XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

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 жизнедеятельностьрастений 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 вводу, 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:

1. Как вы думаете, можно ли окрасить живые цветы?

2. Чем можно окрасить, воду, чтобы цветы поменяли цвет?

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 цветки гортензий, гвоздики и листья руколы. 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.

Можно заметить, что цветы, которые мы используем в эксперименте, лишены корней. Тем не менее растение не теряет возможность поглощать окрашенную воду. Это возможно благодаря процессу транспирации — испарению воды растением. Основным органом транспирации является лист.

В результате потери воды в ходе транспирации в клетках листьев возрастает сосущая сила. Транспирация спасает растение от перегрева.

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 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 5). 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.

Второй 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 6). Буквально в этот же вечер цветки гвоздики очень сильноокрасились: белый бутон стал ярко-жёлтым, а ярко-красный бордовым (см. Приложение 7). 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.

В третьем эксперименте мы взяли лист руколы, обработали кипятком и поместили в ёмкость со спиртом. Затем мы поместили ёмкость со спиртом и листом руколы в водяную баню на две минуты и плотно закрыли крышку (см. Приложение 8). После этого мы убрали ёмкость в тёмное место на пять часов. В результате спирт в ёмкости позеленел, лист руколы обесцветился (см. Приложение 9). Мы достали обесцвеченный лист руколы, промыли водой и поместили в слабый раствор йода. Сразу же лист приобрёл сине-фиолетовый цвет, что говорит о наличии крахмала внутри него (см. Приложение 10). Дело в том, что в зелёных клетках листовой пластинки находятся хлоропласты, в которых содержится хлорофилл и происходит фотосинтез. В процессе фотосинтеза на свету в листьях первоначально образуется сахар, который в результате химических процессов превращается в крахмал. Как известно, при реакции с йодом крахмал приобретает синий оттенок. Таким образом, мы доказали, что в листе руколы присутствует крахмал, как продукт фотосинтеза, впоследствии окрашивания обесцвеченного листа в сине-фиолетовый цвет.

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, а окрашивающее вещество, которое мы внедрили в дыхание растений (аммиак), также проникло в клетки цветов и сменило их окраску. Вдобавок к этому мы доказали наличие в листьях растений продукта фотосинтеза — крахмала.

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 наглядно продемонстрировали часть процессов питания и дыхания растений, как они это делают и какие важные вещества в них содержатся.

Источники

 

1. Основные потребности живых организмов (растений и животных) Источник:

https://natworld.info/nauki-o-prirode/osnovnye-potrebnosti-zhivyh-organizm ov-rastenij-i-zhivotnyh. — Текст : электронный // Природа Мира : [сайт].— URL:https://natworld.info/nauki-o-prirode/osnovnye-potrebnosti-zhivyh-organizm ov-rastenij-i-zhivotnyh (дата обращения: 01.10.2022).

2. Фотосинтез кратко и понятно. — Текст : электронный // Науколандия : [сайт]. — URL: https://scienceland.info/biology10/simple-photosynthesis (дата обращения: 30.10.2022).

3. Флоэма и ксилема. — Текст : электронный // UNIFERX : [сайт]. — URL: http://uniferx.com/ru/publikazii/floema-i-ksilema (дата обращения: 01.10.2022).

4. Дыхание растений. — Текст : электронный // ЯКласс : [сайт]. — URL: https://www.yaklass.ru/p/okruzhayushchij-mir/3-klass/priroda-vokrug-nas-3 24086/pitanie-rastenii-329403/re-3f45e8e5-4f75-4798-ae67-e170d504a906 (дата обращения: 01.10.2022).

5. Питание растений. — Текст : электронный // ЯКласс : [сайт]. — URL: https://www.yaklass.ru/p/okruzhayushchij-mir/3-klass/priroda-vokrug-nas-3 24086/pitanie-rastenii-329403/re-d04f6bd3-32c8-4337-9284-784a863a45a1 (дата обращения: 01.10.2022).

6. Минеральное питание растений. — Текст : электронный // Науколандия

: [сайт]. — URL: https://scienceland.info/biology6/mineral-nutrition (дата обращения: 01.10.2022).

7. 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).

Флоэма и ксилема

Приложение 1

Приложение 2

Дыхание растений

 

 

Приложение 3

Движение питательных веществ из почвы вверх

Приложение 4

Срезанные под углом живые цветы

Приложение 5 Изменение цвета пяти цветков гортензии за сутки

Бутоны гвоздики, помещённые в аммиак под колпак

Приложение 7 Изменение цвета бутонов гвоздики под воздействием аммиакаП

Приложение 8 Нагрев ёмкости со спиртом и листом руколы на водяной бане

Приложение 9 Спустя пять часов спирт позеленел, лист обесцветилсяП

Приложение 10 В растворе йода лист потемнел и окрасился в сине-фиолетовый цвет