V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Определение количества кислорода, выделяемого комнатными растениями
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
«Человечество и всё живое является придатком
хлорофильных растений…»
К. А. Тимирязев. [12]
Кислород – Бог, по мнению людей религиозных, вездесущим, всемогущим и в то же время невидимым может быть только Бог. В действительности же все эти три эпитета вполне можно отнести к химическому элементу с атомным номером 8 – кислороду. Кислород – вездесущ: из него в значительной степени состоят не только воздух, вода и земля, но и мы с вами, наши еда, питье, одежда; в подавляющем большинстве окружающих нас веществ есть кислород. Могущество кислорода проявляется уже в том, что мы им дышим, а ведь дыхание это синоним жизни. «Dum spiro – spero»: пока дышу, – надеюсь. Это Овидий. И еще кислород можно считать всемогущим потому, что могучая стихия огня, как правило, сильно зависит от нашего кандидата в вездесущие и всемогущие. Что касается третьего эпитета – «невидимый», то здесь, вероятно, нет нужды в доказательствах. При обычных условиях элементарный кислород не только бесцветен и потому невидим, но и не воспринимаем, не ощутим никакими органами чувств. Правда, недостаток, а тем более отсутствие кислорода мы ощутили бы моментально. Идея сравнить кислород с Господом Богом заимствована у одного из персонажей поэмы Алексея Константиновича Толстого «Поток-богатырь». Там есть строки о некоем аптекаре, который «пред толпою ученье проводит, что мол нету души, а одна только плоть, и что если и впрямь существует Господь, то он только есть вид кислорода» . [2]
Среди всех веществ на Земле особое место занимает то, что обеспечивает жизнь, - газ кислород. Именно его наличие делает нашу планету уникальной среди всех других, особенной. Благодаря этому веществу в мире живет столько прекрасных созданий: растения, животные, люди. Кислород - это совершенно незаменимое, уникальное и чрезвычайно важное соединение.
Известно, что растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. В интернете опубликован такой факт: в естественных условиях летом дерево средней величины за 24 часа выделяет столько кислорода, сколько необходимо для дыхания трех человек, а 1 га зеленых насаждений за 1 ч поглощает 8 л углекислого газа и выделяет в атмосферу количество кислорода, достаточное для поддержания жизнедеятельности 30 человек. Кислород нужен для процесса дыхания, он расходуется на процессы горения, в том числе огромным количеством различных транспортных средств. Чем больше растений, тем больше кислорода. [8] В данной работе мы хотели бы выяснить, все ли растения выделяют одинаковое количество кислорода.
Цельисследования: определение количества кислорода, выделяемого комнатными растениями, составление списка комнатных растений, улучшающих качество воздуха в помещении (выделяющих большее количество кислорода).
Задачи исследования:
- проанализировать теоретический материал по данной проблеме;
- рассмотреть структуру и количество устьиц, используя метод «Реплик»;
- изучить эффективность образования кислорода комнатными растениями.
Место исследования: МАОУ «Гимназия №42».
Методы исследования:
- теоретический анализ литературы по проблеме исследования;
·метод «Реплик»;
-методика получения кислорода (метод вытеснения воды);
-методика определения крахмала в листьях на свету;
-анализ результатов.
1. Воздух, его состав и значение
Воздух - это не одно вещество, это смесь газов! Все они бесцветны, прозрачны и невидимы. Но каждый газ обладает своими свойствами! [5]
Из всех газов, входящих в состав атмосферы, больше всего важен для природы и человека кислород. Он есть в каждой живой клетке и необходим всем живым организмам для дыхания. Недостаток кислорода в воздухе сразу отражается на жизнедеятельности. Без кислорода невозможно дышать, а значит жить. Человек во время дыхания за 1 мин. в среднем его потребляет 0,5 дм3. Если в воздухе его станет меньше до 1/3 его части, то он потеряет сознание, до 1/4 части — он умрет. [7]
Свойства кислорода:
1.Кислород не имеет цвета, запаха и вкуса.
2.Кислород необходим для дыхания многих живых организмов.
3.Кислород плохо растворяется в воде. (Но его все же хватает водным обитателям)
4.Кислород немного тяжелее всего воздуха
Значение кислорода в природе:
Кислород необходим организмам для дыхания. Это знает каждый! Но что происходит с кислородом в организме?
Кислород проникает в каждую клетку и там вступает в реакцию со сложными веществами. Они распадаются на простые вещества - воду и углекислый газ. Во время распада выделяется энергия. Вот для этой энергии и нужен кислород!
Значение кислорода в жизни человека:
1. Баллоны с кислородом используют альпинисты в горах, в медицине кислород дают людям при некоторых заболеваниях и операциях.
2. Кислород используют на заводах, его вдувают в печи для ускорения выплавки металлов.
3. Кислород при очень низкой температуре становится жидким и его применяют в двигателях ракет.
4. Жидким кислородом пропитывают уголь, древесные опилки. Такие смеси легко взрываются и их используют при прокладке дорог, когда нужно проделать тоннель в горе.
Кислород в природе образуют зеленые растения во время фотосинтеза.[5]
2. История открытия кислорода
Первые упоминания о том, что в составе воздуха есть какой-то газ, поддерживающий процессы горения, появилось еще в VIII веке. Однако тогда изучить его, доказать существование и открыть не было технической возможности. Лишь спустя почти тысячелетие, в XVIII веке это было сделано, благодаря работе нескольких ученых. 1771 год Карл Шееле опытным путем установил состав воздуха и выяснил, что основные два газа - это кислород и азот. Пьер Байен проводит опыты по разложению ртути и ее оксида и официально фиксирует результаты. 1773 год Шееле официально открывает элемент кислород, но не получает его в чистом виде. 1774 год Пристли независимо от Шееле делает такое же, как и он, открытие, и получает чистый кислород разложением ртутного оксида. 1775 год Антуан Лавуазье дает название этому элементу и создает теорию горения, просуществовавшую не одну сотню лет. 1898 год Томпсон заставляет общество задуматься о том, что кислород воздуха может закончиться из-за больших выбросов углекислого газа в атмосферу. В этом же году Тимирязев доказывает обратное, так как объясняет, что поставщиком кислорода являются зеленые растения планеты. Таким образом, стало известно, что собой представляет кислород, какой важный и значимый для жизни это газ. После были изучены все физические и химические свойства вещества, рассмотрены способы его получения, просчитано примерное содержание в воде, земной коре, атмосфере и прочих местах планеты. [6]
3. Устьица: определение, расположение, функции
Устьица у растения — это поры, находящиеся в слоях эпидермиса. Они служат для испарения лишней воды и газообмена цветка с окружающей средой. Впервые о них стало известно в 1675 году, когда натуралист Марчелло Мальпиги опубликовал своё открытие в работе Anatome plantarum. Однако он не смог разгадать их настоящего назначения, что послужило толчком для развития дальнейших гипотез и проведения исследований. [4]
Строение и длина устьица у растения варьируется в зависимости от вида и степени получаемого им освещения. Самые крупные поры могут достигать в размере 1 см. Образуют устьице замыкающие клетки, регулирующие уровень его открытия. Механизм их движения довольно сложен и разнится для отличных друг от друга видов растений. У большинства из них - в зависимости от водоснабжения и уровня хлоропластов - тургор тканей клеток может, как понижаться, так и повышаться, тем самым регулируя открытие устьица.
За что отвечают устьица? Их задача - обеспечение транспирации (процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы, такие как листья, стебли и цветы), что достигается за счёт работы замыкающих клеток. Этот механизм защищает растение от иссушения в жаркую погоду и не позволяет начаться процессу гниения в условиях чрезмерной влажности. Принцип его работы предельно прост: если количество жидкости в клетках недостаточно высоко, давление на стенки падает, и устьичная щель смыкается, сохраняя требуемое для поддержания жизнедеятельности содержание влаги. [4]
И напротив, её переизбыток ведёт к усилению напора и открытию пор, через которые лишняя влага испаряется. Благодаря этому, роль устьиц в охлаждении растений также велика, поскольку температура воздуха вокруг снижается именно посредством транспирации. Также под щелью расположена воздушная полость, служащая для газообмена. Воздух проникает в растение сквозь поры, чтобы в дальнейшем вступить в процесс фотосинтеза и дыхания. Лишний кислород затем выходит в атмосферу посредством всё той же устьичной щели. При этом её наличие или отсутствие часто используется для классификации растений. [4]
У двудольных растений устьичные щели расположены с двух сторон листовой пластины, однако их количество в нижней части несколько больше, чем в верхней. Эта разница обусловлена потребностью снизить испарение влаги с хорошо освещенной поверхности листа. Для однодольных растений не существует конкретики касательно расположения устьиц, поскольку оно зависит от направления роста пластин. Например, эпидермис листьев растений, ориентированных вертикально, содержит в себе одинаковое количество пор как в верхнем, так и в нижнем слое. Как было сказано ранее, у плавающих листьев с нижней стороны устьичные щели отсутствуют, поскольку они впитывают влагу через кутикулу, как и полностью водные растения, у которых подобных пор нет вообще. Устьица хвойных деревьев находятся глубоко под эндодермой, что способствует снижению способности к транспирации. Также расположение пор различается относительно поверхности эпидермиса. Щели могут находиться вровень с остальными «кожными» клетками, уходить выше или ниже, образовывать правильные ряды или быть рассыпанными по покровной ткани хаотично. У кактусов, сукуллентов и иных растений, листья у которых отсутствуют или видоизменились, трансформировавшись в иглы, устьица расположены на стеблях и мясистых частях. [4]
4.Фотосинтез
Фотосинтез (от греческих слов “фотос” означает свет и “синтез” – соединение) – это образование на свету в листьях из углекислого газа и воды органических соединений (крахмала).
Фотосинтез является сложным многоступенчатым процессом, часть реакций которого происходит на свету, а часть – в его отсутствии. Следовательно, выделяют две фазы фотосинтеза световую и темновую.
Таб. «Сравнение этапов фотосинтеза»
|
Световая фаза |
Темновая фаза |
|
|
Место протекания процессов |
Мембраны тилакоидов |
Строма хлоропласта |
|
Условия |
Свет |
Наличие света не обязательно |
|
Необходимые вещества |
Вода, углекислый газ, АДФ, НАДФ |
Углекислый газ, АТФ, НАДФ-Н, |
|
Процессы, происходящие на данном этапе |
Фотолиз воды,нециклическое фосфорилирование (образование АТФ) |
Цикл Кальвина |
|
Что образуется? |
Кислород (удаляется в атмосферу), АТФ, НАДФ-Н. |
Глюкоза, АДФ, НАДФ |
Выдержка из работы К.А. Тимирязева “Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зелёную былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез… В той или другой форме он вошёл в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем сознании”.
Основным источником тепла и света является космическое тело – Солнце. А зелёные растения – единственные организмы на нашей планете, которые способны усваивать солнечную энергию и переводить её в химическую энергию органических веществ.
Изобретатель паровоза Стефенсон как-то задал вопрос своему приятелю: “Что движет проходящий перед нами поезд?” “Конечно, твое изобретение”, – ответил его друг. “Нет, – сказал Стефенсон, – его движет тот солнечный луч, который сотни миллионов лет назад поглотило зеленое растение”.
Значение фотосинтеза:
Ежегодно на планете образуется 150 млн тонн органического вещества.
В атмосферу ежегодно выделяется 200 млн тонн кислорода, который необходим для всех живых организмов.
Из кислорода в верхних слоях атмосферы образуется озон, который защищает всё живое на Земле от губительного действия ультрафиолетовых лучей.
Фотосинтез регулирует содержание углекислого газа в атмосфере.
Зелёные растения способны преобразовывать энергию Солнца в химическую энергию органических веществ. [3]
5. Изучение интенсивность процесса фотосинтеза. Вычисление количества кислорода, выделяемого комнатными растениями
Процесс фотосинтеза является важнейшим процессом биосферы. Он – основной фактор сбалансированности биосферных процессов на Земле, включая постоянство содержания кислорода и углекислого газа в атмосфере, состояние озонового слоя, содержание гумуса в почве, парниковый эффект и т.д.
Устьица служат для испарения лишней воды и газообмена растения с окружающей средой. Газообмен между растением и окружающей средой происходит непосредственно через устьица, поэтому мы решили рассмотреть количество устьиц на листьях наиболее часто встречающихся комнатных растений, используя рекомендации, приведенные в учебно-методическом пособии Воробьев В.Н., Невмержицкая Ю.Ю., Хуснетдинова Л.З. и др. [1] (приложение 4)
Таблица №1 «Количество устьиц на листьях наиболее часто встречающихся комнатных растений»
|
№ |
Название растения |
Количество устьиц на 4 см2 |
Площадь листа |
Количество устьиц на листе |
|
1 |
Хлорофитум хохлатый |
2 |
165 |
82,5 |
|
2 |
Монстера деликатесная |
144 |
163,5 |
5886 |
|
3 |
Нефролепис exaltata bostoniensis |
4 |
2,5 |
2,5 |
|
4 |
Фикус benjamina |
196 |
10,5 |
514,5 |
|
5 |
Гибискус китайская роза |
49 |
13 |
159,25 |
|
6 |
Недотрога султановидная |
32 |
3,5 |
28 |
|
7 |
Кордилина прямая |
8 |
39 |
78 |
|
8 |
Маранта беложилковатая |
90 |
37 |
740 |
*В таблице приведено среднее значение количества устьиц, подсчитанных с нижней и верхней стороны листа. (приложение 5,6)
В статье пресс-релиз от 24 июля 1998 года проект реабилитации Kooragang водно-болотных угодий, Ньюкасл, Новый Южный Уэльс приведен расчет, который мы решили использовать для расчета количества кислорода, выделяемого комнатными растениями. Чистый выход кислорода из дерева около 2,5 моль на квадратный метр площади листьев в сутки. Для влажных тропических лесов средняя площадь поверхности листьев составляет около 8 раз площадь навеса. 5-летний красный кедр имеет площадь листьев около 7 м2 и, следовательно, объем кислорода на выходе из 2,5 ∙ 8 ∙ 7 = 140 моль. 20-летний красный кедр имеет навес около 80 квадратных метров и, следовательно, объем кислорода выход 2,5 ∙ 8 ∙ 80 = 1600 моль. Приведенный расчет является приблизительным подсчетом из расчета 10 часов солнечного света в день и достаточным уровнем воды, света, температуры и питательных веществ. [8] Если считать, что комнатные растения производят кислород как деревья, то это будет 5 моль кислорода на квадратный метр зелёного листа в день. Деревья нуждаются в половине этого кислорода для своего дыхания, так что в среднем деревья продуцируют 2,5 моль кислорода на м2 в день. (Моль – это количество вещества).
По данному методу мы приблизительно узнали, сколько кислорода выделяет растение в зависимости от площади листьев. (приложение3) Взяли растение Гибискус. Нашли суммарную площадь его листьев, она равна 11700см2. 1 см2 = 0,0001м2 ,значит, 11700см2 = 1,17м21м2 листьев выделяет 2,5 моль кислорода1,17м2 листьев выделят X моль кислорода 1∙X=2,5∙1,17X=2,93 (моль)1моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л2,93моль займут Х л1∙Х=2,93∙22,4Х=65,63 л. Растение Гибискус за сутки выделит 65,63 л. кислорода.
Подобным образом рассчитали количество кислорода, выделяемого другими комнатными растениями:
Таблица №2 «Количество кислорода выделяемого наиболее часто встречающимися комнатными растениями»
|
№ |
Название растения |
Количество листьев на растении (шт.) |
Площадь листа (см2) |
Количество выделяемого кислорода в сутки (л) |
|
1 |
Хлорофитум хохлатый |
45 |
165 |
41,66 |
|
2 |
Монстера деликатесная |
8 |
163,25 |
7,39 |
|
3 |
Нефролепис exaltata bostoniensis |
2400 |
2,5 |
33,60 |
|
4 |
Фикус benjamina |
2576 |
10,5 |
151,20 |
|
5 |
Гибискус китайская роза |
900 |
13 |
65,63 |
|
6 |
Недотрога султановидная |
360 |
3,5 |
7,17 |
|
7 |
Кордилина прямая |
60 |
39 |
13,22 |
|
8 |
Маранта беложилковатая |
29 |
37 |
6,05 |
*В таблице приведены данные растений средней величины.
Мы решили экспериментальным путем определить, сколько кислорода выделяют комнатные растения. Для этого мы провели следующий опыт (приложение 7)
Опыт 1: «Вытеснение воды кислородом»
Сравнив данные, приведенные в таблице №2 с экспериментально полученными данными, у нас получилась следующее:
Таблица №3 «Сравнительная характеристика количества кислорода, выделяемого наиболее часто встречающимися комнатными растениями, экспериментально полученного с предполагаемым (теоретически рассчитанными)»
|
№ |
Название растения |
Количество листьев на растении (шт.) |
Площадь листа (см2) |
Количество выделяемого кислорода в сутки (теор.) (л) |
Количество выделяемого кислорода в сутки (практич.) (л) |
|
1 |
Хлорофитум хохлатый |
45 |
165 |
41,66 |
0,015 |
|
2 |
Монстера деликатесная |
8 |
163,25 |
7,39 |
- |
|
3 |
Нефролепис exaltata bostoniensis |
2400 |
2,5 |
33,60 |
0,0056 |
|
4 |
Фикус benjamina |
2576 |
10,5 |
151,20 |
0,0654 |
|
5 |
Гибискус китайская роза |
900 |
13 |
65,63 |
0,0255 |
|
6 |
Недотрога султановидная |
360 |
3,5 |
7,17 |
- |
|
7 |
Кордилина прямая |
60 |
39 |
13,22 |
0,0132 |
|
8 |
Маранта беложилковатая |
29 |
37 |
6,05 |
- |
Из таблицы видно, что количество кислорода, полученного экспериментально, намного меньше теоретически предполагаемого. Возможно, это связанно с тем, что для эксперимента были взяты черенки комнатных растений, а не растения целиком, или тем, что за окном была зима, а как известно зимой природа отдыхает. Кислород образуется в растении на свету, этот процесс получил название фотосинтез. В зеленых частях листьев происходит превращение солнечной анергии в органическое вещество, то есть из элементов; входящих в воду (водорода и кислорода), и углекислоты (углерода), находящейся в воздухе, при помощи солнечной энергии создается крахмал. Листья являются местом образования крахмала — той фабрикой, где производится синтез (образование) крахмала из воды и воздуха за счет солнечной энергии. Крахмал состоит из углерода, извлекаемого из углекислоты воздуха и элементов воды, притекающей к листьям по сосудам из почвы. Других элементов в составе крахмала нет — при сгорании он не дает золы. Мы решили определить интенсивность процесса фотосинтеза у растений экспериментальным путем, и сравнить полученные данные с данными о количестве выделяемого кислорода растениями (предполагая, что чем выше интенсивность фотосинтеза, тем больше количество кислорода выделяемого растением). Для этого мы подробно изучили этапы проведения известного всем опыта:
Опыт 2: «Образование крахмала в листьях на свету»
Черенки с комнатными растениями выставили на яркий свет. Затем поместили их в горячую воду на 3 минуты, после в горячий спирт до изменения их окраски (спирт окрасился в зеленый цвет). Обесцвеченные листья промыли в чистой воде, и поместили в чашку Петри, и залили раствором йода. Листья изменили свою окраску. (приложение 8) Проведенный нами опыт показал, что интенсивность окраски листьев, а следовательно и интенсивность процесса фотосинтеза наиболее высока у таких комнатных растений, как Нефролепис exaltata bostoniensis и Гибискус китайская роза. На втором месте располагались Хлорофитум хохлатый и Кордилина прямая.
Заключение
Все живые организмы характеризуются определенными признаками. Однако все они нуждаются в кислороде для осуществления процесса дыхания. Космическая роль растений и заключается в обеспечении всех организмов этим жизненно важным веществом. Только растения способны производить его в ходе уникального процесса, который называется фотосинтез.
В результате проведенного нами исследования можно сделать следующие выводы:
-устьица — это поры, находящиеся в слоях эпидермиса, служащие для испарения воды и газообмена;
- количество устьиц не влияет на интенсивность газообмена;
- проведенное исследование доказало, что растения действительно выделяют при фотосинтезе (на свету) кислород;
-такие комнатные растения как Нефролепис exaltata bostoniensis и Гибискус китайская роза выделяют большее количество кислорода;
-процесс фотосинтеза наиболее интенсивно происходит у Нефролепис exaltata bostoniensis и Гибискус китайская роза.
На основании анализа полученных нами результатов, был составлен список комнатных растений, рекомендуемых для размещения в квартирах:
1.Гибискус китайская роза
2. Нефролепис exaltata bostoniensis
3. Фикус benjamina
4. Хлорофитум хохлатый
5. Кордилина прямая
6. Недотрога султановидная
7. Маранта беложилковатая, Монстера деликатесная
*Список составлен по степени уменьшения значимости.
Проведенные расчеты показали важность растений как источника выделения кислорода, и как следствие желательность разведения комнатных растений.
Список использованных источников и литературы
1. Воробьев В.Н., Невмержицкая Ю.Ю., Хуснетдинова Л.З., Якушенкова Т.П. Практикум по физиологии растений: учебно-методическое пособие [Текст]/ В.Н. Воробьев, Ю.Ю. Невмержицкая, Л.З. Хуснетдинова, Т.П. Якушенкова. – Казань: Казанский университет, 2013. – 80 с.
2.КиВер Сочинение по химии о кислороде [Электронный ресурс] / КиВер Сочинение по химии о кислороде на тему «Художественный образ вещества или процесса». - Режим доступа: http://www. otvet.mail.ru/. - Загл. с экрана.
3. Князькова Ольга Алексеевна festival.1september [Электронный ресурс] /О.А. Князькова Урок биологии по теме «Фотосинтез». - Режим доступа: http://www. festival.1september.ru/. - Загл. с экрана.
4. Некрасова Екатерина Устьица у растения: определение, расположение, функции [Электронный ресурс] /Е.Накрасова Устьица у растения: определение, расположение, функции. Значение устьиц в дыхании растений. - Режим доступа: http://www. fb.ru/article/255865/ustitsa-u-rasteniya-opredelenie-raspolojenie-funktsii-znachenie-ustits-v-dyihanii-rasteniy#image1325766/. - Загл. с экрана.
5. Ориент Микс Значение кислорода в жизни человека [Электронный ресурс] / Ориент Микс Воздух, его состав и значение. - Режим доступа: http://www. pandia.ru/. - Загл. с экрана.
6. Петрова Любовь Кислород [Электронный ресурс] /Л.Петрова Формула кислорода. Молекула кислорода. - Режим доступа: http://www. fb.ru/article/197420/kislorod---eto-formula-kisloroda-molekula-kisloroda /. - Загл. с экрана.
7. Сезоны-года.рф Роль и значение кислорода в природе [Электронный ресурс] / Сезоны-года.рф. - Режим доступа: http://www. сезоны-года.рф/. - Загл. с экрана.
8. Усольцева Лариса Петровна Выделение кислорода растениями [Электронный ресурс] / Л.П. Усольцева Исследовательская работа «Выделение кислорода растениями». - Режим доступа: http://www. educontest.net/. - Загл. с экрана.
9.Щукин В.Б, Громов А.А. Практикум по физиологии растений. -2-е изд. [Текст]/ В.Б. Щукин, А.А.Громов. – Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2008. – 176с.
10. infuture.ru Эксперимент с заточением в комнате с растениями... [Электронный ресурс] /infuture.ru- Режим доступа: http://www. infuture.ru/. - Загл. с экрана.
11. Энциклопедия - Википедия [Электронный ресурс]/ Википедия- Режим доступа: http://www. wikipedia.org /. - Загл. с экрана.
12. Яснова Л.В. Конспект урока по биологии "Фотосинтез"[Электронный ресурс] / Л.В.Яснова. - Режим доступа: http://www. infourok.ru/. - Загл. с экрана.
Приложения
Приложение 1
Эксперимент с заточением в комнате с растениями без кислорода
Недавно мы сообщали о том, что известный британский геолог Iain Stewart добровольно согласился на участие в важном эксперименте: заточении в прозрачной стеклянной комнате размером 12м2 с растениями и без кислорода на целых два дня.
В результате эксперимента предполагалось выявить, могут ли растения выработать в процессе фотосинтеза достаточное количество кислорода для обеспечения человека необходимым элементом для дыхания. Подобный эксперимент еще никогда в истории не проводился на людях. Эксперимент являлся довольно важным и опасным. Существовал определенный риск удушья замкнутого в комнате геолога, хотя за его жизненными показателями на протяжении всех 48 часов эксперимента велось тщательное наблюдение и, в случае крайней необходимости, ему была бы оказана немедленная медицинская помощь
Эксперимент начали немного раньше запланированного срока, и он длился с 15 и 17 сентября. Ответственные за реализацию эксперимента ученые постоянно контролировали количество света, необходимого для полноценного фотосинтеза растений. В комнате, где был замкнут геолог, кроме множества растений находился также ноутбук, гамак и велосипедная дорожка.
"Как только я вошел в крохотную комнату с множеством растений, то сразу почувствовал нехватку кислорода. Уровень кислорода упал с 21% (норма) до 12,5%" - сказал британский геолог и известный телеведуший Ян Стюарт.
"Я понимал, что мне нужно дышать, чтобы отдавать растениям необходимый им углекислый газ, а взамен получать кислород, но в моей голове постоянно вертелся вопрос, вырастет ли уровень кислорода до такой степени, чтобы поддерживать мою жизнедеятельность".
Геолог не открывает все секреты своего эксперимента, так как собирается снять об этом документальный сериал и телешоу, но все же поделился информацией о том, что в течение этих двух дней у него постоянно болела голова и он чувствовал усталость.
"В принципе, мне хватало кислорода, чтобы дышать, но все же были побочные эффекты от его недостатка" - говорит геолог, - "если не учитывать головных болей и усталости, все прошло довольно хорошо".
В комнате, где находился геолог, было 120 маленьких и 30 больших растений. Эксперимент удался. Ян Стюарт смог выжить, вдыхая кислород, вырабатываемый растениями.
Данный эксперимент имел мировое значение, так как теперь, ученые уверены, что, если однажды Марс заселят растениями, вполне возможно, что они изменят условия на Красной Планете и позволят космонавтам нормально дышать во время выполнения пилотируемой миссии на Марс.[10]
Приложение 2
Обнаружение фотосинтеза методом крахмальной пробы
Материалы и оборудование: различные растения, выдержанные в течение 2–3 суток в темноте, спирт, раствор i в Ki , 30%-й раствор щелочи, электрическая лампа на 200–300 Вт, ножницы, пинцет, штатив с 2 пробирками, спиртовка, коническая колбочка, фарфоровая чашка, водяная баня, электроплитка, колпак стеклянный на куске стекла, вазелин, маленькие стаканчики (2 шт), воронка, бритва, держатель для пробирок. Вводные пояснения. Крахмальная проба является наиболее простым методом обнаружения фотосинтеза. Сущность ее состоит в том, что лист, выдержанный на свету, обесцвечивают спиртом, а затем обрабатывают раствором йода, окрашивающего образовавшийся в хлоропластах крахмал в темно-синий цвет. Опыт рекомендуется проводить со срезанными и поставленными в воду листьями, у которых накопление происходит быстрее, чем у несрезанных, так как отток отсутствует. Для наблюдения за процессом образования первичного крахмала необходимо, чтобы в начале опыта листья не содержали этого вещества. Это достигается выдерживанием растений в темноте в течение нескольких дней. За это время весь имевшийся в листьях крахмал превратится в сахара, которые будут частично отведены в стебель, а частично использованы на дыхание клеток листа. Ход работы. Обильно полить растение и выдержать его в темноте в течение 2–3 дней (можно закрыть отдельные листья светонепроницаемыми чехлами). Перед началом опыта необходимо проверить отсутствие крахмала в листе. Для этого отрезают кусочек листа, помещают в пробирку и кипятят его с водой, чтобы убить клетки. Затем воду сливают, добавляют спирт и кипятят на водяной бане до полного извлечения пигментов. После этого спирт сливают и наливают небольшое количество воды для размягчения тканей (после действия спирта ткани становятся хрупкими). Кусочек листа переносят в фарфоровую чашку и обливают раствором йода. В случае отсутствия синего окрашивания лист срезают, обновляют бритвой срез под водой и опускают черешок в пробирку с водой. Покрывают лист с обеих сторон кусками картона с вырезанной в них фигурой. Другой лист (также проверенный на отсутствие крахмала) ставят черешком в стаканчик с водой и помещают в атмосферу, лишенную углекислоты. Для этого ставят рядом с листом сосуд с крепким раствором щелочи и все закрывают стеклянным колпаком. Для полной герметичности ставят стакан с листом и сосуд с щелочью на кусок стекла, а края колпака смазывают вазелином. Выставляют оба листа на яркий солнечный свет (при использовании лампы в 200–300 Вт, во избежание перегрева, лист должен находиться на расстоянии не менее 30 см от лампы). Через час (или более) обрабатывают лист так же, как и кусочки, по которым определяли отсутствие крахмала (лист обесцвечивают в колбе, закрытой для уменьшения испарения спирта воронкой). [9]
Приложение3
Определение площади листьев
Материалы и оборудование: листья различных растений, бумага, карандаш, весы торзионные или аналитические, пробочное сверло, линейка. Вводные пояснения. При изучении интенсивности фотосинтеза и транспирации получаемые величины, чаще всего, рассчитывают на единицу листовой поверхности, поэтому возникает необходимость ее измерения. Определение площади листьев имеет и самостоятельное значение при установлении индекса листовой поверхности, фотосинтетического потенциала и т.д. Индекс листовой поверхности (ИЛП) – это отношение общей площади листьев растений к площади посева. В зависимости от культуры и условий произрастания ИЛП обычно варьирует от одного до семи и выше. Установлено, что у большинства сельскохозяйственных культур оптимальный ИЛП составляет 4–5 м2/м2. При хороших условиях выращивания величина оптимального ИЛП того или иного сорта определяется его приспособленностью к режиму ФАР данной территории. Если формирование оптимальной величины ИЛП совпадает по времени с максимальными значениями приходящей на посев ФАР, достигается наивысшая фотосинтетическая продуктивность и эффективность использования ФАР. В противном случае значительное количество солнечной энергии расходуется неэффективно. Так как урожай лимитируется различными факторами, вопрос об оптимальном ИЛП должен решаться опытным путем. Связано это с тем, что урожайность растет не всегда наравне с увеличением площади листьев и биомассы, а только при увеличении их до определенных величин, после чего рост ее прекращается. Для определения площади листовой поверхности разработано большое количество методов и приемов.
Метод отпечатков. Лист растения накладывают на однородную бумагу и обводят контур остро отточенным карандашом. Получив отпечаток листа, определяют его площадь, используя для этого весовой метод. Отпечаток листа вырезают по контуру листовой пластинки и взвешивают на торзионных или аналитических весах. Одновременно из такой же бумаги вырезают квадрат, например, площадью 100 см2 (10·10 см) и также определяют его массу. Площадь исследуемого листа находят по формуле:
S= (a·b) : c,
где а – масса отпечатка листа, мг; b – масса квадрата бумаги, мг; с – площадь квадрата бумаги, см2; Недостаток метода в том, что его практически нельзя использовать при исследовании гофрированных и сложных листьев.
Метод высечек. Отбирают среднюю пробу растений, быстро срезают листья и определяют массу. Затем у каждого листа выбивают пробочным сверлом определенного диаметра несколько высечек, объединяют вместе и устанавливают их массу. Площадь листьев определяют по формуле:
S= (a·b) : c,
где а – общая масса сырых листьев, г; b – общая масса сырых высечек, г; с – общая площадь высечек, см2.
Расчетный метод. Основан на сопоставлении фигуры листа с некоторой простой геометрической фигурой, достаточно хорошо совпадающей с конфигурацией данного листа. Лист вписывают в соответствующую фигуру так, чтобы основные параметры их были общими. Так, листья злаков легко вписываются в вытянутый прямоугольник. Измеряя длину (а) и ширину (b) такого прямоугольника, находят его площадь (S), которая равна S = a · b.
Листовая пластинка не занимает всю площадь прямоугольника, поэтому устанавливают поправочный коэффициент. Площадь листа (Sл) вычисляют по формуле:
Sл=kSф
где Sф – площадь применяемой фигуры, см2; к – некоторый поправочный коэффициент, который учитывает среднее отклонение действительной фигуры листа от простой геометрической фигуры. Так, для ячменя: Sл = 0,65 а b, для пшеницы и кукурузы: Sл = 0,68 а b, где а – длина листа, см; b – наибольшая ширина листа, см. [9]
Приложение 4
Определение состояния устьиц при помощи отпечатков
Материалы и оборудование: листья различных видов растений, ацетон, микроскоп, фотопленка, окуляр-микрометр, предметные и покровные стекла, пинцет, стеклянная палочка, пробирки. Вводные пояснения. Метод основан на получении прозрачной тонкой пленки с отпечатками (репликами) устьиц, которая образуется из некоторых веществ при испарении растворителя. Для этого можно использовать фотопленку. Ее промывают горячей водой со щелочью для удаления эмульсии, а затем прополаскивают в теплой воде. Нарезанную небольшими кусочками пленку растворяют в ацетоне до сиропообразной массы, которую хранят в банке с притертой крышкой.
Ход работы. Каплю сиропообразной массы, полученной при растворении фотопленки в ацетоне, тонкой стеклянной палочкой размазывают по эпидермису нижней стороны листа. После испарения ацетона пленку снимают и помещают в пробирку с водой. Опыт проводят на листьях разных видов растений, находящихся в лаборатории. Препарат рассматривают под микроскопом на предметном стекле в капле воды. Определяют среднее число устьиц в поле зрения микроскопа, исследовав несколько полей зрения в разных участках препарата. [9]
Изучение состояния устьиц методом отпечатков по Полаччи
Общие сведения. Метод основан на получении тонкой прозрачной пленки с отпечатками (репликами) устьиц. Рассматривая их под микроскопом, можно определить число устьиц на единице листовой поверхности и их размер. Для изготовления реплик применяют вещества, образующие пленку при испарении растворителя или в результате полимеризации. Действие самих органических растворителей и охлаждение листа в результате их испарения могут влиять на апертуру устьиц. Использование полимеров снижает артефакты.
Материалы и оборудование. Растения, раствор коллодия или кремнийорганический каучук и катализатор, бесцветный лак для ногтей для изготовления пленки. Предметные и покровные стекла, пинцеты, кисточки, окуляры-микрометры, объекты-микрометры, микроскопы.
Порядок выполнения работы. На нижнюю поверхность листа стеклянной палочкой тонкий слой раствора силиконового каучука, смешанного с катализатором, и оставляют на 2-3 мин для полимеризации. «Негатив» снимают с листа пинцетом, покрывают бесцветным лаком и дают высохнуть. Таким образом, на лаковой пленке, которая легко снимается со слепка, получают позитивное изображение листа. Пленку помещают в каплю воды на предметное стекло, накрывают покровным и рассматривают под микроскопом с объективом ×40. [1]
Приложение 5
Описание комнатных растений
Хлоро́фитум (лат. Chlorophytum) — род травянистых растений. Ранее Хлорофитум относили к семейству Лилейные; среди современных исследований нет единого мнения относительно места этого рода: по данным Королевских ботанических садов в Кью род относится к семейству Спаржевые, по данным сайта GRIN — к семейству Агавовые,
Травянистое растение с пониклыми стеблями. Его длинные линейные листья собраны в прикорневые пучки. Цветки у хлорофитума мелкие, собраны в рыхлую метелку. Стебли дуговидной формы после цветения образуют на своих концах пучки листьев с воздушными корнями. Сильные экземпляры имеют многочисленные свисающие стебли с розетками листьев. [11]
Гиби́скус (лат. Hibiscus) — обширный род растений семейства Мальвовые (Malvaceae). Дикие и окультуренные растения. В основном кустарники и деревья. Встречаются также многолетние и однолетние травы.
Листья более или менее надрезные, черешчатые. Цветки у большинства видов крупные, изящные, с ярко окрашенными венчиками. Плод в виде коробочки, распадающейся на 5 створок, заключает в себе много семян, одетых пушком или волокнами, или же гладких. [11]
Фи́кус Бе́нджамина (лат. Ficus benjamina) — вид растений из рода Фикус семейства Тутовые (Moraceae).Вечнозеленое дерево или кустарник, в дикой природе вырастает до 25 м в высоту. Распространён в Индии, Китае, Юго-Восточной Азии, на Филиппинах, на севере Австралии. Назван так в честь выдающегося британского ботаника Бенджамина Дейдона Джексона.
Побеги прямостоячие. Стебель круглый. Листья глянцевые, гладкие, тонкокожистые, продолговато-овальные с заостренной вершиной, 6—13 см длиной и 2—6 см шириной. Расположение листьев на ветвях очередное, листья образуются в одной плоскости. Край листа цельнокрайний. Жилкование перистопетлевидное, центральная жилка слабо выражена, с 8—12 парами боковых жилок. Черешок составляет около 2 см.
Кора серая, с редкими коричневыми штрихами. Крона широкая, ветви поникающие. Плоды — сиконии — круглые или продолговатые, парные, размером до 2 см в диаметре, красного или оранжевого цвета, несъедобны. [11]
Монсте́ра (лат. Monstéra) — крупные тропические растения, лианы; род семейства Ароидные (Araceae).
Монстера — вечнозеленая лиана с крупными — до 45 см — резными листьями. Монстеры неприхотливы и даже в домашних условиях могут вырастать до нескольких метров в длину. Чтобы вырастить крупное растение потребуется устойчивая опора.
Лазящие растения не выносят прямых солнечных лучей, лазят с помощью придаточных корней. В случае утраты контакта с почвой растение продолжает жить как эпифит.
Листья перисторассечённые и перфорированные. Цветки собраны в початки. Плоды ягоды. [11]
Нефроле́пис (лат. Nephrolépis) — род папоротников монотипного семейства Nephrolepidaceae, но в некоторых классификациях включается в семейства Ломариопсисовые или Даваллиевые.
Название рода образовано от греческих слов nephros (νεφρός) — «почка» и lepis (λεπίς) — «чешуя», по формепокрывальца. Около 30 видов травянистых многолетних растений, распространённых по всему земному шару. Некоторые виды используют как горшечную культуру, а также как ампельные растения.
Нефролепис возвышенный (лат. Nephrolepis exaltata) —- наземное или эпифитное травянистое растение с коротким вертикальным корневищем, несущим на верхушке розетку крупных, длиной до 70 см, перистосложных листьев. Листья в очертании ланцетные, светло-зелёные, коротко-черешковые . Сегменты («перья») ланцетные, длиной 5 см и более, по краю неяснопильчато-городчатые. При старении листья желтеют и опадают. На нижней стороне сегментов, ближе к краю, располагаются округлые сорусы — в два ряда по обе стороны средней жилки, ближе к краю. На корневище образуются наземные безлистные, покрытые чешуйками укореняющиеся побеги (плети), дающие начало новым растениям. Родина — тропики Юго-Восточной Азии. В культуре много садовых форм, различающихся степенью расчлененности сегментов.
Нефролепис сердцелистный (лат. Nephrolepis cordifolia) — отличается от предыдущего вида клубневидными вздутиями, образующимися на подземных побегах (столонах), а, также направленными почти вертикально вверх листьями (у Н. возвышенного листья изогнутые) и более плотным расположением сегментов, часто черепитчато накладывающихся друг на друга. Родина — тропические и субтропические леса обоих полушарий. В культуре с 1841 года. [11]
Бальзами́новые (лат. Balsamináceae) — семейство однолетних и многолетних травянистых растений, реже полукустарников, порядка Верескоцветные.
Состоит из двух родов: монотипного рода Гидроцера (Hydrocera) и рода Недотрога (Impatiens), включающего в себя около 500 видов.
Однолетние и многолетние травянистые растения. Листья простые, у основания расположены железы. Цветки зигоморфные, одиночные или в соцветиях; чашелистиков 5, часто окрашены, один из них вытянут в шпорец; венчик 5-членный, лепестки свободные или попарно сросшиеся, непарный лепесток расположен напротив шпорца. Тычинок 5, тычиночные нити сросшиеся пыльниками и образуют крышечку, которая отпадает в период созревания рыльца, что обеспечивает перекрёстное опыление. Гинецей состоит из 5плодолистиков с коротким столбиком и 1–5 рыльцами. Плод — сочная коробочка, раскрывающаяся внезапно посредством 5 скручивающихся створок у видов рода Импатиенс (Недотрога), или ягодообразная коробочка, как у рода Гидроцера.[11]
Приложение 6
Кордилина прямая (увеличение в 4000 раз)
Нефролепис exaltata bostoniensis (увеличение в 4000 раз)
Хлорофитум хохлатый (увеличение в 4000 раз)
Приложение 7
Опыт: «Вытеснение воды кислородом»
Приложение 8
Опыт: «Образование крахмала в листьях на свету»