Дослідження і технічні розробки Дж.Ч. Боса як підґрунтя наукової методології в галузі фізіології рослин: на матеріалах Калідаса Наг

RESEARCH AND TECHNICAL DEVELOPMENT BY J. C. BOSA AS A BASIS FOR SCIENTIFIC METHODOLOGY IN PLANT PHYSIOLOGY: BASED ON THE MATERIALS OF CALIDAS NAG

In our publication we have tried to highlight the value of Sir Jagadish Chandra Bosa inventive works, not only for their significance in terms of the evolution of our understanding of life, but also for solving many complex problems associated with the biology of both animal life and plant life. By founding his own institute and investing his own money in its work, J. C. Bos made an invaluable contribution to the development of knowledge for the benefit of all mankind. His inventions, research and developments in such fields as physics, plant physiology, in particular in the physiology of plants, plant growth and plant tropisms, plant sensitivity, carbon assimilation by plants, etc., are noteworthy from the point of view of the history of science. J.C. Bos addressed issues of technical support in the study of plant physiological phenomena such as plant movements (tropisms), photosynthesis process, carbon dioxide assimilation by plants, etc. He laid the foundations of methodology in plant physiology and created a number of devices for such research, such as magnetic crossograph, resonance recorder, phytograph, photosynthesis recorder. The aim of this article is to highlight the establishment and development of a methodological basis for the study of physiological processes in plants, mainly on the basis of a publication by Kalidasa Nag of the J. Bosa Institute in Calcutta, India. The author used methods of analysis, synthesis, bibliography, etc., contributing to the overall picture of the creation of research methodology in plant physiology. J. C. Bosa discovery revealed all the shortcomings of previous ideas about some important functions of plant life. His work opened up a broader aspect of understanding natural phenomena. The keenest interest that arose in scientific circles around the worldfor these discoveries was so great that Bosa work was published in various languages by major publishers in France, Germany and Poland. In recognition of J.C. Bosa contribution to the advancement of human knowledge, he was honoured by the British government by being knighted and made an Officer of the Order of Leopold by the King of Belgium. For his achievements in the physical and biological sciences he was elected a Fellow of the Royal Society. For solving many of the mysteries of life's phenomena he was awarded the title of corresponding member of the Vienna Academy of Sciences.

Key words: history of science (biology), Sir J. C. Bos, methodology of plant physiology, physiological processes of plant life, J. Bos Institute, Calcutta, India, magnetic crescograph, resonance recorder, phytograph, photosynthesis recorder.

Постановка проблеми

Історія науки знає не так багато прикладів, коли б робота одного дослідника зробила такий величезний вплив на різні галузі знання, як наукова діяльність сера Джагдіш Чандра Боса (також зустрічаються варіанти написання прізвища - Бошу, Бозе, Боше; англ. Jagadish Chandra Bose, бенг. Jogodish Chondro Boshu; 30.11.1858 - 23.11.1937), індійського фізіолога рослин, фізика і біофізика науковий внесок якого сприяв розвитку не лише фізичної, але також і біологічної науки (Джагдіш Чандра Бос; Большая советская энциклопедия, 1970: 587; Храмов, 1983: 36).

Якщо зі створенням технічного обладнання ботанічних досліджень нам дещо відомо, то відкриття й створення технічного забезпечення досліджень в галузі фізіології рослин та інших природничих науках зустрічається рідко. Ми мало що знаємо хто стоїть за тим чи іншим створеним приладом, який в подальшому дав можливість науковцям досліджувати фізіологічні явища в живих організмах, у тому числі й рослинах.

Як досліджують клітини? Як вам уже відомо, першим приладом, за допомогою якого вивчають клітини, був світловий (оптичний) мікроскоп. На жаль, точно невідомо, хто саме винайшов перший мікроскоп. Одні дослідники вважають, що цей винахід належить батьку і сину Янсенсам (кінець XVI століття), інші - відомому вченому Ґалілео Ґалілею (початок XVII століття).

Англійський дослідник Роберт Гук, вивчаючи за допомогою сконструйованого власного мікроскопа зріз корка, відкрив клітинну будову рослинних тканин. Хоча, у даному випадку він мав справу не з живими клітинами, а лише з їхніми стінками.

Сучасник Р. Гука, голландець Антоні ван Левенгук також за допомогою мікроскопів власної конструкції відкрив і описав одноклітинних тварин (зокрема, інфузорій), бактерій, а також еритроцити і сперматозоїди хребетних тварин.

Накопичена на початок XIX століття інформація про будову клітин різних типів сприяли створенню клітинної теорії, яка істотно вплинула на подальший розвиток усієї біології.

А як же розвивалися дослідження, зокрема технічна база досліджень в галузі ботаніки, фізіології рослин?

Аналіз останніх досліджень і публікацій

В основу нашої статті покладена публікація співробітника Інституту ім. Дж. Боса в Калькутті (Індія) Калідаси Наг, написаної в 1934 році для IV тому журналу «Урусвати», який так і не побачив світ (Калидаса Наг, 1996). Деяку інформацію про вченого та його здобутки у галузі фізіології рослин і фізики розміщені на сайті інтернет ресурсів, енциклопедичному виданні.

Мета статті полягає у висвітленні напрацювань технічного забезпечення та винаходу приладів для дослідження фізіологічних процесів рослинного організму.

Виклад основного матеріалу дослідження

Індійський вчений Джагдіш Чандра Бос (Джогодиш Чондро Бошу, бенгл.) (Jogodish Chondo Bosch, Bengl.) (1858-1937) - мало відомий більшості молодих дослідників, але його роботи у біології, в галузі фізіології рослин фактично не мають попередників і стали фундаментом нової наукової методології в біології, зокрема фізіології рослин (Большая советская энциклопедия, 1970: 587), (Калидаса Наг, 1996).

