Способ изучения развития растительных объектов

(19) (И) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71 ) Ленинградский ордена Ленинаи ордена Трудового Красного Знаменигосударственный университетим. А,А.Жданова(54)(57) СПОСОБ ИЗУЧЕНИЯ РАЗВИТИЯРАСТИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ, например впроцессе их созревания, основанныйна определении биохимических изменений и физиологического состоянияисследуемого объекта, о т л и ч аю щ и й. с я тем, что, с целью по вышения достоверности результатовизмерений и уменьшения влияния процесса.измерений на естественныеусловия развития объекта, в объектевозбуждают ядерный магнитный резонанс в магнитном поле Земли, и попараметрам наблюдаемого сигнала,преимущественно по временам релаксации и/или амплитуде сигнала, судят о биохимических изменениях ифизиологическом состоянии объекта.Изобретение относится к физическим методам исследования, можетбыть использовано как для научных,так и для практических целей в биологии, агрономии и сельскохозяйственном производстве и позволяет изучать изменение химического составаи ход биохимических и Физиологических процессов в растительных объектах в процессе их развития или хранения без нарушения целостностирастений, определить степень созревания тех или иных сельскохозяйственных культур,Известны способы определения биохимических изменений и Физиологического состояния растительныхобъектов 1 .В этих способах на биологическийобъект осуществляется Физическоевоздействие ультразвука, тепла, давления,. электрического напряжения(тока), ионизирующего облучения илимагнитного поля, Кроме магнитногополя все перечисленные виды воздействия являются внешними возбудителями биологических организмов и вряде случаев сильное воздействиенекоторых иэ них может приводит кнеобратимым процессам в биологических тканях например, к разрушениюк:.еточных стенок-мембран, или даже;,э .го; о эти методы не могут расс;атриваться как идеальные так какизмерения проводятся не в естественных условиях существования и развития биологических объектов, а привоэбужд;,.ащем воздействии внешнихФакторов,Более совершеннььцл являются способы, в которых используется воздействие на животные или растительныеорганизмы постоянного магнитногополя так как до сих пор не имеетсянадежно подтвержденных Фактов заметного влияния магнитного поля на биологические организмы,В магнитных способах измеряется магнитная восприимчивость веществ, например ферментов. В статических способах измерения, например при помощи магнитных весов Гюи или прибора Ренкина исследуемое биологическое вещество помещается в магнитное поле,. причем для повышения чувствительности измерения проводятся с высокигли концентрациями вещества (например, высокие концентрации фермента в белковом растворе . Более чувствительными магнитными способами являются резонансные способы ЯИР и ЗПР в сильных магнитных полях 2 .Однако в этих способах измерения биологическое вещество помещают в датчик резонатор), рас;положенный между полюсами магнитами, а онитакже мало пригодны для изучениябиологических объектов, в процессеих развития в естественных условиях,5Из немагнитных способов изученияразвития растительных объектов известен способ, основанный на определении биохимических изменений ифизиологического состояния исследуемого объекта, в котором измеряется10 электрический импеданс 131 .В способе электрического импеданса измеряют удельное сопротивлениебиологического объекта, из котороговыделяют импеданс клетки цитоплазмы,15 протоплазмы и межклеточного раствора, а свойство стенок клетки характеризуют емкостью единицы поверхности.Однако во время измерения на образец оказывают воздействие электромагнитным полем, Поскольку большинство растительных объектов имеютнизкую электропроводность (высокоеудельное сопротивление), то в про 5 цессе измерения к ним прикладывается большой электрический потенциал,что может приводить не только к изменению естественного ионного состава протоплазмы и окружающей клетку биологической жидкости, а следовательно и к нарушению нормальногохода биохимических процессов, но ик разрыву клеточных мембран.Измеряемые импедансы биологических систегл не позволяют установитьв деталях все различия между клетками различных типов (растительными и животными, яйцеклетками и т.п,),их значения для разных клеток пере-.крываются,Значение импедансов биологическихсистем не всегда позволяют изучитьход релаксационных процессов (например, низкочастотных)и они малопригодны для изучения молекулярногосс 1 става биологических сред.Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерений и уменьшение влияния процесса измерений на естественные ус 50 ловия развития растительного объекта.Указанная цель достигается тем,что согласно способу в растительномобъекте возбуждают ядерный магнит 55 ный резонанс в магнитном поле Земли,и по параметрам наблюдаемого сигнала, преимущественно по временам релаксации и/или амплитуде сигнала,судят о биохимических изменениях и60 физиологическом состоянии объекта.Способ ЯМР-анализа химическогосостава веществ в магнитном полеЗемли использует сигналы свободнойпрецессии ядер ис.