Забыли снова полить растение на столе? Возможно, вскоре он сможет отправить сигнал SOS.
Инженеры Массачусетского технологического института создали датчики, которые можно напечатать на листьях растений и определить, когда растения испытывают нехватку воды. Такая технология может не только спасти заброшенные комнатные растения, но, что более важно, дать фермерам раннее предупреждение о том, что их посевы находятся в опасности, говорит Майкл Страно, Carbon P. Даббс, профессор химического машиностроения Массачусетского технологического института и главный автор нового исследования.
«Похоже, это самый ранний признак засухи, который мы имеем для сельскохозяйственных применений», - говорит Страно. «Трудно получить эту информацию каким-либо другим способом. Вы можете поместить датчики в почву, или вы можете сделать спутниковые снимки и карты, но вы никогда не знаете, что конкретное растение определяет как водный потенциал».
Страно уже начал работать с крупным сельскохозяйственным производителем над разработкой этих датчиков для использования на сельскохозяйственных культурах, и он считает, что эта технология также может быть полезна садоводам и городским фермерам. По его словам, это также может помочь исследователям разработать новые способы создания засухоустойчивых растений.
Владимир Коман, постдок Массачусетского технологического института, является ведущим автором статьи, опубликованной в онлайн-выпуске журнала Lab on a Chip от 8 ноября.
Датчики для печати
При высыхании почвы растения замедляют свой рост, снижают фотосинтетическую активность и повреждают свои ткани. Некоторые растения начинают увядать, но другие не проявляют видимых признаков неприятностей до тех пор, пока они уже не испытали значительного вреда.
Новый датчик MIT использует преимущества устьиц растений - небольших пор на поверхности листа, через которые вода испаряется. Когда вода испаряется из листа, давление воды в растении падает, что позволяет ему вытягивать воду из почвы посредством процесса, называемого транспирацией.
Биологи растений знают, что устьица открываются на свету и закрываются в темноте, но динамика этого открытия и закрытия мало изучена, потому что не было хорошего способа непосредственно измерить их в режиме реального времени.
«Люди уже знали, что устьица реагируют на свет, на концентрацию углекислого газа, на засуху, но теперь мы можем постоянно следить за этим», - говорит Коман. «Предыдущие методы не могли предоставить такую информацию».
Для создания своего датчика исследователи Массачусетского технологического института использовали чернила, сделанные из углеродных нанотрубок - крошечных полых углеродных трубок, проводящих электричество, - растворенных в органическом соединении, называемом додецилсульфатом натрия, который не повреждает устьица. Эти чернила можно напечатать через поры, чтобы создать электронную схему. Когда пора закрыта, цепь не повреждена, и ток можно измерить, подключив цепь к устройству, называемому мультиметром. Когда пора открывается, цепь разрывается, и ток перестает течь, что позволяет исследователям очень точно измерять, когда отдельная пора открыта или закрыта.
Измеряя это открытие и закрытие в течение нескольких дней в нормальных и сухих условиях, исследователи обнаружили, что в течение двух дней они могут определить, когда растение испытывает водный стресс. Они обнаружили, что устьицам требуется около семи минут, чтобы открыться после воздействия света и 53 минуты, чтобы закрыться, когда наступает темнота, но эти реакции меняются в сухих условиях. Когда растения лишены воды, исследователи обнаружили, что устьица открываются в среднем через 25 минут, а время закрытия устьиц сокращается до 45 минут.
Предупреждение о засухе
Для этого исследования исследователи протестировали датчики на растении под названием мирная лилия, которое они выбрали отчасти потому, что у него большие устьица. Чтобы нанести чернила на листья, исследователи создали печатную форму с микрожидкостным каналом. Когда форма помещается на лист, чернила, протекающие через канал, оседают на поверхность листа.
Команда Массачусетского технологического института сейчас работает над новым способом нанесения электронных схем, просто наклеивая наклейку на поверхность листа. Помимо крупных сельхозпроизводителей, такое устройство может заинтересовать садоводов и городских фермеров, предполагают исследователи.
"Это может иметь серьезные последствия для сельского хозяйства, особенно в связи с изменением климата, когда у вас будет нехватка воды и изменения температуры окружающей среды", - говорит Коман.
В смежной работе лаборатория Страно изучает возможность создания массивов таких датчиков, которые можно было бы использовать для обнаружения света и захвата изображений, подобно камере.