Введение

После успешного исследования биоиндикации в масштабах города Санкт-Петербурга мне захотелось понять, как растения сами смогут управлять условиями своей жизни в промышленной теплице. Ведь сейчас никто не интересуется, хорошо им или плохо от полива два раза в день. Возможно, им было бы лучше один раз и не так обильно! И урожай был бы больше. Эти мысли привели меня к идеям биосенсорики.

Актуальность: автоматизация – главный способ повышения эффективности промышленных теплиц. Однако, датчики управления теплицами фиксируют только состояние почвы и воздуха и не отражают состояние самих выращиваемых растений.

Это приводит к позднему реагированию на проблемы: гибель растений от повреждений стебля и листьев, поздняя диагностика заболеваний, снижение урожайности от некорректной работы самих датчиков.

Поэтому необходимо наладить мониторинг состояния растений и объединить его с обычным мониторингом среды в теплице.

Проблема: В промышленных теплицах существует неиспользуемый резерв повышения урожайности на 15-20% и снижения затрат на 5-10% за счет своевременного реагирования на стресс растений (точное земледелие).

Цель

Найти паттерн острого стресса для группы растений.

Задачи:

1. Изучить научную литературу по данной проблематике. Сформулировать гипотезу.

2. Спланировать и провести исследование реакции растений на стресс с измерением разницы электропотенциала.

3. Выявить возможный паттерн реакций растений на повреждения.

4. Показать практическую пользу от использования паттерна для повышения урожайности и снижения затрат в теплицах.

Гипотеза.

Мы предполагаем, что существуют закономерности первой реакции растений на острые стрессы. Полагаем, можно найти общие черты этой реакции у разных растений и визуализировать их в виде формул и понятных графиков, которые можно использовать в управлении промышленными теплицами.

Краткий обзор литературы

В современной научной литературе выделяют два типа электросигналов растений: потенциал действия (ПД) и потенциал повреждения (ПП).

Потенциал действия представляет собой быстро распространяющийся сигнал в ответ на не повреждающие раздражители, например, охлаждение или умеренное освещение. ПД распространяется по проводящим тканям без затухания амплитуды.

Потенциал повреждения — это затухающий сигнал, возникающий в ответ на повреждающие воздействия (ожог, срез, химический стресс). В отличие от ПД, амплитуда и скорость ПП зависят от силы раздражителя и уменьшаются по мере удаления от зоны повреждения.

Электрические сигналы являются быстродействующей системой оповещения, координирующей защиту растения: оно бросает все силы на восстановление после стресса.

Российские ученые разрабатывают системы неинвазивного мониторинга состояния посевов и методы анализа электрических сигналов для ранней диагностики дефицита влаги, засоления почв и поражения вредителями [1, с.14-20]. Использование портативных многоканальных электродов позволяет регистрировать «электрический язык» растений в полевых условиях, что интегрируется в концепцию цифрового земледелия [2, с. 75-83].

Несмотря на продолжительное изучение вопросов, связанных с электропотенциалом растений, ученые продолжают обсуждать их сложные механизмы. В то же время, практика земледелия ждет недорого решения, которые позволили бы повысить урожайность за счет систематизации и формализации знаний по биосенсорике.

Научная новизна. В доступной литературе не встречалось описания паттерна механического и термического повреждений растений в виде, удобном для практического применения в управлении «умными» теплицами. В отличие от обычного подхода, наш алгоритм паттерна построен не на статичных показателях, а на их динамике.

Методы исследования: эксперимент и анализ.

Объект исследования: растения.

Предмет исследования: закономерности динамики электропотенциала растений при сильном стрессе.

Был применен метод электрофизиологии, основанный на регистрации электрических сигналов, генерируемых клетками растений. Использовался современный цифровой милливольтметр UNI-T UT60BT с двойной изоляцией, с высоким входным сопротивлением 3 ГОм, что важно для измерения в милливольтах без ощутимого влияния на исследуемую цепь. Фон не превышал 0,9 милливольта. Всего проведено 33 эксперимента (троекратно) с 23 различными растениями в июле-августе 2026 г. в Ленинградской области при равных условиях по температуре воздуха, почвы, атмосферному давлению и освещенности.

Эксперименты по измерению разницы электропотенциала растений проведены по стандартной методике: электроды вводились непосредственно в стебель или лист растения [3, с. 18-20]. Расстояние между электродами 5 см. После этого растению давалось время для стабилизации (привыканию к электродам). Время реполяризации колебалось от 5 секунд у растений с твердым сухим стеблем до 7 минут у растений с водянистым стеблем.

Как только разность потенциалов выходила на плато, начинался опыт: отрывался лист или наносился ожег огнём листу, находящемуся выше верхнего электрода, либо растение резко затенялось. Фон составлял не больше 0,9 милливольта, что не влияет на результаты, исчисляемые десятками милливольт.

Основная часть

Исследование реакции растений на стресс с измерением разницы электропотенциалов

Разброс по глубине падения ЭП варьировался от 12 % до 79 %. Время деполяризации составило от 6 до 360 сек. Максимальная глубина падения электропотенциала зафиксирована у следующих растений: у лопуха она составила 79 %, у живучки – 75 %, у традесканции и бузульника – 73 %, одуванчика – 70 % от исходного уровня ЭП (График 1). Мясистые, сочные, тонкостенные растения (традесканция, лопух, бузульник, одуванчик, живучка) реагируют на повреждение как единый водяной резервуар — глубоким и резким падением потенциала по всей площади. Стоит отметить, что средняя глубина падения ЭП по всем растениям составила 41% от исходной точки перед стрессом.

