WPŁYW POLA MAGNETYCZNEGO NA KIEŁKOWANIE I POCZĄTKOWY WZROST ROŚLIN UPRAWNYCH

WPŁYW POLA MAGNETYCZNEGO NA KIEŁKOWANIE I POCZĄTKOWY WZROST ROŚLIN UPRAWNYCH Tomasz Stankiewicz Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Wydział Inżynierii Produkcji Katedra Fizyki e-mail: tomasz.stankiewicz@up.lublin.pl Streszczenie. Niniejszy artykuł przedstawia pracę przeglądową dotyczącą wpływu pola magnetycznego na kiełkowanie i początkowy wzrost roślin uprawnych. Zagadnieniem pola magnetycznego zainteresowano się już w czasach starożytnych, gdzie wykorzystane zostało do zbudowania kompasów w starożytnych Chinach. W czasach nowożytnych kontynuacja nauki o polu magnetycznym przybrała charakter praktyczny, a badacze doszukują się wyjaśnienia mechanizmów wpływu pola magnetycznego na rośliny oraz ich stymulujących właściwości. Z doniesień literatury krajowej i zagranicznej wynika, że pole magnetyczne zmieniając przebieg niektórych procesów fizjologicznych i biochemicznych w nasionach oddziałuje na kiełkowanie i późniejszy rozwój roślin. W konsekwencji obserwuje się wysoką równomierność wschodów i szybkie tworzenie łanu, co zwiększa konkurencyjność roślin uprawnych w odniesieniu do chwastów, ułatwia wykonywanie zabiegów pielęgnacyjnych, a także zapewnia wyrównany plon. Może mieć to duże znaczenie praktyczne dla wymogów nowoczesnego i proekologicznego rolnictwa, które zmusza do poszukiwania bezpiecznych dla środowiska i człowieka sposobów wpływających na poprawę wydajności produkcji oraz jakości uzyskiwanego plonu. Słowa kluczowe: stymulacja magnetyczna nasion, kiełkowanie nasion, rozwój roślin, plonowanie, jakość plonu, magnetotropizm. WSTĘP Pole magnetyczne jako swoisty fenomen towarzyszy naszej planecie od niepamiętnych czasów. Pierwsze wzmianki o wykorzystaniu zjawiska magnetyzmu pochodzą już ze starożytności. Kompasy, które wykorzystane były w nawigacji pojawiły się w Azji (Chinach) na przełomie I wieku p.n.e a I wiekiem n.e. Bardziej sprecyzowany opis zjawisk magnetyzmu zawdzięczamy jednak badaniom nad prądem elektrycznym, które ujawniły bliski związek pola magnetycznego z elektrycznym i możliwość wzajemnej indukcji obu pól. W połowie XVI i początku XVII wieku istotny 1

przełom w badaniu magnetyzmu zawdzięczamy Williamowi Gilbertowi [1600], który na podstawie własnych eksperymentów prowadzonych przez kilkadziesiąt lat opisał je w dziele O Magnesach i ciałach magnetycznych (De Magnete).Autor w swym dziele przedstawił planetę Ziemię jako kulę, która jest sama w sobie namagnesowana i dlatego uważał, że igła kompasu wskazuje na północ (poprzednio ludzkość wierzyła, że to gwiazda polarna lub wielka magnetyczna wyspa na biegunie północnym są odpowiedzialne za przyciąganie igły kompasu). Prace nad magnetyzmem rozwijały się następnie w XIX w. za sprawą odkryć Christiana Oersteda, Michaela Faradaya, Andre-Marie Amprere a, jednocześnie wzrasta zainteresowanie badaczy nad oddziaływaniem magnetyzmu na różne substancje [Hammond 1999]. Pierwsza wzmianka, która ukazuje wpływ pola magnetycznego na organizmy żywe (w tym przypadku na roślinę) przypada na II połowę XIX wieku, a autorem