У своїй книзі Д. М. Гродзинський (Гродзинский, 1966: 26) пише, що відомий учений в галузі фізіології рослин К. А. Тімірязєв рахував Дж. Ч. Боса видатним фізіологом рослин, який сконструював крескограф, пристрій для виміру швидкості рослин, що дозволяє бачити ростові рухи рослин прискореним в десять мільйонів разів і наводить слова Веніямина Франкліна, який говорив: «дослідник природи повинен уміти пилою свердлити і свердлом пиляти (Гродзинский, 1966: 26)». Чим глибше вчені хотіли пізнати біологічні процеси, тим складнішими ставали методичні підходи, тим сильніше контакт приладу з живою клітиною.

Його роботи пережили дві хвилі популярності. Одна з них, прижиттєва, припала на 20- 30-ті роки ХХ ст. і пов'язана з дослідженнями подразливості рослин. Інша, в 60-70 роки ХХ ст., відмічена виданням російською мовою двотомника його праць в серії «Классики науки» (Бос Дж. Ч., 1964) з науковою біографією і ґрунтовним коментарем. Це видання було зустрінуте з великим інтересом, який пояснювався, мабуть, не лише змістом видання, але і «відлигою», що відбулася в «радянській» біології та відродженням «радянської» біофізики.

У своїй статті Калідаса Наг висловлює думку, що «до нетрадиційних за формою і змістом робіт Бозе не підходить визначення «класичні» (Калидаса Наг, 1996). Вони наповнені особою дослідника, вони романтичні. У науково-популярній літературі роботи вченого цитувалися з метою вразити уяву читача. В академічних виданнях його цитували в працях з біофізики, електрофізіології.

У атомній фізиці прилади і пристрої служать не лише для того, щоб реєструвати явище, що вивчається, і вимірювати силу його проявів, але і для того, щоб створити умови, при яких це явище виникає. Часто при взаємодії приладу, що вимірює, з об'єктом виникає явище, що вивчається. Виникали питання. Що виходить, коли експериментують з рослиною або їх частинами, зокрема з «живими» моделями? Можливо, прилади взаємодіють з рослинами і породжують в них явища, які в звичайних умовах ніколи не відбуваються і не можуть відбуватися? Звичайно, біологи не лише придумували безліч хитрощів за допомогою самих нехитрих засобів, але і створювали дуже складні прилади, щоб як можна глибше пізнати суть процесів, які спостерігали (Гродзинский, 1966: 25-26).

Опублікована стаття, яка покладена в основу нашої публікації була написана співробітником Інституту ім. Дж. Боса в Калькутті (Індія) Калідасой Наг в 1934 році для IV тому журналу «Урусвати», який так і не побачив світ. За цей час оцінка ролі і місця Бозе в науці могла дещо змінитися, але на нашу думку розширення кругозору з питань історії науки, зокрема створення бази досліджень не вистачає здобувачам освіти. Створює повну картину розвитку як методологічної бази досліджень в галузі фізіології рослин, так і технічному його забезпеченні.

Завдяки Дж. Ч. Босу широке поширення отримали дослідження біоелектричних явищ в рослинах та біофізичні дослідження різної категорії складності. У цій галузі науки він став «повноцінним» класиком, оскільки і біофізика сьогодні - наука класична.

Існує ще одна важлива, але мало обговорювана наукова тема, уперше зачеплена саме Босом і яка представляє великий методологічний інтерес. Це співвідношення форми і функції. Всяка складна система (у тому числі і рослина) може бути повно описана тільки з використанням ознак двох категорій: 1) форми, структури, складу, змісту і 2) функції, поведінки, інтенсивності, обміну. При використанні ознак тільки одній категорії опис не буде достатнім. Це проблема системного аналізу. Саме він відмітив, що в науці про рослину існує підвищена увага до форми і відсутня увага до функцій.

Насправді, існують гербарії, анатомічні атласи, колекції насіння, дані про хімічний склад рослин і інші банки даних форми, структури рослин. Але відсутні банки даних про функції рослин. Ми знаємо, як виглядали рослини кам'яновугільного періоду, але можемо тільки припускати, який у них був газообмін або витрачання води. І якщо сьогодні не ведеться робота з формування таких банків, то завтра при зміні клімату ми не зможемо правильно оцінити тенденції зміни функцій рослин, від яких залежить життя на Землі.

Дж. Ч. Бос створив перші справжні пристрої для дослідження функцій рослин. (Мабуть, найпершими пристроями подібного призначення слід вважати ауксанографи Сакса і Баранецького). Це засоби реєстрації росту і рухів рослин, електричної активності органів, реєстратор фотосинтезу.

Зараз арсенал засобів моніторингу функцій рослин значно ширше і сформувалася методологія фітомоніторингу - системного дослідження рослини за допомогою спеціального інструментарію і з використанням комп'ютерної техніки (Нилов, 2005). Ідейним же батьком і предтечою цієї методології можна вважати Дж. Ч. Боса. І, слід відмітити його істотний вклад не лише в скарбничку позитивних знань, але і в скарбничку наукових ідей.

Вивчення механізмів життєвих функцій тварин відбувалося набагато раніше ніж рослин. Ми не можемо помітити внутрішні зміни у рослин у разі впливу зовнішніх умов та їхньої зміни.

Велика кількість труднощів лежить на шляху дослідника в його спробах розгадати секрети внутрішньої життєдіяльності рослинного життя. Виникають вони, головним чином, з наступних причин: (а) недостатня ефективність засобів, що дозволяють виявити внутрішні зміни в рослинах в результаті зміни зовнішніх умов; (б) відсутність досить чутливих пристроїв для реєстрації невидимої внутрішньої життєдіяльності рослин; (в) приписування невиправдано великої важливості формі і недооцінка значення функції органу.

