1. Введение

Известно, что атмосфера и верхняя часть литосферы, которые непосредственно выступают как минеральные основы биосферы, в настоящее время подвергаются всё более возрастающему антропогенному и техногенному воздействию [1], [2]. Это непременно влияет на рост и развитие растительного покрова, в частности, на биосинтез органических природных соединений.

Для формирования структуры составных частей природных соединений и его физико-химических свойств важнейшую роль играют их листья, так как в них под воздействием внешних факторов формируется органические вещества, обеспечивающие синтез жизненно важных органических соединений из неорганических [3], [4].

Авторы работ [5] установили влияние погодных условий на биохимический состав дикорастущей сои. Они обнаружили, что при повышении температуры воздуха и уменьшения влажности воздуха и почвы происходит низкая активность некоторых биологически активных веществ. Это, очевидно, приводит к изменению свойств растений. Продуктивность мягкой пшеницы, ячменя и кормовой продукции зависит от погодных условий как температура и влажность почвы и др., что подчёркивают авторы работ [6].

В работе [7], [8] определили, что при нагревании белков увеличивается тепловое движение атомов в молекуле, кумулятивно в этом случае белок теряет свою активность из-за оказавшихся радикалов аминокислот. Авторы показывают, что температура влияет как на спектральные параметры, и так на свойства белка.

Согласно работе [9], изменения температуры приводят к изменению подвижности нитроксильного радикала в гексановых растворах, которые аналогичны биологической молекуле. Обнаружена концентрационно-температурная зависимость нитроксильного радикала. Методом ЭПР-спектроскопии исследовано влияние температуры на молекулярную подвижность в аморфные и кристаллические фазы полилактида. Установлено, что температурный фактор влияет на подвижность аморфной фазы и приводит к росту времени корреляции радикала [10].

В работах [11], [12] показано, что условия произрастания растений могут влиять на молекулярное и надмолекулярное состояние, формирование системы меж- и внутримолекулярных взаимодействий молекул, возникающих в результате воздействия окружающей среды. Однако влияния температуры, влажности воздуха и почв и других факторов на вращательную подвижность молекул листьев подорожника ланцетного в спиртовом растворе изучены недостаточно.

Поэтому исследование влияния экологических условий места произрастания, таких как температура, влажность воздуха, почвы и техногенные воздействия, на молекулярную подвижность присоединившихся спиновых меток к молекулам дикорастущих растений подорожника ланцетного является актуальным и своевременным. Так как спиновые метки дают информацию о том, что происходит внутри молекулы, то оно предоставляет информацию о мельчайших изменениях в свойствах растений.

В связи с этим в работе исследуются влияние температуры, влажность и другие факторы экологической условий места произрастания на молекулярную подвижность спин-меченого настоя листьев подорожника ланцетного в спиртовом растворе.

2. Экспериментальная часть

Определения влияний температуры и влажности на структуру и свойства природных растительных соединений возможны с применением методов радиоспектроскопии.

Образцы для исследования собраны во время цветения из Бободжан гафуровского района (1 — координаты; 40,2692 с.ш.; 69,7004 в.д.) и города Худжанда вблизи автомобильной дороги (2 — координаты; 40, 282 с.ш., 69, 6401 в.д.).

Некоторые метеорологические параметры обработаны за период с 1-го марта до 31-го июля 2021 г., то есть во время произрастания и цветения растений.

В период произрастания и созревания подорожника были определены среднедневные значения влажности воздуха, его температуры на поверхности Земли и в пространстве около 2 метров от Земли, значение осадков, вариация влажности на поверхности почвы, влажности на корневой системе, фотосинтетически активной радиации. Очевидно, перечисленные факторы влияют на свойства и молекулярную структуру растений, которые отражаются на спектральных параметрах.

3. Результаты и обсуждения

На рисунке 1 приведена средне недельная относительная и удельная влажность воздуха. Из рисунка (1 а) видно, что в период эксперимента относительная влажность воздуха уменьшается от 85% до 18%, когда удельная влажность изменяется в интервале от 2 до 12 г/кг.

На рисунке 2 приведены изменения температуры на поверхности Земли; видно, что ежедневные средние значения температуры для Бободжангафуровского района и города Худжанда идентичны они повышаются. Эти значения непосредственно влияют на формирование структуры и физико-химические свойства растительного материала.На рисунке 3 приведена среднесуточная температура в двух метрах от поверхности Земли. Согласно графику, температура воздуха в двух метрах от Земли изменяется по времени и монотонно повышается.

На рисунке 4, приведены вариации влажности на поверхности почвы (а), влажности на корневой системе (б) и профиль влажности почвы (в) в период 01.03.2021–31.07.2021 г. Видно, что влажность почвы для корневых систем мало отличается между Худжандом и Бободжангафуровским районом и при переходе к лету она становится стабильной, тогда как летом в связи с осадками она оказывается нестабильной (05.07 – 20.07.2021), (рисунок 4 б). Профиль влажности почвы (рисунок 4в) более стабилен для обеих местностей.

