Вопрос, рассмотренный на факультативном занятии, посвящён проблеме, возникшей на стыке различных научных и технических дисциплин – физики, биофизики, биологии, химии – учению о росте растений: одному из активно-развивающихся направлений физиологии растений.
Объектом исследования являются межпредметные связи дисциплин естественнонаучного цикла: физики и биологии.
Предмет анализа – влияние физических параметров на скорость роста растений.
Введение
Растение растёт и развивается. Рост – это количественное нарастание массы растения, увеличение числа листьев, корней, побегов, объёма и числа клеток, а развитие – это качественные морфологические и физиологические изменения, которые происходят в растительном организме в течение жизненного цикла. Примером роста может служить появление на ветке новых листьев.
Появление цветка – это качественно новое состояние растительного организма, свидетельствующее о том, что в нём произошли глубокие биохимические и физиологические сдвиги. Неудивительно, что цветение – показатель развития растений.
Учение о росте растений – одно из наиболее активно развивающихся направлений физиологии растений.
Ещё Плиний писал в «Естественной истории», что растения и деревья растут с различной скоростью: «Некоторые растения (деревья) по природе растут медленно, и прежде всего те, которые рождаются только из семян, и отличаются долговечностью. Те же, которые быстро гибнут, быстро и растут, как, например, смоковничное и гранатовое деревья, слива, яблоня, груша, мирт, ива».
В Мьянме (бывшей Бирме) растёт представитель семейства бобовых амхерстия благородная – одно из самых декоративных растений мира, названное «королевой цветущих деревьев». На фоне её тёмно-зелёной листвы очень красиво выглядят крупные 30-сантиметровые соцветия, состоящие из двух десятков ярких крупных цветков. Из-за высокой декоративности амхерстию нередко культивируют в тропиках. Листья её всего за несколько дней достигают метровой длины. Ещё более быстрыми темпами растёт бамбук. Так, например, побеги этого растения увеличиваются за минуту на 0,6 мм, за час на 3,6 см, за сутки на 86,4 см [3].
Почему же между отдельными видами растений существует такая значительная разница в темпах роста. Как правило, в течение суток каждая клетка зоны роста удваивается, и у разных видов растений длина зоны роста разная. У медленнорастущих растений в росте участвует лишь кончик стебля длиной всего 0,6 см, в то время как у бамбука задействован иногда 60-сантиметровый участок стебля. Но существует ещё множество условий, влияющих на рост и развитие растения. Например, вода тепло, свет, воздух, окружающая среда.
Внешние и внутренние факторы роста растений
В процессе роста растений особенно наглядно проявляется тесная взаимосвязь внешних и внутренних факторов. Внешние условия (температура, свет, наличие воды и минеральных веществ, уравновешенность почвенного раствора и др.) обусловливает нормальный ход физиологических процессов. Зеленое растение в процессе обмена веществ образует не только целый ряд питательных веществ, но и разнообразные физиологически активные вещества (витамины, ферменты, гормоны и среди последних гиббереллины, кинины, ауксины), которые являются внутренними регуляторами роста. Физиологически активные вещества необходимы для растительного организма в сравнительно небольших количествах.
К фитогормонам можно отнести ряд веществ, играющих значительную роль в процессе деления клеток и их растяжения. Они влияют, прежде всего, на цитоплазму эмбриональной молодой клетки, вызывая в ней изменения.
Фитогормоны – органические вещества, образуемые в растении в крайне малых количествах, контролирующие и интегрирующие рост, развитие и дифференциацию.
Каждая клетка состоит из внешней плазматической мембраны и внутренней среды – цитоплазмы.
Мембрана клетки в определённом смысле задаёт границу живого микромира. Она удерживает внутри клетки необходимые компоненты, предотвращает (в частности, за счет большого электрического сопротивления) утечку низкомолекулярных растворимых веществ. Представляя собой двойной слой амфифильных органических молекул со встроенными в неё молекулами белка, мембрана поддерживает определённую разность потенциалов между внутренней частью клетки и окружающей средой. С учётом весьма малой толщины мембраны (менее 100 Е) напряжённость трансмембранного электрического поля может достигать огромных величин – 105 В/см! И вместе с этим мембрана осуществляет важные транспортные функции, регулируя жизнедеятельность клетки.
