XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Растения-экстремалы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Паршикова А.И. 1

---

1ГБОУ СОШ №77 с углублённым изучением химии Петроградского района Санкт-Петербурга

Зимина Л.В. 1

---

1ГБОУ СОШ №77 с углублённым изучением химии Петроградского района Санкт-Петербурга

Работа в формате PDF

5.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность:

Растения-экстремалы играют важную роль в экосистемах, способствуя биоразнообразию и устойчивости природных сообществ. Понимание их механизмов адаптации помогает лучше сохранять и восстанавливать природные ландшафты.

Проект способствует повышению уровня знаний учащихся и широкой общественности о природе и ее уникальных явлениях, что важно для экологического воспитания и формирования ответственного отношения к окружающей среде.

Изучение растений-экстремалов помогает лучше понять механизмы выживания видов в условиях, которые ранее считались непригодными для жизни. Это способствует разработке стратегий по сохранению и восстановлению биоразнообразия.

Таким образом, проект “Растения-экстремалы: как они пробиваются через асфальт и камни” имеет высокую актуальность как с научной, так и с практической точки зрения, способствуя не только углублению знаний о природе, но и разработке новых технологий и методов для устойчивого развития и сохранения окружающей среды.

Исследование механизмов адаптации растений-экстремалов открывает новые горизонты для научных исследований в области ботаники, экологии и биотехнологии. Полученные данные могут быть использованы для разработки новых методов выращивания растений в экстремальных условиях.

Понимание процессов, которые позволяют растениям пробиваться через твердые поверхности, может привести к созданию новых материалов и технологий, например, для строительства или сельского хозяйства.

Гипотеза: Мы предполагаем, что растения-экстремалы способны пробиваться через асфальт и камни благодаря уникальному сочетанию механизмов, таких как отрицательный геотропизм, высокое тургорное давление, адаптация корневой системы, что позволяет им преодолевать твердые поверхности и выживать в экстремальных условиях.

Цель проекта: исследовать и изучить уникальные способности растений-экстремалов, которые способны пробиваться через асфальт и камни, и понять, какие механизмы и адаптации позволяют им это делать.

Задачи проекта:

1. Собрать информацию о растениях-экстремалах, которые способны пробиваться через асфальт и камни.

2. Изучить механизмы и адаптации, которые позволяют этим растениям преодолевать твердые поверхности.

3. Провести полевые исследования и наблюдения за растениями-экстремалами в их естественной среде обитания.

4. Создать гербарный материал растений-экстремалов.

Объект исследования: растения городских сообществ

Предмет исследования: механизмы адаптации к неблагоприятным условиям городской среды.

Методы

1. Анализ литературных источников

2. Наблюдение

3. Эксперимент

4. Сбор природного материала

5. Создание гербарных образцов растений

1. Обзор литературы

Для любого живого организма естественно желание выжить. Растения, в отличии от животных, не могут менять место жительства на более благоприятное, не могут применить силу для защиты от травоядных и вредителей. Потому их эволюционное развитие пошло по пути улучшения различных защитных механизмов - шипов, толстой коры, ядовитого сока и т.д. Шаг за шагом, растения приобретали удивительные способности и хитрые приспособления для выживания в условиях высоких температур, максимального солнечного излучения, абсолютного или относительного недостатка влаги. Природа кропотливо отбирала те особи, которые оказывались более жизнеспособными, чем огромное количество их менее удачливых собратьев. И что поразительно: различные направления эволюционного развития позволяют растениям одинаково успешно выживать как в засушливом и жарком климате, так и в холодном и сыром. [5]

Все живые существа нашли разные способы выжить. Например, кактус в пустыне научился сохранять влагу надолго, так как в пустыне очень сухо и дожди бывают редко. Другие растения способны переносить низкие температуры, которые не переносят теплолюбивые растения. Некоторые растения защищаются своим строением. Насколько мы знаем, крапива может "ужалить" нас своими листьями и стеблем, как только мы до них дотронемся. Такие растения как акация и шиповник имеют колючки, что защищает их от поедания животными.

Растения – это те организмы, которые поглощают солнечную энергию, превращая ее в полезные для себя вещества. Также они перерабатывают воздух, поглощая вредный углекислый газ и выделяя кислород. Это отдельный мир, окружающий нас, он живет и размножается по своим законам, но без него не существовали бы ни животные, ни люди.

Поэтому, можно с уверенностью сказать, что благодаря растениям существует вся земная экосистема. В общем, без растений жизни на Земле не существовало бы вовсе.

