.Будаговский, Н.И.Туровцева, И.А. Будаговский // Биофизика. - 2001. сельскохозяйственного производства. Они объединены блочно-модульным принци- Т. 46, № 5. - С. 894 - 900.

15. Budagovsky, A. Analysis of the Functional State of Cultivated Plants by means of Interference of пом конструирования на базе разработанного семейства оптико-механических и Scattered Light and Chlorophyll Fluorescence / A.Budagovsky, O.Budagovskaya, F.Lenz, электронных блоков и модулей. Методами инженерного моделирования и расчётов A.Keutgen, K.Alkayed //Journal of Applied Botany. - 2002, V.76. - Р.115 - 120.

обоснованы технические решения, обеспечивающие высокую надёжность, безопас16. Будаговский, А.В. О способности клеток различать когерентность оптического излучения / ность, технологичность и адаптивность ЛОУ. Облучатели серии ЛОС окупаются чеА.В.Будаговский // Квантовая электроника. – 2005. - 35, № 4. - С. 369-374.

рез 2 - 3 месяца эксплуатации. За гарантированный период безотказной эксплуатации 17. Бородин, И.Ф. Лазерные нанотехнологии в садоводстве / И.Ф.Бородин, А.В.Будаговский, (3 года) одна установка ЛОС-25 позволяет не включать в сельскохозяйственное проО.Н.Будаговская // Техника и оборудование для села. – 2006. – № 10. – С. 30.

изводство до 9 тысяч тонн фунгицидов и экономить при выращивании саженцев 18. Будаговская, О.Н. Автоматизированная система контроля структурных перестроек растиягодных культур 19,5 тонн условного топлива.

тельных тканей / О.Н.Будаговская, А.В.Будаговский, И.А.Будаговский // Приборы и техника эксперимента. – 2007. – № 1. – С. 161–162.

19. Бородин, И.Ф. Сельскохозяйственная нанотехнология на основе изменяемой когерентности действующего излучения / И.Ф.Бородин, А.В.Будаговский, О.Н.Будаговская // Доклады РАСХН. – 2007. – № 4. – С. 53–55.

37 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 20. Будаговский, А.В. Разработка лазерных облучательных установок сельскохозяйственного назна- 37. Будаговский, А.В. Биофизические вопросы лазерных агротехнологий: необходимые условия чения / А.В.Будаговский, О.Н.Будаговская // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина.- проявления эффекта лазерной стимуляции функциональной активности растений / Будаговский, А.В. Оценка действия экстремальных температур методом лазерного анализа А.В. Будаговский // Научные основы садоводства: Тр. ВНИИ садоводства. - Воронеж: Кварта, микроструктуры растительных тканей / А.В.Будаговский, О.Н. Будаговская, Ф.Ленц 2005. - С.103 - 122.

// Вестник РАСХН. - 2008. - № 1. – С. 69 - 72. 38. Будаговский, А.В. Роль когерентности света в биокоммуникационных процессах / 21. Будаговский, А.В. Лазерная обработка яблок / А.В.Будаговский, О.Н. Будаговская // Хранение А.В. Будаговский, О.Н. Будаговская, И.А. Будаговский // Современные проблемы науки. – и переработка сельхозсырья. – 2008. - № 8. - С. 40-43. 2005. – Вып. 6. - С. 94 – 105.

22. Бородин, И.Ф. Применение эффекта фотоиндуцированной изменчивости оптических свойств 39. Будаговский, А.В. Эпигенетический механизм длительного запоминания стимуляционного хлорофиллсодержащих тканей для диагностики функционального состояния растений / эффекта при лазерном облучении растительных организмов / А.В. Будаговский // СовременИ.Ф.Бородин, А.В. Будаговский, О.Н. Будаговская, И.А. Будаговский, Ю.А. Судник // Док- ные проблемы науки. – 2005. – Вып. 6.-С. 81 – 93.

лады РАСХН. – 2008. – № 5. – С. 62-65. 40. Будаговская, О.Н. Комплексная диагностика функционального состояния растений / О.Н.

Будаговская, А.В. Будаговский, И.А.Будаговский, С.А. Гончаров // Научные основы эффек23. Будаговский, А.В. Роль статистической упорядоченности электромагнитного излучения в регуляции тивного садоводства: Сб. науч. работ. – Мичуринск, 2006. – С. 101–111.

метаболизма клетки / А.В. Будаговский // Методы эффективного ведения садоводства. - Мичу41. Будаговский, А.В. Влияние когерентного света на лежкоспособность плодов и ягод / ринск, 1996. - С. 222-232.

А.В. Будаговский, О.Н. Будаговская // Селекция, семеноводство и технология плодово24. Будаговский, А.В. Рецепция и запоминание когерентного сигнала в клетке / А.В. Будаговский ягодных культур и картофеля: Сб. науч. тр. Южно-Уральского НИИПОК. – Челябинск, // Методы эффективного ведения садоводства. - Мичуринск, 1996. - С. 232 - 236.

2006. – Т. 8. – С. 160–166.

25. Будаговский, А.В. Новый метод анализа функционального состояния культурных растений / 42. Будаговский, А.В. Лазерные агротехнологии – неиспользуемый ресурс сельского хозяйства / А.В. Будаговский, О.Н. Будаговская, Ф.Ленц, А.Мировская, К.Элькаует // Пути повышения А.В. Будаговский // Агробизнес – Россия. – 2006. – № 6. – С. 5–8.

устойчивости садоводства: Мичуринск, 1998. - С. 98-113.

