XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Медленные движения растений

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Углова А.Т. 1

---

1ООА (НП) «Филипповская школа»

Попова А.С. 1

---

1ИП Попова Анастасия Сергеевна

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Всё живое делится на четыре царства: животные, растения, грибы и бактерии. Растения отличаются от других живых организмов тем, что растут всю жизнь, питаются при помощи фотосинтеза и не умеют активно двигаться [1]. Однако мы знаем, что к некоторым видам движений растения всё-таки способны. Например, венерина мухоловка хватает насекомых, некоторые цветы утром открываются, а вечером закрываются, стыдливая мимоза складывает листья при прикосновении. В отличие от животных, движения которых управляются нервной системой, растения ею не обладают. В данном исследовании мы выявим механизмы управления движениями растений.

Основная часть

1. Цель и задачи исследования 

Целью исследования является изучение движений растений.

Для этого планируется решить следующие задачи: изучить литературу по теме исследования, составить классификацию видов движения растений; выдвинуть гипотезу о причинах, вызывающих движение растений; провести эксперименты с целью проверки выдвинутой гипотезы; проанализировать результаты экспериментов и сделать выводы;равнить полученные результаты с результатами других исследований.

2. Литературныйобзор

Движения растений часто связаны с ростом. Выделяют два типа ростовых движений: тропизмы и настии. Тропизм — это движение части растения или другого прикрепленного организма, вызванное и направляемое каким-либо внешним фактором: светом, химическими веществами, силой тяжести. Тропизмы бывают отрицательными (движение от раздражителя) и положительными (к раздражителю). Настии — это движения, связанные с воздействием внешних условий на растения, например, лён раскрывает цветы на рассвете и закрывает на закате. В отличие от тропизмов настии характеризует более быстрое движение, вызываемое ненаправленным раздражителем.

Для некоторых организмов возможен еще один вид движения — таксис. Этим термином называют перемещение всего организма или клетки под воздействием внешнего сигнала, например, в случае, когда одноклеточная водоросль плывёт к свету. Таксисы свойственны организмам всех групп, кроме высших растений и грибов. В настоящем исследовании будут изучаться тропизмы.

Основоположником теории о тропизмах был Жак Лёб. Он объединил разрозненные наблюдения о медленных движениях растений и систематизировал их. Наиболее удобным для изучения является фототропизм, исследованием которого мы и займёмся на примере ростков овса, точнее — их колеоптилей (рис. 2.1). Колеоптиль – это верхняя защитная ткань злаков, которая пробивается сквозь землю и защищает первый лист. Колеоптиль обладает положительным фототропизмом и отрицательным геотропизмом.

Рис. 2.1: Проросток овса: 1 — первый лист, 2 — колеоптиль, 3 — семя, 4

— корни.

Фототропизм. С давних времён люди заметили, что все растения поворачиваются к источнику света, который с точки зрения цепочки «сигнал – рецептор – передача – эффектор – ответ» является сигналом. Ответом будет поворот стебля. Интерес представляет собой выяснение природы остальных звеньев цепочки: рецептора, передачи и эффектора.

Эксперименты Дарвина. Чарльз Дарвин (рис. 2.2, слева) предположил [2], что рецептором света является точка роста растения, а изгиб происходит ниже по стеблю. Таким образом, передача сигнала идёт от верхушки к середине стебля. Для проверки этой гипотезы он использовал проростки овса. В первом опыте (рис. 2.3, A) наблюдалось, что стебель отклоняется в сторону света, в то время как контрольный росток, освещаемый рассеянным светом, не отклонялся. Во втором опыте срезалась верхушка ростка, и такое растение практически не отклонялось (рис. 2.3, Б). Для проверки, что эффект оказывает именно источник света, был проведен ещё один эксперимент, в котором на верхушки ростков были надеты светонепроницаемые колпачки (рисунок 2.3, В). Отклонения стебля также не было обнаружено. В исследовании мы повторим опыты Дарвина и проверим его гипотезу.

Рис. 2.2: Слева направо: Чарльз Дарвин, Петер Бойсен-Йенсен, Фритс Вент.

