Действие постоянного магнитного поля на растения

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ им. К.А. ТИМИРЯЗЕВА

Ю. И. НОВИЦКИЙ Г. В. НОВИЦКАЯ

Действие постоянного магнитного поля на растения


Ответственный редактор член-корреспондент РАН Вл. В. КУЗНЕЦОВ




МОСКВА НАУКА 2016

УДК 58
ББК 28.03
    Н73




Рецензенты:
доктор биологических наук Ю.В. Балнокин, доктор биологических наук П.Ю. Воронин, доктор биологических наук Н.А. Белова













Новицкий Ю.И., Новицкая Г.В.
    Действие постоянного магнитного поля на растения / отв. ред. Вл.В. Кузнецов ; Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. - М. : Наука, 2016. - 352 с. -ISBN 978-5-02-039962-4 (в пер.).
    Монография посвящена изучению действия постоянных магнитных полей (ПМП) на растения. Рассмотрены физические, физиологические и биохимические аспекты действия ПМП на биологические объекты. Описаны существующие на данный момент представления о механизмах действия ПМП на растения. Проведен критический анализ массива литературы, посвященной данной проблематике за последние 150 лет. В многолетних исследованиях авторов установлено действие слабого ПМП на содержание полярных липидов мембран хлоропластов митохондрий и цитоплазматической, на содержание сахаров, биомедиаторов - ацетилхолина и ацетилхолинэстеразы в листьях растений, на содержание основных катионов Н⁺, К⁺, Na⁺, Mg²⁺, Са²⁺, Fe³⁺. Показано, что действие магнитного поля на растения реализуется на различных уровнях организации, определяя весь их жизненный цикл. Отдельная часть посвящена феномену магнитоориентационных типов, открытому первым автором и заключающемуся в наличии у корнеплодных растений одновидовой популяции двух основных магнитоориентационных типов - северо-южного (СЮ) и западно-восточного (ЗВ), плоскость ориентации корневых борозд которых проходит вдоль или поперек магнитного меридиана, с различающейся реактивностью и реакцией на ПМП.
    Монография представляет интерес для физиологов и биохимиков растений, биофизиков, физиков, генетиков, ботаников, экологов, селекционеров, агрономов, представителей смежных профессий, а также для аспирантов и студентов соответствующих специальностей.

ISBN 978-5-02-039962-4                         © Новицкий Ю.И., Новицкая Г.В.,
                                                 2016
                                               © Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, 2016 © ФГУП Издательство «Наука», редакционно-издательское оформление, 2016

                От редактора






   Книга, которую вы держите в руках, обобщает полувековой труд Ю.И. Новицкого и его коллег в области магнитобиологии растений. Магнитобиология -это наука, изучающая ответ живых систем на действие магнитного поля. В настоящее время достигнут существенный прогресс в изучении реакции животных, в отличие от растений, на действие магнитного поля. В изучение феноменологии и механизмов ответа растений на слабое постоянное магнитное поле (ПМП) весомый вклад был внесен авторами данной монографии. В книге дается представление о физических аспектах действия ПМП на биологические объекты, излагаются общие представления об источниках магнитных полей, их характеристиках, способах измерения, методических особенностях и приемах изучения реакций растений на ПМП. Авторы критически проанализировали огромный объем научной литературы по данной проблеме и на этом основании изложили современные представления о механизмах действия ПМП на растения.
   В монографии излагаются результаты собственных экспериментов авторов по изучению ответов разных видов растений на ПМП в рамках эволюционноисторических значений изменения его напряженности на Земле, а также на совместное действие ПМП с переменным магнитным полем или другими физическими факторами. В работе широко использованы физиологические, биохимические, биофизические и цитологические методы и подходы.
   Особый интерес вызывает открытие авторами различных магнитофизиологических типов растений, отличающихся друг от друга характером ориентации в магнитном поле, а также их физиологическими и биохимическими особенностями. Впервые продемонстрировано, что корригирующие факторы - температура и электромагнитное поле несветового диапазона - изменяют воздействие ПМП на растения на различных уровнях его организации: от изменения ионного баланса до протекания интегральных физиологических процессов (роста, дыхания, фотосинтеза, прорастания и др.). Впервые изучено влияние как слабого постоянного, так и переменного магнитных полей на морфологические показатели, определяемые в течение всего развития растений. Установлено, что магнитное поле тормозит прохождение всех стадий онтогенеза, замедляя формирование листьев, переход к стрелкованию, бутонизации, образованию стручков и полноценных семян, и приводит к значительному изменению структуры урожая. Большое внимание авторы уделяют результатам исследований по влиянию слабого (постоянного и переменного) магнитного поля на состав и содержание липидов на ранних этапах развития растений. Установлено, что слабое ПМП изменяет состав и содержание полярных липидов - галакто- и фосфолипидов. Совокупность полученных данных позволила сделать существенный вывод о том, что изменение состава и содержания липидов мембран растительной клетки на действие слабого ПМП характерно для всех растительных организмов. Впервые показано, что действие слабого ПМП приводит не только к изменению содержания липидов мембран растительной клетки, но и к изменению содержания сахаров, биомедиаторов -ацетилхолина и ацетилхолинэстеразы, а также состава и содержания основных катионов.

