Сәуле энергиясы әсерінен өсімдікте болатын биологиялық өзгерістер

Жарықтың тіршілік үшін маңызы зор. Адам да, табиғаттағы өсімдік әлемі де, жан - жануарлар да күн сәулесінсіз дами алмайды. Ал өсімдіктердің сіңіруі оның атомдық құрылысына және ең алдымен, ядроны қоршаған электрондардың орналасуына байланысты екендігі белгілі.

Өсімдіктің пигменттері өзінің табиғатына орай жарық тасымалдаушылық қызметін атқарады, яғни фотонның қуатын қақтығыс кезінде кез-келген бір электрон қабылдап, молекула сол электронмен бірге қозу жағдайына ауысады.

Құбылыс квантты түрде жүреді, молекулалардың ауысуы жарық толқынының ұзындығына тікелей байланысты. Жарықпен өсімдікке әсер еткендегі негізгі фактор - жарықтың бір бағыттағы тербелісі, өйткені, электр векторының бағытын өзгерткенде өсімдіктің клеткаларында тек морфологиялық қана емес, сонымен қатар физиологиялық өзгерістер де катар жүреді. Жарық импульстері өсімдікке тікелей әсер етіп, фотосинтез бен әртүрлі биохимиялық процесстердің жүруін тездетеді.

Күн сәулесі радиациясын сіңіру нәтижесінде жүретін фотосинтез процесінде жай заттардан (атмосферадағы көмір қышқылы газынан, судан топырақтағы минералды заттардан) энергияға бай күрделі және алуан түрлі органикалық қосындылар түзетін көк өсімдіктер - жер бетіндегі тірі организмдердің тіршілік етуіне қажетті белок, углевод қант, май және түрлі витаминдер сияқты қоректік ресурстардың бірден бір негізігі көзі болып табылады.

Өсімдік - тағамдық, дәрі - дәрмектік және бояу алынатын заттар мен құрылыс материалдары, техникалық заттардың, жалпы алғанда өмірге, тұрмысқа қажетті сан алуан заттардың ең негізгісі. Сондықтан өсімдік атмосфераны көмірқышқыл газынан тазартып, адам өміріне, жалпы тірі организмнің тіршілігіне мүмкіндік беретін оттегінің көгілдір мұхитын жасайды. Егіншілік өнімін арттыру күн сәулесі радиациясын өсімдік бойына сіңіріп, қоректенуіне тікелей байланысты. Елімізде азық - түлік программасын жүзеге асыру жолында түрлі табиғи құбылыстарды зерттеу жұмыстарын жетілдіре түсудің маңызы артып отыр. Бұл мәселеде фотосинтез, өсімдіктің тамыры, жапырағы, сабағы мен дәндері арасындағы өсу процестерінің бір - біріне байланыстылығын естен шығармаған жөн. Өсімдіктің тіршілігі мен өнімділігі оның өсіп тұрған ортасына, климатқа, сәуле радиациясына, жылу мен суға, минералды заттарға, т.б –ға тікелей байланысты.

Осы факторлардың ішінде өсімдіктердің жылу мен ылғалға, ыстыққа, суыққа төзімділгі, сонымен қатар олардың өзара байланыстылығы өсіп жетілу процесіндегі ең негізгі факторларға күні бүгінге дейін жете көңіл бөлінбей келеді. Өйткені, осы күнге дейін күн сәулесі радиациясын реттеуге болмайды деп есептелді және әр өсімдіктің күн сәулесін әр түрлі пайдалатыны да ескерілмеді.

Күн сәулесінің өсімдіктер мен жануарларға және тағы басқа процестерге тигізетін әсерін зерттеуде биофизиканың маңызы күн санап артып отыр.

Ауыл шаруашылығын өндірісі мен биологияда физиканың қолданыла бастағанына онша көп болған жоқ. Соған қарамастан ауыл шаруашылығындағы аса ауыр жұмыстарды жеңілдету үшін механикаландыруға, электрлендіруге, өсімдіктер мен жануарлардың тіршілік етуін реттеуде және белгілі бір режимде икемдеп өзгертуде биофизика айтарлықтай үлес қосып отыр. Биофизика ғылымының жетістіктері ауыл шаруашылығын биология ғылымын қазіргі заман талабына сай дамытуға қажетті техникаларды, приборлар мен аппараттарды жасауға және оларды жетілдірудің жаңа жолдарын іздестіруге мол мүмкіндіктер беріп отыр. Биофизиканың көптеген жетістіктері ауыл шаруашылығы өнімдерінің өнімділігін арттыруда, соның ішінде мол тұқымның сапасын жақсартуда оның тұқым қуалаушылық белгілері, т.б. саласында да пайдаланылуда.