Эксперименты Бойсена-Йенсена. Сигналы между частями растения передаются с помощью специальных веществ. Физиолог Ф. Вент (рис. 2.2, справа) предположил, что такое вещество, которое впоследствии получило название ауксин, распространяется с верхушки растения в область роста по затененной стороне растения. Оно вызывает ускоренный рост клеток на темной стороне и, таким образом, изгиб стебля к свету. Эту гипотезу можно проверить с помощью опыта, впервые проведенного П. Бойсен-Йенсеном (рис. 2.2, посередине). Тонкой пластинкой слюды было перекрыто движение соков по теневой (Б) и освещенной (В) сторонам стебля овса. Схема опыта приведена на рис. 2.4. При перекрытии затененной стороны растение демонстрировало меньший фототропизм. Эти эксперименты будут проведены во время исследования.

Эксперименты Вента. Вент доказал существование химического вещества, которое вызывает рост растения. Он предположил, что это вещество появляется в верхушке колеоптиля и спускается вниз по стеблю, доказав это экспериментом. Учёный срезал верхушку колеоптиля и на несколько часов помещал его на агаровый блок, затем этот агаровый блок переносил на колеоптиль с только что срезанной верхушкой. Для контрольной группы Вент использовал агаровый блок без предварительной обработки. В результате колеоптили с обработанным агаровым блоком (с ауксинами) выросли значительно сильнее, чем контроль (рис. 2.5).

Другой эксперимент Вента продемонстрировал, что степень изгиба колеоптилей овса пропорциональна концентрации ростового вещества (рис. 2.6). В контрольном опыте на два одинаковых агаровых блока ставили верхушку колеоптиля и оставляли в полной темноте или при равномерном освещении. Затем агаровые блоки переносили на колеоптели со срезанной верхушкой. Величина изгиба колеоптилей оказалась одинаковой. При одностороннем освещении ростовое вещество в блоках распределилось не одинаково, что привело к большему изгибу колеоптиля с агаровым блоком, находившимся дальше от света.

Позднее ростовое вещество было выделено, им оказалась индол-3-уксусная кислота (ИУК). Выяснилось, что ИУК воздействует на рост растений: причём в малых концентрациях стимулирует их рост, а в больших количествах угнетает его. Это утверждение также будет проверено экспериментально.

3. Эксперимент

В исследовании мы проверяем следующую гипотезу: в верхушке растения находится рецептор, чувствительный к свету. С помощью химических веществ (ауксинов) передача сигнала происходит вниз по стеблю, вызывая рост клеток и движение растения от или к источнику света.

Для проверки этих положений в исследовании было проведено три ряда экспериментов.

Эксперименты, демонстрирующие наличие рецептора света в верхушке растения. Наличие рецептора света в верхней части ростка наглядно демонстрирует эксперимент Чарльза Дарвина и его сына Френсиса. Мы провели подобный опыт. В эксперименте были использованы следующие оборудование и материалы: семена овса, 10 пробирок в штативе, ватные диски, алюминиевая фольга, коробка, оклеенная изнутри черной бумагой, источник света (лампа), пинцет. Семена овса были помещены в увлажненные ватные диски (рис. 3.1) и проращивались двое суток в темноте при температуре 22 ◦С.

Проростки были разделены случайным образом на четыре группы по две пробирки. У первой были срезаны верхушки колеоптилей. На верхушки второй группы были надеты колпачки из алюминиевой фольги («шапочки»). Середины колеоптилей третьей группы были закрыты от света трубочками из алюминиевой фольги («шарфиками»). Четвертая группа была оставлена для контроля (рис. 3.2).

Подготовленные пробирки с проростками поместили в коробку, оклеенную изнутри черной бумагой. Коробка была оклеена, чтобы избежать отражения света от стенок.

Пробирки освещались направленным светом от настольной лампы (рис. 3.3). С освещаемой стороны на пробирки были нанесены метки.

Рис. 3.3: Слева направо: срезание верхушек колеоптилей; колеоптили в «шапочках»; в «шарфиках»; освещение пробирок в коробке.