był J. Renke. Badacz w swoich eksperymentach nie stwierdził jednak żadnego wpływu pola magnetycznego na kiełkowanie nasion i wzrost roślin [Reinke 1876]. Następnie pod koniec XIX wieku Tolomei wydał pracę, w której opisał wpływ pola magnetycznego na wzrost roślin [Tolomei 1893]. Był również pierwszym naukowcem, który stwierdził, iż rośliny charakteryzuje magnetotropizm [Pietruszewski 1999, Galland i Pazur 2005], czyli kierunkowy wzrost systemu korzeniowego w polu magnetycznym. Wykazano na przykład [Murphy 1942, Pittman 1965, Mc Kenzie i Pittman 1980], że w przypadku zbóż, kukurydzy i fasoli uzyskano wzrost plonów podczas siewu w kierunku południowym pola geomagnetycznego. Odkryto, że system korzeniowy w zależności od typu symetrii nasion zwraca się ku południowemu lub północnemu biegunowi magnetycznemu. Poprzez odpowiednie ułożenie zarodków nasion można więc uzyskać większy procent wykiełkowanych nasion, lepsze ukorzenienie i rozwój roślin. W starszych pracach związanych z magnetotropizmem koncentrowano się na wpływie ułożenia zarodków zarówno zgodnie, jak i przeciwnie do zewnętrznego pola magnetycznego [Audus 1960, Dubrov 1970, Chanhan i Agrowal 1977]. Obecnie doszukuje się stymulującego wpływu oddziaływania pola magnetycznego ma wzrost i rozwój roślin. W Polsce badania dotyczące wykorzystania pola magnetycznego do stymulacji nasion podjęto już w latach osiemdziesiątych. W badaniach używano między innymi stałych i zmiennych pól magnetycznych. 2

MECHANIZM ODDZIAŁYWANIA POLA MAGNETYCZNEGO NA NASIONA I ROZWÓJ ROŚLIN Dotychczas nie udało się dokładne poznać i opisać sposobu oddziaływania pola magnetycznego na nasiona i rośliny. W większości przeprowadzonych badań wykazano korzystny wpływ pola magnetycznego na nasiona i rozwój roślin. Ze względu na znaczną rozbieżność uzyskiwanych rezultatów wynikającą z różnych warunków prowadzenia badań trudno jest dokonać porównania i interpretacji uzyskanych wyników. Wskazuje to również na zależność efektów stymulacji nasion od wielu czynników fizycznych m.in.: dawki ekspozycyjnej, rodzaju pola magnetycznego, konstrukcji urządzenia do stymulacji oraz czynników przyrodniczych takich jak: gatunek i odmiana rośliny, wilgotność nasion oraz przebieg pogody w okresie wegetacji. Tłumaczenie zjawiska stymulacji materiału roślinnego opiera się najczęściej na hipotezach, które częściowo zostały poparte badaniami głównie z zakresu biochemii i fizjologii. Zdaniem Aristarchova i in. [1978] pole magnetyczne wpływa na zmiany szybkości lub mechanizmu dyfuzji jonów i orientacji biologicznych molekuł obdarzonych podatnością magnetyczną, co może powodować zmianę przebiegu reakcji biochemicznych na skutek działania pola magnetycznego na struktury elektronowe molekuł. Niektórzy badacze [Liboff 1969, Neurath 1969] uważają, że pole magnetyczne zmienia przepuszczalność błon komórkowych, przez co zwiększa się szybkość dyfuzji jonów przez membrany komórkowe. Według Sedlaka [1988] oddziaływanie czynników fizycznych na nasiona można tłumaczyć na podstawie teorii bioplazmy, którą stanowi przestrzeń wypełniona fotonami i polem elektromagnetycznym. Bioplazma