Що стосується першого питання, то Бос намагався зробити саму рослину красномовним оповідачем про своє таємниче внутрішнє життя. Він піддавав рослину серії випробувальних дій однакової інтенсивності і одночасно знаходив способи, що дозволяли рослині автоматично реєструвати свої рухи у відповідь. Характер записів дозволяв отримати надійні свідчення нормальної збудливості рослини і її змін, що викликаються зовнішніми причинами. Так, із записів вченого видно, що в стані підвищеної збудливості амплітуда коливань у відповідь надзвичайно велика, тоді як в пригніченому стані така ж зовнішня дія викликає дуже слабку реакцію у відповідь (Калидаса Наг, 1996).

Відносно другого питання можна зазначити, що оскільки багато реакцій у відповідь відбуваються в темних глибинах рослини, то необхідно реєструвати пульсації найдрібніших шматочків живої матерії. Коли потужності мікроскопа бракує, доводиться продовжувати дослідження в області невидимого. Ці труднощі вдалося здолати з винаходом і створенням в інституті Боса численних приладів надзвичайно високої точності і чутливості. В якості типового прикладу можна привести магнітний крескограф, що реєструє рухи, недоступні найпотужнішому мікроскопу. Ступінь його збільшення досягає багатьох мільйонів разів. Перший час цьому відмовлялися вірити, тому була призначена перевірочна комісія, що складалася з провідних членів Королівського товариства, серед яких були лорд Рэлей, сер Уільям Брегг, професор Бейліс, професор Доннан і інші. Вони повністю переконалися в чудовій роботі апаратури і засвідчили, що «зміни розмірів тканин реєструються приладом правильно зі збільшенням в десять мільйонів разів і записи дають можливість оцінити дійсну величину реакції у відповідь живих тканин на зовнішні подразники» (Калидаса Наг, 1996).

В інституті винайшли і виготовили також багато інших приладів, що зробили неоціниму службу у виявленні і реєстрації реакцій у відповідь рослин. Резонансний реєстратор автоматично відмічає час в одну тисячну секунди і дозволяє з граничною точністю визначити прихований період - період сприйняття і швидкість передачі збудження по провідній тканині. Фітограф - єдиний у своєму роді пристрій для реєстрації швидкості підйому соку та її зміни. Реєстратор надмалих скорочень вимірює величину скорочення однієї клітини живої тканини у відповідь на зовнішній вплив. Реєстратор перистальтики дозволяє стежити за проходженням хвиль стискування і розтягування в деяких органах. Реєстратор фотосинтезу автоматично записує на барабан, що обертається, швидкість засвоєння рослиною вуглецю і вплив зміни зовнішніх чинників на цю швидкість. Цей прилад настільки чутливий, що дозволяє відмічати утворення карбогідрату масою в одну мільйонну грама. Ці та інші прилади, що спеціально створені, дозволили уперше побачити внутрішнє життя рослин, про багато сторін якої неможливо було навіть підозрювати.

Головною причиною тривалої стійкості широко поширених помилок про істотну відмінність рослинного і тваринного життя була підвищена увага до форми і незаслужена зневага значно важливішими функціями органів рослини (Калидаса Наг, 1996).

Кожен орган живої істоти є інструментом, що виконує певну функцію для користі усього організму. При вивченні фізіології життєвих процесів науковців у першу чергу цікавлять дослідження функцій органів. Це ясно видно на прикладі порівняльного вивчення різних типів травних органів, основною функцією яких є розщеплювання нерозчинної органічної їжі ферментами, які виробляються спеціальними залозами у комахоїдних рослин, і подальше засвоєння розщепленої речовини.

Так, вченим-ботанікам відомо, що листя росянки (Drosera) покрите вусиками, які виділяють в'язкий кислий фермент (Калидаса Наг, 1996). Якщо звернутися до ботанічного опису рослини, то знаходимо що листя цієї невеликої комахоїдної рослини покрито 25 віями на верхній стороні листяної пластинки з боків, де є найдовші з них. Верхній кінець вій потовщений. Саме там розташована залізниця, яка й виділяє клейкий слиз. Комахи летять до хижої-росянки, що залучаються блиском цієї крапельки. Але ледь торкнувшись листя, вони прилипають. Незабаром через 10 або 20 хвилин вія, до якої прилипла жертва, зігнеться до центру листка. Всі сусідні вії також зігнуться (Найбільша рослина хижак). Комахи прилипають до поверхні листя, і у боротьбі, що виникає при цьому, сусідні вусики нахиляються до жертви і утримують її ще міцніше. Після цього рослина перетравлює і засвоює комаху, залишаючи тільки його нерозчинний скелет. Важко представити що-небудь таке несхоже на більш складний шлунок тварини з його внутрішньою активною поверхнею, як цей простий тип відкритого травного органу. Проте, функціонально він є травним органом. У венериної мухоловки, або діонеї (Яка рослина їсть комах), пастка утворена двома половинками відкритого листка і схожа на широко відкритий рот, який закривається, як тільки усередині нього виявиться жертва - необережна комаха. В іншій рослині - травний орган непентеса, що має форму глечика, в значно більшому ступені нагадує шлунок тварини (Найбільша рослина хижак).

У підручниках і навчальних посібниках з фізіології рослин подається досить коротка інформація щодо досліджень історії винаходів технічних засобів, які використовувалися у дослідженнях фізіологічних процесів у рослин. Особливу групу складають рухи уловлювання і захоплювання, властиві комахоїдним рослинам. Порівняльне вивчення показало, що механізми функціонування пастки у мухоловки і росянки мають подібність: володіють швидкими настичними і повільнішими тропічними рухами. Разом з тим ці рослини відрізняються одна від одної ділянкою, на яку поширюється потенціал дії. Повторювані потенціали дії викликають секреторну діяльність травних залоз. Ці рухи можна визначити як механічну реакцію, викликану потенціалом дії в моторних клітинах, для яких характерна реакція зчеплення: подразнення - тургор - спад (Макрушин та ін., 2006).

Світ рослин дає унікальну можливість вивчення поступових змін, в ньому спостерігається перехід від простого примітивного органу до складніших форм.

Якщо говорити про чутливість рослин, то це питання досить цікаве і має свої успіхи у вивченні. Дж. Ч. Бос провів більшу частину своїх досліджень в галузі рослинництва на таких рослинах як Mimosa pudica і Десмодієвих рослинах.

Рослинні сенсорні та реакційні системи порівнювали з нейробіологічними процесами тварин. Саме індійський вчений Дж. Ч. Бос вважається першою людиною, яка досліджувала та розповідала про нейробіологію рослин. Однак багато вчених саме цієї галузі щодо рослин вважали термін «нейробіологія рослин» помилковим, оскільки рослини не мають нейронів.

Усім нам відома така рослина як мімоза. Нещодавно австралійські вчені виявили, що мімоза сором'язлива здатна до самонавчання. Згідно з результатами дослідження, опублікованого в журналі екологічного спрямування, мімоза «запам'ятовує» особливості кожного контакту, і якщо він не представляє загрози, витрачати енергію на згортання листя не стане. Така поведінка властива тваринам: за допомогою нервової системи вони не тільки отримують інформацію, але і можуть її використовувати. Поведінкові реакція рослини з урахуванням накопичених ним даних був описаний вперше на цьому прикладі. Ще однією дивною властивістю, яка і дала рослині назву, стала його здатність згортати листя у відповідь на дотики. Механізм цієї дії вже відомий вченим. Біля основи черешків розташовані водні мембрани, а сенсорні ділянки на листочках реагують на тиск. При дотику вода спрямовується до місця контакту, і під цією вагою листя згортаються і опускаються вниз (Мімоза сором'язлива).

Більшість же рослин вважаються позбавленими чутливості, оскільки вони не проявляють якої-небудь механічної реакції у відповідь на зовнішню дію. Але механічна реакція не є єдиним критерієм чутливості органу. У своїй роботі «Порівняльна електрофізіологія» Дж. Ч. Бос показав, що кожна рослина і кожен його орган мають чутливість і реагують на зовнішні подразники виникненням електричного потенціалу, аналогічно тому, як це відбувається у тварин. Електрична реакція є характерною властивістю живої тканини, оскільки високій збудливості відповідає велика амплітуда реактивних рухів, тоді як у мертвої тканини електрична реакція відсутня повністю.

Відсутність механічної реакції на зовнішню дію у звичайних рослин відбувається унаслідок взаємно нейтралізуючих рухів на протилежних сторонах органу. Проте, за допомогою свого реєстратора надмалих скорочень Дж. Ч. Бос показав, що навіть у звичайних рослин кожна клітина випробовує скорочення. Чутливість таких рослин часто не поступається чутливості людини. Властивістю скорочуватися володіє саме жива тканина. Це підтверджується тим фактом, що після пропускання через рослину електричного струму реакція у відповідь тканини повністю припиняється.

Так, взаємозв'язок і взаємодія між різними органами у тварин здійснюється за допомогою особливих тканин, що проводять, називаються нервами. Раніше заперечувалася сама можливість існування подібних тканин у рослин. Складність вирішення цієї проблеми пояснювалася відсутністю якого-небудь способу автоматичної реєстрації швидкості проходження імпульсів через рослини. Здолати цю трудність вдалося завдяки створенню резонансного реєстратора, в якому використовувався новий принцип реєстрації гранично коротких інтервалів часу, в основі якого - виникненні резонансних коливань, прикладом яких може служити вібрація скрипкової струни, що викликається звучанням іншої струни, точно налаштованої на частоту першої. У резонансному реєстраторові записуючий пристрій має точне налаштування на частоту вібруючого язичка. Вона дозволяє перу самописця залишати на стрічці ряд точок, інтервали між якими можна зробити рівними одній десятій, сотій або тисячній частці секунди. Цим способом була виміряна швидкість у товстих черешках виду Mimosa pudica, що становить приблизно 30 мм/сек, тоді як в тонких черешках вона може доходити до 400 мм/сек. Таким чином, швидкість проходження імпульсів в тканинах рослин хоча і нижча, ніж у вищих тварин, але все таки вища, ніж у нижчих тварин. Той факт, що проходження імпульсу у рослин і тварин дуже схожий, був продемонстрований Дж. Ч. Босом у наступних переконливих дослідах (Калидаса Наг, 1996).

1) Імпульс збудження створювався за допомогою дискримінуючої полярної дії постійного за величиною струму замиканням катода там, де струм виходить з тканини, і розмиканням анода там, де струм входить в тканину.

2) У обох випадках імпульс можна зупинити створенням на його шляху фізіологічної перешкоди, наприклад:а) сильний холод; б) анестезуючі речовини, такі як хлороформ; в) отруйні розчини, такі як ціаністий калій.

3) Найбільш вражаючим з цих дослідів було створення електронної перешкоди для зупинки імпульсу. Ця зупинка тривала тільки під час проходження електричного струму, проте після припинення дії струму провідність тканини повністю відновлювалася.

Ці досліди дозволили вченому зробити наступне заключення: на провідність імпульсу в тканинах рослин можна впливати подібно до того, як і в нервах тварин. Фізіологічні механізми провідності в обох випадках по суті своїй аналогічні (Калидаса Наг, 1996).

Одним з найбільш загадкових явищ, пов'язаних із життєдіяльністю, можна назвати автоматичні пульсації в серцевих м'язових тканинах тварин, в яких услід за швидким систолічним скороченням відбувається відносно повільніше розширення діастоли. Хоча такі автоматичні рухи прийнято вважати пов'язаними з тваринним життям, проте, Дж. Ч. Бос показав, що аналогічну за своєю суттю діяльність можна спостерігати у листочків рослини Desmodium gyrans. Спостереження стало можливим завдяки створенню реєстратора коливань, спеціально сконструйованого для цієї мети. Як і в пульсаціях серцевої тканини, в пульсаціях листочків Desmodium систолічна фаза коротша за діастолу. Зниження температури уповільнює, а підвищення збільшує швидкість пульсацій як у тварин, так і у рослин. Різні хімічні речовини - вуглекислий газ, ефір, хлороформ та інші роблять схожий вплив на обидва типи пульсацій. Крім того, якщо одні хімічні речовини викликають зупинку пульсацій під час систолічного скорочення, то інші - під час розширення діастоли. Аналогічні явища спостерігалися і при пульсаціях у тканинах листочків Desmodium. Ці результати з усією переконливістю довели принципову єдність механізмів пульсацій у тварин і рослин. Але у дослідженнях вченого залишилося нез'ясованим питання - чи можна вважати ці пульсації випадковими або такими, що генеруються? (Калидаса Наг, 1996).

Експерименти Дж. Ч. Боса, що проводилися з листочками біофітуму (Biophytum sensitivum) пролили новий світ на явище так званого автоматизму. Він показав, що якщо одиничний збудливий імпульс середньої інтенсивності викликає у цієї рослини також одиничний імпульс у відповідь, то у відповідь на сильніший зовнішній імпульс рослина реагує серією з декількох імпульсів. Тривалість цього процесу залежить не лише від сили, але і від тривалості попередньої дії, тобто від кількості повідомленої тканині енергії. Стає очевидним, що частина цієї енергії накопичується в тканині і зберігається в прихованому стані, щоб потім знайти вихід у вигляді серії імпульсів. Саме біофітум розглядався в якості сполучної ланки між рослинами зі звичайною й автоматичною реакціями.

Спостереження за біофітумом, який росте в сприятливих умовах на відкритому повітрі, показали, що рослина піддавалася дії різних чинників, таких як тепло, світло, механічна дія потоків повітря і дія різних хімічних речовин, що містяться в рослині або поглинаються нею. Таким чином, у результаті сукупної дії всіх джерел збудження, накопичена рослиною енергія стає досить великою, щоб викликати тривале перезбудження, під час якого ритмічна активність рослини справляє враження автоматичної. Якщо так звані «автоматичні рухи» дійсно викликаються надлишком накопиченої в тканинах енергії, то з її виснаженням характер, що проявляється, автоматичної реакції Desmodium перетвориться на рослину зі звичайною реакцією. Сер Бос перевіряв правильність цього висновку, викликаючи зупинку пульсацій у тканинах рослини після виснаження накопиченої в них енергії, коли він поміщав рослину в темряву на тривалий термін. У такому «заспокоєному» стані слабкі впливи викликали одиничний імпульс у відповідь, тоді як в результаті сильнішого впливу мала місце серія імпульсів у відповідь. Після повторного отримання достатньої кількості енергії ззовні листочки Desmodium знову набували властивості автоматичної дії (Калидаса Наг, 1996).

Ще одним дослідженням вченого стала пропульсуюча діяльність рослинних тканин для підйому соків. У статті Калидаса Наг зазначено, що до недавнього часу не було дано задовільного пояснення механізму підйому соків в стеблах і стовбурах рослин. Загальна думка збігалася до того, що це в першу чергу фізичний, а не біологічний процес. Було прийнято вважати: рух соку відбувається завдяки розрідженню вгорі, створюваному в результаті випаровуванню з поверхні листя, і натиску знизу під дією таємничого «кореневого тиску». Передбачалося, що поверхневе випаровування створювало часткове розрідження, що дозволяло соку підніматися під дією атмосферного тиску. Але у велетенських евкаліптах сок піднімається на висоту до 150 метрів, а це у багато разів перевищує висоту «водяного стовпа» (10 м). Так званим «кореневим тиском» теж не можна пояснити подібне явище, оскільки підйом соку триває навіть після видалення коренів (Калидаса Наг, 1996).

Дослідження Боса показали, що одним з найважливіших чинників в механізмі підйому соку є пропульсуюча діяльність живих клітин деяких тканин рослин. У своїх дослідженнях він використав оригінальний спосіб реєстрації розпрямляючого руху листка, що згорнувся від посухи. Підйом соків викликає розпрямлення листка. Зміна швидкості розпрямлення дозволяє судити про нормальну пропульсуючу діяльність і можливі відхилення. Для одного з найтиповіших своїх експериментів він використав зрізані до певної міри зав'яле листя люпину. Поверхня листя була покрита вазеліном, щоб запобігти випаруванню. У спеціально створених умовах експерименту не було ні випарування, яке могло би викликати всмоктування в результаті створюваного часткового розрідження, ні коренів, щоб унеможливити тиск знизу. Проте, коли зрізані кінці листя занурювали в стимулюючий розчин, зав'яле листя розпрямлялося з неймовірною швидкістю, причому це прискорення підйому відбувалося завдяки підвищеній пропульсуючій діяльності під впливом стимулюючого реагенту. Дія отруйного розчину, в який занурювався кінець розпрямленого листка, носила абсолютно інший характер, воно викликало загибель листка. Ці експерименти дали переконливий доказ біологічного характеру описаного явища. Вони також свідчать про те, що одним з найважливіших чинників, що викликають підйом соків, є пропульсуюча діяльність живої тканини, коли сік прокачується від клітини до клітини. Для чисто фізичних сил існує межа висоти підйому води. Але немає межі для транспортування соку «клітинними насосами», дія кожного з яких аналогічно роботі довгастого трубчастого серця нижчих тварин.