Через двое суток пробирки сфотографировали. На фотографиях пробирки ориентированы меткой влево. В группе со срезанными верхушками колеоптилей отклонение ростка не наблюдается (рис. 3.4, слева). Показательно, что случайно проросший в одной из пробирок группы росток, который не был обрезан, сильно отклонился к свету. Колеоптили в «шарфиках» заметно вытянулись и наклонились к свету (рис. 3.4, справа).

Рис. 3.4: Слева: пробирки со срезанной верхушкой колеоптиля; справа: колеоптили в «шарфиках».

Колеоптили в «шапочках» незначительно отклонились к свету, что может объясняться слишком тяжелой «шапочкой» или ее неплотным прилеганием (рис. 3.5, слева). В контрольной группе (рис. 3.5, справа) проростки заметно отклонились к свету.

Рис. 3.5: Слева: колеоптили в «шапочках»; справа: контрольная группа.

Для уточнения данных опыт с «шапочками» был проведен по методу Дарвина. Все растения были накрыты «шапочками». Часть колеоптилей освещалась направленным светом. Контрольная группа находилась в полной темноте (рис. 3.6). В обеих группах ростки не продемонстрировали фототропизма.

Рис. 3.6: Слева: колеоптили в «шапочках» освещались направленным светом; справа: выдерживались в темноте.

Проведенный опыт наглядно показывает, что у овса рецептор света находится в верхней части колеоптиля.

Эксперименты, демонстрирующие передачу сигнала по темновой стороне стебля. Для проверки того, что сигнал передаётся темновой стороне, был проведён эксперимент, в котором колеоптиль повреждался с одной стороны. В точности повторить опыт Бойсена-Йенсена не удалось: подрезанные колеоптили к следующему дню ломались и засыхали. Поэтому было принято решение не подрезать, а прижигать колеоптиль с одной стороны.

В эксперименте были использованы следующие оборудование и материалы: семена овса, пробирки в штативе, ватные диски, спиртовка, мебельный гвоздь, коробка, оклеенная изнутри черной бумагой, источник света (лампа), пинцет.

Колеоптили повреждались с одной стороны с помощью гвоздя, нагретого на спиртовке (рис. 3.7). Подготовленные пробирки с проростками были разделены на три группы: часть освещалась с неповрежденной стороны колеоптиля, другая — с поврежденной стороны, третья, контрольная, группа была оставлена в темноте. Через сутки оказалось, что колеоптили с повреждениями на темновой стороне не продемонстрировали заметного фототропизма. Колеоптили с повреждениями на освещенной стороне значительно отклонились к свету. Колеоптили контрольной группы также не отклонились от вертикали (рис. 3.8). Проведённый эксперимент наглядно показывает, что у овса передача сигнала идёт по темновой стороне колеоптиля.

Рис. 3.8: Слева вверху: повреждена затенённая сторона колеоптиля; справа вверху: повреждена освещенная сторона колеоптиля; внизу: контрольная группа.

Эксперимент, доказывающий, что рост растения регулируется ауксинами. Ауксины способны значительно влиять на скорость роста растения. Чтобы проверить эту гипотезу был проведён эксперимент на колеоптилях овса с индол-3-уксусной кислотой (ИУК) в разных концентрациях.

Для исследования были отобраны 100 зёрен овса, которые проращивались в тёмном месте 5 суток при температуре 22 ◦C. Ростки по разной длины. В эксперименте использовались зёрна с колеоптилями от 1,5 до 3 см длиной. Часть зёрен (не проросшие или с колеоптилями менее 1 см) были отбракованы.

Для опыта использовалась ИУК заводского производства, а также потребовалось следующее оборудование (рис. 3.9): 6 пробирок в штативе, 6 чашек Петри с крышками, мерный цилиндр, 5 пипеток на 5 мл, резак для колеоптилей, рычажные весы с разновесом, колба, ёмкость для водяной бани, штангенциркуль, кисточка, стеклянная палочка для размешивания.

Был приготовлен маточный раствор ИУК (1 г/л). Для этого уравновесили рычажные весы, отмерили 100 мг ИУК и растворили в 20 мл 40% раствора этилового спирта. В получившийся раствор добавили воду так, что объём составил 100 мл. Раствор нагрели на водяной бане до 80 ◦C.

