Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Глаз вместо прибора

Кандидат физико-математических наук Василий Птушенко

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.

Обеспечим библиотеки России научными изданиями!

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.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Ученые шутят»

Детальное описание иллюстрации

- Хроматическая диаграмма — графическое представление эталонной цветовой модели, принятой Международной комиссией по освещению (International Commission on Illumination) в 1931 году. По осям отложены значения двух координат цветности этой цветовой модели, x и y. Все точки внутри закрашенной области соответствуют цветам, воспринимаемым среднестатистическим человеческим глазом. Точки на границе этой области отвечают спектральным (верхняя граница) или пурпурным (нижняя граница) цветам. Числа около точек на границе указывают длину волны монохроматического света, «ответственного» за данный спектральный цвет. Чёрные точки в жёлто-зелёной области диаграммы соответствуют цветам осенних листьев, исследованных в эксперименте.
- Цветность листа и его фотосинтетическая активность коррелируют друг с другом, хотя и не связаны жёстко. Горизонтальные штрихи показывают пределы чувствительности среднего человеческого глаза. Рисунки: В. В. Птушенко, О. С. Птушенко, А. Н. Тихонов. Индукция флуоресценции, содержание хлорофилла и цветовые характеристики листьев как показатели старения фотосинтетического аппарата древесных растений // Биохимия. — 2014. — Т. 79. — № 3. — С. 338—352.