Бұл мақсатқа магнит өрісі, лазер сәулесі, ультракүлгін, рентген, альфа, бета, гамма сәулелері, ультрадыбысты толқын, фотосинтез тағы басқа физикалық құбылыстар мен заңдылықтар ауыл шаруашылығында, биологияда қолданылуда.

Өсімдіктің тамыры топырақтан су және минералды заттарды қабылдайтын негізгі мүшесі болса, оның жапырағы сәуле энергиясын кабылдай отырып, аса күрделі процестерді атқарады.

Жапырақ өзіне түскен сәуле энергиясын жартылай сіңіреді, жартылай шағылыстырады, біразы жапырақ тканьдері арқылы өтеді. Жапырақ ультракүлгін және инфрақызыл сәулелерді күшті жұтады. (90-99%). Бұл жай клетка қабыршақтары мен плазмалық заттардың өзіндік қасиетіне байланысты, ал толқын ұзындығы 300 ммк- дан аз ультракүлгін сәулелер организмдерге аса зиянды әсер ететіндіктен олардың өсімдіктер мен жануарларға ешқандай физиологиялық маңызы болмайды.

Жапырақтың түсі мен морфологиялық ерекшелігінің ультракүлгінді радиацияны бойына сіңіру коэфициентіне ешқандай әсері жоқ. Спектрдің көрінетін аралығында (400 - 760 ммк) жапырақ негізгінен көкшіл күлгін және сарғыш қызғылт, қызыл түсті сәулелерді 80-95 % - ке дейін сіңіреді.

Ылғалдылығы жоғары және көлеңкелі жерлерде өсетін өсімдіктер жапырағының көк, сары түсті сіңіруі 30-35 % төмендейді. Ал толқын ұзындығы 400- 480 ммк және 620-680 ммк болатын сәулелерді сіңруі өте аз, толқын ұзындығы 520-580 ммк және 720-800 ммк болатын сәулелердің сіңіруі көбірек өзгереді.

Жалпы айтқанда солтүстікте өсетін өсімдіктерге қарағанда, оңтүстікте өсетін өсімдіктердің жапырағы көрінетін сәулелер энергиясын көп сіңіреді. Сол. сияқы көлеңкедегіге қарағанда жарық жердегі өсімдіктердің және жазықтан гөрі таулы жердегі өсімдіктердін сәуле сіңіруі басым болады. Сәуле энергиясын шөп жапырағы ағаш жапырағына қарағанда аз сіңіреді және ол өсімдіктің жасына да байланысты болды.

Жапырақтың сәуле энергиясын сіңіру процесі өте күрделі. Қысқа толқынды сәуле энергиясын сіңіру заттардың клеткаларына және протоплазма ферменттеріне сары жасыл пигменттерді көбірек жинауына негізделеді де, толқын ұзындығы 300 ммк -480 ммк болатын спектрлердің сіңіруі бірін – бірі теңгереді.

Мұндай құбылыс тәжірибеде селективті сіңіру деп аталады. Сарғыш –қызылт, қызыл сәулелерді жасыл жапырақтардың. максимальді сіңіруі бұл толқын ұзындығында тек 10-20% - тен аспайды.

Сары, көк сәулелер энергиясының көп сіңірілуі мынаған байланысты - ондағы хлорофильдердің және каротиноидтердің оптикалық тығыздығы төмен, сондықтан мұндай жағдай көптеген шағылысудың әсерінен алынатын эффект екендігін мына төменгі мысалдан тез түсінуге болады. Жапырақтың клетка аралықтарына ауа орына су өтеді деп алсақ, онда оптикадағы белгілі шағылысу заңы бойынша сәуле бір ортадан екінші ортаның шекарасына жеткенде сол орталардың қасиетіне байланысты шағылысу коэфициентінің өзгеруі сияқты аралық беттерінде селективті сіңіру коэфициенттері де төмендейтін байқалады. Сонымен, толқын ұзындығы 400 ммк —750 ммк болатыны сәуле энергиясының сіңірілуі жапырақтың құрамындағы пигменттерге, оның қалыңдығына және анатомиялық құрылысына, сонымен қатар ондағы органикалық заттардың мөлшеріне тікелей байланысты болды.

Жасыл түсті жапырақтағы хлорофильдер оның 1дм² аумағында 0,7-0,8мг мөлшерінде болады. Ал хлорофильдің өзі түрлі өсімдіктерде түрліше мөлшерде болды және ол жапырақтың қоректенуіне, жасына, орналасқан, өсу фазасына, т.б жағдайларға байланысты.

Тәжірибелер мен зерттеу жұмыстары бойынша мынаны айтуға болады. Толқын ұзындығы 400-750 ммк аралығында болатын, көрінетін сәулелердің радиациясын бірқалыпты жағдайдағы жасыл түсті жапырақтардың сіңіруі 75-80% шамасындай. Топырақ ылғалдылығы орташа жерде өсетін өсімдіктердің жапырақтарында 75-78%, ал қуаңшылыққа төзімді өсімдіктердің жапырағында 82-86% сәуле сіңіріледі, ал жапырақтары балауса, су мол суккуленттік өсімдіктерде 86-88 % және клеткалық шырындары бояғыш заттары бар көптеген өсімдіктердің жапырағы 90-92 % сіңіреді. Бұл максимал мән болып есептеледі. Сонымен, жапырақ оптикалық жүйеге жататындықтан күн тәулігінде өзгеріске аз ұшырайды. Күннің кез келген биіктігінде жапырақтың сәуле радиациясын сіңіруі бірдей мөлшерде болатыны және ол күн спектрі энергиясының бөліуіне байланысты емес екендігі практика жүзінде анықталды. Жапырақтың күн сәулесінің радиациясын орташа сіңіруі 78,5%.

Күн сәулесі радиациясының қалыпты жағдайдан өзгеруі жапырақтағы оптикалық системаның өзгеруіне әкеп соғады, бір - біріне байланысқан, тұтасқан бірыңғай (интегралды) сіңірулер ультракүлгін, көрінетін және инфарқызыл сәулелердің сіңірулерінің қосындысынан тұрады. Бұл арада бір айта кететін нәрсе, осы сіңірулер сәуле үлесіне 3-5 %, ал көрінетін сәулелердің үлесіне 35-48%, ал қалғаны инфрақызыл сәулелерің үлесіне тиеді.

Күн сәулесі радиациясын сіңіру түсті сәулелер үшін әр түрлі болуы өсімдік түріне байланысты. Өсімдіктердің энергетикалық және физиологиялық күйіне жақсы әсер ететін сәулелер 300-760 ммк аралығында жататын сәулелер болады.

Қай өсімдік болмасын өте күрделі оптикалық және биологиялық система болып табылады. Өсімдік жапырақтары күн сәулесі радиациясын бойына сіңіріп, өсімдіктің тез өсіп, жетілуіне және оның өнімділігінің артуына көп әсерін тигізеді. Өсімдікке түсетін күн сәулесі және оның сіңіретін сәуле энергиясы өсімдік жер бетіне қылтиып шыққан күннен бастап, ол пісіп - жетілгенше аса күрделі міндет атқарады. Өсімдік өзінің жапырағы арқылы сіңірген күн сәулесі энергиясының жартысына жуығын, фотосинтез құбылысына, өз бойындағы органикалық заттарды түзуші химиялық энергияның жинақталуына, сондай- ақ өзінің өсіп жетілуі, түрленуі сияқты күрделі процестерге жұмсайды Ал, біразы өсімдіктің бір қалыпты өсіп жетілуіне, өз бойындағы суды буға айналдыруға кететін жылу өндіру сияқты процестерге жұмсалады.

Өсімдіктің бойына сіңіретін энергиясы мен жұмсайтын энергиясы бір - біріне тең дәрежеде, яғни термодинамикалық тепе – теңдікте өтеді.

Сонымен қорыта келгенде – физиологиялық радиацияның өсімдіктің түрленуіне, жапырағының формалауына және тағы басқа құбылыстарға, сонымен қатар фотосинтез процесі нәтижесінде өсімдіктің дұрыс өсіп жетілуіне әсері бар, бірақ бұл жағдайда жылу алмасу еске алынбайды. Өсімдіктің бой алып өсуі оның сыртқы ортада қоректік заттарды сіңіруінен басталады. Бұл кезде оның тамырлануы, сабақтануы және жапырағының тез өсіп жетілуі үшін сәуле энергиясы өте қажет. Сәуле энергиясы жапырақтың өсуіне тікелей әсер етеді, оның қалыптасуы сәуле энергиясына, оның ішінде қызғылт сары, қызыл сәулелерге тікелей байланысты.