Минимальная глубина падения электропотенциала оказалась у бадана -12 %, винограда девичьего – 24%, аконита - 18 % и василька садового - 23 % (график 1). Жесткие, склероморфные или богатые дубильными веществами растения (бадан, виноград, василек и аконит) локализуют повреждение, сохраняя электрическую стабильность неповрежденных участков.

Время падения ЭП: лопух, очиток, живучка, хоста - «Медленные» растения с точки зрения биофизики. Им потребовалось до 3-6 минут для нахождения «дна» в падении. Среднее время восстановления ЭП по всем растениям – 80 сек (график 2). Наблюдения за реакцией растений на повреждения позволили сделать следующие выводы:

1. Все растения показывают различную глубину падения электропотенциала;

2. Максимум падения ЭП показывают мягкотканые, сочные, метаболически активные растения. Они демонстрируют быстрый гидравлический и химический сигнал;

3. Минимальное падение показывают жестколистные, деревянистые или богатые токсинами/дубильными веществами растения. У них происходит гашение физического сигнала и химическая стабилизация мембран;

4. В целом, глубина падения электропотенциала отражает динамичность водного режима и чувствительность клеточных мембран;

5. Время падения ЭП: у «медленных» растений наблюдается большая масса обводненных тканей, вязкий сок, низкая скорость метаболизма и медленная работа ионных насосов. «Быстрые» растения характеризуются высоким уровнем метаболизма, наличием механизмов быстрой закупорки ран и эффективным транспортом воды.

Математическая обработка и анализ данных. Определение паттерна стресса растений

Управление теплицей на основе паттернов сигналов растения называется Plant-in-the-Loop или «растение в контуре управления». Для того, чтобы голос растений был услышан и распознан как сигнал к действию, необходим алгоритм, понятный ИИ. ИИ сможет работать и со сложными нелинейными графиками ЭП растений, но упрощенная линейная модель лучше, так она отсекает шум и выделяет главный вектор- паттерну. ИИ легче увидеть этот четкий тренд, чем

График 1. Глубина падения ЭП, все растения (%)

График 2. Время падения ЭП, все растения, секунды

гадать на «зазубринах» сложной кривой. При этом экономится вычислительная мощность.

В фокусе: коэффициент линейного тренда, время падения, % падения. Все вычисления проделаны с помощью программы Excel. В качестве примера приведен график падения ЭП бузульника узкоголовчатого Little Rocket, где красным обозначен график линейного тренда (график 3). Аналогичным образом мы построили графики трендов падения ЭП для всех растений в эксперименте. Все они автоматически строились Excel по формуле y=b-аx, где «y» - милливольты, «b» - высшая точка тренда, «а» -коэффициент (показывает скорость), «х» - время в секундах. Это формула линейной функции. Она отражает скорость и время падения ЭП в динамике.

В итоге, для данной группы растений мы получили усредненную формулу (или паттерн) падения ЭП в коротком промежутке времени: y= а-0,78x.

Мы предлагаем использовать формулу y=b-аx как быстрый, ресурсоэффективный «цифровой отпечаток» (паттерн) реакции растения на острый стресс на коротком промежутке времени. Он позволяет внедрять алгоритмы мониторинга в дешевые микроконтроллеры (например, Arduino, ESP32) прямо в теплицах без отправки «тяжелых» данных на облачные серверы.

Результаты и обсуждение

· Поставленная в работе цель - найти паттерн стресса - выполнена.

· Гипотеза о том, что можно найти общие черты острой реакции у разных растений и визуализировать их в виде формул и понятных графиков, которые можно использовать в управлении промышленными теплицами - оказалась верной.

· Сделан обоснованный вывод о целесообразности использовать формулу линейного тренда y=b-аx как быстрого, ресурсоэффективного «цифрового

График 3. Падение ЭП, бузульник. Исходный график и линейный тренд

отпечатка» реакции растения на острый стресс на коротком промежутке времени. В отличие от аналогичных работ, мы предлагаем использовать этот паттерн в виде, удобном для практического применения в управлении «умными» теплицами. В отличие от обычного подхода, наш алгоритм паттерна построен не на абсолютных показателях, а на их динамике.

Выводы:

1. Все растения показывают различную глубину падения электропотенциала; максимум падения на 70-79% ЭП показывают мягкотканые, сочные, метаболически активные мезофиты. Минимальное падение на 12-24% демонстрируют жестколистные, деревянистые или богатые токсинами/дубильными веществами растения.

2. Время падения ЭП: у «медленных» растений (3-6 мин.) наблюдается большая масса обводненных тканей, низкая скорость метаболизма. «Быстрые» растения (несколько сек.) характеризуются высоким уровнем метаболизма, наличием механизмов быстрой закупорки ран и эффективным транспортом воды.

3. Формулу y=b-аx можно рассматривать как как быстрый, ресурсоэффективный «цифровой отпечаток» (паттерн) реакции растения на острый стресс на коротком промежутке времени. Назовем его динамикой формы волны. Эта несложная формула может использоваться в алгоритмах мониторинга в дешевых микроконтроллерах (например, Arduino, ESP32) в теплицах. Это способно дать большую экономию на внедрении данной технологии и может в конечном итоге привести к увеличению урожайности на 20-40%, а также значительную экономию воды, удобрении и электроэнергии за счет мгновенного решения проблем растений.