VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние внешних условий окружающей среды на транспирацию растений различных экологических групп
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Растения распространены на Земле почти повсеместно. Исключение составляют большая часть Антарктиды, Гренландии, острова Северного Ледовитого океана и верхние части горных массивов. Необыкновенная приспособленность растений к различным местам обитания поистине удивительна. Живя в условиях Крайнего Севера или жаркого юга, растения приспосабливают строение своей древесины, листьев, побегов к конкретным условиям. Это дает им возможность жить при очень низких или, наоборот, при очень высоких температурах почвы и воздуха, при избытке или недостатке освещения и влаги.
Актуальность: Зная, как на транспирацию того или иного растения влияют внешние условия, можно понять, как за этим растением ухаживать (насколько часто поливать, при какой температуре выращивать, позволять ли солнечному свету попадать на листья), как повысить его урожайность, и даже как избежать его гибели. Сегодня почти у всех есть комнатные растения или целые сады, поэтому тема моего проекта является актуальной.
Цель работы: Исследование транспирации растений разных экологических групп.
Задачи исследования:
1. Изучить теоретический материал по данной теме.
2. Познакомиться с понятиями: кутикулярная и устьичная транспирация, транспирационный коэффициент и коэффициент водопотребления, гидатофиты, гидрофиты, гигрофиты, мезофиты, суккуленты, склерофиты.
3. Провести исследование.
4. Повторить правила техники безопасности при выполнении эксперимента.
5. Оформить работу с последующей презентацией.
6. Сделать анализ, отметить положительные и отрицательные стороны.
Научность: Познакомиться с методикой исследования транспирации растений разных экологических групп методом Шталя, сравнить полученные данные в ходе эксперимента с предполагаемым результатом.
Практичность: Работа по определению транспирации не сложна, но требует тщательной подготовки. Данный эксперимент моожно проделать в школьных условиях, например, в любой школьной лаборатории.
Объект исследования - комнатные растения разных экологических групп по отношению к воде.
Предмет исследования – транспирация растений.
Гипотеза – транспирация зависит от внешних факторов окружающей среды, в том числе от отношения растений к воде (экологические группы): у гигрофитов должна быть высокая интенсивность транспирации, у мезофитов – средняя и у ксерофитов –низкая.
Основная часть
Экологические группы растений по отношению к воде
Гидатофиты – это водные растения, целиком или почти целиком погруженные в воду. Среди них – цветковые, которые вторично перешли к водному образу жизни (элодея, рдесты, водяные лютики, валлиснерия, уруть). Вынутые из воды, эти растения быстро высыхают и погибают. У них редуцированы устьица и нет кутикулы. Транспирация у таких растений отсутствует, а вода выделяется через особые клетки – гидатоды. Листовые пластинки у гидатофитов, как правило, тонкие, часто рассеченные. Нередко выражена разнолистность – гетерофиллия; у многих видов есть плавающие листья. Хорошо развита аэренхима. Корневая система цветковых гидатофитов сильно редуцирована или утратила свои основные функции (у рясок). Поглощение воды и минеральных солей происходит всей поверхностью тела.
Гидрофиты – это растения наземно-водные, частично погруженные в воду, растущие по берегам водоемов. Встречаются в районах с разными климатическими условиями. К ним можно отнести тростник обыкновенный, частуху подорожниковую, вахту трехлистную, калужницу болотную и другие виды. У них лучше, чем у гидатофитов, развиты проводящие и механические ткани. Хорошо выражена аэренхима. В аридных районах при сильной инсоляции их листья имеют световую структуру. У гидрофитов есть эпидерма с устьицами, интенсивность транспирации очень высока, и они могут расти только при постоянном интенсивном поглощении воды.
Гигрофиты – наземные растения, живущие в условиях повышенной влажности воздуха. Среди них различают теневые и световые. Теневые гигрофиты – это растения нижних ярусов сырых лесов в разных климатических зонах (недотрога, цирцея альпийская, бодяк огородный, многие тропические травы). Из-за высокой влажности воздуха у них может быть затруднена транспирация, поэтому для улучшения водного обмена на листьях развиваются гидатоды. Листья часто тонкие, с теневой структурой, со слабо развитой кутикулой, содержат много воды. При наступлении даже непродолжительной и несильной засухи растения завядают и могут погибнуть. К световым гигрофитам относятся виды открытых местообитаний, растущие на постоянно влажных почвах (папирус, рис, сердечники, подмаренник болотный, росянка и др.).