Итак, каждая живая клетка окружена тонкой оболочкой – плазматической мембраной, которая ограждает её от внешнего мира, защищая от непостоянства внешней среды, удерживая в микрообъёме необходимые для жизни клетки компоненты. С одной стороны, мембрана является непроницаемым барьером, с другой – она должна пропускать в клетку все необходимые для жизненного цикла вещества. Как же в мембране сочетаются эти противоречивые свойства?
Функции плазматической мембраны очень разнообразны – от регулирования переноса веществ в клетку и из неё до проведения электрических сигналов в нервных и мышечных волокнах.
Разнообразие и сложность функций биологических мембран вызывают удивление и восхищение, если вспомнить сравнительно «простую» структуру организации мембраны: бислойная система, состоящих в основном из двух веществ – липидов и белков, а также углеводов (на долю последних приходится от 2 до 10 % массы мембраны). Набор этих веществ, их пространственное расположение и взаимодействие между собой и другими ионами, атомами и молекулами и определяют все функции биологических мембран [4].
Диффузия используется клеткой для переноса, в частности, кислорода, углерода, воды, синтетических лекарственных препаратов. Диффузия происходит с участием динамических фосфолипидных образований – кластеров, в которые обычно входит несколько десятков молекул фосфолипидов. Эти кластеры со временем жизни около 10-7с всё время перемещаются в бислое, образуя в нём своеобразные дефекты, через которые и происходит диффузия небольших молекул.
Ядро. Здесь идёт синтез РНК, находится основная масса информационных молекул ДНК. Оболочка ядра, пронизанная порами, имеет двойную мембрану.
Митохондрии – универсальный компонент клеток, в них происходит дыхание (аэробное окисление молекул пищи), т.е. митохондрии являются энергетическими станциями клеток.
Хлоропласты – специализированные органеллы растительных клеток, в которых происходит фотосинтез.
В цитоплазме происходит синтез белков, в лизосомах содержится запас ферментов для внутриклеточного пищеварения.
Клетки, из которых состоят многоклеточные животные и растения, образуют цельную биосистему только благодаря двум свойствам, которые они выработали в процессе эволюции, – кооперированию и специализации.
Многоклеточные организмы появились потому, что они оказывались более конкурентоспособными в борьбе за выживание при использовании ресурсов, недоступных единичным клеткам. Этому процессу способствовало возникновение новых способов движения, систем коммуникации, сенсорного восприятия, социальной организации.
Далее, клетки могли соединяться между собой цитоплазматическими мостиками, нитями. Высшим растениям присущи цитоплазматические мостики (плазмодесмы), заключённые в жёсткие соты со стенками из целлюлозы (клеточные стенки).
В многоклеточных организмах влияние на ход метаболических процессов может передаваться с помощью гормонов, которые путешествуют в тканях, передавая управляющие сигналы другим клеткам [4].
По мере размножения клеток в процессе роста организма, клетки должны получать сигналы об их месте в пространстве. Существует гипотеза о том, что этот процесс осуществляется с помощью «пространственного сигнала» – морфогена, способного к диффузии.
Влияние света на фотосинтез и рост растения
Главный источник света – солнце. Только на свету растения создают из воды и углекислого газа воздуха сложные органические соединения.
Продолжительность освещения сильно влияет на рост и развитие растений. Требования к условиям освещения у растений неодинаковы. И поэтому, в процессе эволюции у растений выработалось разное отношение к освещённости. Растения делятся на 3 группы:
- Cветолюбивые растения (гелиофиты), они поглощают солнечную энергию не получая ожога.
- Теневыносливые растения (сциофиты), они предпочитают хорошую освещённость, но могут некоторое время быть в затемнении.
- Тенелюбивые растения (скиофиты), они обитают в условиях большой затенённости [5].
Количество света, необходимого для наилучшего фотосинтеза, у различных растений неодинаково. У теневыносливых растений максимум фотосинтеза достигается примерно при половине солнечного освещения, а у светолюбивых растений – почти при полном солнечном освещении. Теневыносливые растения имеют более крупные хлоропласты. Кроме того, эти растения имеют более крупные листья.
Реакция растений на суточный режим, т.е. на соотношение светлого и тёмного времени суток называется фотопериодизмом.
Существуют растения короткого дня и растения длинного дня. Растения короткого дня (светлое время суток 10–12 часов) – соя, кукуруза, бобы, фасоль, баклажаны, кабачки. Растения длинного дня (24 часа) – растения тропиков, корнеплоды, капуста, лук репчатый.
Искусственно укорачивая или удлиняя световой день, можно повысить урожай и значительно улучшить его качество.
Фототропизм – изменения направления роста растений под влиянием одностороннего освещения. Различают положительный и отрицательный фототропизм, и диатропизм.
Положительный – растение тянется к свету. Отрицательный фототропизм – растение тянется к тени. Диатропизм – когда лист растения располагается перпендикулярно свету.
К растениям короткого дня относится фасоль, а лук относится к растениям длинного дня. Но этим растениям присущ положительный фототропизм, поэтому в ходе эксперимента необходимо постоянно поворачивать растение к солнцу, за исключением одного, у которого было дополнительное освещение – лампа дневного света, работающая помимо светового дня 3–4 часа. Это всё повлияло на увеличение скорости роста растения.
Влияние температуры на фотосинтез и рост растения
Ещё одним немаловажным условием для роста и развития растения является тепло. Оно необходимо растениям во все периоды их роста и развития. Требования к теплу у различных культур неодинаковы и зависят от происхождения, вида, биологии, фазы развития и возраста растения.
Наибольшая интенсивность фотосинтеза при температуре 20–28 °С.
Фотосинтез неравномерно протекает в течение дня. Утром, обычно около 9–10 ч, наблюдается наиболее интенсивный фотосинтез, затем между 12–16 ч дня по мере накопления крахмала и уменьшения количества воды в листьях интенсивность фотосинтеза снижается и опять несколько возрастает во второй половине дня к 17–18 ч.
Если нарисовать кривую дневного хода фотосинтеза, то она будет иметь двухвершинный характер с двумя максимумами: утром и во вторую половину дня, с провалом в полуденные часы (приложение 1).
Одним из характерных признаков жизни живого организма является процесс дыхания.
Дыхание представляет собой комплекс тесно связанных друг с другом окислительных и восстановительных процессов, происходящих при участии соответственных ферментов.
Дыхание служит источником энергии для всех протекающих в организме биохимических процессов.
В качестве дыхательного материала растения используют сахара, жиры и органические кислоты. Интенсивность дыхания неодинакова у различных организмов и отдельных органов (листья, стебли, корни), она меняется с возрастом растения.
Большое влияние оказывает на дыхание температура. С повышением температуры интенсивность дыхания увеличивается, а с её понижением заметно падает. Интенсивность дыхания повышается примерно до 40 °C, а затем резко падает. В интервалах температуры от 0 до 40 °C интенсивность дыхания возрастает по правилу Вант-Гоффа, т.е. скорость его повышается примерно в 2 раза с повышением температуры на 10 °С.
Рост любого органа и всего растения идёт в 3 фазы:
- Эмбриональная, в ней происходит увеличение массы цитоплазмы и деление клеток (точки роста).
- Растяжения, во время которой увеличиваются размеры клеток.
- Дифференцировки, когда происходит специализация клеток, т.е. возникают клетки различных тканей (механической, проводящей, паренхимной и т.д.).
В фазе эмбриональной рост идёт медленно, так как при делении клеток почти не происходит увеличение их размера, хотя идёт образование новых масс цитоплазмы, затем происходит быстрое увеличение размера путём растяжения, и наконец, третья фаза – дифференцировка – не всегда связана с увеличением размеров. Если изобразить ход роста кривой, то мы получим S-образную кривую, которая получила название большой кривой роста (приложение 2).
Чтобы показать зависимость скорости роста растений от температуры, созданы 3 различных условия.
- 1. Растение находилось в тёплом помещении с дополнительным освещением.
- 2. Растение находилось в обычных условиях: естественное освещение, комнатная температура.
- 3. Растение находилось в помещении с пониженными температурой и освещением.
Совместные условия: освещение и температура дали следующие результаты (приложение 3, приложение 4).
Для наблюдений за скоростью роста растений обычно используют особые приборы – ауксанометры. Простейший ауксанометр представляет собой крепкую соломинку, закреплённую на вертикально ориентированной доске. Булавка служит осью, вокруг которой она поворачивается. Длинный конец соломинки движется вдоль шкалы, начерченной на бумаге, а короткий закрепляется на верхушке быстрорастущего растения при помощи мягкой нитки. Если в комнате достаточно тепло и почва хорошо увлажнена, то через некоторое время можно увидеть, что соломинка передвигается вдоль шкалы, а это указывает на наличие роста.
Рост многолетних растений продолжается в течение десятков и даже сотен лет, так как у старых древесных пород сохраняются эмбриональные ткани: первичная – меристема и вторичная – камбий.
Весной происходит буйный рост зелёных растений. Уже в начале лета рост обычно прекращается.
Но вот наступает осень. Растения начинают готовиться к зиме.
Температура осенью может колебаться в отдельные годы, т.е. это один из постоянных признаков, который и сигнализирует растению о том, что пришла пора готовиться к зиме. Таким признаком, повторяющимся с математической точностью ежегодно, является сокращение длины дня. Уменьшение длины дня и сигнализирует о наступлении осени. Белая акация в первый год жизни почти всегда вымерзает. Если растениям белой акации сократить длину дня, т.е. прикрывать их во второй половине дня темными покрышками, а утром открывать, то они начинают подготавливаться к зиме. Такие растения раньше впадают в состояния покоя. В состоянии покоя в растении прекращены процессы роста и сильно замедляет интенсивность физиологических процессов.
Таким образом, наблюдения показывают, что рост растений протекает неравномерно. Наблюдается определенный ритм в росте и развитии растений, который в нашем климате тесно связан с чередованием времен года.
Заключение
Роль растений в биосфере Земли огромна, благодаря их возможности осуществлять фотосинтез. Именно этот процесс сделал возможной жизнь на Земле. Подтверждением этому может служить высказывание физиолога С.П. Костычёва: «Стоит зелёному листу прекратить работу на несколько лет, и всё живое население земного шара, и в том числе человечество, погибнет».
В процессе исторического развития между человеком и окружающей его естественной средой произошёл конфликт. Старый «договор», гармонично связывающий первобытного человека с местом его обитания – природой, был расторгнут одной из сторон – человеком, как только он почувствовал себя достаточно сильным, чтобы не считаться с законами природы, а признавать лишь законы, созданные им самим.
Эту позицию следует полностью пересмотреть и подписать новый «договор» с природой, дающий человеку возможность жить с ней в полном согласии и гармонии.
Рассмотрено влияние освещенности и температуры на рост и развитие растения, живые организмы способны чутко реагировать на внешние воздействия, но необходимо и проанализировать влияние на рост и развитие растения других физических параметров: ультразвука, электрического поля, питания растения, почвы и других факторов.
Список литературы
1. Хорбенко И. Г. Звук. Ультразвук. Инфразвук. – М.: Знание, 1996.
2. Бецкий О. В., Кислов В. В. Волны и клетки. – М.: Знание, 1990. – (Серия физика).
3. Афанасьева Л. П. и др. Растения и окружающая среда. – М.: Валент, 1998.
4. Генкель П. А. Физиология растений. – М.: Просвещение, 1998.
5. Турманина В. И. Растения рассказывают. – М.: Мысль, 2000.
6. Чернова Н. М. Экология. – М.: Просвещение, 2001.