Środowisko

Rośliny pod prądem

Numer 1/2020
Patryk Kosmider / Shutterstock
Próby zwiększenia wydajności upraw najczęściej wiążą się ze stosowaniem nawozów, pestycydów i herbicydów. Okazuje się jednak, że ten sam efekt można uzyskać w inny, zaskakujący sposób – aktywizując metabolizm roślin prądem elektrycznym.
Schemat instalacji w szklarni badawczej.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Schemat instalacji w szklarni badawczej.
Uproszczony schemat elektroforezy.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Uproszczony schemat elektroforezy.
Elektryczność statyczna może wywołać niezwyk­łe efekty.Tomsickova Tatyana/Shutterstock Elektryczność statyczna może wywołać niezwyk­łe efekty.

Pierwsze eksperymenty dotyczące oddziaływania prądu elektrycznego na rośliny zaczęto przeprowadzać już w XIX w. Niektórzy z badaczy mieli nadzieję, że rośliny poddane działaniu prądu elektrycznego będą się szybciej rozwijać. W zasadzie w tamtym czasie taka idea opierała się tylko na intuicji. Jednym z pierwszych badaczy tego problemu był żyjący na przełomie XIX i XX w. fiński geofizyk Karl Selim Lemström. Impuls do rozpoczęcia prac stanowiły obserwacje, które poczynił w Laponii. Lemström przyglądał się tam zależności wzrostu drzew od występowania zorzy polarnej. Zauważył, że pomimo krótkiego w tamtych szerokościach geograficznych czasu wegetacji rośliny wzrastają całkiem dobrze, porównywalnie do tych, które rosną na południu kraju. Zgodnie z jego hipotezą odpowiadało za to pole elektryczne wytwarzane przez naładowane cząstki docierające do Ziemi wprost ze Słońca. To one właśnie wywołują piękną zorzę, ale zgodnie z przewidywaniem Lemströma stymulują jednocześnie wzrost roślin.

Aby zweryfikować swoją hipotezę, Fin rozpoczął badania na południu Europy, gdzie na polach sadził marchew i groszek, a na pewnej wysokości umieszczał przewody elektryczne. W jednym z doświadczeń uzyskał wzrost wydajności marchwi aż o 125%, a groszku o 75% w porównaniu z roślinami uprawianymi bez obecności pola elektrycznego. Doświadczenia prowadzone w winnicach dały nie tylko większe grona, ale też większą zawartość cukrów. Z kolei hodowane kwiaty miały intensywniejszą barwę i zapach. Imponujące, prawda? Niestety, tak udane były tylko pojedyncze eksperymenty. Wiele innych nie dało żadnego dodatkowego wzrostu. Doświadczenia Lemströma zostały powtórzone w Anglii przez botaników i fizyków, lecz i oni uzyskali niejednoznaczne wyniki. Pod koniec I wojny światowej powstał nawet składający się z naukowców i rolników brytyjski Komitet Elektroupraw (Electro-culture Committee), którego zadaniem było jednoznaczne stwierdzenie, czy da się wykorzystać prąd elektryczny do zwiększenia zbiorów. Prace badawcze trwały kilkanaście lat. Niestety, ich wyniki nadal niczego nie rozstrzygnęły. W niektórych przypadkach uzyskano co prawda pewne sukcesy, ale ostateczny raport komitetu, opublikowany w 1936 r., kończył się wnioskiem, że jeśli uzyska się nawet 20-procentowy wzrost, to procedura się nie opłaca ze względu na koszty energii. Podobne wnioski sformułowali Amerykanie, którzy w tym samym czasie prowadzili doświadczenia na eksperymentalnej farmie w Arlington, w pobliżu Waszyngtonu. Pomysły powędrowały więc na kilka dekad do archiwum.