zapewnia przepływ swobodnej energii dostarczanej przez pola magnetyczne i elektryczne. Zdaniem Wadasa [1978] pole magnetyczne oddziałuje na organizmy żywe poprzez nieskompensowane spiny elektronowe, działanie na ciekłe kryształy oraz na poruszające się ładunki elektryczne. Według Grzesiuka i Kulki [1986] czynniki fizyczne oddziałują wszechstronnie na nasiona roślin uprawnych, ale w największym stopniu stymulują przebieg procesów enzymatycznych. Lebiediev i in [1975] wskazali na zwiększoną aktywność lipazy, amylazy i katalazy w nasionach słonecznika, pszenicy, oraz soi poddanej działaniu pola magnetycznego, z kolei Pittman [1971] wykazał zwiększoną 3

aktywność enzymów amylolitycznych w kiełkujących nasionach jęczmienia. Z dotychczas przeprowadzonych badań wynika, że pole magnetyczne stymuluje aktywność niektórych enzymów nie tylko u roślin, ale także u zwierząt [Young 1969]. Według Wojtusiaka i Majlerta [1992] duże znaczenie w oddziaływaniu pola magnetycznego na organizmy roślinne i zwierzęce może odgrywać woda, która jest bardzo wrażliwa na pola elektromagnetyczne o nawet niewielkiej energii. Dużą rolę przypisuje się również własnym polom biomagnetycznym obecnym w każdym żywym organizmie. WPŁYW POLA MAGNETYCZNEGO NA KIEŁKOWANIE I WZROST ROŚLIN UPRAWNYCH Z doniesień literatury krajowej i zagranicznej wynika, że pole magnetyczne zmieniając przebieg niektórych procesów fizjologicznych i biochemicznych w nasionach oddziałuje także na kiełkowanie i późniejszy rozwój roślin. Zwiększona aktywność enzymatyczna nasion stymulowanych wskazuje na większe zawansowanie procesu kiełkowania w porównaniu z nasionami kontrolnymi. Od dynamiki kiełkowania nasion w dużym stopniu zależy przebieg wzrostu i rozwoju roślin w późniejszych etapach ontogenezy. Według Kornarzyńskiego i Pietruszewskiego [2011] pole magnetyczne oddziałuje szczególnie wyraźnie na początkowy okres rozwoju roślin strączkowych. Siewki roślin wyrosłych z nasion szybko kiełkujących są na ogół lepiej wykształcone i charakteryzuje je większy wigor. Wyrosłe z nich rośliny są natomiast odporniejsze na niekorzystne czynniki środowiska, szybciej rosną i lepiej plonują. Badania Podleśnego i Pietruszewskiego [2006] wykazują, że rośliny łubinu białego wyrosłe z nasion stymulowanych polem magnetycznym były wyższe niż w obiektach kontrolnych i zdecydowanie wcześniej zakwitały. Traktowane polem magnetycznym nasiona szybciej pęcznieją i rozpoczynają kiełkowanie, czego efektem są wcześniejsze i bardziej równomierne wschody roślin [Alexander i Doijode 1995, Hirota i in. 1999, Podleśny i in. 2004]. Badania obejmowały między innymi: zboża (z uwzględnieniem kukurydzy i ryżu), groch, fasolę, pomidor, kapustę, sałatę, paprykę, ogórek, melon, soję, bawełnę, słonecznik, łubin, rzodkiewkę, orzeszki ziemne, buraka cukrowego, ziemniaka, len, grykę, peluszkę, cebulę. Znaczącą większość prac wykazała korzystny 4

