Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, wspólnie z pracownikami Katedry Ogrodnictwa z Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu sprawdzają czy rośliny w przypadku np. niedoboru wody, nadmiernego przesuszenia czy ataku szkodników emitują odgłosy, niesłyszalne dla ludzkiego ucha, które mogą wskazywać na to, że znajdują się w sytuacji dla nich stresowej. Z pomocą hodowcom roślin przychodzą akustycy z AGH, którzy przy użyciu specjalistycznych, czułych na ultradźwięki mikrofonów są w stanie rejestrować odgłosy generowane przez rośliny.
Współpraca ze szklarnią doświadczalną w Ośrodku Zaawansowanych Technologii Produkcji Ogrodniczej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu zaowocowała badaniami, które mogą posłużyć przy diagnostyce roślin. Informacje i wnioski z kolejnych eksperymentów mogą być dla hodowców roślin wskazówką, jak jeszcze lepiej zadbać np. o wielkopowierzchniowe uprawy i szybciej reagować na zmiany związane z nawodnieniem czy ochroną przed szkodnikami.
Dr inż. Janusz Mazurek z Katedry Ogrodnictwa przyznaje, że badanie dźwięków generowanych przez rośliny ma dla przyrodników bardzo praktyczny wymiar:
– Tego typu badania uznajemy za innowacyjne, a wyniki mogą nam pomóc m.in.
w badaniach nad stresem roślin wywoływanym przez czynniki fizjologiczne takie jak niedobór wody, nadmierna temperatura, niedostatek składników pokarmowych, jak również tymi spowodowanymi przez choroby i szkodniki. W produkcji ogrodniczej szybkie, a w tym wypadu również bezinwazyjne rozpoznanie problemu determinuje skuteczność działań podejmowanych przez producentów. Wpisuje się to w szeroko pojęte działania związane z produkcją integrowaną.
Odgłosy wydawane przez rośliny to dźwięki o częstotliwościach, które nie są słyszalne dla ludzkiego ucha. Emitowane ultradźwięki mogą być zarejestrowane wyłącznie przy pomocy specjalistycznych mikrofonów, których używają naukowcy i naukowczynie na co dzień pracujący w Laboratorium Akustyki Technicznej w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki AGH w Krakowie.
Nasłuch pomidorów w szklarniach
– Pierwszy etap badań przeprowadziliśmy w Szklarni doświadczalnej Centrum Innowacyjnych Technologii Produkcji Ogrodniczej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu i badaliśmy małe sadzonki pomidorów, które przy odpowiednich warunkach szybko rosną. Ważne dla nas było, aby warunki dla uprawy roślin były jak najlepsze, a takie mogła zapewnić nam wyłącznie kompetentna kadra, która na co dzień pracuje w szklarniach doświadczalnych i wie jak takie warunki roślinom stworzyć. Przyrost pomidorów w trakcie naszych pomiarów dochodził do 30 cm na tydzień – wyjaśnia początkowy etap badań doktorantka z AGH, Klara Chojnacka.
– Pomiary w szklarni pokazały, że faktycznie rośliny emitowały impulsy
w ultradźwiękach i ich częstotliwość zmieniała się w zależności od pory dnia. Więcej impulsów rośliny generowały w ciągu dnia – mówi dr inż. Bartłomiej Chojnacki z Laboratorium Akustyki Technicznej AGH. Dźwięki generowane przez rośliny to tzw. hałas impulsowy, który jak wyjaśnia zespół akustyków z AGH, jest łatwy do odróżnienia od np. hałasu stałego generowanego przez oświetlenie, sprzęt czy ludzi. Zatem wyniki pozyskane z pomiarów z wrocławskich szklarni potwierdzają nieliczne dotychczasowe badania na roślinach (wyniki badań przeprowadzonych na roślinach opublikował zespół z Uniwersytetu w Tel Awiwie).