3

   На основании анализа представленных в книге результатов следует очень важное общебиологическое заключение, согласно которому действие магнитного поля реализуется на разных уровнях организации растения и на различных этапах его жизненного цикла.
   Данная книга является своего рода пособием для всех, кого интересует жизнь растения в условиях измененного магнитного поля. Она будет полезна не только для молодых исследователей, но и для уже состоявшихся ученых, которые хотят познакомиться с состоянием дел в области магнитобиологии растений.

Вл. В. Кузнецов

                Предисловие





   Основой монографии послужила докторская диссертация Юрия Ивановича Новицкого “Параметрические и физиологические аспекты действия постоянного магнитного поля на растения”, исследования для которой он начал в 1961 году, когда был назначен руководителем группы биомагнетизма Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева АН СССР, и завершил в 1985 году. Юрий Иванович приступил к изучению действия магнитного поля на растения, когда биологическая роль магнитного поля дискутировалась и даже некоторые ученые отрицали его влияние.
   К 1985 году уже никто не сомневался во влиянии магнитных полей на биологические объекты. И даже, наоборот, у научных сотрудников в нашей стране возрос интерес к исследованиям действия магнитного поля.
   С 1966 по 1982 год материалы исследований по действию магнитного поля докладывались на Всесоюзных, городских и областных конференциях и симпозиумах неоднократно: в Москве, Белгороде, Калининграде, Кишиневе, Томске, Минске, Пущино, Фрунзе, также на конференциях Института физиологии растений и на постоянно действующем Московском семинаре “Действие постоянных и электромагнитных полей на биологические объекты” при секции Научного совета по комплексной проблеме “Кибернетика” АН СССР.
   Во всех этих конференциях Юрий Иванович Новицкий принимал активное участие вместе с сотрудниками группы биомагнетизма, которая существовала до 1975 года. С 1975 по 1998 год Юрий Иванович работал в лаборатории фотосинтеза, но проблема воздействия магнитного поля на растения оставалась в центре его внимания. Осенью 1998 года в ИФР РАН была создана группа магнитобиологии растений для расширения работ в этой области во главе с Ю.И. Новицким, сотрудники которого активно работают и по настоящее время.
   С новыми сотрудниками, аспирантами и дипломниками он продолжает исследования уже на биохимическом уровне, используя липиды в качестве индикаторов воздействия магнитного поля на растения. Результаты исследований Ю.И. Новицкого представлены в настоящей монографии в частях I—VI, включающих 12 глав, написанных им самим. Части VII и VIII (главы 13-21), включающие экспериментальные исследования сотрудников группы магнитобиологии растений, написаны Г.В. Новицкой.
   Следует отметить, что исследования в области действия магнитного поля на человека и животных развиваются гораздо быстрее, чем в области действия магнитного поля на растения. В 2011 году в Издательстве физматлит вышла монография В.Н. Бинги “Принципы электромагнитной биофизики”, раскрывающая биофизические и физические аспекты действия магнитных полей. В книге рассматриваются вопросы действия электромагнитного поля на человека и животных, а также принципы электромагнитной диагностики и терапии. Действие магнитного поля на растения практически не обсуждается. В монографии Е.З. Гак “Магнитные поля и водные электролиты в природе, научных исследованиях, технологиях”, опубликованной в Санкт-Петербурге в 2013 году в Издательстве “Элмор”, влияние магнитного поля на растения также не рассматривается.