Мезофиты могут переносить непродолжительную и не очень сильную засуху. Это растения, произрастающие при среднем увлажнении, умеренно теплом режиме и достаточно хорошей обеспеченности минеральным питанием. К мезофитам можно отнести вечнозеленые деревья верхних ярусов тропических лесов, древесные породы влажных вечнозеленых субтропических лесов, лиственные породы лесов умеренного пояса, кустарники подлеска, травянистые растения, растения лугов, пустынные эфемеры, сорные и культурные растения. Из приведенного перечня видно, что группа мезофитов очень обширна и неоднородна.
Ксерофиты растут в местах с недостаточным увлажнением и имеют приспособления, позволяющие добывать воду при ее недостатке, ограничивать испарение воды или запасать ее на время засухи. Ксерофиты лучше, чем все другие растения, способны регулировать водный обмен, поэтому и во время продолжительной засухи остаются в активном состоянии. Это растения пустынь, степей, жестколистных вечнозеленых лесов и кустарниковых зарослей, песчаных дюн. Ксерофиты подразделяются на два основных типа: суккуленты и склерофиты.
Суккуленты – сочные растения с сильно развитой водозапасающей паренхимой. Стеблевые суккуленты – кактусы, стапелии, кактусовидные молочаи; листовые суккуленты – алоэ, агавы, мезембриантемумы, молодило, очитки; корневые суккуленты – аспарагус. Листья суккулентов имеют толстую кутикулу, часто мощный восковой налет или густое опушение. Устьица погруженные, открываются в щель, где задерживаются водяные пары. Днем они закрыты. Это помогает суккулентам сберегать накопленную влагу, но зато ухудшает газообмен, затрудняет поступление СО2 внутрь растения. Поэтому многие суккуленты ночью при открытых устьицах поглощают СО2, который только на следующий день перерабатывают в процессе фотосинтеза. Поглощенный СО2 переводится в малат. Днем на свету малат расщепляется с выделением СО2, который используется в процессе фотосинтеза. Так как у суккулентов ночная фиксация углекислоты и переработка ее днем в ходе фотосинтеза разделены во времени, они обеспечивают себя углеродом, не подвергаясь риску чрезмерной потери воды, но масштабы поступления углекислого газа при таком способе невелики, и растут суккуленты медленно. Корневая система их неглубокая, но сильно распростертая, что особенно характерно для кактусов.
Склерофиты – это растения, наоборот, сухие на вид, часто с узкими и мелкими листьями, иногда свернутыми в трубочку. Листья могут быть также рассеченными, покрытыми волосками или восковым налетом. Хорошо развита склеренхима, поэтому растения без вредных последствий могут терять до 25 % влаги не завядая. Успешно добывают воду из почвы. При недостатке воды резко снижают транспирацию. Склерофиты можно подразделить на две группы: эуксерофитов и стипаксерофитов. К эуксерофитам относятся степные растения с розеточными, сильно опушенными побегами, полукустарнички, злаки, полынь холодная, эдельвейс эдельвейсовидный. Наибольшую биомассу эти растения создают в период, благоприятный для вегетации, а в жару уровень обменных процессов у них очень низок. Стипаксерофиты – это группа узколистных дерновинных злаков (ковыли, тонконоги, типчак). Характеризуются низкой транспирацией в засушливый период и могут переносить сильное обезвоживание тканей. Свернутые в трубочку листья имеют внутри влажную камеру. Транспирация идет через погруженные в бороздки устьица внутрь этой камеры, что снижает потери влаги .
Кроме названных экологических групп растений, выделяют еще целый ряд смешанных или промежуточных типов.
Различные пути регуляции водообмена позволили растениям заселить самые различные по экологическим условиям участки суши. Многообразие приспособлений лежит, таким образом, в основе распространения растений по поверхности земли, где дефицит влаги является одной из главных проблем экологических адаптаций.
Транспирация растений
Транспирация – процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения (листья, стебли, цветы).