Pomiary w komorze bezechowej AGH
Kolejny etap badań przeprowadzony był już w warunkach całkowicie kontrolowanych, w komorze bezechowej Laboratorium Akustyki Technicznej w AGH w Krakowie. Pomiary przeprowadzono przy użyciu mikrofonów do zastosowań bioakustycznych. Dzięki takiemu sprzętowi naukowcy są w stanie rejestrować dźwięki powyżej 200 kHz. Zakres pomiarowy sprzętu pozwala tym samym eksperymentować z różnymi roślinami, które emitują impulsy dźwiękowe na różnych częstotliwościach. Badane pomidory hałasowały w zakresie 20-50 kHz. – Jednak już np. zboża czy winorośl wymaga całkiem innego sprzętu o dużo większej czułości na ultradźwięki i szerszego zakresu częstotliwości. Zgodnie ze znaną nam literaturą rośliny te emitują impulsy w zakresie 80-150 kHz – tłumaczy dr inż. B. Chojnacki z AGH.
– Stabilne warunki akustyczne jesteśmy w stanie osiągnąć wyłącznie w naszym laboratorium, w komorze bezechowej. Tutaj mamy pewność, że nic nie zakłóca nam rejestracji. W etapie badań prowadzonych w AGH zapewniliśmy roślinom odpowiednie warunki pod względem naświetlenia, nawożenia czy nawodnienia. Ten etap był konsultowany z ogrodnikami z Wrocławia, którzy wyznaczyli warunki niezbędne dla roślin – mówi K. Chojnacka.
Drugi etap pomiarów, przeprowadzony w komorze bezechowej AGH, trwał kilka tygodni. Naukowcy umieścili roślinę w kontrolowanym środowisku akustycznym
o poziomie tła akustycznego poniżej 0 dB (decybeli) i braku dodatkowych odbić dźwięku, a następnie rozmieścili wokół rośliny 8 specjalistycznych mikrofonów.
– W ten sposób, oprócz samej rejestracji sygnału, mogliśmy sprawdzić także kierunkowości dźwięku, to znaczy kierunku w jakim dźwięk jest emitowany. To stanowi novum w dotychczasowych badaniach nad dźwiękami emitowanymi przez rośliny. Na podstawie tak prowadzonych badań możliwe będzie ustalenie, który element rośliny emituje dźwięk, a następnie szczegółowa analiza jego pochodzenia – precyzuje akustyk dr inż. B Chojnacki z AGH.
Przebadano kilka sadzonek, najpierw podtrzymując odpowiednie nawożenie
i podlewanie w celu uzyskania danych kontrolnych, a następnie przesuszając roślinę, aż do jej całkowitego wysuszenia. Wstępna analiza danych pozyskanych z pomiarów w Laboratorium Akustyki Technicznej wskazuje, że podobnie jak w szklarniach pomidory emitowały impulsy dźwiękowe na poziomie 30-50 kHz. Intensyfikacja impulsów następowała w momencie kiedy roślina była przesuszona.
Pozyskane z badań dane zostaną następnie przez naukowców zweryfikowane.
W kolejnym etapie eksperymentu analizie poddane będą także zmiany jakie zachodzą w sygnałach emitowanych przez roślinę w warunkach wysuszenia.
Cel badań – diagnostyka roślin w czasie rzeczywistym
Dane z nasłuchu akustycznego mogą podpowiadać sadownikom w czasie rzeczywistym, kiedy uprawa wymaga dodatkowego działania ze strony człowieka. Dzięki tego typu diagnostyce hodowcy roślin będą mogli z jeszcze większą starannością zadbać o swoje uprawy lub zareagować z wyprzedzeniem.
– Badania akustyczne mogłyby znaleźć zatem zastosowanie w kolejnym, bardzo nieoczywistym, obszarze jakim są hodowle kontrolowane roślin, a te jak wiemy zyskują na coraz większej popularności na świecie. Oprócz danych związanych
z wilgotnością czy temperaturą otoczenia hodowcy mogliby na podstawie sygnału bezpośrednio od rośliny decydować o wzmocnieniu nawożenia, intensywniejszym podlewaniu czy ochronie przed szkodnikami, bez fizycznej obecności na miejscu – wyjaśniają naukowcy z AGH.
Tym samym prowadzone badania wpisują się w założenia przemysłu 4.0, który zakłada wspomaganie decyzyjności człowieka. Dane dostarczane przez akustyków mogą w niedalekiej przyszłości być wsparciem dla sadowników oraz podnieść jakość uprawianych roślin.