5

   Исследования Юрия Ивановича Новицкого по действию слабого постоянного и переменного магнитных полей с напряженностью 400 А/м на колеоптильные тесты растений, сухие семена, проростки, взрослые листья, семена, выросшие под влиянием поля в течение всего онтогенеза, внесли неоценимый вклад в развитие магнитобиологии растений.
   Результаты многолетних исследований Ю.И. Новицкого изложены в 190 статьях, опубликованных в отечественных и иностранных изданиях, и представлены в качестве докладов на крупных международных съездах, симпозиумах и конференциях.
   Свое главное открытие - наличие у корнеплодных растений (редиса, свеклы, репы и брюквы) магнитоориентационных типов (МОТ) — северо-южного (СЮ) и западно-восточного (ЗВ), плоскость ориентации корневых борозд которых расположена вдоль или поперек магнитного меридиана, Юрий Иванович сделал впервые в 1968 году, проведя опыты на редисе сорта Дунганский. И повторил в 1969 году на брюкве и в 1971 году на редисе сорта Розовый с белым кончиком на грядках земельного участка микрорайона Сходни округа Химок Московской области. Результаты этих исследований он подтвердил в опытах на свекле на тысячах проб в полевых условиях в разных районах Курской магнитной аномалии. Юрий Иванович создал теорию магнитоориентационных типов растений, которая получила признание и известность как в России, так и за ее пределами.
   С сотрудниками группы магнитобиологии растений Ю.И. Новицкий установил, что действие постоянного магнитного поля с напряженностью 400 А/м изменяет содержание липидов мембран хлоропластов, митохондрий и цитоплазматической в листьях лука, салата и периллы, а также содержание липидов в листьях и семенах магнитоориентационных типов редиса — северо-южного и западновосточного. Сделан вывод, что слабое ИМИ, по-видимому, изменяет состав и содержание липидов мембран растительной клетки всех растений.
   Показано, что слабое магнитное поле увеличивает содержание полярных липидов мембран хлоропластов, митохондрий и цитоплазматической у короткодневного растения периллы и уменьшает содержание полярных липидов мембран хлоропластов, митохондрий и цитоплазматической у длиннодневного растения редиса. Это связано с различиями физиологических особенностей этих растений, а также различиями в рецепции света и фотопериодизма.
   Результаты исследований Ю.И. Новицкого с сотрудниками группы магнитобиологии были представлены на 2-, 3-, 4- и 5-ом съездах биофизиков России в 1999, 2004, 2012 и 2015 году в Москве, Воронеже, Нижнем Новгороде и в Ростове-на-Дону; в 2004 году на конференции в Саранске; на IV, V, VI и VII международных Конгрессах «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине» в Санкт-Петербурге в 2006, 2009, 2012 и 2015 году; на IX и X международных Крымских конференциях в Алуште и Коктебеле в 2011 и 2013 году; в ежегодных годичных конференциях, а также съездах Общества физиологов растений России.
   Многие разделы работ, вошедших в книгу, выполнены Юрием Ивановичем Новицким с сотрудниками группы биомагнетизма ПФР им. К.А. Тимирязева АН СССР: канд. биол. наук В.Ю. Стрековой, канд. биол. наук Г.А. Таракановой, Г.А. Субботиной, Е.В. Тихомировой, научных сотр. З.П. Хейн, Н.В. Винниковой, О.Е. Федоровой, В.П. Прудниковой, а также сотрудником лаборатории изолированных тканей канд. хим. наук В.Н. Пауковым. Ряд работ выполнен в содружестве с доцентом кафедры ботаники Белгородского пединститута М.П. Травкиным, сотрудником КНИИТиМ канд. с/х. наук А.И. Лебедиком, с сотрудниками Славянского педагогического института канд. физ.-мат. наук В.П. Овчаренко, канд. физ.-мат. наук А.Ф. Пруном и канд. пед. наук Н.П. Калугиным.