Приготовили питательную среду для колеоптилей (2% раствор сахарозы). С помощью рычажных весов отмерили 4 г сахара (рис. 3.10, слева), в мерном цилиндре растворили сахар в 200 мл теплой воды. Промаркировали 6 чашек Петри и 6 пробирок буквами латинского алфавита: от A до F.

В каждую пробирку добавили по 9 мл раствора сахарозы. В пробирку F добавили 1 мл дистиллированной воды. В пробирку A — 1 мл маточного раствора ИУК, перемешали. Из пробирки A взяли 1 мл раствора и поместили в пробирку B, хорошо перемешали. Затем взяли

1 мл раствора из пробирки B и поместили в пробирку C, перемешали. Из пробирки C взяли 1 мл раствора и поместили в пробирку D, также хорошо перемешав.

Из пробирки D перелили 1 мл раствора в пробирку E (рис. 3.10, справа). Чтобы избежать загрязнения и добиться точной концентрации ИУК, каждый раз использовали новую мерную пипетку.

С помощью резака для колеоптилей из 60 проростков вырезали по фрагменту длиной в 1 см (рис. 3.11, слева). Причём верхняя часть колеоптиля не менее 3 мм была срезана, т.к. она сама способна выделять ауксин.

В каждую чашку Петри положили по 10 фрагментов колеоптилей. Добавили раствор из пробирки с соответствующей маркировкой: в чашку Петри с маркировкой А добавили раствор из пробирки А, в чашку Петри В — из пробирки В и т.д. (рис. 3.11, справа). Все чашки Петри закрыли крышками и поставили на 3 суток в тёмное место при температуре 22◦C.

Через три дня достали чашки Петри. Во всех чашках Петри появилась плесень, особенно много в чашках A и B (рис. 3.12, слева). Возможно, это связано с более высокой концентрацией ИУК в этих чашках. Но плесень не помешала росту колеоптилей, и эксперимент был продолжен. С помощью штангенциркуля замерили колеоптили во всех чашках Петри (рис. 3.13).

Данные собрали в таблицу. Отбросили наибольший и наименьший показатели по каждой чашке Петри во избежание случайной ошибки. Результаты приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1: Результаты измерения длины колеоптилей в различных чашках Петри.

Проведенный третий опыт подтвердил предположение, что большАя концентрация (100 мг/л) ИУК произвела угнетающий эффект на рост колеоптилей, то есть воздействовала как гербицид. Наибольший рост показали колеоптили в чашке Петри C, где концентрация ИУК составила 1 мг/л.

Заключение

1. Выводы

Мы изучили регуляцию растений на примере фототропизма колеоптилей овса. В цепочке «сигнал — рецептор — передача — эффектор — ответ» мы выявили все ключевые элементы: сигналом является свет, падающий на растение; рецептор располагается в верхней части колеоптиля и при освещении светом выделяет ауксины; передача сигнала осуществляется по темновой стороне стебля; ауксины вызывают ускоренный рост клеток колеоптиля; ответом является отклонение колеоптиля в сторону источника света. Для этого мы провели эксперименты с колеоптилями овса, и полученные результаты совпадают с приведёнными в научной литературе.

Таким образом, мы продемонстрировали, что растения способны к гормональной регуляции движений, и выявили ее механизмы.

2. Рекомендации

При проведении опытов мы преодолели ряд технических трудностей. Ниже приведены наши рекомендации для тех, кто захочет повторить эксперименты. Чтобы свет от лампы не рассеивался, можно взять коробку и оклеить её изнутри чёрной бумагой. Можно не подрезать колеоптили, а прижигать их. В качестве источника света можно использовать настольную ламу. Так как колеоптили растут быстро, их лучше проверять каждый день.

Список используемой литературы и электронных ресурсов

1. Соловьёв Р. Б. Окружающий мир. 1 класс. Урок 18. Знакомство с растениями. URL: http://okrmir.cpm77.ru/#goToLesson118 (дата обращения: 01.10.2023).

2. Детская энциклопедия. Т. 4. Растения и животные. 3-е изд. М.: Педагогика, 1973.

3. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология. Т. 2. Гл. 16. Координация и регуляция у растений. М.: МИР, 2005.