Sur la nature de l'activité physiologique des humates
L'influence des formes physiologiquement actives des acides humiques et des composés apparentés, comme les polyphénols, sur le métabolisme oxydatif peut être considérée comme un fait solidement établi. Les chercheurs proposent diverses explications à ce phénomène. Nous avons longtemps soutenu l'idée que l'explication principale réside dans le fait que les groupes quinoniques de ces composés, agissant comme transporteurs d'hydrogène de l'objet oxydé vers l'oxygène, renforcent le système crucial de transfert d'électrons et, ainsi, atténuent la carence en oxygène dans les cellules, qui, comme le montrent les observations, se produit plus souvent qu'on ne le pense. Tout cela conduit à une augmentation du potentiel énergétique des plantes, confirmée expérimentalement par la mesure du potentiel bioélectrique — PBE, les indicateurs de l'état thermodynamique des plantes, et a un impact positif sur le métabolisme de l'organisme.
L'un des biochimistes les plus audacieux, Szent-Györgyi, a émis l'idée que tous les processus biochimiques sont une descente progressive de l'électron, élevé à un niveau plus élevé suite à l'absorption d'un quantum de lumière lors de la photosynthèse. Bernard et Alberte Pullman, quant à eux, ont déclaré : « La dynamique de la vie est en accord avec la dynamique du nuage électronique dans les molécules conjuguées... ». Ils considéraient comme caractéristique principale de ces molécules la présence d'électrons délocalisés, qui confèrent à la molécule une stabilité supplémentaire, une résistance aux radiations, la possibilité de transférer l'excitation électronique sur de longues distances, le transfert d'électrons et d'énergie, entre autres.
Les électrons délocalisés ou non appariés ont acquis une telle importance parce qu'ils sont plus facilement excités que les électrons appariés. L'excitation d'un électron, c'est-à-dire son passage d'un niveau énergétique plus bas à un niveau plus élevé, est déterminée par l'absorption d'un quantum de lumière visible ou ultraviolette. Le processus inverse s'accompagne de l'émission d'un quantum et de la luminescence. Un tel transfert d'électron correspond en quelque sorte au niveau intramoléculaire des processus d'oxydoréduction. Le transfert intermoléculaire d'un électron délocalisé est déjà lié aux processus d'oxydoréduction au niveau intermoléculaire, c'est-à-dire à la respiration. Il est évident que ces deux processus sont interconnectés et, puisque l'influence des acides humiques et fulviques sur les processus respiratoires est un fait solidement établi, on peut supposer qu'ils influencent également l'excitation des électrons.
Il y a des raisons de croire que les formes physiologiquement actives des acides humiques et fulviques, après leur absorption par les plantes, influencent l'ajustement des niveaux énergétiques des électrons délocalisés des molécules conjuguées et affectent ainsi les processus vitaux les plus importants. Si cette hypothèse est correcte, alors, premièrement, les humates physiologiquement actifs devraient favoriser une meilleure absorption de l'énergie solaire, leur efficacité variant selon les différentes parties du spectre lumineux ; deuxièmement, ils devraient influencer les propriétés paramagnétiques des tissus végétaux ; troisièmement, sous l'influence des humates, leurs propriétés luminescentes devraient s'intensifier. Sans chercher à quantifier ces processus ou à en révéler le mécanisme, nous avons entrepris cette recherche uniquement pour vérifier expérimentalement cette hypothèse.
Méthodologie de recherche
Pour répondre aux questions posées, nous avons mené des expériences microvégétatives à court terme sous différents spectres lumineux. La méthodologie était la suivante : des graines de maïs et de haricot mungo étaient placées dans des germoirs, trempées dans des solutions selon le protocole expérimental et mises dans un thermostat obscur. Ensuite, des plantules étiolées âgées de cinq à sept jours étaient transplantées dans des pots de 500 ml, cinq plantes par pot, sur un milieu correspondant au protocole, et placées sous une installation lumineuse avec différents filtres colorés. L'éclairage était assuré par des lampes fluorescentes à 3500 lux/m². Les filtres étaient préparés en appliquant des films colorés, obtenus selon la méthode de Grodzinsky, sur des plaques de verre de 36 × 48 cm. Leur caractéristique spectrale était déterminée à l'aide d'un spectrophotomètre SF-4A.
Le protocole expérimental incluait du humate de potassium testé à des concentrations de 3,1⋅10⁻⁵ mol/L et de l'ATP — 1,4⋅10⁻⁵ mol/L (ce dernier servant de contrôle supplémentaire en tant que composé riche en énergie). Le milieu était soit un mélange appauvri de Prianishnikov, où le phosphore était fourni sous forme de sel tampon de Sörensen, soit de l'eau distillée. L'expérience était répétée trois fois. Elle durait sept jours, après quoi les plantes étaient mesurées, pesées et analysées selon les paramètres suivants : teneur en chlorophylle selon la méthode de Gettier, substances nucléiques selon la méthode de Netubskaya et Kuramshin. Vingt-sept expériences de ce type ont été menées.
