Почему одни растения погибают при первых же заморозках, а другие спокойно переносят якутскую зиму с морозами под минус пятьдесят? Ответ скрыт в самой обычной воде — точнее, в том, какой разной она бывает внутри живых клеток и тканей растений.

Учёные выделяют две фракции воды в растительных тканях: свободную и связанную. Свободная вода ведёт себя привычно — при нуле градусов она превращается в лёд, кристаллы которого разрывают нежные клеточные мембраны изнутри. Связанная вода, напротив, прочно удерживается молекулами белков, сахаров и крахмала и не замерзает даже при минус двадцати и ниже. Именно этот «незамерзайка» работает как природный антифриз и во многом определяет, выживет ли растение после резкого похолодания или нет.

Но как измерить, сколько именно связанной воды содержится в листе берёзы или веточке брусники? В серьёзных лабораториях для этого используют дифференциальный сканирующий калориметр (ДСК) – прибор, который по тепловым эффектам при замерзании способен отделить свободную воду от связанной. Сложность заключается в том, что такой прибор стоит миллионы рублей и совершенно недоступен для школьной лаборатории.

В нашем проекте мы предлагаем пойти другим путём — собрать такой калориметр самостоятельно, из доступных и недорогих компонентов. Основой послужит платформа Arduino, а роль высокоточных «градусников» возьмут на себя цифровые точные температурные датчики TMP117, способные улавливать изменения температуры в одну десятую градуса Цельсия. Охлаждать образцы мы будем с помощью элементов Пельтье — тех самых, что используются в автомобильных холодильниках или возможно в морозильнике. Участники проекта своими руками соберут электрическую схему, напишут скетч для одновременного опроса нескольких датчиков, соберут термостатирующий блок и проведут калибровку прибора по чистой воде.

Во время эксперимента датчики будут непрерывно записывать температуру, а на экране ноутбука прямо на наших глазах начнут рождаться термограммы — графики, на которых замерзание свободной воды проявится в виде характерного пика кристаллизации (замерзания) свободной воды. Именно этот пик и содержит главную информацию: его площадь пропорциональна количеству тепла, выделившегося при образовании льда, а значит — и массе свободной воды в образце. Связанная вода в этом температурном диапазоне остаётся жидкой и никакого сигнала не даёт. Мы определим общую воду по высушивая образцы и измеряя живой и сухой вес. 

Сравнив результаты для разных видов и разных органов растений, мы попробуем ответить на вопрос: какие из них лучше подготовлены к внезапным заморозкам и почему? Может быть, у брусники связанной воды окажется больше, чем у подорожника, а в корнях — иначе, чем в листьях.

Требования к участникам:
Этот проект для тех, кому интересно не просто слушать, а делать своими руками и сразу проверять, как всё работает. Любишь электронику и пайку? Будешь собирать схему и настраивать датчики. Увлекаешься программированием? Напишешь код для Arduino. Нравится биология и походы в лес? Займёшься сбором растений и интерпретацией результатов. А если тебе по душе цифры, графики и поиск закономерностей — будешь анализировать термограммы и считать, сколько воды замёрзло. В результате слаженной работы команды мы соберём настоящий научный прибор, получим новые данные о растениях Якутии и поймём, как они готовятся к своей самой суровой зиме в мире. Присоединяйтесь!