1. 1. Растения – экстремалы в городской среде

Растения – экстремалы могут выживать в достаточно сложных условиях (дефицит влаги, отсутствие почвы).

Для растений проникновение в самые урбанизированные части города — задача не из легких. Застройка здесь плотная, почти вся земля покрыта тротуарами или дорогами, да и убирают эти улицы часто. Чтобы выжить, семенам приходится цепляться за расщелины в плитах и трещины в камне: в таких нишах иногда скапливаются пыль и почва. Казалось бы, их там так мало, что и замечать не стоит, но цветам и траве оказывается достаточно этих крох.

Флора городского центра бедна, но постоянна: одуванчик, мятлик однолетний, сныть, купырь, будра плющевидная, глухая крапива. Это своего рода комплимент людям, следящим в городе за чистотой и сопротивляющимся сорнякам. Только самые неприхотливые растения, которые легко можно занести из пригорода, могут проникнуть сквозь «щит» коммунальных служб.

А вот мхи найти в городских условиях трудно — слишком уж они чувствительны к загрязнителям воздуха. Их нежные листы не защищены кутикулой и потому поглощают загрязнители всей поверхностью. Ученые-биологи как-то проводили эксперимент, пытаясь пересадить мхи из леса в загрязненные городские центры. Растения бурели и быстро погибали. Та же судьба постигает и лишайники, если они оказываются в загрязненных районах. Их отсутствие — дурной знак, поскольку сами по себе эти виды могут выживать на любых поверхностях от чугунных решеток до каменных оград.

И все же даже в загрязненном и с виду вычищенном от растений центре города могут жить растения, незаметные глазу. Налет водорослей и небольшие дернинки мхов могут пристраиваться в подземных переходах и тоннелях. Раньше, в особенно влажные годы, они поселялись в окнах троллейбусов. Наконец, пыльца и споры растений заодно с гифами грибов так или иначе всегда невидимо присутствуют в воздухе. Но иногда и их можно заметить: например, в период массового цветения сосны ее пыльца желтым порошком остается на поверхности луж. [3]

Проще всего увидеть эти растения весной, когда они начинают захватывать щели между домами и тротуаром. Откуда они здесь? Все просто: это травы, растущие у городских дорог, принесенные сюда автомобилями. Рядом с основанием домов можно заметить также всходы кленов, тополей или ив (рис.1).

Рис. 1. Всходы ивы и тополя в гранитной набережной

Здесь же, прорвавшись через толстый слой камня, живет целая группа растений, называемых «взломщиками асфальта». Они тоже попадают в город с окрестных дорог: одуванчики и подорожники, полевые пырей, осот, бодяк. Силы этих малышей хватает на то, чтобы от уложенного человеком асфальта отламывались куски.

Рис. 2. «Взломщики асфальта»

Происходит это из-за отрицательного геотропизма — механизма, который позволяет растениям тянуться вверх вопреки силе тяжести. Если семена, попавшие под дорогу или тротуар, находят хоть немного влаги, то они начинают всасывать ее сквозь мембраны. Возникающее в результате тургорное давление, то есть сила давления жидкости внутри растущих клеток и тканей, достигает очень больших значений. И в итоге крепкий камень оказывается неспособен устоять под напором нежного растения.

«Взломщиками» могут быть десятки разнообразных видов растений, но ими список не ограничивается — на такой подвиг способны и грибы (рис. 3). Их шляпки, оказывается, могут производить не меньшее давление. Самыми же злостными разрушителями бетона становятся всходы и корневая поросль деревьев, особенно тополей (рис. 1). Так что наши города могли бы легко обратиться в дикие заросли, если бы пешеходы не топтали молодые цветы и травы. [2]

Рис. 3. Грибы, прорывающиеся сквозь асфальт

1. 2. Способы прорастания семян

Существует два способа, которыми прорастают семена: надземный и подземный. Надземный – это когда семя находится на поверхности земли и пускает в нее свои корешки. Подземный – это когда семя, чтобы прорасти, должно быть погружено в почву, и из-под земли выходит уже проросток растения. И тем и тем способом растение может разрушить асфальт.

У разных семян есть разные приспособления для того, чтобы как можно цепче ухватиться за почву и как можно скорее прорасти в любых условиях. Например, семена ковыля и аистника буквально “вбуравливаются” в землю и там дают свои корешки. А ростки бобовых прорастают вверх согнутым концом, будто хотят удвоить свою силу, сложившись напополам. [5]

У обочин дорог у бордюра всегда много пыли – этой почвы хватает небольшим растениям для роста.