Pour déterminer si les humates solubles influencent les propriétés paramagnétiques des tissus végétaux, nous avons utilisé la méthode de résonance paramagnétique électronique (RPE). Comme on le sait, l'essence de la RPE réside dans l'absorption résonante d'énergie électromagnétique haute fréquence par un objet dans des conditions spécifiques de champ magnétique et de fréquence. La RPE est basée sur l'effet Zeeman, qui consiste en ce qu'un champ magnétique constant divise le niveau énergétique fondamental d'une particule paramagnétique, caractérisée par la présence d'un électron non apparié et d'un nombre quantique de spin S, en 2S+1 sous-niveaux séparés par des intervalles d'énergie :
ΔE=hν=gbH, où H est l'intensité du champ magnétique, ν est la fréquence.
Lorsqu'un champ magnétique haute fréquence (HF ou micro-ondes) est appliqué à un échantillon paramagnétique placé dans un champ magnétique constant « H », avec une orientation perpendiculaire du vecteur magnétique, à la fréquence :
ν=hΔE=hgbH
des transitions entre deux niveaux adjacents sont induites avec une probabilité égale, où :
- g est le facteur de division spectroscopique ;
- b est le magnéton de Bohr ;
- h est la constante de Planck.
Cela entraîne une redistribution de la population des niveaux énergétiques vers leur égalisation, une partie de l'énergie du champ micro-ondes est absorbée par l'échantillon et convertie en chaleur. L'objectif de l'expérience lors de l'observation de la RPE est d'enregistrer précisément l'énergie haute fréquence absorbée par l'échantillon. De nombreux scientifiques ont étudié le phénomène de RPE dans une série de composés biologiquement actifs et dans des tissus vivants, démontrant son efficacité pour cette application.
Pour nos recherches, nous avons utilisé des feuilles et des racines de plantules de haricot mungo âgées de cinq à six jours, cultivées dans des conditions spécifiques, et les avons soumises à une lyophilisation après congélation à −70 °C. Elles étaient séchées pendant 24 heures jusqu'à une pression résiduelle de 10⁻³ mm Hg. Pour l'analyse RPE, des échantillons de feuilles et de racines séchées pesant 3 à 5 mg étaient placés dans des tubes en quartz minces de 4 à 5 cm de diamètre, recuits à la flamme acétylène-oxygène. Les spectres RPE étaient enregistrés sous forme de courbes différentielles de première dérivée de l'absorption résonante. La teneur en radicaux libres de l'échantillon était déterminée par comparaison avec un étalon et les surfaces sous les courbes intégrales d'absorption résonante de la substance étudiée, construites à partir des courbes différentielles I′=f(H) à ν=const. Les surfaces étaient calculées par la méthode de l'intégration graphique double. Pour mesurer la largeur des raies des spectres étudiés, l'étalon était l'alanine irradiée γ, et pour déterminer les surfaces, le saccharose irradié γ. Pour déterminer le facteur g, nous utilisions des tubes sous vide avec un étalon de Mn++ dans MgO, pour lesquels les valeurs du facteur g sont précisément connues. Pour des calculs approximatifs des surfaces sous les courbes intégrales, nous utilisions les formules de Simpson.
Pour évaluer l'influence de l'acide humique sur la luminescence des plantes cultivées sous différents spectres lumineux, nous procédions comme suit : un échantillon de tissu foliaire était broyé avec de l'eau dans un rapport de 2:100 et laissé reposer. Ensuite, à un volume déterminé de l'extrait filtré, nous ajoutions 1 ml de fluorescéine à 10⁻³ mol/L, exposions à la lumière ultraviolette (verre de Wood) pendant 5 minutes, puis mesurions l'intensité relative de la fluorescence.
Résultats des recherches
Analysons d'abord les données les plus caractéristiques montrant l'influence des acides humiques et de l'ATP sur l'accumulation de masse fraîche sous différents spectres lumineux. Elles révèlent que l'accumulation de masse fraîche dans les plantules de maïs était maximale dans les parties rouge-orange et bleu-violet du spectre, et minimale dans la partie verte. La réaction des plantes aux formes physiologiquement actives des acides humiques et à l'ATP était similaire.
Il est facile de constater que la réaction des plantules de maïs aux substances physiologiquement actives en termes de production de masse fraîche reproduit la courbe d'absorption de la lumière par la chlorophylle, ce qui permet de penser que ces substances influencent les réactions photochimiques de la photosynthèse et favorisent une meilleure absorption de l'énergie solaire. Cette expérience a été répétée plusieurs fois avec des résultats similaires, bien que le pic d'accumulation de masse se déplaçait légèrement à l'intérieur de la partie violette du spectre. Le haricot mungo s'est avéré moins réactif à cet égard.