следуемых объектов65 после предварительного намагничива35 45 60 65 ния образца значительно более сильным, чем земное, поляризующим магнитным полем Н,. Это поле Н ориентируют перпендикулярно магнитномуполю Земли Йе, Тогда магнитныемоменты р; используемого ядрамрвещества, например, протоны окажутся сориентированными суммарным эффективным магнитным полем Н. рН + Не . При этом векторядерной намагниченности единицыобъема вещества М = - 1 ориентирован вдоль направления поля Н р, т.е.практически перпендикулярно Йца его длина определяется ядернойвосприимчивостью. Х вещества и модулем эффективного поля Н,(1)Если затем поле Дп неадиабатическибыстро выключить, то вектор устанавливается к своему стационарномусостоянию М., при котором МоО, Мо, = О, Но = И= 8 Н.е,. Впроцессе установления вектор Мпрецессирует вокруг направлениямагнитного поля Земли Н с частотой с =НЗемгде )1 - гиромагнитное отношение резонирующих ядер,а его длина уменьшается, Изменениемодуля вектора М определяется экспоненциальным характером измененияего продольное Мт н попереннонМ = П М + М компонент,М (1) Мо (1 - Е т (2)М 1 М (о)б т (3)где М (о) - значение М в начальныймомент времени после выключения поляризующего поля Н,;Т - время спин-решеточной(или продольной) релаксации;Т - время спин-спиновой (илипоперечной)релаксации,Сигналы ЯМР наблюдаются за счет изменения поперечных компонент вектора М. Если исследуемые вещества находятся внутри индуктивной катушки 1 ось которой ориентирована перпендикулярно полю Н , то в процессе установления прецессирующего вектора М, к стационарному состоянию его компонента М 1 индуцируется в катушке . ЭДС-сигйал свободной прецессии ,ССП). Частота этого сигнала равна частоте прецессии вектораМ в магнитном поле Земли (1 = Нрд) а амплитуда уменьшается по экспоненциальному закону в соответствии с формулой (3), т,е. затухание сигнала определяется постоянной времени Т - временем спин-спиновой релаксации,5 1 О 15 20 25 зо 50 55 Таким образом, непосредственнопо ССП можно определять Т. В чистых жидкостях время релаксации Ти Т приблизительно равны; Экспериментально показано, что Т - Те ив случае релаксации протонов в водных растворах большинства парамагнитных ионов, Поэтому Т также каки Т можно определять в первом приближении по затуханию ССП. В случаенеобходимости Т определяют по ССПболее точно используя, например,импульсную методику,Из теории ядерного магнитного резонанса известно, что время спинрешеточной релаксации Т определяется интенсивностью вращательного итрансляционного движения молекул,наличием в исследуемом веществе парамагнитных частиц (ионов), квадрупольным взаимодействием, анизотропией электронного экранирования и некоторыми другими факторами. Из этогоследует, что по Т можно изучатьструктуру чистых жидкостей и растворов, исследовать межмолекулярныевзаимодействия, процессы комплексообразования, полимеризации, диссоциации, получать некоторые термодинамические характеристики молекулярных и ионных равновесий и т,п.Все эти и другие подобные задачиуспешно решаются главным образомметодом ЯМР в сильных магнитных полях.Однако ставить подобные задачив случае изучения биохимическихрастворов в растительных объектахбез нарушения их целостности прииспользовании метода ЯМР в сильномполе крайне затруднительно, а вбольшинстве случаев и просто невозможно (растительные объекты необходимо было бы помещать в небольшиедатчики ЯМР с рабочим объемом исследуемого вещества порядка 0,5 куб.см, располагаемые в тесные зазорахмагнитов) .Значительно большие возможностиоткрываются при использовании способа ЯМР в земном поле, так как приэтом рабочий объем исследуемого образца составляет 100 - 1000 см , а3при использовании для поляризацииобразца магнитных полей во внешнейобласти катушек датчика достигаети еще больших значений порядка несколько литров,Применение ЯМР-анализа в магнитном поле Земли для определения биохимическихизменений и физиологического состояния растительных объектов стало возможным благодаря обнаруженной зависимости скорости затухания ССП и/или времен релаксации Т и 7 от сроков созревания некоторых растительных объектов (стеблейЗаказ 10209/44 Тираж 873 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5г 1Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул Проектная, 4 сахарного тростника, арбузов, дынь и др. . Предварительные измерения показывают, что времена релаксации Т и Т определены по ССП, по мере созревания сахарного.-.тростника изменяются от 0,95 с до 0,41 с.Предлагаемый способ имеет преимущество перед существующим, так как он позволяет проводить анализ дистанционно, бесконжактно без нарушения физиологической целостности растительных объектов. Кроме того, в процессе изменения на растительные объекты не оказывается никакого внешнего воздействия. Правда, следует заметить, что для наблюдения ССП исследуемый объект кратковременно намагничивают поляриэующим полем.(Н= 100 Э, время намагничиванияТ " 1 - 3 с), однако это поле выключается перед появлением сигнала ССН 5и, следовательно, во время измерения отсутствуетПеречисленные достоинства спосо;ба позволяют проводить с его помощьюопределение биохимических изменений 10 и филиологического состояния. растительных объектов в процессе их естественного развития на плантациях,бахчах и т,п. или контролироватьуказанные параметры в период хране ни я.