Do gry wkracza profesor Liu Binjiang

Przez niemal pół wieku temat leżał zapomniany. Dopiero w latach 80. zainteresowali się nim chińscy specjaliści od upraw, ale na początku działania były raczej lokalne i niewiele o nich wiadomo. Dopiero niedawno dzięki grantom badawczym rządu chińskiego eksperymenty ruszyły naprawdę bardzo szerokim frontem. Szef zespołu, prof. Liu Binjiang, zaprojektował eksperymentalne szklarnie, w których od kilku lat prowadzi badania nad wzrostem rozmaitych roślin, m.in. ogórków, rzodkiewek i różnych zbóż. Pod dachem szklarni, na wysokości ok. 3 m, rozmieszczono nieizolowane przewody miedziane, które mają generować pionowy gradient pola elektrycznego. Przyłożone napięcie jest bardzo wysokie, sięga nawet 50 kV, ale przepływający prąd jest minimalny i wynosi kilka mikroamperów. W celu optymalizacji w doświadczeniach sterowano natężeniem pola elektrycznego, którego wartość waha się pomiędzy 700 a 20 000 V/m (naturalne pole elektryczne na Ziemi to 100 V/m). Jeden hektar eksperymentalnej szklarni potrzebuje średnio 15 kWh dziennie, co odpowiada połowie średniego zużycia prądu przez gospodarstwo domowe w Stanach Zjednoczonych. Łączna powierzchnia szklarni doświadczalnych w Chinach wynosi ponad 3 tys. ha i nadal rośnie.

Dotychczasowe badania dały niesamowicie ciekawe wyniki. Średni wzrost wydajności wyniósł 20–30%, ale bardzo istotne są też inne obserwacje. Okazało się na przykład, że wytworzone pole elektryczne zabija szkodliwe bakterie w powietrzu i glebie. Jest to bardzo ważna sprawa, ponieważ dzięki temu można niemal zupełnie wyeliminować choroby roślin. Dodatkowo, jak twierdzą chińscy badacze, obniża się też napięcie powierzchniowe wody, co skutkuje szybszym parowaniem. W samych roślinach przyspiesza transport jonów, takich jak węglanowe i wapniowe. Dodatkowo przyspieszeniu ulegają też metabolizm (stąd większa wydajność), pochłanianie dwutlenku węgla oraz sam proces fotosyntezy.

Jak informują chińscy badacze, dzięki działaniu prądu zmniejszono zużycie pestycydów o 70, a nawet 100% (!). Obniżono też zużycie nawozów o więcej niż 20%. To wszystko oczywiście w prosty sposób przekłada się na zmniejszenie kosztów produkcji, ale także na jakość wyhodowanej żywności. Odwiedzający szklarnie szybko zauważają, że panuje tam bardzo miły zapach, przypominający ten zaraz po burzy. Nie wolno jednak w szklarniach przebywać zbyt długo ze względu na duże natężenie pola elektrycznego. Już dawno stwierdzono, że pole elektryczne, zarówno stałe, jak i zmienne, może oddziaływać negatywnie na organizm ludzki. Podobnie jak w przypadku roślin może wpływać na transport jonów, równowagę sodowo-potasową w komórkach itp. Obecnie technologię stworzoną przez chińskiego uczonego zaczyna u siebie wykorzystywać sektor prywatny, m.in. Holendrzy, Amerykanie, Australijczycy oraz Malezyjczycy.

Uprawy niekoniecznie trzeba prowadzić na dużej powierzchni. Stworzono też wersje mini systemu wspomagania wzrostu roślin prądem. Dzięki temu można zbudować własną szklarnię na działce czy nawet na balkonie.

Wszystko to piękne, ale…

Zespół profesora Liu Binjianga oczywiście publikuje wyniki swoich prac – powstało ponad 100 artykułów na ten temat. Problem polega na tym, że ukazują się one tylko w lokalnych czasopismach (w języku chińskim). Nie ma niestety poważnych prac publikowanych w czasopismach o obiegu międzynarodowym. Dlatego też do wyników chińskiego zespołu światowi specjaliści od upraw podchodzą z rezerwą. Australijski ekspert hodowli roślin Yang Aijun uważa, że wyniki profesora Liu są niejednoznaczne, a zastosowane przez niego metody statystyczne – generalnie słabe. Brakuje też doniesień o wynikach uzyskanych przez badaczy w innych krajach, choć wiadomo, że trwają tam podobne prace. Zapewne minie jeszcze kilka lat, zanim będzie można wyciągnąć z nich jakieś definitywne wnioski.