Кутикулярная транспирация. Снаружи эпидермис покрыт кутикулой и воском, которые являются эффективным барьером на пути движения воды. У взрослых листьев кутикулярная транспирация составляет 1020% общего испарения воды. Потеря воды через кутикулу регулируется оводненностью листа. По ночам, например, при более сильном набухании кутикулы кутикулярная транспирация идет интенсивнее, чем днем. Смоченные листья могут поглощать воду через кутикулу.
Устьичная транспирация. Основной путь сообщения мезофилла листа с атмосферой – устьица. Процесс устьичной транспирации можно разделить на несколько этапов.
Первый этап – испарение воды с поверхности клеток в межклетники.
При снижении подачи воды корнем и увеличении водоудерживающей способности цитоплазмы клеток мезофилла клеточные стенки оказываются менее насыщенными водой, водные мениски в капиллярах между фибриллами становятся вогнутыми, что увеличивает силы поверхностного натяжения и затрудняет переход воды в парообразное состояние. Поэтому при открытых устьицах происходит снижение транспирации за счет уменьшения количества водяного пара в межклетниках. Это внеустьичный способ регулирования транспирации, который представляет несомненную выгоду для растения, так как позволяет снижать расход воды без ущерба для ассимиляции диоксида углерода.
Второй этап – выход паров воды из межклетников через устьичные щели. Число устьиц и их размещение сильно варьируют у разных видов растений. У большинства сельскохозяйственных растений устьица расположены в основном с нижней стороны листа. Это одно из приспособлений для снижения расходования воды.
Обычно устьица занимают 13% всей поверхности листа. Высокая скорость диффузии через устьица объясняется тем, что испарение из ряда мелких отверстий происходит быстрее, чем из одного крупного той же площади.
При открытых устьицах испарение может быть таким же, как с открытой водной поверхности. Закрывание устьиц наполовину еще мало влияет на интенсивность транспирации. Полное закрывание устьиц сокращает транспирацию примерно на 90% . Таким образом, изменение степени открытости устьиц – устьичная регулировка – является основным механизмом контроля транспирации растением.
Транспирационный коэффициент и коэффициент водопотребления, зависимость от внутренних и внешних условий, способы их снижения.
Внешние условия не только регулируют степень открытости устьиц, но и оказывают влияние непосредственно на процесс транспирации. Зависимость интенсивности испарения от условий среды подчиняется уравнению Дальтона. V=K (Р—¡) . где V — интенсивность испарения, количество воды, испарившейся с единицы поверхности; К—коэффициент диффузии; Р — упругость паров воды, насыщающих данное пространство; / — упругость паров воды в окружающем пространстве при температуре испаряющей поверхности; р — давление в момент опыта. Чем больше дефицит влажности воздуха, тем ниже его водный потенциал и тем быстрее идет испарение. Чем меньше относительная влажность воздуха, тем выше интенсивность транспирации.
Следующим фактором среды, оказывающим влияние на процесс транспирации, является температура. Влияние температуры можно проследить также исходя из уравнения Дальтона. С повышением температуры увеличивается количество паров воды, которое насыщает данное пространство. Возрастание упругости паров воды приводит к повышению дефицита влажности. В связи с этим с повышением температуры транспирация увеличивается.
Сильное влияние на транспирацию оказывает свет:
1. На свету, благодаря тому, что зеленые листья поглощают определенные участки солнечного спектра, повышается температура листа, и это вызывает усиление процесса транспирации. В связи с этим действие света на транспирацию проявляется тем сильнее, чем выше содержание хлорофилла.
2. Под влиянием света устьица раскрываются.
3. Увеличивается проницаемость цитоплазмы для воды, что также увеличивает скорость ее испарения. Все это в целом приводит к тому, что на свету транспирация идет во много раз интенсивнее, чем в темноте.
На интенсивность процесса транспирации оказывает влияние влажность почвы. С уменьшением влажности почвы транспирация уменьшается. Чем меньше воды в почве, тем меньше ее в растении.
Формула Дальтона выведена для спокойной погоды. Однако ветер, перемешивая слои воздуха, очень сильно увеличивает скорость испарения. Ветер оказывает влияние и на транспирацию, правда, по сравнению с испарением, в несколько ослабленной форме.
Транспирация изменяется в зависимости от величины листовой поверхности, а также при изменении соотношения корни/побеги. Чем больше развита листовая поверхность, больше побеги, тем значительнее общая потеря воды.
Высокая интенсивность испарения у молодых листьев может происходить за счет усиления кутикулярной транспирации, кутикула в этот период еще слабо развита. Так, у молодых листьев березы кутикулярная транспирация составляет около 50%, а у старых только 20% от общего испарения. На интенсивности испарения сказывается не только собственный возраст листа, но и общий возраст всего растительного организма.
Смена дня и ночи, изменение условий в течение суток наложили отпечаток и на процесс транспирации. Как устьичные движения, так и транспирация имеют свой определенный суточный ход. В отношении суточного хода устьичных движений растения разделяют на три группы:
1. Растения, у которых ночью устьица всегда закрыты. Утром устьица открываются, и их дальнейшее поведение в течение дня зависит от условий среды. Мало воды — они закрываются, достаточно воды — открываются. К этой группе относятся в первую очередь хлебные злаки.
2. Растения, у которых ночное поведение устьиц зависит от дневного. Если днем устьица были закрыты, то ночью они открываются, и наоборот. К этой группе принадлежат растения с тонкими листьями — люцерна, горох, клевер, свекла, подсолнечник.
3. Растения с толстыми листьями, у которых ночью устьица открыты, а днем открыты или закрыты в зависимости от условий (картофель, капуста).
Что касается суточного хода транспирации, то в ночной период суток транспирация резко сокращается. Это связано как с изменением внешних факторов (повышение влажности воздуха, снижение температуры, отсутствие света), так и с внутренними особенностями (закрытие устьиц). Растения с разным расположением листьев несколько различаются по суточному ходу транспирационного процесса. На листья, повернутые ребром к горизонту, солнечные лучи начинают падать раньше. В связи с этим подъем транспирации у таких растений в утренние часы также начинается несколько раньше. В полуденные часы интенсивность транспирации сокращается благодаря закрытию устьиц. Это позволяет растению восполнить недостаток воды, и тогда к вечеру транспирация снова возрастает. Увеличение транспирации приводит к уменьшению содержания воды, что сокращает интенсивность транспирации. Содержание воды растет, и транспирация также возрастает, и так непрерывно. Напряженность транспирации, а также ее связь с другими процессами (с фотосинтезом), принято выражать в следующих единицах:
Интенсивность транспирации — это количество воды, испаряемой растением (в г) за единицу времени (ч) единицей поверхности листа (в дм2). Эта величина колеблется в пределах 0,15—1,47 г/дм2 x ч.
Транспирационный коэффициент — количество воды (в г), испаряемой растением при накоплении им 1 г сухого вещества. Транспирационные коэффициенты заметно колеблются у одного и того же растения в зависимости от условий среды.
Продуктивность транспирации — величина, обратная транспирационному коэффициенту,— это количество сухого вещества (в г), накопленного растением за период, когда оно испаряет 1 кг воды.
Относительная транспирация — отношение воды, испаряемой листом, к воде, испаряемой со свободной водной поверхности той же площади за один и тот же промежуток времени.
Экономность транспирации — количество испаряемой воды (в мг) на единицу (1 кг) воды, содержащейся в растении. Тонколистные растения расходуют за час больше воды по сравнению с растениями с мясистыми листьями .
Значение транспирации.
1. Транспирация спасает растение от перегрева, который ему грозит на прямом солнечном свете. Температура сильно транспирирующего листа может примерно на 7°С быть ниже температуры листа завядающего, нетранспирирующего. Это особенно важно в связи с тем, что перегрев, разрушая хлоропласты, резко снижает процесс фотосинтеза (оптимальная температура для процесса фотосинтеза 20—25°С). Именно благодаря высокой транспирирующей способности многие растения хорошо переносят повышенную температуру.
2. Транспирация создает непрерывный ток воды из корневой системы к листьям, который связывает все органы растения в единое целое.
3. С транспирационным током передвигаются растворимые минеральные и частично органические питательные вещества, при этом чем интенсивнее транспирация, тем быстрее идет этот процесс.
Практическая часть. Методика проведения
Метод хлоркобальтовой пробы основан на изменении цвета фильтровальной бумаги, пропитанной хлоридом кобальта, при поглощении ею паров воды, испаряемых поверхностью листа. По времени, необходимому для перехода окраски хлоркобальтовой бумаги из голубой (цвет сухого СоСl2) в розовую (цвет СоС12 6Н2О), судят о транспирации растений.
Хлоркобальтовый метод определения транспирации листьев, не отделенных от растения, в полевых условиях ограничен сравнительными опытами, т.к. не позволяет определять абсолютные величины интенсивности транспирации.
Приготовление хлоркобальтовой бумаги. Берут равномерную по толщине фильтровальную бумагу или тонкие фильтры и намачивают в кювете с раствором хлорида кобальта, приготовленного по Камерлингу (в 100 мл воды растворяют 6,7 Со(NО3) и 2,64 г NаС1) (приложение 1), в течение стеклянных палочках до появления равномерного голубого цвета. Схема исследования: накладывают хлоркобальтовую бумагу на листья растений разных экологических групп (приложение 2).
Методика исследования.
Приготавливают с помощью скотча папочки, в которых помещают вкладыши из кобальтовой бумаги, равные контуру папки. В дальнейшем папочки с вкладышем закрепляют на листе растения так, чтобы лист был внутри вкладыша. Для прикрепления к листу папочки используют прищепки, большие канцелярские скрепки или резиновые кольца. По окончании опыта с помощью микроскопа исследуют эпидермис верхней и нижней сторон листа, подсчитывают количество устьиц в поле зрения. Для этого просматривают по 3-5 полей зрения на трех препаратах каждого варианта и вычисляют среднее. Делают выводы о причинах различной интенсивности испарения верхней и нижней сторон листа данного растения и о соотношении между устичной и кутикулярной транспирацией. Результаты исследования заносятся в таблицу. На основе результатов исследования делают заключение и выводы.
В ходе опыта сначала все растения поливались обильно. Затем осуществлялся умеренный полив, и транспирация растений снизилась. При недостаточном поливе испарение воды уменьшилось еще больше. При этом у герани, а особенно у традесканции начали подсыхать кончики листьев. Алоэ при редком поливе осталось в неизменном состоянии. Эти эксперименты помогли доказать, что интенсивность транспирации зависит от влажности почвы.
Были проведены и другие опыты. Так, в прохладном малоосвещённом помещении, а также ночью транспирация растений резко снижалась. Появлялись даже морфологические изменения. Например, у традесканции, долго растущей при недостаточном освещении, вытянулись побеги, а листья стали более мелкими и блёклыми. Также была сравнена транспирация молодой и зрелой герани. Несмотря на то, что кутикулярная транспирация у молодого растения выше, больше влаги испарялось из зрелого растения.
Заключение
По результатам работы можно сделать следующие выводы:
1. Факторы окружающей среды влияют на количество и работу устьиц
2. У растений, относящихся к разным экологическим группам по отношению к воде, транспирация идет с разной долей интенсивности.
3. У традесканции высокая интенсивность транспирации, на втором месте - герань (мезофит) и на третьем месте - алоэ (суккулент). (Приложение 3)
4. Наша гипотеза подтвердилась.
Список литературы:
Влияние условий на процесс транспирации. Статья. [Электронный ресурс].- http://fizrast.ru/vodniy-obmen/transpiraciya/process-transpiracii.html
Значение транспирации. Статья. [Электронный ресурс]. - http://fizrast.ru/vodniy-obmen/transpiraciya/znachenie-transpiracii.html
Уравнение Дальтона. Статья. [Электронный ресурс].- http://ru-ecology.info/term/68093/
Экологические группы по отношению к воде. Статья. [Электронный ресурс]. - http://ours-nature.ru/b/book/5/page/3-glava-3-vazhneyshie-abioticheskie-faktori-i-adaptatsii-k-nim-organizmov/24-3-3-2-ekologicheskie-gruppi-rasteniy-po-otnosheniyu-k-vode
Приложение 1 (Проведение хлоркобальтовой пробы)
Приложение 2 (Изменение цвета фильтровальной бумаги)
влажная (розовая) сухая (голубая)
Традесканция Герань Алоэ
Приложение 3 (Сравнительная таблица транспирации различных растений)
|
Растение |
Начало |
Нижняя сторона |
Верхняя сторона |
|
Традесканция |
14:07 |
14:30 |
14:30 |
|
Герань |
14:09 |
14:37 |
14:37 |
|
Алоэ |
14:11 |
14:46 |
14:56 |
Примечание: к 15:02 все имели одинаковый оттенок