Не обійшов Дж. Ч. Бос і питання росту та тропізмів рослин. Величезні труднощі отримання точних результатів в дослідженнях феномену росту рослин пояснюються надзвичайно низькою його швидкістю і впливом численних чинників на хід самого процесу. Середня швидкість росту складає близько 1/40.000 см/сек - це удвічі менше довжини хвилі світла, що випромінюється при горінні натрію. Для точного визначення ступеню впливу якого-небудь чинника на швидкість росту необхідно зберігати строго постійними усі інші зовнішні умови на всьому протязі експерименту, але насправді це вдається здійснювати не довше, чим декілька хвилин. Таким чином, результати експериментів, що вимагають для свого проведення декількох годин, можуть зазнавати значні відхилення (Калидаса Наг, 1996).

Єдиним задовільним методом був би той, який дозволяв би скоротити час експерименту до декількох хвилин, що, проте, вимагає створення спеціальних приладів. Босу вдалося це зробити, створивши декілька таких пристроїв найвищої точності і чутливості. Його крескограф дозволяв реєструвати процеси, що проходять в тканинах, даючи збільшення в 10000 разів. Як уже згадувалося, ступінь збільшення була у багато разів підвищена і доведена більш ніж до десяти мільйонів разів за допомогою магнітного крескографа. Додатковий пристрій, в основі якого лежить метод балансу, збільшив чутливість реєстрації росту ще більше. В основі цього методу лежить той факт, що подовження тканини вгору точно компенсується рівним йому за величиною рухом рослини вниз. Зовнішня дія порушує баланс, викликаючи прискорення або уповільнення швидкості росту. Отримані результати вказували на надзвичайну складність характеру дії наведених тут чинників, про які раніше навіть не доводилося підозрювати. Серед цих чинників можна назвати наступні: (1) інтенсивність впливу - сильний вплив викликає уповільнення росту, тоді як слабкий має зворотний ефект, тобто прискорення росту; (2) точка прикладення впливу - прямий вплив викликає уповільнення, а непрямий - (тобто прикладене на деякій відстані від спостережуваної ділянки) - прискорення росту; (3) загальний тонус органу - орган в стані зниженого тонусу реагує на зовнішню дію збільшенням слабкої швидкості свого росту; у граничних випадках в стані повного спокою такий вплив дає поштовх росту живих тканин органу. Слід пам'ятати, що орган в стані нормального тонусу реагує уповільненням свого росту (Калидаса Наг, 1996).

Що стосується впливу на ріст живих тканин різних газів і пари, то, як з'ясувалося, при приміщенні ростучого органу у вуглекислий газ, пари ефіру або в хлороформ, спочатку відбувається прискорення, а при тривалій дії - уповільнення росту або навіть активне стискання. У стані повного спокою пари ефіру і хлороформу пожвавлюють ріст, що, можливо, дає пояснення дії анестезуючих речовин, що сприяють посиленню росту сплячих зимою бруньок.

Як випливає з проведених вченим дослідів, причина їх полягає в нерівномірному впливі одностороннього впливу на зростаючий орган, коли бік близького або прямого впливу випробовує уповільнення, тоді як бік непрямого впливу - прискорення росту. У цьому полягає характерна особливість і головна причина різних видів тропізму (Калидаса Наг, 1996).

Рухи в рослин ділять на двох основних типів: 1) пасивні і 2) активні. Пасивні, або гігроскопічні, пов'язані зі зміною вмісту води в колоїдах, складових оболонку клітки. В квіткових рослин гігроскопічні грають велику роль при поширенні насіння і плодів. В основі активних - лежать явища скоротності білків цитоплазми рослин, а також ростові процеси. Активні рухи бувають повільні (ростові) і швидкі (скоротливі). До ростових відносяться: тропізми (роздратування діє в одному напрямі і відбувається однобічне зростання, внаслідок чого виникає вигин органу - геотропізм, фототропізм, хемотропізм і ін.) і настії (відповідь рослини на дію подразників, що не мають певного напряму, - термонастії, фотонастії і так далі). Тропізми - це ростові рухи частин рослини у відповідь на дію подразника, яка має певну спрямованість. В основі тропізму лежить одна з властивостей цитоплазми клітини - її подразнюваність, реакція відповіді на різні чинники зовнішнього середовища. Реакції відповіді рослин на різні дії подразнювачів зовнішнього середовища (світло, земне тяжіння, хімічні речовини та інші) полягають в направлених ростових і скоротливих рухах (вигинах) органів рослини, що приводять до зміни її орієнтації в просторі. Ростові рухи залежать від виду подразнювача, механізм дії якого на рослини може бути складним (Макрушин та ін., 2006).