wpływ przedsiewnej obróbki nasion za pomocą stałego pola magnetycznego, przejawiający się przyspieszeniem i zwiększeniem zdolności kiełkowania [Ling i in. 1992, Podleśny 2004]. W przypadku gdy nie wykazano korzystnego wpływu omawianego czynnika stosowano bardzo krótkie, sekundowe czasy ekspozycji stosunkowo słabych pól lub wyniki przedstawiono w sposób nieuporządkowany i nie pozwalający na prawidłowe sformułowanie wniosków [Strenienko 1978]. Szereg prac, poza kiełkowaniem czy wschodami polowymi i plonem, wykazywało wpływ pola magnetycznego na pewne cechy fizjologiczne kiełkujących nasion. W nasionach poddanych magnetostymulacji następowało: - zmiana stosunku wody mocno i luźno związanej w komórce [Amiri i Dadkhah 2006]; - zwiększenie zawartości cukrów [Rochalska 2003]; - przyrost suchej masy siewek [Phirke i Umbarkar 1998]; - wydłużenie i przyspieszenie wzrostu siewek [Apasheva i in. 2006]; - zmniejszenie pochłaniania tlenu podczas pierwszych dni kiełkowania z jednoczesnym zwiększeniem syntezy białka i kwasów nukleinowych [Striekova i in. 1965]; - zwiększenie zawartości barwników fotosyntetycznych i liczby plastydów w komórkach [Tugulea i in. 2000]; - u dyniowatych zwiększała się liczba kwiatów żeńskich [Rochalska 2003]. Ciekawym zjawiskiem jest działanie pola magnetycznego chroniące przed niekorzystnymi efektami promieniowania jonizującego [Rybiński i in. 2004]. Ponadto pole o indukcji 2,5 mt zmniejszało liczbę martwych nasion oraz nieprawidłowo wykształconych siewek pszenicy i bobiku wyrosłych z nasion traktowanych promieniowaniem jonizującym [Kortava 1977]. Znany jest również wpływ pola magnetycznego o indukcji 4 mt, które chroniło kiełkujące nasiona zbóż przed działaniem wysokich temperatur sięgających nawet 65 70 o C, czyli w zakresie w którym normalnie nasiona nie kiełkują w ogóle [Novickij i Tichomirova 1977]. PODSUMOWANIE Pomimo przeprowadzenia szerokich badań mechanizmy działania pola magnetycznego na rośliny nie są do końca wyjaśnione. Interesujący jest natomiast fakt, iż stymulacja polem magnetycznym wpływa szczególnie dobrze na początkowe etapy 5

życia roślin (kiełkowanie i wzrost). W nasionach obserwuje się zwiększoną zdolność kiełkowania. Siewki uzyskane z nasion poddanych działaniu pola magnetycznego szybciej rosną, prawdopodobnie dzięki lepszemu wykorzystaniu materiałów zapasowych zawartych w nasionach. Korzystny wpływ magnetostymulacji jest tym wyraźniejszy, im gorsza jest jakość nasion. Ma to duże znaczenie praktyczne, gdyż wysoka równomierność wschodów i szybkie tworzenie łanu zwiększa konkurencyjność roślin uprawnych w odniesieniu do chwastów, ułatwia wykonywanie zabiegów pielęgnacyjnych oraz zapewnia wyrównany plon. Tematyka ta będzie z pewnością przedmiotem zainteresowań nauki, bowiem zdaniem wielu autorytetów naukowych zagadnienia z pogranicza biologii i fizyki wymagające działań interdyscyplinarnych będą jednymi z ważniejszych badań prowadzonych w obecnym stuleciu, a wyjaśnienie ich mechanizmów działania będzie dużym wyzwaniem dla nauki XXI wieku i takich dziedzin jak: biofizyka, fizjologia, biochemia, agrotechnika, elektronika, czy agrofizyka. LITERATURA 1. Alexander M.P., Doijode S.D. 1995. Electromagnetic field, a novel tool to increase germination and seedling vigour of conserved onion (Allium cepa L.) and rice (Oryza sativa L.) seeds with low viability. Plant Genetic Resources Newsletter, 104: 1-5. 