L'influence des substances physiologiquement actives se manifeste non seulement sur la production de masse fraîche, mais aussi sur le morphogenèse des plantes, avec des effets différents de ceux observés sur le poids. Il s'est avéré que les racines réagissaient relativement mieux aux humates dans la partie bleu-violet du spectre, tandis que les feuilles réagissaient mieux dans la partie rouge-orange.
Les observations sur l'influence des facteurs étudiés sur la teneur en chlorophylle ont montré que le pic de réaction chez le maïs se déplaçait de la partie courte longueur d'onde vers la partie longue longueur d'onde du spectre. Dans certains cas, le pic se situait dans la partie jaune-verte du spectre. La réaction des plantes à la composition spectrale en termes de teneur en chlorophylle était assez constante et davantage liée à l'intensité lumineuse. Les observations sur la teneur en acides nucléiques montrent que l'action des substances physiologiquement actives sous différentes qualités de lumière influence incontestablement cet appareil de la cellule végétale. Cependant, les données contradictoires des différentes expériences ne permettent pas encore d'établir la direction de ce processus.
Les données des mesures RPE et les calculs correspondants sont présentés dans les tableaux 1 et 2. Ces données montrent que la RPE des tissus végétaux de haricot mungo soumis à la lyophilisation se présente sous forme de raies simples avec un facteur g proche de celui de l'électron libre (pour les feuilles, gmoy. est de 2,00388±0,0005 et ΔHmoy.−18,1±0,2 G ; pour les racines, gmoy.−2,00349±0,0005 et ΔHmoy.−13,5±0,2 G).
| Paramètres | Graines germées sur | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Eau | Humate de potassium | ATP | 2,4-DNF | |||
| Plantules transplantées sur | Eau | Humate de potassium | ATP | 2,4-DNF | ||
| ΔH G | 15,9 | 18,2 | 16,4 | 19,0 | ||
| Facteur g | 2,00441 | 2,00279 | 2,00489 | 2,00438 | ||
| S-intégrale (mm²) | 150 | 220 | 120 | 175 | ||
| Note. Pour l'étalon de saccharose γ, contenant 10¹⁷ spins/g, S-intégrale est de 455 mm². | ||||||
| Paramètres | Graines germées sur | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| eau | humate de potassium | ATP | 2,4-DNF | |||
| Plantules transplantées sur | eau | humate de potassium | ATP | 2,4-DNF | ||
| ΔH G | 11,2 | 14,5 | 16,3 | 9,6 | ||
| Facteur g | 2,00461 | 2,00440 | 2,00473 | 2,00380 | ||
| S-intégrale (mm²) | 20 | 40 | 60 | 12 | ||
La comparaison des courbes différentielles montre que les humates de potassium et l'ATP augmentent l'amplitude du signal RPE, tandis que le 2,4-dinitrophénol l'atténue. Il est très important que la transplantation supplémentaire des plantes de cet inhibiteur vers des substances physiologiquement actives rétablisse en partie le signal RPE, ce qui corrèle avec la réaction physiologique des plantes à ces substances. Leur influence sur la courbe intégrale était similaire, ce qui permet de conclure à une augmentation du nombre de radicaux libres sous l'effet des substances physiologiquement actives. Il est également important de noter que le nombre de radicaux libres dans les feuilles était bien plus élevé que dans les racines.
L'action physiologique des acides humiques doit être liée à la présence de radicaux libres en leur sein. La présence de radicaux libres dans les acides humiques du sol a été démontrée ultérieurement par des travaux en RPE dans notre laboratoire.
Le degré de luminescence des extraits de plantes cultivées sous différents spectres lumineux et ayant reçu ou non des substances physiologiquement actives varie. Une tendance à l'augmentation de l'effet des humates de potassium dans la partie rouge-orange du spectre a été observée. L'influence de l'ATP est restée incertaine.
Conclusions
- Les résultats obtenus montrent avant tout que la réaction des plantes aux formes physiologiquement actives des humates varie selon les différentes parties du spectre lumineux : elle est plus marquée dans les parties rouge-orange et bleu-violet, c'est-à-dire dans les parties du spectre mieux absorbées par la chlorophylle.
- La détermination du signal RPE dans les tissus de haricot mungo a révélé que le nombre de centres paramagnétiques augmente sous l'influence des substances physiologiquement actives.
- Les faits mentionnés ci-dessus, ainsi que les changements d'intensité de luminescence des extraits de plantes en présence de fluorescéine, permettent de supposer que les humates physiologiquement actifs favorisent l'absorption des quanta de lumière et influencent l'ajustement du niveau énergétique des électrons délocalisés des molécules conjuguées composant les tissus végétaux.