Цікавими й плідними є напрацювання Дж. Ч. Боса щодо засвоєння карбону рослинами. Безперервна життєдіяльність вимагає постійної витрати енергії, яка раніше має бути накопичена в організмі. Рослина, завдяки наявності в його тканинах хлорофілу, здатна поглинати кінетичну енергію сонячних променів, зберігаючи її в прихованій формі хімічної енергії. Цей процес відомий під назвою фотосинтезу. Для точного кількісного вивчення цього явища необхідно створити пристрої для виміру нормальної швидкості його протікання і можливих відхилень при зміні зовнішніх умов. Це стало можливо завдяки винаходу і створенню в інституті Боса реєстратора фотосинтезу. В результаті своїх досліджень Бос зміг сформулювати основні закони фотосинтезу. Він також виявив цікаву особливість: присутність деяких хімічних речовин в надмалих кількостях викликала значне підвищення інтенсивності засвоєння вуглецю. Це явище представляє особливий інтерес, оскільки воно дозволяє нам зрозуміти вплив вітамінів в найдрібніших кількостях на увесь процес накопичення енергії, і гормонів - на фізіологічну реакцію (Калидаса Наг, 1996).

Висновки

Відзначаючи вплив усіх відкриттів на розвиток знань про фізіологію рослин маємо зазначити, що також головним внеском Дж. Ч. Боса, не лише у фізіологію рослин а й у галузі біофізики, була демонстрація електричної природи проведення різних подразників (наприклад, ран, хімічних речовин) у рослинах, які раніше вважалися хімічними. Для того, щоб зрозуміти геліотропні рухи рослин (рух рослини до джерела світла), Бос винайшов торсіонний рекордер. Він виявив, що світло, яке потрапляє на одну сторону соняшнику, призводить до збільшення калкана на протилежній стороні. Пізніше ці твердження були підтверджені експериментально. Він також першим вивчив дію мікрохвиль у рослинних тканинах та відповідні зміни потенціалу клітинної мембрани. Він досліджував механізм сезонного впливу на рослини, вплив хімічних інгібіторів на рослинні подразники та вплив температури (Джагадіш Чандра Бозе).

Відкриття Дж. Ч. Боса показали усі недоліки уявлень, що існували раніше, про деякі важливі функції рослинного життя. Його роботи відкрили ширший аспект розуміння природних явищ. Додаткові перешкоди на шляху повсюдного прийняття нового вчення і світогляду виникали унаслідок трудності демонстрації в зарубіжних країнах чудових результатів, отриманих за допомогою цілої серії надзвичайно чутливих приладів, створених Дж. Ч. Босом. Декілька його наукових поїздок на Захід, організованих урядом Індії, а також його візити в Женеву, в якості члена Міжнародного комітету з інтелектуальної співпраці, дали йому можливість продемонструвати свої досягнення у ряді наукових центрів. Деякі провідні фахівці в області фізіології рослин, що мали можливість стежити за його роботами або що були присутніми на цих демонстраціях, належним чином оцінили представлені їм свідчення нових досягнень в галузі знань про життя рослин. Професор С. Х. Вайнс - відомий англійський фахівець з фізіології рослин, сказав, що ці відкриття «зробили революцію в наших уявленнях і розширили до небувалих меж знання про реакції у відповідь рослин на зовнішні впливи». К.А. Тімірязєв, один з найвидатніших учених в області фізіології рослин, писав у своїй останній роботі: «Вкрай чудовий приклад застосування точних фізичних методів до фізіології рослин можна бачити в працях індійського ученого, дослідження якого в області фізіології мають бути визнані класичними». Чеський ботанік, професор Б. Немец, один з провідних учених Празького університету, висловлюючи свою думку, сказав, що «оригінальні методи, вживані в науково-дослідному інституті Боса для вивчення росту і реакцій у відповідь рослин, відкрили нову епоху у фізіології рослин». Професор Ганс Моліш (викладав в університетах: Віденському університеті (1909-1928) та ін. й Інституті Боса в Калькутті, Індія; 1928 (Ганс Моліш), колишній директор відділення фізіології рослин Віденського університету, зміг відвідати інститут Боса, повторити і підтвердити всі найбільш важливі досягнуті там результати, які він вважав «навіть дивовижнішими, ніж чарівні казки. Проте ті, кому вдалося бути свідками цих експериментів, повністю переконані, що це лабораторні чудеса, що відкривають раніше невидимі реакції, які лежать в основі процесів життєдіяльності». Президент наукового товариства «Societas Scientinarium Fenn^», численні наукові досягнення якого помітно збагатили фізіологію рослин, писав, що продемонстроване Босом «фундаментальна єдність життєвих реакцій у рослин і тварин зробить величезний вплив на розвиток біології». Його Величність король Бельгії наніс спеціальний візит в інститут Боса і отримав таке глибоке враження від важливості нових відкриттів, що запросив самого вченого відвідати Бельгію і продемонструвати ряд своїх відкриттів перед Університетським фондом, головою якого він був (Калидаса Наг, 1996).

Найгостріший інтерес, що піднявся в наукових колах різних країн до цих відкриттів, був настільки великий, що праці Боса вийшли у світ на різних мовах в найбільших видавництвах Франції, Німеччини і Польщі. На знак визнання вкладу Дж. Ч. Боса в справу розширення людських знань, британський уряд удостоїв його честі бути посвяченим у рицарське звання, а король Бельгії зробив його офіцером ордену Леопольда. За свої досягнення в області фізичних і біологічних наук він був обраний членом Королівського товариства. За розкриття багатьох таємниць життєвих явищ він був удостоєний звання члена- кореспондента Віденської Академії Наук.

Ще більшу важливість дослідження сера Дж. Ч. Боса набувають у зв'язку з роботами, проведеними їм в суміжних областях. Цінність цих робіт полягає не лише в їх значенні з точки зору еволюції наших уявлень про живу природу, але і для вирішення багатьох складних завдань, пов'язаних з біологією тваринного життя.