Czy pole elektryczne może spowodować aż tak duży wzrost plonów? Odpowiedź na to pytanie nie jest łatwa. Owszem, na pewno pole wpływa na transport jonów, ale ten mechanizm wydaje się mało prawdopodobny. Jeśli ma ono konkretny kierunek, to przyspieszenie ruchu anionów będzie jednocześnie skutkować spowolnieniem ruchu kationów, podobnie jak w elektroforezie. (Elektroforeza to zjawisko polegające na wymuszonym ruchu naładowanych cząstek pod wpływem przyłożonego stałego pola elektrycznego. Stosowane jest w analityce, m.in. do rozdzielania DNA, RNA oraz rozmaitych białek). Ruch jonów w organizmach żywych trwa cały czas. W zasadzie wszystkie procesy metaboliczne są z nim związane. Jeśli komórki znajdą się w polu elektrycznym, następuje zmiana szybkości poruszania się anionów i kationów, co z kolei może w rozmaity sposób wpłynąć na metabolizm – w niektórych przypadkach go przyspiesza, na co liczą uczeni z Chin.

Wiadomo, że od jakiegoś czasu na świecie trwają badania dotyczące przewodzenia sygnałów elektrycznych przez rośliny. Powoli rodzi się nowa dyscyplina naukowa, nazwana neurobiologią roślin. Naukowcy zajmujący się tą tematyką uważają, że rośliny należy traktować jak organizmy obdarzone specyficzną świadomością oraz pamięcią, a co za tym idzie – umiejętnością komunikacji oraz uczenia się. Cały czas trwają jednak poszukiwania mechanizmu tych działań. Większość uznaje, że są to procesy typowo chemiczne, jednak część specjalistów twierdzi, że jakąś rolę musi tu też odgrywać przewodnictwo elektryczne, analogicznie, jak to się dzieje w organizmach zwierzęcych. To jednak oczywiście nie wyjaśnia mechanizmu przyspieszenia wzrostu roślin. Żeby dało się sformułować przynajmniej hipotezy badawcze, potrzeba dokładniejszych badań na poziomie molekularnym i komórkowym. Istotniejsze jednak jest to, aby eksperymenty zespołu profesora Liu Binjianga zostały zweryfikowane w innych miejscach na świecie – dopiero porównanie wyników pozwoli na stwierdzenie, czy mamy do czynienia ze zjawiskiem realnym. Przyznam, że chciałbym, aby tak było – zmniejszenie ilości pestycydów oraz nawozów przy jednoczesnym wzroście wydajności może nie rozwiąże problemu produkcji żywności, ale byłby to krok w dobrym kierunku.

dr n. chem. Mirosław Dworniczak

***

Prąd elektryczny a organizmy żywe

Prąd to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, najczęściej elektronów. Jest wszechobecny – spotykamy go w przyrodzie, a od jakiegoś czasu wytwarzamy na potrzeby cywilizacji. Elektryczność statyczna znana jest ludziom od starożytności, wszyscy też widzieli oczywiście efektowne wyładowania atmosferyczne, czyli burze. Doskonale rozpoznaliśmy również aktywność elektryczną mózgu i całego układu nerwowego. Od jakiegoś czasu wiadomo też, że także rośliny wykazują mniejszą lub większą aktywność elektryczną. W ich komórkach znajdują się bowiem jony dodatnie i ujemne i jeśli np. ich proporcja po obu stronach błony czy ściany komórkowej jest różna, powstaje lokalna różnica potencjałów. Wnętrze komórek jest z fizycznego punktu widzenia roztworem elektrolitu.

Pierwsze eksperymenty z badaniami potencjału mięśni zwierzęcych prowadził Luigi Galvani. Zainspirowany przez niego Aleksander von Humboldt przygotował ok. 3 tys. doświadczeń zarówno na zwierzętach, jak i na roślinach. Z kolei Emil du Bois-Reymond użył galwanometru do wyznaczenia wartości tzw. potencjału czynnościowego także dla dwóch roślin: muchołówki oraz mimozy wstydliwej.

01.01.2020 Numer 1/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną