ИЗУЧЕНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА И ПРОДУКТИВНОСТИ ФОТОСИНТЕЗА

IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА И ПРОДУКТИВНОСТИ ФОТОСИНТЕЗА

Быкова М.Е. 1
1
Игнатова А.А. 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 

I. Введение

Уже привычны в жизни нашей,

Неотделимы от души

Индустриальные пейзажи,

Высотных строек этажи

……………………………..

Все чаще мы вздыхаем тяжко,

Решая каверзный вопрос:

Как примирить бетон с ромашкой,

Звон стали с шелестом берез?

В. Шамшурин.

Согласно закону Российской Федерации «Об охране окружающей природной среды» зеленые зоны городов и населенных пунктов относятся к особо охраняемым природным территориям. Растительность на улицах городов, поселков рассматривается прежде всего с точки зрения улучшения среды жизни для человека в гигиеническом и эстетическом отношениях. Растения обогащают воздух кислородом, увлажняют и очищают его, способствуют снижению шума, влияют на микроклимат территорий.

Обычно растения в той или иной степени реагирует на изменения окружающей среды, но в ряде случаев это нельзя выявить физическими или химическими методами, так как разрешающие возможности приборов или химических анализов ограничены.

Источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а также серьёзных нарушений экологического равновесия в биосфере множество. Однако самыми значительными из них являются два: транспорт и индустрия.

В течении ряда лет в нашей школе ведутся исследования состояния древесных пород, в частности, березы бородавчатой (Betula pendula Roth) в различных местах поселка Октябрьский и на Новорязанском шоссе. Это одна из крупнейших магистралей, протяженностью 176 км, соединяющая города Москву и Рязань. Проблема автотранспортных загрязнений воздуха на сегодняшний день остаётся актуальной, так как городское поселение Октябрьский расположен вдоль этой магистрали.

Целью нашего исследования является изучение фотосинтетического аппарата листа березы бородавчатой, произрастающей в разных районах нашего городского поселения и выявление влияния среды обитания на состояние процесса фотосинтеза.

Задачи исследования:

- изучить продуктивность фотосинтеза на примере березы бородавчатой (Betula pendula Roth) в различных пунктах поселка Октябрьский,

- определить сравнительное количество хлорофилла в листьях березы бородавчатой (Betula pendula Roth) в исследуемых пунктах,

- изучить морфологические особенности листьев березы бородавчатой (Betula pendula Roth) в исследуемых пунктах.

Растения реагируют на условия жизни изменением процессов своей жизнедеятельности. Измеряя скорость роста растений, темпы сезонного развития, интенсивность цветения и плодоношения, фотосинтеза и дыхания, особенности морфологии (размеры и форму).

Данное исследование является актуальным, так как позволяет судить о степени благополучия окружающей среды для растений. Видовой состав флоры любого населенного пункта – также индикатор условий жизни.

II. Теоретическая часть.

1.1.Роль древесных растений в природе и жизни человека.

Лес имеет огромные санитарно-гигиеничесие и целебные свойства. Неоценимо и эстетическое значение лесов. Лес один из факторов поддержания равновесия химического состава атмосферы, особенно в балансе трёх веществ: кислорода, углерода и азота. Подсчитано, что 1 га леса в год способен поглотить 5-10 тонн углекислого газа и выделить 10-20 тонн кислорода. Леса называют «зелёными лёгкими» планеты.

Участие лесов в природном балансе азота так же очень велико. Как известно, листва, хвоя, куски коры и сучья, попадая в почву, с помощью бактерий постепенно превращаются в удобрения.

В процессе фотосинтеза многие древесные, кустарниковые и травянистые растения выделяют особые химические соединения, которые обладают большой активностью. Учёными определено 300 различных наименований химических веществ, содержащихся в воздухе природных лесов, различных ароматических соединений, эфирных масел и др.

Леса способны активно преобразовывать химические и атмосферные загрязнения, особенно газообразные, причём наибольшей окисляющей способностью обладают хвойные насаждения, а так же некоторые сорта лип, верб, берёз. Кроме того, лес обладает возможностью поглощать отдельные компоненты промышленных загрязнений.

Лесопарковый пояс в непосредственной близости от поселка Октябрьский является мощным резервом чистого воздуха для населения и защитой от неблагоприятных ветров, заноса загрязнений от автотранспорта исследуемой территорий.

Доказано, что гектар зеленых насаждений поглощает за один час около 8 л углекислого газа – столько же выделяют при дыхании за это время примерно двести человек. Дерево средней величины может обеспечить дыхание трем людям. Зеленые насаждения смягчают летнюю жару и сухость, защищают нас от палящего солнца, сильных ветров и от шума. Растения ионизируют воздух, выделяют биологические активные вещества – фитонциды. Работая как живой фильтр, городские растения поглощают пыль, токсичные газы из воздуха и тяжелые металлы из почвы.

Флора населенных пунктов складывается из разных экологических типов. В силу специфических условий значительное число растений, произрастающих вблизи крупных магистралей, относится к ксероморфному типу, то есть растения приспособлены к недостатку влаги. Растения галофитного типа живут в условиях повышенного засоления. Нитрофильные растения – азотолюбы; а растения-эврибионы выживают в любых условиях.

Все выше названые черты городской флоры свойственны растительному миру, который постоянно окружает человека и на котором отражается его деятельность. Комплекс видов, сложившихся в городах и поселках, называются синантропным. Черты синантропизации максимально выражены у растений центральной части городов, где складываются наиболее специфические городские условия. Здесь среднегодовая температура воздуха на несколько градусов выше, а относительная влажность на несколько процентов ниже, чем на окраинах. Непрозрачность атмосферы из-за запыленности и туманов здесь больше на 10% , а суммарное загрязнение в 12 раз выше, чем в пригородах.

Большую роль играют искусственные лесные насаждения в городах: сады, парки, скверы, посадки деревьев вдоль улиц. Чем больше листьев у дерева, тем оно полезней для людей – больше усваивает углекислого газа и задерживает пыли, уменьшает шум, выделяет кислород, увлажняет атмосферу, очищает её от болезнетворных микроорганизмов выделением биологически активных веществ. Поэтому стрижка деревьев для придания им более красивой формы не целесообразна. Чем выше дерево и шире крона, тем лучше.

Наконец, растения просто красивы и доставляют людям эстетическое удовольствие, улучшают настроение, способствуют созданию психологически комфортной среды. Зеленый цвет оказывает самое благоприятное воздействие на психическое состояние человека. Без зелени однообразные стены высоких домов превращаются в «поля агрессивности», повышающих раздражительность человека.

2.Лист.

Важнейшим органом высшего зеленого растения является лист – орган фотосинтеза, газообмена и транспирации. Помимо этих трех его основных функций, лист может служить хранилищем запасных питательных веществ, органом вегетативного размножения, движения и т.п. ни один орган растения не является столь изменчивым, столь пластичным в эволюционном отношении, как зеленый лист.

Лист первоначально растет путем деления клеток меристемы на периферии зачатка листа, а в дальнейшем – путем деления клетки всей пластинки листа. Вскоре после появления зачаток листа дифференцируется на пластинку, черешок и нередко трилистники. Их верхней части зачаточного листа развивается листовая пластина и черешок, а из нижней части - влагалище листа и разрастающиеся основание черешка у места прикрепления к стеблевому узлу. Черешок обычно развивается после образования пластинки из-за вставочного роста. Утолщение черешка происходит благодаря делению клеток его основной ткани. У листьев вставочный рост локализуется в основании листа. Черешок листа служит органом ориентировки листа по отношению к солнцу, а также имеет механическое значение для ослабления ударов по листовые пластинки от дождя, града, ветра.

2.1. Анатомическое строение листа.

Лист образуется из первичного бугорка конуса нарастания стебля. Толща листа состоит главным образом из основной ткани (мезофилла), кроме того из проводящей и механической тканей, представленных в жилках листа. Механические ткани укрепляют не только жилки, но и мезофилл листа, то есть они часто развиваются не в жилках. Крупные жилки – это проводящие пучки коллатерального типа.

Задача основных жилок – доставлять мезофиллу воду с растворенными в ней неорганическими веществами и отводить от него по флоэме продукты фотосинтеза. Поэтому жилки пронизывают мезофилл листа во всех направлениях. Внутреннее строение листа является важнейшим экологическим признаком.

2.2. Физиологические функции зеленого листа.

Физиологические функции листа – фотосинтез газообмен и транспирация.

а) Фотосинтез.

Интенсивность фотосинтеза в листьях зависит от их нахождения в кроне, времени образования, величины, структуры и др. интенсивность фотосинтеза также определяются сочетанием количественных и качественных факторов окружающей среды. К ним относят свет, температуру, концентрацию углекислоты, перемещение воздуха у листа, наличие влаги и элементов минерального питания.

Зеленые растения не испытывают недостатка в солнечной энергии. За 5 миллиардов лет существования нашей планеты Солнце не ослабило заметно своей лучистой энергии. Зеленые растения используют лишь 1 – 2% всей энергии, падающей на зеленый экран. Первичными продуктами фотосинтеза являются углеводы. Но в зеленом листе происходит также первичный синтез белков и жиров. Первичные жиры образуются в результате превращения сахаров, с одной стороны, в глицерин, с другой – в жирные кислоты. В дальнейшем три молекулы жирной кислоты и одна молекула глицерина конденсируется в жир и воду. Первичный синтез белковых веществ происходит в зеленом листе при взаимодействии неорганических соединений азота, углерода, фосфора, серы. Береза светолюбивое растение, по исследованиям В. Н. Любименко, световой порог у них выше, чем у теневых растений. У световых растений есть палисадная ткань, пластиды у них не такие крупные, как у теневых, менее чувствительны к свету и концентрация хлорофилла значительно ниже.

Фотосинтезом называют образование органических молекул из неорганических за счет использования энергии солнечного света. Этот процесс состоит из двух фаз световой и темновой.

В световой фазе кванты света - фотоны – взаимодействуют с молекулами хлорофилла, в результате чего эти молекулы на некоторое время переходят в более богатое энергией «возбужденное» состояние. Затем избыточная энергия возбужденных молекул преобразуется в теплоту или испускается в виде света. Другая её часть передается ионам водорода, всегда имеющимся в водном растворе вследствие диссоциации воды.

Образовавшиеся атомы водорода непрочно соединяются с органическими молекулами – переносчиками водорода. Ионы гидроксила отдают свои электроны другим молекулам и превращаются в свободные радикалы. Радикалы взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуется вода и молекулярный кислород.

Таким образом, источником молекулярного кислорода, образующегося в процессе фотосинтеза и выделяющегося в атмосферу, является вода, расщепляющаяся в результате фотолиза – разложения воды под влиянием света. Кроме фотолиза воды энергия света используется в световой фазе для синтеза АТФ из АДФ и фосфата без участия кислорода. Это очень эффективный процесс: в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях этого же растения с участием кислорода. Таким путем накапливается энергия, необходимая для процессов, протекающих в темновой фазе фотосинтеза.

В комплексе химических реакций темновой фазы, для течения которых свет не обязателен, ключевое место занимает связывание углекислого газа. В этих реакциях принимают участия молекулы АТФ, синтезируемые во время световой фазы, и атомы водорода, образовавшиеся при фотолизе воды и связанными с молекулами-переносчиками.

Так энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений.

Как уже отмечалось выше, побочным продуктом фотосинтеза зеленых растений является молекулярный водород, выделяемый в атмосферу. Свободный кислород в атмосфере является мощным фактором преобразования веществ.

б).Транспирация и газообмен

Транспирация – физиологический регулируемый процесс испарения растением влаги; она резко отличается от простого физического испарения с какой-либо поверхности; испаряют воду живые клетки, ткани и органы, способные регулировать этот процесс. В зеленом растении наибольшую весовую часть тела составляет вода. Но без отдачи воды из живых клеток растение обойтись не может., так как на суше оно живет в условиях недостаточной насыщенности окружающей атмосферы водяными парами. Известно, что даже в условиях сильных морозов оголенные деревья испаряют воду; даже твердая вода переходит в газообразное состояние, если окружающий воздух не насыщен влагой.

Клетки растений, чтобы оставаться живыми, должны удерживать определенное количество воды для нормальной жизнедеятельности коллоидов, поэтому у растений живущих на суше, выработались многочисленные приспособления для устойчивости против чрезмерной транспирации: устьица с замыкающими клетками, кутикула, пробка, опушение, восковой налет и другое. Растение в борьбе за выживание как бы балансирует между двумя противоречивыми, но неизбежными процессами – фотосинтезом и транспирацией.

2.3.Береза бородавчатая (BetulapendulaRoth) как объект исследования.

Береза бородавчатая, или повислая (Betula pendula Roth). Дерево до 20 метров высотой, с повислыми ветвями и гладкой белой корой, у старых деревьев внизу ствол темно-серый и трещиноватый. Годичные ветви красновато-бурые, молодые ветви голые, покрыты бородавочками. Листья ромбические-яйцевидные или треугольно-яйцевидные, в основание широколистные или почти прямо усеченные, на крыльях или порослевых побегах почти сердцевидные, на конце листья заострены, по краю дважды-острозубчатые, с обеих сторон гладкие. Черешки в двое в трое короче пластинок, трилистники яйцевидно ланцетные, очень маленькие, рано опадают. Ствол прямой, ровный. Кора до 10-летнего возраста темная, гладкая, блестящая, позднее развивается белый пробковый слой – береста, который грубеет с возрастом. Молодые побеги покрыты железистыми бородавками. Корневая система сильно разветвленная, но не глубокая вследствие чего береза подвержена сильному ветроповалу. Крона сильно разветвленная, но не густая, ажурная, пропускает много света, в молодости яйцевидная, а потом продолговато-цилиндрическая, с повислыми концами ветвей, что предает кроне плакучий вид. Очень светолюбива. Береза относится к породам – пионерам леса, однако вытесняется более теневыносливыми породами. Береза не требовательно к условиям двигателя и почвы, выносит очень холодные зимы. Распространена широко, особенно в таежных зоне европейской части Российской Федерации и в сибирской лесостепи. Береза образует как чистые насаждения, как и смешанные с сосной, елью, осиной и другими породами. Цветки собраны в соцветия, сережки разнополые, однодомные. Цветет в мае – июне вместе с распусканием листьев. Цветение длиться 10 дней. На концах длинных побегов в августе образуются мужские сережки длиной 2 – 3 вместе. Весной следующего года они удлиняются, утолщаются и распускаются. Береза первые 2 года растет мелено, затем рост её усиливается. Береза размножается вегетативно. Продолжительность жизни 100-120 лет.

Ш.Экспериментальная часть.

1. Методика исследования.

Для проведения эксперимента по изучениюфотосинтетического аппарата и продуктивности фотосинтеза нами использовались следующие реактивы и оборудование:

  1. Образцы листьев с берез из разных зон города (в лесу, возле школы, у рязанской трассы, в микрорайоне Западном).

  2. Фарфоровая ступка с пестиком.

  3. Этиловый спирт.

  4. Воронка.

  5. Фильтр.

  6. Стеклянная посуда.

  7. Цифровой фотоаппарат.

  8. Микроскоп «Микромед» с видеоокуляром

  9. Компьютер.

1.1.Подсчет общей площади листовой поверхности.

С деревьев одного вида березы бородавчатой (Betula pendula Roth), имеющих приблизительно одинаковую высоту, растущих в разных условиях (в лесу, у школы, в микрорайоне Западный, у Новорязанского шоссе) были собраны по десять листьев. Для того, чтобы узнать примерную общую площадь листьев березы бородавчатой из разных районов городского поселения Октябрьский, мы умножили примерное число листьев в кроне на примерную площадь одной листовой пластины дерева. Были получены следующие данные:

Для подсчета примерного числа листьев в кроне на березе, мы рассчитали количество листьев на 1/16 части каждого из деревьев. Были получены следующие данные: в лесу - 3180, у школы - 2410, у Новорязанского шоссе - 1870, в микрорайоне Западный - 2260.

Чтобы вычислить примерную суммарную площадь поверхности листьев, мы перенесли контур листа на бумагу в клеточку, подсчитали число квадратных сантиметров в центральной части контура и приплюсовали число половины неполных квадратов на периферии листа. Примерная суммарная площадь поверхности листьев в лесу 21.5 см2, у школы 26.5 см2, у рязанской трассы 13 см2, микрорайон Западный 15 см2.

Таким образом, в результате математических расчетов были получены следующие результаты:

  1. В лесу полезная площадь составляет 68370 см2.

  2. У школы полезная площадь составляет 63865 см2.

  3. В микрорайоне Западный полезная площадь составляет 33900 см2.

  4. У Новорязанского шоссе полезная площадь составляет 24310 см2.

1.2.Определение сравнительного количества хлорофилла в листьях.

Пластиды имеются в клетках фотосинтезирующих эукариотических организмов. Различают три типа пластид: хлоропласты (зеленые пластиды, хлорофилловые зерна), хромопласты (желтые, коричневые, красные пластиды), лейкопласты (бесцветные пластиды). Господствующий зеленый цвет растительности земного шара обусловлен хлоропластами. Зеленый цвет хлоропластов объясняется присутствием в них пигмента – сложного органического вещества хлорофилла. Хлоропласты резко реагируют на освещение, и хлорофилл образуется в них на свету. Об этом можно судить по интенсивности окраски хлорофилльной вытяжки листа.

Для получения вытяжки хлорофилла мы измельчили по два листа примерно одинаковой площади с каждого дерева, растерли фарфоровым пестиком в фарфоровой ступке, добавили 10 мл спирта, тщательно все перемешали. Полученную вытяжку отфильтровали через складчатый фильтр в пробирку. Судя по насыщенности цвета в пробирке, на первое место выходит вытяжка из листьев лесной березы, затем березы произрастающей у школы, следом из микрорайона Западный и, наконец, у дороги.

  1. Продуктивность фотосинтеза.

О продуктивности фотосинтеза можно косвенно судить по количеству создаваемых растением веществ для своего роста. Например, можно сравнить длину и массу однолетних побегов нескольких деревьев одного вида, растущих в разных зонах города. Так же можно с помощью микроскопических приборов изучить фотосинтезирующую ткань листьев берез произрастающих в разных районов нашего городского поселения. Мы сделали срез по всей площади листа и рассмотрели его в микроскопе. После анализа увиденного можно сделать вывод, что фотосинтезирующая ткань листьев с березы, растущей у Новорязанского шоссе, почти разрушена и уже начался процесс листопада. А у листьев березы, растущей в лесу, фотосинтезирующая ткань функционирует нормально.

2. Морфологические особенности листьев березы бородавчатой

(BetulapendulaRoth)

При рассмотрении листьев березы, которая растет у дороги мы видим что в отличии от листьев берез, растущих у школы и в лесу, они значительно меньше. У них не обычная у многих сморщенная форма, на листьях желтые пигментные пятна, появление которых свидетельствует о том, что нормально функционировать дерево возле дороги не может.

  1. Долговечность листьев. Листопад.

Растения, особенно деревья, делятся на вечнозеленые и листопадные. Береза относится ко вторым. Такие многолетние растения ежегодно, с наступлением неблагоприятного для вегетации сезона сбрасывают листья.

С понижением температуры почвы снабжают растения водой, фотосинтез и транспирация становятся затруднительными. Сами листья к этому времени стареют и становятся балластом для дерева. Это старение вызывается отложением большого количества минеральных веществ на стенках клеток вследствие испарения, а также в протопластах клеток листа в результате неполного использования минеральных веществ при органическом синтезе. Таким образом, сбрасывание испаряющей поверхности имеет для растение оздоровляющее значение.

Осенние листья постепенно краснеют или желтеют из-за разрушения хлорофилла и более длительной сохранности других пигментов (ксантофилла, антоциана и д.р.).

В осеннем листопаде в лесу заключается глубокий биологический смысл. Опавшие листья – хорошее органическое и минеральное удобрение. Кроме того, они стратифицируют семена, опавшие до листопада, предохраняют корни от вымерзания, препятствуют развитию мохового покрова.

Быстрее всего листопад произошел у деревьев растущих у дороги. Примерно в одно время опали листья с деревьев, растущих у школы, и микрорайона Западный, последними были листья с берез, растущих в лесу.

Заключение.

Это исследование подтвердило, что на процесс и продуктивность фотосинтеза влияет среда обитания растения. Береза, растущая у шоссе, намного хуже функционирует, чем береза, растущая в лесу. Она уступает лесной березе по площади, по количеству хлорофилла в листьях, по состоянию фотосинтезирующей ткани. Эта береза не естественна по морфологическим признакам и из-за перенасыщения тяжелыми металлами и многими другими вредными веществами процесс листопада начался быстрее, чем у остальных деревьев.

С самого начала своего появления на планете человек взаимодействует с природой, изменяет её. Нам, учащимся средней школы № 53, посчастливилось жить в посёлке, где есть уникальный островок природы – смешанный широколиственный лес, ещё не окончательно уничтоженный человеком. Мы хотим беречь и охранять его. Почему мы стали изучать, охранять и заботиться именно о лесе?

В настоящее время биосфера планета находится под усиливающимся давлением разнообразной деятельности человека, поэтому так актуальны природоохранные мероприятия.

Однако всё ещё имеется много недостатков и нерешённых проблем. Каждый должен понимать, что грамотное, бережное отношение к природе – это его долг. Экологическое сознание каждого даст возможность сохранить среду для жизни будущих поколений.

Этот лес, на опушке которого стоит наш посёлок – естественная его достопримечательность и чуть ли не единственная его красота. Мы должны беречь и охранять лес, а не просто пользоваться им, так безоглядно и бездушно.

Список используемых источников.

  1. Ашихмина Т.Я., Школьный экологический мониторинг, М., АГАР, 2000, стр.61

  2. Жуковский П.М., Ботаника, М., Колос, стр.144

  3. Захаров В.Б., Мамонтов С.Г., Сонин Н.И., общая биология, 10 класс, М., Дрофа, 2005, стр. 128.

  4. Зорина Т.Г., Школьникам о лесе, М., Лесная промышленность, 1971,стр.27.

  5. Касьян А.А., Современные проблемы экологии, М., Просвещение, 1997.

  6. Мансурова С.Е., Кокуева Г.Н., Школьный практикум следим за окружающей средой нашего города, 9 – 11 классы, М., Владос, 2001,стр.90.

  7. Миркин Б. М., Наумова, Экология России, 9 – 11 классы, М., АО МДС, Юнисам, 1995, стр.171.

  8. Трайтак Д.И., Практическая направленность обучения ботанике, М., Просвещение, стр. 28.

Приложение

 

Образцы листьев с исследуемых пунктов

 

 

Исследуемый объект: береза бородавчатая

(Betula pendula Roth)

 

 

Контуры листьев березы бородавчатой

(Betula pendula Roth)

с исследуемых пунктов

 

 

15 см2

13 см2

26,5 см2

21,5 см2

 

 

Расчет площади листовой пластинки с исследуемых пунктов.

 

 

Приготовление спиртовой вытяжки хлорофилла листьев с исследуемых пунктов.

 

 

Спиртовая вытяжка хлорофилла листьев с исследуемых пунктов.

 

 

Образцы спиртовой вытяжки хлорофилла листьев с исследуемых пунктов в сравнении.

 

 

Фотосинтезирующая ткань листьев березы бородавчатой

(изображение получено на мониторе компьютера с помощью микроскопа «Микромед» с видеоокуляром)

 

 

Исследуемый пункт: лес

Исследуемый пункт: школа

 

 

Исследуемый пункт:

микрорайон Западный

 

 

Исследуемый пункт:

Новорязанское шоссе

 

Таблица: «Зависимость общей площади от количества листовых пластинок»

Исследуемые пункты.

Примерное количество листовых пластинок (шт).

Примерная площадь листовой пластинки (см2).

Общая площадь листовых пластинок (см2).

Новорязансское шоссе.

1870

13

24310

Микрорайон Западный.

2260

15

33900

Школа.

2410

26,5

63865

Лес.

3180

21,5

68370

Просмотров работы: 160