Лазерный мир

Лазер для овощей

Высокие цели, глобальные задачи

На протяжении веков стремление найти универсальные способы повышения продуктивности растениеводческих, плодоовощных культур и увеличения сроков хранения урожая не теряют своей актуальности. Однако увлечение высокими дозами минеральных удобрений, химическими средствами защиты растений, нарушение технологии их применения, интенсивное возделывание грунта и прочие сопутствующие факторы приводят к возрастающему загрязнению почвы. В качестве альтернативного пути поддержания высокой производительности земледелия, ученые и практики ряда стран предложили перейти на биологическое, или альтернативное, земледелие, которое в последнее время стало довольно распространенным.

С одной стороны, экологическое сельское хозяйство сохраняет естественные ресурсы земли, но с другой стороны, продуктивность органического земледелия ощутимо ниже, что приводит к увеличению цен на конечные продукты.

Ученые Мичуринского государственного аграрного университета (город Мичуринск-наукоград РФ) поставили перед собой задачу разработать на основе научных знаний экономичное оборудование, которое позволят сократить использование химических препаратов в технологическом процессе сельского хозяйства, а также повысить функциональную активность любого живого организма и позволить более полно использовать генетический потенциал растений, повышая их устойчивость и продуктивность.

Задача очень непростая, в некоторой степени революционная. И забегая вперед хочется отметить – успешно реализуемая.

Научное открытие. Первые шаги на пути к созданию технологий

В 2004 году доктор технических наук, заведующий проблемной научно-исследовательской лабораторией «Биофотоника» Мичуринского государственного аграрного университета Андрей Валентинович Будаговский открыл ранее неизвестное свойство живых организмов реагировать на статистическую упорядоченность (когерентность) действующего света. Результаты исследований ученого позволили сделать вывод, что эта способность присуща любым видам клеток: бактериальным, грибным, растительным и животным, т.е. всем живым организмам на Земле — от простейших одноклеточных прокариот до высших эукариот. Андрей Валентинович установил, что свойство живых организмов реагировать на статистическую упорядоченность действующего света появилось на раннем этапе формирования живой материи и оказалось эволюционно устойчивым, а значит, биологически необходимым.

По мнению исследователей, кратковременное воздействие когерентным светом определенного спектра и интенсивности способствует повышению функциональной активности любого живого организма и позволяет более полно использовать генетический потенциал растения, повышая его устойчивость и продуктивность. Команда ученого обнаружила это экспериментально и обосновала теоретически. Естественный свет обладает низкой когерентностью, то есть существует слабая взаимосвязь протекающих в пространстве колебательных или волновых процессов. В количественном выражении длина когерентности естественного света, или расстояние на котором эта корреляция фаз просматривается, составляет около 1-2 микрон, а это примерно одна миллионная часть метра. А вот у лазера длина когерентности достигает десятков сантиметров и даже метров. Это положение легло в основу обоснования механизма лазерной стимуляции и разработки специального оборудования.

В 2012 году по результатам независимой экспертизы Международной академии авторов научных открытий и изобретений, научное открытие Андрея Валентиновича заслужило признание и получило официальное свидетельство Российской академии естественных наук, подтверждающее его уникальность. Диплом позволил преобразовывать научные результаты в практические разработки. 

Желающих применить на практике результаты фундаментальных исследований ученых университета немало. Но лабораторная база по биофотонике, созданная в Мичуринском государственном аграрном университете в начале 2014 года, одна из немногих в стране, а среди вузов Министерства сельского хозяйства России — единственная.

Основная задача лаборатории биофотоники — разработка технических средств и методов управления функциональной активности растений экологически чистыми методами, в частности, светом. Опыт сельскохозяйственного производства показывает, что в современных быстроизменяющихся экологических условиях предпочтительными являются именно эпигенетические методы, заключающиеся в управлении экспрессией генов без изменения наследственной программы живого организма. Такой подход позволяет оперативно и более полно использовать генетический потенциал уже существующих культурных растений, добиваясь высокой продуктивности и устойчивости.

Сотрудники Мичуринского ГАУ под руководством Андрея Валентиновича создали научно-техническую базу конструирования высокоэффективных лазерных установок для биологических исследований и сельскохозяйственного производства и провели выпуск и внедрение первых опытных образцов.

Практическое применение. Повышение устойчивости растений к болезням

Ученые Мичуринского ГАУ рассматривают три способа увеличения рентабельности выращивания овощей в защищенном грунте. Первое направление – это повышение устойчивости растений к болезням, которое возможно с помощью лазерного облучения и применения бактериальных препаратов.

В результате практических испытаний, проведенных совместно с заведующий лабораторией биотехнологии Светланой Муратовой, было выявлено, что лазерное облучение способствует ускоренному размножению растений по технологии in vitro. На одинаковой площади, в том же количестве колб, при том же объеме питательной среды, то есть при аналогичных затратах, количество побегов может возрасти в полтора, иногда в 2 раза. Само облучающее оборудование стоит не дорого и в итоге расходование денежных средств прежнее, но выход растений увеличивается. 

Другие эксперименты, успешно проведенные благодаря деятельности старшего научного сотрудника лаборатории биофотоники Марины Масловой, показали, что облучение когерентным светом повышает активность бактериальных препаратов и в результате они лучше противостоят клеткам патогенных грибов. Это дает возможность более эффективно использовать бактериальные препараты, снижая или отказываясь от применения фунгицидов — ядов от грибов. Ведь такие яды токсичны и для человека.

Световая стимуляция роста растений в теплицах

Второе направление связано с лазерной «досветкой». В зимний период овощи выращиваются в теплицах без достаточного освещения. Длины светового дня и интенсивности света не хватает растениям для полноценной вегетации. Обеспечение теплиц дополнительными источниками света повлекло бы большие затраты на освещение. Серия исследований, проведенных в культуре in vitro показала, что снижение освещенности в 1,5-2 раза при одновременной кратковременной лазерной «досветке» помогает получить тот же выход растений. На лазерную досветку потребуется примерно 1/10 % от общего освещения, то есть в тысячу раз меньше энергии. И при половинной освещенности получается такой же результат, что и при полной. «Досветка» практически не влияет на фотосинтетический процесс напрямую, но усиливает обменные реакции и организм начинает более полно аккумулировать тот свет, который ему достается.

Лазерные технологии неразрушающей диагностики растений и плодов

Третье направление это производство лазерного оборудования, работающего на специальном программном обеспечении при подключении к компьютерам. Одни аппараты имеют аналоги за рубежом, другие — нет. Главная цель производства серии приборов – сделать их технологичными и экономичными, удовлетворяющим запросам малых фермерских хозяйств или даже организаций среднего образовательного профессионального образования. В приоритете – приборы функциональной диагностики растений. Проведенные исследования разработанного оборудования совместно с учеными Боннского университета Фридриха Вильгельма, показали, что оно обладает большей разрешающей способностью и более чувствительно, чем европейские аналоги.

Одна из разработок Мичуринского ГАУ — это лазерная дефектоскопия. С помощью нее можно оценить степень зрелости плодов, а также функциональное состояние побегов, листьев, цветков, в общем, различных растительных организмов, их тканей и органов. Измерения проводят без нанесения каких-либо повреждений, поэтому плоды полностью сохраняют свои потребительские свойства. Это позволяет проводить оценку зрелости и качества плодов многократно и регистрировать динамику изменения их твердости, при оптимизации режимов длительного и краткосрочного хранения, а также определении точных (критических) температурных и временных параметров дозаривания, для выявления потенциала лежкоспособности, при исследовании динамики регенерационных процессов и выявлении факторов, способствующих их ускорению. Принцип действия прибора основан на измерении степени пространственной когерентности светорассеяния.

Авторами получены положительные результаты в использовании метода лазерной дефектоскопии для регистрации микроструктурных дефектов целого ряда живых и неживых объектов, в их числе: почва, роговица глаза, стекла сапфира, кожа, листья и кора растений, шлифы металлов, различные пластические материалы и т. д.. Особенно важно то, что структурные изменения получают количественную оценку и таким образом переходят из разряда субъективных параметров в объективные. Так, внешне не зрелый плод может обладать состарившимися клетками, а это значит, что  такой продукт необходимо реализовывать в первую очередь.

Новый рубеж

Результаты разработок могут быть применимы в органическом земледелии. Сегодня исследователи агроуниверситета рассматривают предложения инвесторов, способные обеспечить организационную и финансовую поддержку проекта по созданию массового производства лазерных приборов.

Вероятно в будущем отечественный рынок ждет экономичное, эффективное оборудование, доступное не только представителям аграрного бизнеса, и в частности, представителям органического земледелия, но и школам. Практическая составляющая занятий, возможность работы с профессиональным и простым оборудованием, проведение экспериментов, использование метода наблюдения – все это верное направление на пути к популяризации естественных наук среди учащейся молодежи, повышения интереса к исследовательской детальности, на ранних этапах выявления учеников предрасположенных выбрать профессию связанную с научной стезей.