2. Практическая часть

   1. Эксперимент 1. Полевые наблюдения

Даты проведения наблюдений: май-август 2024 г.

Место проведения:

• г. Санкт – Петербург, Петроградский район (Петровский проспект, Ждановская набережная). Наблюдения проведены вдоль асфальтированных обочин городских дорог, гранитных набережных, внутридомовых территорий, покрытых брусчаткой.

• Ленинградская область, Выборгский район, Первомайское сельское поселение. Наблюдения проведены вдоль внутрипоселковых дорог, покрытых асфальтовой крошкой.

Мною были применены методы наблюдения, фотографирования, сбора природного материала, создания коллекции гербарных образцов.

Для определения растений использовался определитель растений для школьников под редакцией Б.К. Шишкина. [1] Была установлена видовая принадлежность гербарных образцов. Некоторые растения удалось определить только до рода или до семейства, так как у растений не было соцветий.

Фотографии растений в месте сбора, оформленный гербарий, дата и место сбора, классификация растений, замеры длин листа и корня приведены в Приложениях 1-12.

Были собраны и оформлены гербарии следующих растений:

Подорожник большой — Plantágo májor (Приложение 1);

Донник жёлтый — Melilotus officinalis (Приложение 2);

Клевер луговой — Trifolium pratense (Приложение 3);

Ярутка полевая — Thláspi arvénse (Приложение 4);

Мать-и-мачеха — Tussilágo fárfara (Приложение 5);

Горец птичий — Polygonum aviculare (Приложение 6);

Герань лесная — Geranium sylvaticum (Приложение 7);

Клевер ползучий — Trifolium repens (Приложение 8);

Род Бодяк — Cirsium (Приложение 9);

Семейство осоковые — Cyperáceae (Приложение 10);

Ромашка пахучая — Matricária discoídea (Приложение 11);

Тысячелистник обыкновенный — Achilléa millefólium (Приложение 12).

1. 2. Эксперимент 2. Какой вес может поднять росток?

Для определения возможностей растений преодолевать неблагоприятные условия среды, мы провели эксперимент. Прорастили семена гороха и поместили их в неблагоприятные, как нам казалось, условия и наблюдали за ростом.

Дата проведения: июнь 2024 г.

В несколько пластиковых стаканчиков были посажены в универсальный грунт предварительно замоченные семена гороха (рис. 4). Объект № 1 – это контрольный экземпляр. Объект №2 – грунт накрыт картонным кружком. Объекты №3 и №4 - грунт накрыт кружком, а сверху положены камни разных размеров.

Рис. 4. Объекты исследования

Эти же объекты через 6 дней (рис. 5) и 12 дней (рис.6). Можно видеть, что Объект №2 с легкостью приподнял картон. Объект №3 остался без изменений (погиб). Объект №4 сумел приподнять картон и в образовавшуюся щель прорасти. Тургорного давления в клетках прорастающего растения хватило, чтобы преодолеть, созданные нами препятствия.

Рис. 5. Объекты исследования через 6 дней.

Рис. 6. Объекты исследования через 12 дней.

1. 3. Эксперимент 3. Наблюдение геотропизма и тургорного давления

Геотропизм – это способность растения располагать свои органы, ориентируясь на земное притяжение. У главных побегов растений отрицательный геотропизм – они растут против силы притяжения.

Дата проведения: ноябрь 2024 г. – февраль 2025 г.

Горшок с геранью положили на бок так, чтобы стебель растения принял горизонтальное положение.

В течение двух месяцев наблюдаем, как стебель изменил направление роста, а у основания дал два молодых побега, которые растут вертикально вверх. Это свойство называется отрицательный геотропизм. Поливать в таком положении растение было сложно, поэтому оно испытывало дефицит волы, тургор снизился и листья находились в угнетенном состоянии.

3. Обсуждение результатов

Что же дает росткам и корням такую силу, что они могут изменять направление роста, пройти сквозь почву и другие препятствия? Давление жидкости внутри клеток.

Семя, попадая в благоприятную среду, в которой оно находит достаточно влаги, начинает набухать. Оно всасывает воду с огромной силой.

В результате в клетках проростка возникает давление, поддерживая их во “вздутом” состоянии. В ботанике это называют тургор (в переводе с латинского “вздутие”, “наполнение”). Именно благодаря тургору завядшее растение вскоре “оживает”, если его поставить в воду. Благодаря тургору растения могут быстро двигаться. Например, цепляться своими усиками за опору, как делает горох и другие лазающие растения. Это огромное давление и позволяет ростку преодолевать толщу земли, просто взламывая на пути все препятствия, корешкам пробиваться сквозь твердую землю и даже камни, а взрослому растению - менять направление роста.

4. Выводы

Опираясь на результаты проведенных нами исследований и изучение литературных источников, были сделаны следующие выводы:

1. В клетках проростков возникает огромное давление - тургор, которое и позволяет им преодолевать толщу земли, а если необходимо, то и разрушить асфальт.

2. Растения могут прорастать сквозь готовую трещину в асфальте, может также прорастать в небольшом количестве почвы на асфальте, а затем разрушать своими корнями асфальт. Нами обнаружено более десяти видов таких растений. Эти растения обычно являются выносливыми видами, способными переживать экстремальные условия городской среды, такие как загрязнение воздуха, недостаток почвы и воды.

3. У растений есть разные способы, которые помогают им преодолевать препятствия, в том числе способность изменять направление роста в зависимости от условий внешней среды.

4. Городская флора играет важную роль в улучшении городской среды. Они способствуют очищению воздуха, улучшению микроклимата и созданию более приятной городской атмосферы. Кроме того, они могут служить источником пищи и убежищем для городских животных, а также украшением для урбанистического ландшафта.

5. Растения, растущие сквозь постройки и асфальт, также могут создавать проблемы для городской инфраструктуры. Их корни могут вызывать повреждения дорожного покрытия или стен зданий, а также приводить к засорению водосточных систем. Поэтому важно проводить регулярное обследование и обслуживание городской инфраструктуры, чтобы предотвратить негативные последствия роста растений в необычных местах.

5. Список литературы

1. Шишкин Б.К. Иллюстрированный школьный определитель растений. Изд-во Министерства просвещения РСФСР.

2. Никита Ланской. Взломщики асфальта. Как нежной травинке удается разбивать камень. Информационный портал «Научная Россия»

3. Портал «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580

4. Википедия. Свободная энциклопедия (Электронный ресурс) https://ru.wikipedia.org/wiki/Википедия

5. Какая сила движет растениями преодолевать преграды? (Электронный ресурс) https://dzen.ru/a/YQWbuG5f6ngXwBUw

6. Справочник сорных растений (Электронный ресурс) UniversityAgro.ru

6. Приложения

Приложение 1

Подорожник большой — Plantágo májor

• Царство: Растения

• Класс: Двудольные

• Семейство: Подорожниковые

• Род: Подорожник

• Вид: Подорожник большой

Приложение 2

Донник жёлтый — Melilotus officinalis

• Царство: Растения

• Класс: Двудольные

• Семейство: Бобовые

• Род: Донник

• Вид: Донник жёлтый

Приложение 3

Клевер луговой — Trifolium pratense

• Царство: Растения

• Класс: Двудольные

• Семейство: Бобовые

• Род: Клевер

• Вид: Клевер луговой

Приложение 4

Ярутка полевая — Thláspi arvénse

• Царство: Растения

• Класс: Двудольные

• Семейство: Капустные

• Род: Ярутка

• Вид: Ярутка полевая

Приложение 5

Мать-и-мачеха — Tussilágo fárfara

• Царство: Растения

• Класс: Двудольные

• Семейство: Астровые

• Род: Мать-и-мачеха

• Вид: Мать-и-мачеха обыкновенная

Приложение 6

Горец птичий — Polygonum aviculare

• Царство: Растения

• Класс: Настоящие двудольные

• Семейство: Гречишные

• Род: Горец

• Вид: Горецптичий

Приложение 7

Герань лесная — Geranium sylvaticum

• Царство: Растения

• Класс: Настоящие двудольные

• Семейство: Гречишные

• Род: Горец

• Вид: Горецптичий

Приложение 8

Клевер ползучий — Trifolium repens

• Царство: Растения

• Класс: Двудольные

• Семейство: Бобовые

• Род: Клевер

• Вид: Клевер ползучий

Приложение 9

Род Бодяк — Cirsium

• Царство: Растения 

• Класс: Двудольные 

• Семейство: Астровые

• Род: Бодяк

Приложение 10

Семейство осоковые — Cyperáceae

• Царство: Растения

• Класс: Однодольные

• Семейство: Осоковые

Приложение 11

Ромашка пахучая — Matricária discoídea

• Царство: Растения

• Класс: Двудольные

• Семейство: Астровые

• Род: Ромашка

• Вид: Ромашкапахучая

Приложение 12

Тысячелистник обыкновенный — Achilléa millefólium

• Царство: Растения

• Класс: Двудольные

• Семейство: Астровые

• Род: Тысячелистник

• Вид: Тысячелистник обыкновенный