XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Питание и дыхание растений
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Флора — удивительная часть природы. На нашей планете гораздо больше растений, чем животных, и они играют огромную роль в нашей жизни. Благодаря растениям на Земле есть плодородная почва, полезные ископаемые, кислород и многое другое. Человек любит растения и за их красоту, например, всегда приятно прогуляться в парке в лесу, по саду. У меня дома и в огороде летом я часто любуюсь красочными цветами и недавно задумалась: если растения — живые организмы, как именно они живут? Общеизвестно, что всем живым организмам нужны свет, тепло, но, если у человека есть потребности в еде, воде, дыхании, есть ли они у растений? Все мы понимаем, что растения продолжают жить, когда растут в хорошей почве и комфортных условиях, но как именно они поддерживают жизнь — это меня заинтересовало, и я решила провести исследование на эту тему. Она также очень актуальна в наши дни, потому что всё более острыми становятся глобальные экологические проблемы, из-за которых многие растения исчезают или испытывают вредное воздействие со стороны человека и его деятельности.
Таким образом, цель моего исследования звучит так: определить, как растения поддерживают свою жизнь и питаются. Задачи данного исследования:
Обозначить потребности питания растений.
Определить конкретные процессы питания растений.
Доказать, что определённые ранее способы питания растений работают и действительно важны для поддержания их жизни.
Для выполнения указанных задач и достижения цели я обращусь к таким методам исследования, как анализ литературы, опрос и эксперимент. Так, я найду необходимую информацию о строении и жизнедеятельности растений, а также определю, как именно запечатлеть конкретные процессы на практике.
Обзор теории
Очевидно, растения в сравнении с животными — медленно изменяющиеся и очень неподвижные живые организмы, из-за чего установить особенности поддержания жизни растений путём наблюдения не удастся. Поэтому я решила обратиться к теории и найти в интернете информацию о том, какие, согласно науке, существуют потребности у представителей флоры.
Самая очевидная и известная потребность растений — в свете, который необходим им для осуществления процесса фотосинтеза и играет ключевую роль в питании [1]. Фотосинтез — это явление получения энергии из усваивания добываемых растением веществ под воздействием света. В клетках растений есть зелёное вещество — хлорофилл. Именно благодаря хлорофиллу свет позволяет осуществляться сложному химическому процессу фотосинтеза [2]. Однако данное явление возможно только при условии, если у растения есть необходимые для усвоения вещества. Что же это за вещества и как растение их добывает?
Оказывается, растениям для поддержания жизни нужно очень много веществ. Начнём с затронутого выше фотосинтеза. Для получения энергии, которая способствует росту и жизни растений, нужны вода и углекислый газ. Воду растения получают из почвы через корни. Однако растениям свойственно особенное строение для обеспечения движения воды по всему телу, в особенности снизу вверх, потому что у многих растений стеблей, листьев и цветов гораздо больше в верхней части, над корнем. Ткань корня растений осуществляет всасывание воды из земли, потом вода попадает в клетки корня и перемещается в ксилему. Ксилема — это внутренняя проводящая ткань растений, состоящая из множества сосудов, в которых благодаря физическому явлению давления происходит движение воды вверх и по всему телу в целом. Газ, в свою очередь, поглощается лишь частью тела растения, а именно зелёной частью, которая содержит ранее упомянутый хлорофилл. Обычно это листья. Вступая в химическую реакцию с водой и светом, углекислый газ преобразуется в питательные вещества для растения, из которых оно может извлечь энергию, чтобы продолжать жить и осуществлять различные процессы. В процессе фотосинтеза образуется и кислород, который так важен для всей жизни на Земле. Кстати, питательные вещества, полученные при фотосинтезе, также должны перемещаться по всему телу растения и добраться до всех органов. На срезе стебля любого растения в микроскопе можно рассмотреть различные скопления тканей и сосудов. Часть этих сосудов относится не к ранее упомянутой ксилеме, а к флоэме. Если ксилема предназначена для транспорта воды от корней к листьям, то флоэма — это соседствующая проводящая ткань, которая нужна для проведения питательных веществ от зелёных частей растения к остальным (см. Приложение 1) [3].
Растения, как и многие другие живые организмы, дышат. Для этого им также нужен кислород, а углекислый газ растения также выдыхают. Кислород нужен абсолютно всем органам растений и поглощается всем телом. Даже корни извлекают частицы кислорода из почвы, осуществляя дыхание (см. Приложение 2). Но зачем кислород нужен растениям? Благодаря кислороду происходит процесс расщепления полученных фотосинтезом питательных веществ в энергию. Выходит, что для выработки кислорода, то есть фотосинтеза, растениям нужен кислород, то есть нужно дышать — как так получается? Всё просто: для дыхания растениям нужно гораздо меньше кислорода, и при фотосинтезе его вырабатывается гораздо больше, из-за чего общий объём кислорода на нашей планете благодаря флоре только растёт [4].
А как же растения питаются? Свет, воздух и воду они получают, а получают ли они питательные вещества? Оказывается, основными питательными веществами растений служат те, которые упоминались ранее и вырабатываются при фотосинтезе после усвоения углекислого газа и воды [5]. Однако питанию и здоровью растения могут здорово помочь минеральные вещества и удобрения в почве. Они делают жизнедеятельность растений более комфортной и дополняют те питательные вещества, которые растения образуют сами при фотосинтезе. Именно поэтому люди удобряют растения, а на плодородных почвах с большим количеством разнообразных веществ флора живёт лучше. Минеральные вещества попадают в листья растений, растворяясь в воде и двигаясь по ксилеме вместе с ней (см. Приложение 3) [6].
Из проанализированной информации следует, что растения испытывают потребность в свете, углекислом газе, кислороде, воде, а также минеральных веществах. У растений есть и другие потребности, связанные с более сложными физическими явлениями и характеристиками. Однако указанные потребности играют ключевую роль именно в питании. Часть из них можно изучить на практике, проведя кратковременный эксперимент дома, а именно потребности в воде, кислороде и углекислом газе.
Практика
Согласно прочтённой литературе, процессы питания и дыхания у растений беспрерывные, и их можно отследить в настоящем времени. Я вывела гипотезу, которая позволит доказать, что данные процессы протекают беспрерывно. Практически все вещества, которые поглощают растения, бесцветны: вода, соли, даже воздухом растения дышат самым обыкновенным. А что, если вмешаться в питание растений и добавить окрашивающие вещества, например красители?
Гипотеза: если включить в процессы дыхания и питания окрашивающие вещества, растения окрасятся.
Таким образом, так как питание происходит благодаря всасыванию нижней частью растения воды с минеральными веществами, мы окрасим эту самую воду. Дыхание же происходит благодаря поглощению кислорода из воздуха и почвы, поэтому мы добавим окрашивающее вещество как в воздух, так и в воду, в которой стоит растение. Сформулированная гипотеза предполагает, что вследствие этих манипуляций произойдёт окрашивание растений.
Я провела опрос среди одноклассников, спросив у них, считают ли они возможным искусственное окрашивание растений. Опрос включал в себя следующие вопросы:
Как вы думаете, можно ли окрасить живые цветы?
Чем можно окрасить, воду, чтобы цветы поменяли цвет?
Вы пробовали окрашивать цветы?
Через какое время цветок начинает окрашиваться?
Большинство моих товарищей даже не задумывалось об этом и не может предположить, как можно сделать так, чтобы цветы сами окрасились после каких-то действий человека. Лишь один опрашиваемый одноклассник предположил, что такой процесс может осуществиться с помощью пищевых красителей и их контакта с растениями. Таким образом, об описанном в гипотезе процессе окрашивания растений мало кто задумывается, значит, мало кто представляет, как это можно сделать. Однако сама идея очень любопытна и обещает быть как минимум интересной визуально в случае успеха, поэтому практическое доказательство гипотезы в несколько раз интереснее.
Гипотеза будет проверяться при помощи трёх экспериментов. Для проведения экспериментов нам понадобятся различные растения, которые мы будем окрашивать, в качестве экземпляров мы выбрали гортензию, стебель сельдерея и два цветка гвоздики. Все экземпляры свежесрезанные, поэтому все эксперименты пройдут с живыми растениями. Чтобы эксперименты проходили максимально успешно и оперативно, у цветов мы надрежем стебель под углом (см. Приложение 4). В таком виде мы увеличиваем площадь среза стебля, и он поглощает больше воды, которая затем быстрее доставляет вверх. В качестве окрашивающих веществ мы выбрали пищевые красители, а также аммиак. Аммиак, как оказывается, распространяясь по воздуху, способен вступать в активную химическую реакцию с красящими веществами живых организмов и изменять их цвет. Однако описанный процесс произойдёт только если аммиак попадёт внутрь растения.
В первом эксперименте мы поместили стебель сельдерея в стакан с водой, окрашенной в сине-чёрный цвет. Этот эксперимент преследует цель продемонстрировать окрашивание всего тела растения и, тем самым, доказать, что определённые нами ранее процессы питания в растениях действительно проходят. Спустя сутки мы вернулись к сельдерею и даже удивились, что и так бывшие тёмно-зелёными листья, стебель сельдерея стали ещё темнее (см. Приложение 5). Это означает, что сельдерей действительно всё время эксперимента всасывал окрашенную воду и распространил её по всем тканям. Мы также разрезали стебель сельдерея и смогли наблюдать любопытную картину на срезе: заметны отдельные тёмные сосуды, по которым протекала окрашенная вода (см. Приложение 6). Эти сосуды и относятся к проводящим тканям, о которых мы говорили ранее, ксилеме и флоэме. В первую очередь тёмная вода перемещалась исключительно по ксилеме, из стакана в верхние части сельдерея. После этого в тёмный окрасились и сосуды флоэмы, потому что питательные вещества по ним стали распространяться, будучи растворёнными в тёмной воде. Таким образом, мы подтвердили и увидели вживую особенности внутреннего строения растения, которые и позволяют ему питаться, получать воду и минеральные вещества.
Во втором эксперименте мы взяли пять цветков белой гортензии и положили их по одному в стаканы с окрашенной водой. Этот эксперимент был призван подтвердить, что благодаря движению окрашенной воды по всему растению могут окраситься и белые лепестки цветка. Мы обрезали под углом стебли гортензий и положили их в пять стаканов с водой пяти цветов. Комнатные цветы могут ограниченное время оставаться живыми, когда их нижняя часть стебля полностью находится в воде, всасывает её и перемещает вверх по всему телу. Таким образом, мы проверим, что произойдёт с белой гортензией, в питание которой мы включили окрашенную воду. Спустя сутки мы получили очень привлекательный и закономерный результат (см. Приложение 7). Все лепестки гортензий были ярко окрашены в цвет пищевого красителя, который был растворён в воде, где стояли цветки. Какие-то красители распространились лучше, какие-то — хуже. Но мы можем точно утверждать, что за прошедшие сутки поглощения окрашенной воды и её транспорта по всему телу цветков краситель смог придать определённый цвет практически всем лепесткам и по всей площади.
Третий эксперимент был призван продемонстрировать окрашивание растения после взаимодействия в воздухе. Мы поместили в маленький стакан с аммиаком два цветка гвоздики: белый и красный. Этот стакан мы расположили под колпаком, поскольку аммиак улетучивается, его пары могут разлететься по всему помещению и не провзаимодействовать с бутонами (см. Приложение 8). Буквально в этот же вечер цветки гвоздики очень сильно окрасились: белый бутон стал ярко-жёлтым, а ярко-красный бордовым (см. Приложение 9). Для сравнения мы сделали фото окрашенных бутонов с обыкновенными. В чём же причина такого быстрого и яркого окрашивания? Дело в том, что, помимо обыкновенного питания и перемещения аммиачной жидкости по ксилеме, цветки гвоздики осуществляли дыхание и поглощение из воздуха кислорода и углекислого газа. Вместе с этими газами в клетки бутонов стали попадать пары аммиака и вступать в активные химические реакции с красящими веществами цветков. Следовательно, процесс окрашивания прошёл так быстро и по всей поверхности бутонов. Пары аммиака окружали гвоздики со всех стороны и не нуждались в перемещении по стеблям, в то время как дыхание, как мы выяснили раньше, растение производит всей площадью тела.
Таким образом, гипотеза подтверждена, и благодаря различным химическим и физическим процессам, указанным в обзоре теории мы смогли создать условия, в которых цветы сами окрасились: окрашенная вода, которую мы внедрили в питание растений, окрасила цветы (причём как снаружи, так и внутри), а окрашивающее вещество, которое мы внедрили в дыхание растений (аммиак), также проникло в клетки цветов и сменило их окраску.
Заключение
В результате исследования я глубоко погрузилась в то, какие потребности есть у растений, как они поддерживают свою жизнь, определила, как они питаются и дышат. Главным образом, растения дышат кислородом через всё тело, поглощают углекислый газ через зелёные части, например листья, всасывают и поглощают воду вместе с растворёнными в ней минеральными веществами. У растений также есть и другие потребности и особенности существования, но упомянутые процессы также являются ключевым, а также беспрерывны и постоянно зависит от характеристик окружающей среды, потому что любое вредное вмешательство в питание или дыхание растений может повлиять на их внешний вид и состояние. Посредством трёх экспериментов мы доказали, что окрасить цветы очень просто и что вмешаться в процессы питания и дыхания растений совсем не сложно.
Источники
Основные потребности живых организмов (растений и животных) Источник: https://natworld.info/nauki-o-prirode/osnovnye-potrebnosti-zhivyh-organizmov-rastenij-i-zhivotnyh. — Текст : электронный // Природа Мира : [сайт]. — URL: https://natworld.info/nauki-o-prirode/osnovnye-potrebnosti-zhivyh-organizmov-rastenij-i-zhivotnyh (дата обращения: 01.10.2022).
Фотосинтез кратко и понятно. — Текст : электронный // Науколандия : [сайт]. — URL: https://scienceland.info/biology10/simple-photosynthesis (дата обращения: 30.10.2022).
Флоэма и ксилема. — Текст : электронный // UNIFERX : [сайт]. — URL: http://uniferx.com/ru/publikazii/floema-i-ksilema (дата обращения: 01.10.2022).
Дыхание растений. — Текст : электронный // ЯКласс : [сайт]. — URL:
https://www.yaklass.ru/p/okruzhayushchij-mir/3-klass/priroda-vokrug-nas-324086/pitanie-rastenii-329403/re-3f45e8e5-4f75-4798-ae67-e170d504a906 (дата обращения: 01.10.2022).
Питание растений. — Текст : электронный // ЯКласс : [сайт]. — URL: https://www.yaklass.ru/p/okruzhayushchij-mir/3-klass/priroda-vokrug-nas-324086/pitanie-rastenii-329403/re-d04f6bd3-32c8-4337-9284-784a863a45a1 (дата обращения: 01.10.2022).
Минеральное питание растений. — Текст : электронный // Науколандия : [сайт]. — URL: https://scienceland.info/biology6/mineral-nutrition (дата обращения: 01.10.2022).
Цветы меняют свой цвет — эксперимент с аммиаком. — Текст : электронный // Простая наука : [сайт]. — URL: https://simplescience.ru/product/flowers_change_color (дата обращения: 01.10.2022).
Приложения
Приложение 1
Флоэма и ксилема
Приложение 2
Дыхание растений
Приложение 3
Движение питательных веществ из почвы вверх
Приложение 4
Срезанные под углом живые цветы
Приложение 5
Изменение цвета стебля и листьев сельдерея за сутки
Приложение 6
Окрашенные сосуды в стебле сельдерея
Приложение 7
Изменение цвета пяти цветков гортензии за сутки
Приложение 8
Бутоны гвоздики, помещённые в аммиак под колпак
Приложение 9
Изменение цвета бутонов гвоздики под воздействием аммиака