2. Amiri M.C., Dadkhah A.A. 2006. On reduction in the surface tension of water due to magnetic treatment. Colloids and Surfaces A: Physiocochem. Eng. Aspects 278: 252-255. 3. Apasheva L.M., Lobanov A.V., Kamissarov G.G. 2006. Effect of alternating electromagnetic field on early stages of plant development, Biochemistry and Biophysics 406: 1-3. 4. Aristarchov V.M., Piruzian L.A., Cybysev V.P. 1978. Fizykochemicieskie osnovy piervycznych miechanizmov biologiczieskovo deistva magnitnogo pola. W: Reakcji biologicieskich sistem na magnitnyie pola. Red. J.A. Chołodov, Nauka, Moskwa: 6-25. 5. Audus L.J. 1960. Magnetotropism; a New Plant-Growth Response. Nature, 185: 132-134 6. Chanhan T.S., Agrowal A.S. 1977. Effect of Germination of Sonalika Wheati. Acta Botanica (India), 5/1: 66-68. 7. Dubrov A.P. 1970. Vlijanyje geomagnitnogo pola na fizyologiczeskije prcesy rasttienij. Fizyologija rastienij 17: 836-842. 8. Galland P., Pazur A. 2005. Magnetoreception in plants. J. Plant Res. Vol. 118: 371-389 9. Gilbert William. 1600. De magnete, magneticisque corporibus, et the magno magnete tellure; Psychologia nova plurimus et argumentis et experimentis demonstrata, Londyn tłum. Angielskie 6

Paul Fleury Mottelay: On the Loadstone and Magnetic Bodies, Great Books of the Western World, vol. 28 Encyclopedia Britannica, Inc., Chicago 1952, za za Wróblewski A. K. 2006. Historia Fizyki, PWN, Warszawa. 10. G. della Porta. 1558. Magia naturalis. Księga I, rozdział 1, za Wróblewski A. K. 2006. Historia Fizyki, PWN, Warszawa. 11. Grzesiuk S., Kulka K. 1986. Fizjologia i biochemia nasion. PWRiL, Warszawa. 12. Hammond P. 1999. Od Gilberta do Einsteina. Krótka historia elektromagnetyzmu. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej Częstochowa. 13. Hirota N., Nakagawa J., Kitazawa K. 1999. Effects of a magnetic field on the germination of plants. J. Applied Physics, Vol. 85, 8: 5717-5719. 14. Kornarzyński K., Pietruszewski S. 2011. Wpływ wody uzdatnianej magnetycznie na kiełkowanie nasion grochu i łubinu. Acta Agrophysica, 18 (1): 101-110. 15. Kortava T.S. 1977. Osobennosti dieistvija magnitnogo pola I gamma-radiaci na rastitielnyj organism. Naucz.-Techn. Bull. Po Agronom. Fizikie 29: 8-11. 16. Lebiediev S.J., Baranskij P.I., Litvinenko L.G., Shiyan L.T. 1975. Fiziologo-biochimicieskie osobiennosti rostieni poslie priedposievnovo vozdieistva postoiannym magnitnym polem. Fiziol. Rast. 22, 1: 103-109. 17. Liboff R.L. 1969. Biomagnetic Hypoteses. Biological Effect on Magnetic Field. Plenum Press, New York-London: 171-175. 18. Ling T.G., Liu L., Yang Z.Q., Shao S.X., Wang S.S., Sirigina M.T., Simakina L.V. 1992. The effect of gradient magnetic fields on crop yield and studies on its mechanism. Acta Agriculturae Universitas Pekinensis 18: 357-362. 19. Neurath P.W. 1969. The Effect of High-Gradient, High-Strength Magnetic Fields. Plenum Press, New York-London: 177-187. 20. Mc Kenzie H., Pittman V.J. 1980. Inheritance of Magnetotropism in Common Wheat, Can. J. Plant Sci. 60: 87-90. 