6

   В последние 15 лет в работе принимали участие сотрудники группы магнитобиологии растений кандидаты биол. наук В.В. Долгих, Г.А. Нечипоренко, Т.В. Феофелактова, О.А. Церенова, Ю.А. Сердюков, научные сотр. Т.К. Кочешкова, Д.Р. Молоканов, М.В. Добровольский, а также сотрудница Московского филиала Всесоюзного института жиров канд. хим. наук И.А. Соколова, ст. науч. сотр. Федерального медицинского исследовательского Центра психологии и наркологии им. В.П. Сербского М3 РФ канд. биол. наук И.У. Юсупова.
   Мы надеемся, что монография заполнит недостаток в научной литературе в области магнитобиологии растений, привлечет внимание новых исследователей, будет способствовать углубленному изучению влияния магнитного поля на растения и раскрытию не выясненных еще до конца механизмов действия магнитного поля.
   В завершение необходимо поблагодарить российских и зарубежных коллег, общение с которыми в области магнитобиологии на протяжении долгих лет, с 1961 года по настоящее время, способствовало подготовке издания: докт. биол. наук, проф. Ю.А. Холодова, акад. РАМН Ю.А. Владимирова, докт. биол. наук, проф. Д.М. Гродзинского, докт. биол. наук, проф. П.И. Баранского, докт. биол. наук, проф. В.Г. Шахбазова, акад. РАН И.А. Тарчевского, докт. биол. наук, проф. Е.Б. Кириченко, докт. физ.-мат. наук В.М. Аристархова, докт. биол. наук А.П. Дуброва, докт. биол. наук, проф. Г.Ф. Плеханова, докт. биол. наук В.В. Леднева, докт. биол. наук, проф. Л.Н. Галль, докт. физ.-мат. наук, проф. Б.М. Владимирского, канд. физ.-мат. наук А.В. Дроздова, канд. биол. наук В.С. Мартынюка, канд. биол. наук Л.Т. Шиян, докт. биол. наук, проф. А.П. Веселова, докт. биол. наук Н.А. Белову, м. н. с. А.А. Позолотина, вед. науч. сотр. докт. биол. наук Н.В. Обручеву, докт. биол. наук, проф. А.Т. Епринцева, Л.Т. Энгельгард, В.Н. Ягодин-ского. Глубокую благодарность необходимо выразить академику А.Л. Курсанову, который был инициатором создания целого направления исследований по действию постоянного магнитного поля на растения. Особую благодарность следует принести Александру Леонидовичу Чижевскому, который в начальные годы работы группы биомагнетизма дважды в 1964 г. посетил группу в здании Отделения биологических наук на Ленинском проспекте. Он остался доволен работой руководителя группы и его сотрудников, планом работ группы и оборудованием.




Г. В. Новицкая

                Введение





   Коренной вопрос физиологии растений — это вопрос о способах осуществления и условиях поддержания автотрофного синтеза. Способность растения к радиационной автотрофии выделяет его из всех прочих живых объектов — большинства микроорганизмов, грибов, животных и человека. Преобразуя энергию узкого диапазона электромагнитного спектра солнечного излучения в энергию химических связей, современное растение обеспечивает мир гетеротрофных организмов органогенным энергетическим субстратом и кислородом в количествах, достаточных для их повсеместного распространения и функционирования. Кислород, выделяемый растениями, — существенный компонент в цепи геохимических превращений.
   Издавна значительная доля сознательной деятельности человека направлена на поддержание автотрофной функции растения преимущественно органического синтеза. Оно сводится, с одной стороны, к обеспечению оптимальных условий для синтеза растениями хозяйственно полезных веществ через совершенствование агротехнических мероприятий, а с другой — к совершенствованию (с точки зрения человека) внутренних соотношений автотрофных и гетеротрофных процессов путем селекции и воздействия на генетический аппарат.
   Различные физические и химические способы воздействия на растения применяются с той же целью. Их назначение — стимуляция или торможение отдельных физиологических и биохимических процессов в ходе онтогенеза на фенотипическом или генотипическом уровнях.
   Обычно оценка значимости (действенности) любого внешнего физического фактора происходит на фоне его изменения. Поэтому роль света и температуры, изменчивость которых в природных условиях велика, для жизни растений установлена давно. Факторы, изменение которых в природе малозаметно, — гравитация и постоянное магнитное поле Земли — долгое время оставались вне внимания биологов.
   Постоянное магнитное поле (ПМП) принадлежит к тем немногим естественным физическим факторам земной биосферы, биологическая роль которых дискутируется до настоящего времени [52, 366, 367, 370, 371, 469, 528], хотя общая концепция о возможности биологического действия ПМП высказана давно [489]. Биологическая действенность ПМП в принципе уже не вызывает сомнений [26, 139], но сравнительно недавно она еще отрицалась [7, 505, 526]. Ныне речь идет о возможных границах этой действенности, т.е. о физических параметрах ПМП, определяющих его биологическое действие и о самих пределах его воздействия, т.е. о степени возможного влияния магнитного поля на биообъект.
   По этим вопросам среди магнитобиологов нет единого мнения, что, по-видимо-му, объясняется несколькими причинами, главнейшими из которых являются следующие:
     1.     До сих пор не существует общепринятых четких представлений о первичных механизмах действия ПМП на живые системы. Существо и предлагаемый набор этих механизмов меняются по мере развития науки от десятилетия к десятилетию.

8

    2.     Велика зависимость биологической действенности ПМП от корригирующих факторов — температуры, света, ионизирующей радиации, электромагнитного поля несветового диапазона и т.д. Стабильность некоторых из них в обычных условиях проведения опытов контролируют плохо.
    3.     Большую (а, может быть, и большую, чем при действии других факторов) роль в определении действенности поля играет физиологическое состояние объекта, обусловливаемое внешними и внутренними причинами, вызванными особенностями организации обмена веществ индивидуума.
    4.     Нет ясного понимания двух сторон действенности магнитного поля — сигнальной и энергетической, степени их связи и обусловленности друг другом.
   “Невысокая воспроизводимость” некоторых магнитобиологических опытов, так раздражающая иных исследователей [49, 66], во многих случаях объясняется не общим низким уровнем магнитобиологических экспериментов, а второй и третьей причинами среди перечисленных выше.
   Мы выбрали постоянное магнитное поле в качестве фактора воздействия на растительный организм потому, что, во-первых, это естественный малоизученный компонент земной биосферы и нашей Вселенной [26, 193, 296]. Во-вторых, — это фактор производственной деятельности людей и технического прогресса.
   Наконец, магнитные поля — это инструмент исследования в различных областях естествознания.
   Основная задача настоящей работы — на примере высших растений, выросших или временно помещенных в ПМП, обобщить наиболее типичные закономерности в проявлении реакции на него, определяемые как физическими параметрами поля, так и физиологическим состоянием растительного организма, обеспечивающим возможности восприятия действия магнитного поля.
   Постановка такой задачи имеет известное практическое значение. В перспективе ее решение позволит определить условия вредного воздействия постоянного магнитного поля на растительный объект и сопоставить их с его параметрами, встречающимися в практической деятельности людей. С другой стороны, это, невидимому, может способствовать выработке принципиальных подходов к определению пределов возможного применения ПМП как положительного, стимулирующего или защитного фактора.
   Почти до последенего времени внимание магнитобиологов акцентировалось именно на первой части проблемы, так как в производственной деятельности людей и в научных исследованиях давно применяются магнитные поля, в последействии которых замечена негативная сторона, опасная в какой-то мере для здоровья. Поэтому определены и законодательно закреплены предельно допустимые дозы воздействия ПМП на людей. Однако ПМП давно применяется и как стимулирующий, лечебный фактор, также введенный в практику здравоохранения.
   Таких доз обработки ПМП, достаточно обоснованных для его практического применения, нет в растительной магнитобиологии. Да на данном этапе мы и не претендуем на это, памятуя слова К.А. Тимирязева, высказанные им по поводу деятельности Пастера: “Да, вопрос не в том, должны ли ученые и наука служить своему обществу и человечеству — такого вопроса и быть не может. Вопрос в том, какой путь короче и вернее ведет к этой цели. Идти ли ученому по указке практических житейских мудрецов и близоруких моралистов, или идти, не возмущаясь их указаниями и возгласами, по единственному возможному пути, определяемому внутренней логикой фактов, управляющему развитием науки: ходить ли упорно, но бесполезно вокруг да около сложного, еще не поддающегося анализу науки, хотя практически важного явления, или сосредоточить свои силы на явлении, стоящем на очереди, хотя с виду далеком от запросов жизни, но с разъяснением

9

которого получается ключ к целым рядам практических загадок... во всяком случае, критериумом истинной науки является не та внешность узкой ближайшей пользы, которой именно успешнее всего прикрываются адепты псевдонауки, без труда добивающиеся для своих пародий признания их практической важности и даже государственной полезности...” [К.А. Тимирязев. Избранные сочинения, 1948. Т. 2. С. 276].