Согласно данным научной литературы, для формирования молекулярной структуры природных соединений и их физико-химических свойств имеют значение листья, так как они взаимодействуют с окружающей средой и под действием солнечной радиации в них происходит фотосинтез [11], [12]. Фотосинтетическая активная радиация, или, сокращённо, ФАР (PAR) — часть доходящей до биоценозов солнечной радиации в диапазоне от 400 до 700 нм, используемая растениями для фотосинтеза. Этот участок спектра более или менее соответствует области видимого излучения.Из рисунка 5 видно, что ФАР при переходе к лету становится более активной. Фотоны с более короткой длиной волны несут слишком много энергии, поэтому они могут повредить клетки, но по большей части они отфильтровываются озоновым слоем в стратосфере. Кванты с большими длинами волн несут недостаточно энергии и поэтому не используются для фотосинтеза большинством организмов [12].Для детального исследования влияние температуры и влажности на молекулярную структуру природных растительных соединений в работе использован метод спиновых меток. При изучении влияния структуры микроокружения на вращательную диффузию нитроксильных радикалов можно определить динамические параметры — как время корреляции вращательной диффузии (τс), так и время частоты «вращения» радикала (ν=1/τ).

Методом ЭПР можно определить концентрацию парамагнитных центров и идентифицировать радикалы в любом агрегатном состоянии органических соединений, что незаменимо для исследования кинетики и механизма процессов, происходящих с их участием. Спектроскопию ЭПР применяли для определения радиационного фона местности, в изучении процессов строения и реакционной способности организации свободных радикалов и ион-радикалов, полимерных систем с сопряжёнными связями. Применяя ЭПР-спектроскопию можно решить широкий круг структурно-динамических задач. Динамические эффекты в ЭПР-спектрах проявляются в специфических сужениях или расширениях отдельных компонентов сверхтонкой структуры биомолекул природных соединений. Они обусловлены модуляцией величины констант сверхтонкого взаимодействия за счёт внутри- и межмолекулярных взаимодействий, внутримолекулярных процессов перемещения групп атомов или радикалов.

Метод спиновых меток и зондов широко используется для исследования структуры и молекулярной динамики синтетических и природных соединений [13], [14], [16], [18].

Было определено время корреляции и частоты вращения радикала настоя ПЛ в спиртовом растворе. Спектры спин-меченного настоя ПЛ в 95%-ном спиртового раствора снимали согласно методике [15], [16], [17].

Согласно рисунку 6 а, нитроксильный радикал свободно вращается; у образцов из Бободжонгафуровского района расширяется линия и интенсивность уменьшается относительно нитроксильного радикала; для образцов из Худжанда наблюдается уширение линии и уменьшение интенсивности относительно нитроксильного радикала и настоя из Бободжангафуровского района. При работе автомобильных двигателей выделяются угарный газ — CO, углекислый газ — CO2, оксиды азота — NO и NO2, углеводороды — HC, твёрдые частицы и другие газы, которые, очевидно, влияют на формирование структуры и свойств растений произрастающих вдоль автомобильной дороги. Этот процесс отражается на спектральных параметрах.Для определения времени корреляции вращения спиновых меток в исследуемых образцах применили следующую формулу (1) [13], [14], [15]:

где ΔHo — ширина центрального компонента; J0/J-1 — относительные параметры центрального и высокопольного компонентов спектра ЭПР и n = 1/t — величина, условно называемая «частотой вращения» радикала.

В таблице 1 приведены спектральные параметры ЭПР-спектров спин-меченого настоя листьев ПЛ в спиртовом растворе «частоты вращения» радикала и время корреляции (τс) при комнатной температуре, где значение этого параметра по отношению к свободному нитроксильному радикалу увеличивается, а частота подвижности радикала уменьшается.

Разности температур почвы и воздуха, относительной влажности воздуха и почвы являются факторами для изменений свойств в листьях ПЛ, что прямо отражается на ЭПР-спектрах, что следует из показателей таблицы 1. Очевидно, изменение температуры и влажности окружающей среды влияет на вращательную подвижность спин меченых образцов. Относительная погрешность частота микроволного излучения прибора составляет около 0,07%. Относительная погрешность для интенсивности сигнала и ширина линии около 7%, для времени корреляции и частота вращения радикала 12%.

Из данных таблицы видно, что параметры J0 для образцов из Худжанда уменьшаются примерно на 30%; это, очевидно, связано с влиянием температуры, влажности и внешних факторов на функциональные группы настоя ПЛ. Параметр ΔH0 для этого образца увеличивается более чем на 18%; вероятнее, это связано с расширением линии спектра. По результатам таблицы видно, что внешние факторы влияют на спектральные параметры ЭПР.

Впервые определены влияние температура, влажность и др. экологические условия на молекулярную подвижность молекул листьев настоя ПЛ, произрастающих в техногенных условиях около автомагистрали города Худжанда и около благополучных условий около сада в Бободжонгафуровском района. Изменения времени корреляции, частота вращения и другие спектральные параметры говорят об изменениях свойств на молекулярном уровне, которые обеспечивают достоверность полученных экспериментальных результатов.

4. Заключение

1. Исследовано влияние температуры, влажности и других внешних факторов на спектральные параметры как центральной, так и низкопольной и высокопольной линий и интенсивности ЭПР-спектра, которая изменяется до 40%.

2. Впервые выявлено, что температура, влажность и другие внешние факторы влияют на количественное содержание нитроксильных радикалов в образцах ПЛ, о чём свидетельствуют уменьшения интенсивности компонентов спектра ЭПР от 30 до 40% в образцах из города Худжанда.

3. Определено, что при увеличении времени корреляции наблюдается уменьшение подвижности макромолекул настоя ПЛ, что, очевидно, связано с изменением физико-химических свойств природных растительных соединений.

4. Установлено, что температура, влажность воздуха и почв, а также техногенные факторы (комплексно) приводят к замедлению времени корреляции спиновых меток, присоединяющихся к функциональным группам листьев ПЛ до 10%.

5. Обнаружены повышения температуры и уменьшения влажности в зависимости от времени.

The additional file for this article can be found as follows: