Глаз вместо прибора
Кандидат физико-математических наук Василий Птушенко
Существует много методов оценки фотосинтетической активности растения, но даже самый простой из них требует довольно дорогого оборудования.
Давно прошли те времена, когда исследователь, глядя в микроскоп, зарисовывал увиденное в блокнот или записывал в тетрадь, на сколько делений отклонилась стрелка прибора. Всё чаще измерения происходят в автоматическом режиме с помощью прибора, который в некоторой степени напоминает «чёрный ящик». Глаза и руки исследователя заменены сложными компьютеризированным и роботизированным комплексами. Но правильно ли это? Верным ли путём идёт развитие современной науки, а вслед за ней — и техники, и всей нашей цивилизации? Нет! — утверждает группа исследователей из МГУ и нескольких других научных и учебных заведений под руководством кандидата физико-математических наук Василия Птушенко.
Мы занимаемся исследованиями фотосинтеза, в частности изучаем, что мешает и что помогает растению производить полезные вещества из углекислого газа.
Существует много методов оценки фотосинтетической активности растения, но даже самый простой из них требует довольно дорогого оборудования. В то же время опытный агроном может на глаз, без всяких приборов, оценить состояние растения и даже поставить точный диагноз, если оно нездорово. Какие детали облика растения при этом играют роль, на что в первую очередь обращает внимание профессионал и какие анализаторы он задействует — это важный и одновременно сложный вопрос, решение которого позволило бы формализовать деятельность специалиста и сделать её доступной каждому. Мы же решили упростить задачу и подойти к её решению с самой простой, буквально очевидной стороны.
«Краски осени» — это ставшее классикой поэтическое выражение того, что происходит осенью: листья теряют зелёный цвет, становясь жёлтыми, бурыми, красными. При этом с помощью приборов мы видим, как падает их фотосинтетическая активность. А нельзя ли для оценки фотосинтетической активности листа использовать его цвет, который различим простым глазом? Ответ понятен: можно! И вопрос только в степени точности такой оценки.
Мы провели измерения на листьях липы. Для каждого листа измерили его цвет. Это, конечно, жаргон: цвет — визуально воспринимаемая характеристика светящегося объекта. Но ещё в 1920-х годах хорошо изучено, какое цветовое ощущение вызывает свет с тем или иным спектром. А измерить спектр отражённого листом света — не проблема. Цвет при этом можно описать так называемыми координатами цветности, то есть числами. Кроме того, для каждого листа измерен квантовый выход протекающих в нём фотохимических реакций (квантовый выход — это своего рода кпд листа, то есть доля поглощённых им квантов света, которые он расходует «с пользой», чтобы запустить цепочку фотосинтетических реакций). Как и ожидалось, между ними обнаружилась корреляция. Но важнее другое: по этому графику можно хотя бы приблизительно оценить, какое изменение координат цветности соответствует тому или иному изменению квантового выхода.
Возникает следующий вопрос: как понять, данное изменение цвета — значительное или нет? С чем его сравнивать? С чувствительностью глаза к изменению цвета (которую точнее можно назвать цветовой разрешающей способностью глаза). Ещё в 1940-х годах были проведены эксперименты, в которых определена способность среднего человеческого глаза различать незначительные изменения оттенков для разных цветов. Так вот, оказалось, что цветовая разрешающая способность глаза в жёлто-зелёной области цветов такова, что могла бы позволить отличать друг от друга листья, различающиеся по кпд первичных фотосинтетических реакций всего на 1,7%! Это довольно маленькая величина, конечно, уступающая чувствительности приборов, но всё же в несколько раз меньшая, чем характерный естественный разброс этой величины в типичных популяциях растений. То есть вполне достаточная для практического применения.
Разумеется, это лишь первая оценка возможностей нашего природного зрительного анализатора в конкретной научной задаче. Чтобы перейти к реальной практической «визуальной оценке», необходимо провести большую работу: получить аналогичные данные для других видов растений, построить калибровочные кривые, таблицы и т. п. Однако мы и не собираемся останавливаться и планируем в дальнейшем всячески пропагандировать разработанный подход, проводить семинары для исследователей фотосинтеза, призывая их отказываться от использования приборов и переходить к визуальной оценке. Более того, мы надеемся, что наш почин станет первой ласточкой, вслед за которой данный подход распространится и на другие сферы отечественной науки. Это позволит решить самые острые проблемы — и проблему экономии государственных средств на науку; и проблему зависимости от западных производителей научного оборудования; и так и не решённую проблему импортозамещения.
Что же, пожелаем нашим учёным удачи в их поисках! И будем надеяться, что к следующему апрелю мы сможем опубликовать их отчёт об уже полностью разработанном или даже внедрённом новом подходе!
***
Цветное зрение — способность глаза различать светящиеся объекты не только по интенсивности свечения, но и по спектральному составу света. Обусловлено наличием в глазу фоторецепторов нескольких типов, обладающих разной спектральной чувствительностью. У человека имеется три типа таких рецепторов-колбочек (не считая палочек, рецепторов преимущественно сумеречного зрения), что достаточно для различения основных встречающихся в природе цветов. Однако излучения различающихся спектральных составов могут вызывать одинаковые цветовые ощущения. На этом эффекте основаны цветное телевидение и цветная полиграфия, использующие, как правило, лишь три цвета для передачи всего многообразия цветов. Основанное на этом же эффекте количественное описание цвета и построение так называемого цветового пространства было выполнено в 1920—1930-х годах благодаря работам английских физиков Джона Гилда (1889—1979) и Уильяма Дэвида Райта (1906—1997) и принято Международной комиссией по освещению в 1931 году. Графическим представлением цветового пространства (точнее, его «среза», соответствующего одинаковой интенсивности световых стимулов) является хроматическая диаграмма. В 1940-х годах американским физиком Дэвидом Мак-Адамом (1910—1998) была изучена разрешающая способность цветового восприятия человеческого глаза в разных областях спектра.
***
Фотосинтез — процесс превращения атмосферного углерода в органические соединения с использованием энергии света. Осуществляется в растениях и фотосинтетических бактериях, является основой в энергетической (пищевой) пирамиде жизни на Земле. Интенсивность фотосинтеза зависит как от условий среды обитания (например, фотосинтез подавляется при слишком высоких или слишком низких температурах, при недостатке влаги, минерального питания и т. п.), так и от потребностей самого организма (растения или бактерии). Будучи главным процессом в растении, взаимосвязан со всеми остальными физиологическими процессами в нём: с ростом и размножением, дыханием и водным обменом и т. п.
Читайте в любое время