Заснувавши інститут і вкладаючи в його роботу власні кошти, Дж. Ч. Бос зробив неоцінимий внесок у розвиток знань на благо усього людства. Ідеали інституту з граничною ясністю виражені його засновником в наступних словах: «Дослідник не повинен шукати легкого життя. Не повинен він і сподіватися на неодмінний успіх як нагороду за його невпинні праці. Не слід шукати спонукаючу силу і в особистих амбіціях, вона повинна виходити з усвідомлення внутрішнього покликання присвятити усе своє життя з несхитною волею і твердою рішучістю боротьбі за нові ідеї - знання заради самих знань, щоб зустрітися з істиною лицем до лиця» (Калидаса Наг, 1996).

Джерела і література

1. Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. 3-е изд. М.: Изд- во «Советская энциклопедия», 1970. С. 587.

2. Бос Дж. Ч. Избранные труды по раздражимости растений. В двух томах. М.: Наука, 1964.

3. Ганс Моліш. URL: https://bahasa.wiki/uk/Hans_Molisch

4. Гродзинский Д.М. Модели живого и ботаническая бионика. Киев, 1966. 127 с.

5. Джагадіш Чандра Бозе. URL: https://uk.upwiki.one/wiki/jagadish_chandra_bose

6. Джагдіш Чандра Бос URL: http://surl.li/dwmdr

7. Калидаса Наг Исследования и открытия сэра Дж. Ч. Боса / Перевод с англ. Сергея Харитонова. Ариаварта, 1996. Начальный выпуск. URL: http://www.aryavest.com/partlink/ 20.pdf

8. Макрушин М. М., Макрушина Є. М., Петерсон Н. В., Мельников М. М. Фізіологія рослин. Підручник. Вінниця: Нова книга, 2006. 416 с. URL: https://snvlk.at.ua/_ld/0Z2_ Fisiologi_m.pdf.

9. Мімоза сором'язлива - розумна рослина, яка вміє ображатися. 2020. URL: http://mixo. com.ua/2020/05/12/mimoza-soromyazliva-rozumne-roslina-yaka-vmiye-obrazhatisya/

10. Найбільша рослина хижак. Рослина-хижак: види, фото URL: https://jutes.ru/uk/samoe- bolshoe-rastenie-hishchnik-rastenie-hishchnik-vidy-foto-nasekomoyadnye-rasteniya-plotoyadnye- raste/

11. Нилов Н. Фитомониторинг в виноградарстве: современные возможности и перспективы. 2005. URL: http://www.phyto.logrus.net.ua/st1.htm

12. Храмов Ю. А. Бозе Джагадіш Чандра. Фізики: Біографічний довідник. / За ред. А. І. Ахієзер. Вид. 2-ге, испр. та дод. М.: Наука, 1983. С. 36.

13. Яка рослина їсть комах. Рослини хижаки - фото та назви. URL: https://peskiadmin.ru /uk/kakoe-rastenie-est-nasekomyh-rasteniya-hi shchniki -foto-i. html

References

1. Bolshaya sovetskaya entsiklopediya: [v 30 t.]. (1970). Gl. red. A. M. Prohorov. 3-e izd. M.: Izd-vo «Sovetskaya entsiklopediya». Р. 587. [in Russian].

2. Bos Dzh. Ch. (1964). Izbrannyie trudyi po razdrazhimosti rasteniy. V dvuh tomah. M.: Nauka. [in Russian].

3. Hans Molish. [in Ukrainian]. URL: https://bahasa.wiki/uk/Hans_Molisch

4. Grodzinskiy D.M. (1966). Modeli zhivogo i botanicheskaya bionika. Kiev. 127 р. [in Russian].

5. Dzhahadish Chandra Boze. [in Ukrainian]. URL: https://uk.upwiki.one/wiki/jagadish_ chandra_bose.

6. Dzhahdish Chandra Bos. [in Ukrainian]. URL: http://surl.li/dwmdr

7. Kalidasa Nag Issledovaniya i otkryitiya sera Dzh. Ch. Bosa. (1996). Perevod s angl. Sergeya Haritonova. Ariavarta. Nachalnyiy vyipusk. [in Russian]. URL: http://www.aryavest.com/partlink /20.pdf

8. Makrushyn M. M., Makrushyna Ye. M., Peterson N. V., Mel'nykov M. M. Fiziolohiya roslyn / Za red. prof. M. M. Makrushyna. Pidruchnyk. Vinnytsya: Nova knyha, 2006. 416 p. [in Ukrainian]. URL: https://snvlk.at.ua/_ld/0/2_Fisiologi_m.pdf.

9. Mimoza sorom'yazlyva - rozumna roslyna, yaka vmiye obrazhatysya. (2020). [in Ukrainian]. URL: http://mixo.com.ua/2020/05/12/mimoza-soromyazliva-rozumne-roslina-yaka-vmiye-obrazhatisya/

10. Naybil'sha roslyna khyzhak. Roslyna-khyzhak: vydy, foto. [in Ukrainian]. URL: https://jutes.ru/uk/samoe-bolshoe-rastenie-hishchnik-rastenie-hishchnik-vidy-foto- nasekomoyadnye-rasteniya-plotoyadnye-raste/

11. Nilov N. (2005). Fitomonitoring v vinogradarstve: sovremennyie vozmozhnosti i perspektivyi. [in Russian]. URL: http://www.phyto.logrus.net.ua/st1.htm

12. Khramov Yu. A. (1983) Boze Dzhahadish Chandra. Fizyky: Biohrafichnyy dovidnyk / Za red. A. I. Akhiyezer. Vyd. 2-he, yspr. ta dod. M.: Nauka. Р. 36. [in Ukrainian].

13. Yaka roslyna yist' komakh. Roslyny khyzhaky - foto ta nazvy. [in Ukrainian]. URL: https://peskiadmin.ru/uk/kakoe-rastenie-est-nasekomyh-rasteniya-hishchniki-foto-i.html

Размещено на Allbest.ru