Лекция 2 Живые системы как объект измерения
Мг/мг
Таким образом, данный показатель переводит некие показатели ростовых процессов из абсолютных в относительные, отражающие интенсивность ростовых процессов. Это бывает весьма удобно для сравнения объектов, имеющих разные размеры. В зависимости от исходных прямых показателей, взятых за основу для вычисления RGR, данный аллометрический показатель может иметь разную размерность (мг/мг, г/г, см/см, см2/см2 и т.д.).
2. SRR (shoot/root ratio. соотношение событий в надземной и подземной части). Как следует из названия, данный показатель предназначен для определение того, насколько различаются надземные и подземные части растения по какому-либо критерию. Обычно SRR используется для сравнения неких фиксированных значений величин (массы или длины), но может быть использован и для оценки интенсивности процессов, например скорости роста или накопления биомассы. Поэтому, в зависимости от сравниваемых величин данный показатель может иметь различную размерность – см/см, г/г, см.в сут./см.в сут и т.д. Вычисление данного показателя позволяет оценить логику развития организма в данных условиях и его приоритеты по распределению ресурсов.
Соотнесение площади листьев растения к его выражается удельной площадью листьев (Spesific Leaf Area, SLA) , а отношение количества потребленного питательного вещества к накопленной биомассе отражает показатель NUE (Nutrient Use Efficiency) и т.д. Окончание примера
Теперь следует рассмотреть непосредственно классификацию приборных методов. Следует отметить что созданная к настоящему времени приборная база позволяет применять для одних и тех же видов исследований разные методы. Выбор же конкретного метода определяется как правило, исходя из следующих практических соображений – условий эксперимента, желаемой точности получаемых данных, совместимости с другими методиками, времени измерения, доступности и дороговизны оборудования и расходных материалов и т.д.
Классификация приборных методов.
Четкой системы классификации приборных методов нет. Условно приборные методы работы с биологическими объектами могут быть разделены на различные группы, в зависимости от критерия:
1. В зависимости от того, расположены ли чувствительные элементы прибора непосредственно на объекте, или находятся от него на некотором расстоянии, методы подразделяются на контактные и дистантные. Пример – термометр и тепловизор
2. По характеру получаемой величины методы традиционно делятся на качественные, полуколичественные и количественные.
При использовании качественных методов исследователь получает информацию только о наличии или отсутствии у объекта какого либо свойства, вещества (тест-методы и тест-системы), процесса и т.д.
Используя полуколичественные методы, исследователь получает возможность сравнения данного объекта с другими, по интенсивности какого либо процесса или по содержанию каких-либо веществ, если оно выражено не в численном виде, а например в виде цветовой шкалы. То есть при использовании данных методов исследователь получает возможность сравнения нескольких объектов путем ответа на вопросы «больше или меньше, быстрее или медленнее». Но при этом, результаты не могут быть выражены в каких то конкретных единицах измерения. Пример – регистрация показателя среды при помощи индикаторной бумаги.
Наиболее предпочтительными и широко используемыми методами считаются количественные т.к. при этом появляется возможность изучения свойств объектов на основе абсолютных значений величин, преобразование и статистическая обработка результатов и т.д. Пример – весовые, концентрационные и многие другие измерения.
3. По соответствию исследуемой и измеряемой величин приборные методы подразделяются на прямые и косвенные.
В отличие от прямых, косвенные методы основаны на измерении каких либо сопутствующих величин, так или иначе связанных с исследуемой. Поэтому при интерпретации результатов такого рода исследований всегда используются аллометрические показатели. Пример – концентрационные исследования, фотометрические исследования, ВЭЖХ.
4. С точки зрения возможности использования оборудования в тех или иных условиях приборные методы подразделяются на лабораторные (как правило используется стационарное оборудование, приборы питаются от сети переменного натряжения) и полевые ( используется автономное переносное оборудование, либо оборудование, установленное на различных транспортных средствах, оборудование получает электропитание от собственных аккумуляторных батарей или от бортовой сети автомобиля, в котором оно расположено). В силу большей сложности, более высокого класса точности и более стабильных условий измерения результаты, полученные на лабораторном оборудовании, как правило, будут точнее аналогичных результатов, полученных в полевых условиях.
5. По последствиям для исследуемого живого объекта методы получения у него численных показателей можно разделить на прижизненные и деструктивные. Прижизненные методы изучения не наносят заметного вреда жизни и здоровью изучаемого объекта и поэтому являются более предпочтительными. К этой категории можно отнести большую часть весовых и морфометрических методов, подсчет численности особей, анализ крови животных и т.д. Деструктивные методы либо сами в значительной мере наносят ощутимый вред организму либо напрямую связаны с его умерщвлением. Применяются они в тех случаях, когда иначе интересующие исследователя показатели не могут быть получены. Примеры: методы анализа химического состава организмов и их анатомические исследования, пищевого рациона животных, определение показателей токсичности для различных химических веществ, исследование эффективности лекарственных препаратов и т.д.
При исследовании живых объектов чрезвычайно важной проблемой является обеспечение их максимальной, насколько это возможно, интактности. Этот термин означает стремление свести к нулю все возможные отрицательные для живых систем последствия, связанные с их исследованием. Он включает в себя: 1) минимизацию стресса, испытываемого живыми системами при их исследовании, 2) максимальное сходство условий эксперимента с естественными условиями обитания объектов. Иначе исследуемый объект, находясь в состоянии стресса, будет демонстрировать исследователю показатели, отличающиеся от его же показателей в «нормальном» состоянии – концентрацию гормонов, темп сердцебиения, интенсивность транспирации и т.д. А в том случае, если получение экспериментальных данных связано с умерщвлением и разрушением живых структур, искажения в полученных результатов могут возрастать многократно.
Особенно это касается растительных объектов в связи с высокой пластичностью их метаболизма. Растительные объекты (как и любые другие живые системы) воспринимают абиогенные факторы окружающей среды через множество различных каналов воздействия: освещение, температура, водный статус, газовый состав, химический состав окружающей среды, механические воздействия, радиационный фон и т.д. При этом картина взаимодействия особенно растительного объекта с окружающей средой чрезвычайно сложна.
При этом дополнительные трудности возникают, если используются деструктивные в той или иной степени методы исследования растений, связанные, например, с экстракцией из них различных веществ, так как при этом на общую картину состояния объекта как правило накладываются:
· неизбежные искажения условий, окружающих исследуемый объект, вызванные использованием измерительной аппаратуры.
· последствия произошедших, или происходящих в нем патологических процессов. Такие процессы обязательно связаны с нарушением гомеостаза организма или отдельных его частей (увяданием, разрушением клеточных мембран, изменениями гормонального статуса и т.д.). При этом иногда даже возникают трудности с определением того, что является причиной наблюдаемых у растительного объекта явлений: процессы, характерные для него в естественных условиях, или постепенно развивающиеся патологические процессы.
В этих условиях особое значение приобретает соблюдение чистоты эксперимента - исследователь должен быть уверен в том, что:
· условия эксперимента в достаточной степени стандартизированы;
· последствия неизбежного отхода от естественных условий обитания, вызванного применением измерительного оборудования, минимальны и хорошо прогнозируемы;
· динамика изменяемых параметров задается и регулируется исследователем.
При приборном исследовании интактных растительных объектов также практически всегда в той или иной степени происходит нарушение условий окружающей исследуемое растение среды. В частности, это происходит при использовании контактных приборных методов, связанных с прикреплением к растению различных датчиков, что изменяет гормональный статус растения в сторону возрастания гормонов стресса. Однако, в силу того, что исследуемый объект не разрушается, общая достоверность результатов эксперимента в этом случае значительно выше, чем в случае использования деструктивных методов исследования биологических объектов.
Лекция 3 Весовые методы работы с живыми системами Динамика массы организма как экологический показатель
Суточная динамика накопления организмами биомассы является важнейшим экологическим показателем. На динамику данной величины у организмов могут влиять следующие обстоятельства:
1.Общий видоспецифичный характер динамики накопления массы тела организмами данного вида.
2. Характер циркадной и цирканнуальной ритмики эндогенных процессов у представителей данного вида. Например, животные , обитающие в условиях сезонно меняющегося климата, имеют ярко выраженную цирканнуальную динамику массы тела.
3.Наличие более или менее регулярно отпадающих структур – семядольных листьев, рогов, настоящих листьев при листопаде, волосяного покрова. плодов,
4. Увеличение затрат на дыхательные процессы, вызванные повышением стрессовости условий, заболеваниями и т.д.
5. Наличие в организме одновременно протекающих разнонаправленных с точки зрения динамики массы тела процессов. Например, у растений – ростовых процессов и транспирации
Все вышеперечисленное делает живые системы крайне неудобными обьектами для проведения весовых исследований.