21. Murphy J.B. 1942. The Influence of Magnetic Fields on Seed Germination, Am. J. Botan. (Suppl.) 29. 155. 22. Novickij J.I., Tichomirova E.V. 1977. Izuczenije dieistvija magninogo pola na suchije semena ozimoj rżi Wiatka. Fizylogija rastienij 24: 419-421. 23. Pittman U.J. 1965. Magnetism and Plant Growth. III Effect on Germination and Early Groth of Corn and Beans. Can. J. Plant Sci. 45: 549-555. 24. Pittman U.J. 1971. Biomagnetic responses in germinating malting barley. Can. J. Plant Sci., 51: 64-65. 25. Phirke P.S., Umbarkar S.P. 1998. Influence of magnetic treatment of oilseed on yield and dry matter. PKV - Research Journal 22: 130 132. 26. Pietruszewski S. 1999. Magnetyczna biostymulacja materiału siewnego pszenicy jarej. AR Lublin. Rozprawy Naukowe Akademii Rolniczej w Lublinie (220). 7

27. Podleśny J. 2004. Wpływ stymulacji magnetycznej nasion na wzrost, rozwój i plonowanie roślin uprawnych. Acta Agrophysica, 4(2): 459-473. 28. Podleśny J., Pietruszewski S., Podleśna A. 2004. Effectiveness of magnetic biostimulation of faba bean seeds cultivated under field experiment conditions. Int. Agrophysics, 18: 65-71. 29. Podleśny J., Pietruszewski S. 2006. Wpływ traktowania nasion polem magnetycznym na wzrost, rozwój i dynamikę gromadzenia masy łubinu białego. Inżynieria Rolnicza 6: 169-176. 30. Reinke J. 1876. Untersuchengen uber Wachstum. Botan. Ztg. 34:129. za Mericle, R.P. Biological Effect on Magnetic Fields. Vol. 1. red. Barnothy M.F. Plenum Press, New York za Pietruszewski S. 1999. Magnetyczna biostymulacja materiału siewnego pszenicy jarej. AR Lublin. Rozprawy Naukowe Akademii Rolniczej w Lublinie (220). 31. Rochalska M. 2003. Wpływ pola magnetycznego na nasiona i rośliny. Postępy nauk Rolniczych, 1: 31-46. 32. Rybiński W., Pietruszewski S., Kornarzyński K. 2004. Analiza wpływu pola magnetycznego i promierni gamma na zmienność elementów plonowania jęczmienia jarego (Hordeum vulgare L). Acta Agrophysica, 3(3): 579-591. 33. Sedlak W. 1988. Teoria bioplazmy po 18 latach. KUL, Lublin: 11-19. 34. Strenienko V.I., Crinich L.I., Striekova I. 1978. K voprosu vosniknovienii aberacji v chromosomach rastienij pod vlijaniem postojannogo magnitnogo pola. Genetica 14: 1101-1105. 35. Striekova I., Tarakanova S.A., Prudnikova W.P. 1965. Niekatoryje fizjologicieskie i citologicieskie izmienienia u prorastaiuszczich siemian w postoiannom magnitnom pole. Fizjologia rastienii 5: 920-929. 36. Tolomei G. 1893. Anzione del magnetismo sulla germinazione. Malpighia. 7:470, za Pietruszewski S. 1999. Magnetyczna biostymulacja materiału siewnego pszenicy jarej. AR Lublin. Rozprawy Naukowe Akademii Rolniczej w Lublinie (220). 37. Tugulea L., Miclaus S., and Pascanu S., 2000. Chlorophyll A sustaible biomaterial for monitoring the electromagnetic influence at molecular level. Proc. 22th Annual Meeting Eur. Bioelectromagnetics Ass., Munich 161. 38. Wadas R. 1978. Biomagnetyzm. PWN Warszawa. 39. Wojtusiak R.J., Majlert Z. 1992. Geomagnetobiologia wpływ pola magnetycznego Ziemi na organizmy żywe Nauka dla wszystkich Vol. 445, WPAN Kraków. 40. Young W. 1969. Biological effects of magnetic fields. Plenum Press. New York-London. 8