43. Будаговский, И.А. Циклический характер ответной реакции растительных организмов на 26. Будаговский, А.В. Экологические проблемы селекции /А.В. Будаговский // Научные основы кратковременное воздействие когерентного света / И.А.Будаговский, А.В. Будаговский, устойчивости садоводства в России. - Мичуринск, 1999. - С. 256 - 260.

О.Н. Будаговская, Н.М. Туровцева // Циклы и ритмы природы и общества. – 2007. – № 1. – 27. Будаговская, О.Н. Структурная устойчивость ткани как универсальный показатель надежности С. 112–114.

функционирования живых организмов / О.Н.Будаговская, А.В.Будаговский, Ф.Ленц, Б.Ортел // 44. Будаговский, А.В. Лазерная стимуляция в растениеводстве: способы и технологические приемы Научные основы устойчивости садоводства в России. - Мичуринск, 1999. - С. 282 - 284.

облучения /А.В. Будаговский // Лазерные технологии в сельском хозяйстве. – М.: Техносфера, 28. Будаговский, А.В. Необходимые условия существования полевой (нехимической) формы 2008. – С.89- 117.

коммуникационных процессов / А.В. Будаговский // Электромагнитные излучения в биоло45. Будаговский, А.В. Лазерные технологии вегетативного размножения растегии: Труды Международной конференции. - Калуга, 2000. - С. 21-26.

ний /А.В. Будаговский // Лазерные технологии в сельском хозяйстве. – М.: Техносфера, 2008.

29. Будаговский, А.В. Роль когерентных полей в пространственной реализации генетической ин– С. 129- 147.

формации клетки / А.В. Будаговский // Электромагнитные излучения в биологии: Труды 46. Budagovsky, A.V. Principles of action of coherent electromagnetic fields upon living organisms / Международной конференции. - Калуга, 2000. - С. 27 - 32.

A.V.Budagovsky // Biophotonics. - M.: Bioinform Services Co, 1995. - P. 233-255.

30. Будаговский, А.В. Воздействие экзогенных и эндогенных полей на метаболизм клетки / 47. Budagovsky, A.V. Ecological aspect of laser application in agriculture / A.Budagovsky, O. Budagovskaya, А.В. Будаговский // Электромагнитные излучения в биологии: Труды Международн. конф. - КаA. Ilinsky // Proceedings of International Ecological Congress. - Kansas State University, Kansas, U.S.A., луга, 2000. - С. 32 - 37.

1996. - P.79 - 80.

31. Будаговская, О.Н. Опыт разработки и применения лазерной техники для сельскохозяйствен48. Budagovsky, A.V. Analysis of functional state of cultivated plants by means of chlorophyll fluorescence ного производства и научных исследований / О.Н.Будаговская, А.В. Будаговский, С.А. Гонand interference of scattered light / A.Budagovsky, O. Budagovskaya, F.Lenz // Electromagnetic radiaчаров // Основные итоги и перспективы научных исследований ВНИИС им. И.В.Мичурина tions inbiology. – Kaluga, 2000. - P. 37-42.

(1931-2001 гг). - Мичуринск, 2001. - Т. 2. - С. 159 - 174.

49. Budagovsky, A.V. On the physical nature of “Biological fields” / A.V. Budagovsky // Biophotonics and 32. Будаговский, А.В. Эпигенетические механизмы «лазерного мутагенеза» / А.В. Будаговский // coherent systems. - M: University Press, 2000 - P. 173 -188.

Биология культурных и дикорастущих растений ЦЧР. - Мичуринск, 2001.- С. 22-25.

50. Budagovsky, A.V. Application of laser irradiation for the estimation of functional state and the resistance 33. Будаговский, А.В. Диагностика заболеваний растений / А.В. Будаговский, О.Н. Будаговская, Н.П.

to biotic and abiotic stresses in horticultural plants / A.V. Budagovsky, O.N. Budagovskaya, Семина, A.Ulbrich, L.Dora Drillo // Повышение эффективности садоводства в современных условиS.A.Goncharov, Yu.G. Belyachenko, F. Lenz, B.Oertel // Eucarpia fruit breeding section newsletter. - ях: Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. – Мичуринск, 2003. - Том 3. - С. 316 - 324.

2001. - № 5. – C. 31 - 32.

34. Будаговский, А.В. Экспериментальное и математическое моделирование ответной реакции рас51. Budagovsky, A.V. Biological Structure as a Converter of Coherent Radiation / A.V.Budagovsky, тительных организмов на лазерное облучение / А.В. Будаговский // Растения и животные ТамO.N. Budagovskaya, I.A.Budagovsky // Biophotonics and Coherent Systems in Biology. – бовской области: экология, кадастр, мониторинг, охрана: Сб. науч. тр. МГПИ. - Мичуринск, Springer: New-York, 2006. - Р. 47-64.

2005. - С. 288 - 306.

35. Будаговский, А.В. Лазерные агротехнологии. Социальные и экологические аспекты внедрения Всего по теме исследований опубликовано 155 научных работ, включая 32 работы лазерных агротехнологий / А.В. Будаговский // Промышленное садоводство. - 2005. - № 3. - в международных изданиях на английском и немецком языках. Общий объём публикаС. 15-17.

ций превышает 90 авторских печатных листов.

36. Будаговский, А.В. Влияние низкоинтенсивного когерентного излучения на процессы адаптации плодовых растений / А.В. Будаговский // Тр. ВНИИ генетики и селекции плодовых растеE. mail: Budagovsky@mail.ru ний им. И. В. Мичурина. – Воронеж: Кварта, 2005. - С. 220 - 242.

39 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com







© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.