Лекция 4 .Морфометрия- измерение различных морфологических показателей;
.Методы проведения морфометрических исследований приментельно к растительным системам.
Получение численных значений некоторых основных морфологических показателей непосредственно не связано с использованием специальной аппаратуры. Так, некоторые численные параметры растения (количество листовых пластин, корней различного порядка) могут быть получены при помощи визуального подсчета. Линейные размеры отдельных частей растения могут быть получены при помощи линейки, которая является скорее средством измерения, а не измерительным прибором. Тем не менее, многие морфологические показатели могут быть получены при помощи специальной измерительной аппаратуры.
2.2.1. Исследование морфологических показателей корневой системы.
Корневая система растений является достаточно сложным объектом для морфологических исследований в силу своей сложной организованности – как правило в ее состав входит множество отдельных корней различной протяженности и диаметра. В этих обстоятельствах возникают трудности при получении значений самых элементарных параметров: общей протяженности корневой системы, ее объема , площади поверхности и т.д.
Рис.1
 |
|
Тем не менее, объем корневой системы может быть определен по количеству вытесненной ею воды на установке, принципиальная схема которой изображена на Рис.1. Установка состоит из сосуда, заполненного водой, в который помещается корневая система и сообщающегося с ним градуированного капилляра. Сосуд располагается строго вертикально на штативе, а капилляр - под небольшим (лучше, если- регулируемым) углом к горизонтальной плоскости. Необходимость изменения угла наклона вызвана самим принципом работы устройства: При помещении корневой системы в сосуд происходит общее поднятие уровня жидкости в системе и увеличение гидростатического давления. Это в свою очередь приводит к перемещению мениска воды в градуированном капилляре. Величина этого перемещения при неизменном угле наклона капилляра прямо пропорциональна объему тела, погруженного в сосуд. Поэтому, чувствительность метода максимальна при угле наклона капилляра, стремящемся к нулю, что особенно удобно при работе с корневыми системами небольшого размера. Однако, при работе с корневыми системами большего размера угол наклона неминуемо придется увеличить, т.к. длина шкалы капилляра ограничена.
Устройство может быть легко собрано собственными силами из подручного лабораторного оборудования. В качестве градуированного капилляра может быть с успехом использована пипетка на 1-5 мл. После сборки устройство необходимо откалибровать.
2.2.1. Приборное измерение площади листовой поверхности.
Площадь листовой поверхности растения является важным показателем, характеризующим как конкурентоспособности растения, так и степень благоприятствования условий его произрастания.
Значение площади листовой поверхности как фактора, определяющего конкурентоспособности растения в различных условиях, объясняется тем, что зеленые фотосинтезирующие листья являются для растения главным источником ресурсов – водорастворимых углеводов. Согласно теории аллокаций Тилмана ( Tilman,1988), общее количество и приоритеты в распределении этих ресурсов между органами определяют конкурентный успех растения в условиях борьбы за свет, воду и элементы минерального питания.
Традиционными методами определения площади листовой поверхности являются:
1. Непосредственное определение площади при перенесении его контура на миллиметровую бумагу.
2. Весовой метод. Для его осуществления необходимые лабораторные аналитические весы. В этом случае из бумаги вырезаются фигура с заранее известной площадью (например- квадрат со стороной 10 см.) и фигура, вырезанная по контуру исследуемого листа. Отношение полученных при взвешивании значений масс этих фигур соответствует отношению их площадей, так как толщина листа и плотность бумаги считаются у них одинаковыми.
В качестве метода как прижизненного, так и проводимого при фиксации эксперимента, измерения площади поверхности листа можно порекомендовать также фотометрический метод. Он основан на оценке степени перекрывания листом светового потока, падающего на фотоэлемент по напряжению, возникающему на его контактах. Принципиальная схема соответствующего устройства представлена на Рис.2.
Данная схема предусматривает наличие внешнего источника рассеянного света, но не исключаются варианты прибора, снабженные собственными маломощными автономными светильниками. Блок питания источников света должен быть стабилизирован и иметь рукоятки грубой и плавной регулировки напряжения питания.
Напряжение на выводах фотоэлемента максимальное, когда между фокусирующей линзой фотоэлементом ничего нет. При помещении туда объектов происходит нелинейное падение напряжения, величина которого определяется толщиной, оптической плотностью объекта, а также его площадью. При этом для растений одного вида первые два показателя условно считаются неизменными. Сигнал на выводах фотоэлемента может быть зарегистрирован любым милливольтметром, предназначенным для измерения постоянного напряжения.