IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Статистические закономерности модификационной изменчивости длины листьев Березы бородавчатой или повислой (Betula pendula) при разных условиях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бастраков А.А. 1

---

1МБОУ РМЭ СОШ № 13

Колосова Л.Г. 1

---

1МБОУ РМЭ "СОШ № 13"

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

I. ВВЕДЕНИЕ

1.1 Цель: Предположить причины различия в среднем значении длины листьев березы повислой с отличающимися условиями местообитания.

1.2 Задачи:

1) построить вариационные ряды изменчивости изучаемого признака.

2) графически и по формуле определить средние величины длины листьев березы и предположить причины их различия.

3) определить статистические закономерности модификационной изменчивости листьев березы повислой.

1.3 Гипотеза:

Можно предположить, что листья березы повислой с северной стороны будут отличаться более светлой зеленой окраской, укрупнением листовой пластинки и большим числом листьев с наибольшим значением длины листа по сравнению с березовыми листьями южной стороны.

1.4 Практическая значимость:

Статистическая закономерность модификационной изменчивости изучаемого признака сводится к тому, что частота встречаемости изучаемого признака неодинакова. Чаще всего встречаются средние значения, а к уменьшению или увеличению значения признака частота их встречаемости будет снижаться.

Это может широко использоваться при пошиве одежды для школьников, студентов, взрослого населения. При изготовлении комплектов школьной мебели, при серийном пошиве обмундирования для военнослужащих.

В конечном результате, это приведет к полному удовлетворению спроса покупателей, отсутствию невостребованного товара, экономии сырья.

II. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1 Чарльз Дарвин об изменчивости

Изменчивость - это общее свойство организмов приобретать новые признаки - различия между особями в пределах вида.

Чарльз Дарвин различал две основных формы изменчивости - ненаследственную и наследственную. Дарвин называл ненаследственную изменчивость групповой или определенной, а наследственную изменчивость - неопределенной, индивидуальной, подчеркивая тем самым ее случайный, ненаправленный характер.

Во времена Ч. Дарвина (1809-1882) причины наследственной и ненаследственной изменчивости были слабо изучены. Ч. Дарвин неоднократно подчеркивал необходимость глубокой разработки законов изменчивости и наследственности. Позднее они стали предметом изучения генетики.

2.2 Модификационная, фенотипическая изменчивость

Совокупность всех признаков организмов называют фенотипом. Сюда относятся не только внешние, видимые признаки (цвет глаз, волос, форма уха или носа, окраска цветков, длина или ширина листьев), но и биохимические, гистологические, анатомические и т.д.

Признаком может быть названа любая особенность строения организма.

Совокупность всех генов (признаков, задатков) одного организма называют генотипом.

Каждый организм развивается и обитает в определенных внешних условиях, испытывая на себе действие факторов внешней среды - колебаний температуры, освещенность, влажности, количества и качества пищи, а также вступает во взаимоотношения с другими организмами. Все эти факторы могут изменять морфологические (внешние) и физиологические свойства организмов, т.е. их фенотип. Но генотип при этом остается неизменным.

Разнообразие фенотипов, возникающих у организмов под влиянием условий среды, называют модификационной или фенотипической изменчивостью.

Модификационная изменчивость характеризуется рядом признаков:

1)изменения признаков, вызванные действиями факторов внешней среды, не наследуются, т.е. модификационная изменчивость не передается по наследству.

2) модификационные изменения (модификации) не связаны с изменением генов, которые организм получает от своих родителей.

Эти воздействия не влияют на свойства генов, которые передаются в следующие поколения без принципиальных изменений. Именно поэтому модификации не наследуются. Это обобщение сделал крупный немецкий биолог Август Вейсман (1834-1914гг).

3) модификационная изменчивость встречается у всех организмов, независимо от способа размножения, видовой принадлежности и разнообразия условий окружающей среды.

4) Ч. Дарвин называл ненаследственную, модификационную изменчивость групповой или определенной. Например, листья одного и того же растения стрелолиста или водяного лютика имеют разную форму в зависимости от того, находятся ли они в воде или в воздушной среде. У всех стрелолистов в воде будут длинные, тонкие листья, а у всех лютиков - изрезанные, точно так же под действием ультрафиолетовых лучей у всех людей, если они не альбиносы, возникает загар - накопление в кожи гранул пигмента меланина, хотя и в неодинаковой степени.

Таким образом, на действие определенного фактора внешней среды каждый вид организмов реагирует специфически и реакция (в форме изменения признака) оказывается сходной у всех особей данного вида.

5) Но изменчивость признака под влиянием условий внешней среды не беспредельна.

Если рассмотреть проявление какого-либо признака в группе организмов, то можно заметить, что степень его выраженности различна у разных организмов. Однако большая часть особей будет обладать средними значениями изучаемого признака или свойства и, чем дальше отклонения от средней нормы, тем меньше число особей будет обладать такими отличиями. Степень варьирования признака или пределы модификационной изменчивости называют нормой реакции.

Широта нормы реакции обусловлена генотипом и зависит от важности признака в жизнедеятельности организма. Это означает, что хотя направленность изменений одинакова, степень изменений у разных организмов различна.

Узкая норма реакции свойственна таким признакам, как размеры сердца, головного мозга, форма и размеры цветка.

В то же время количество жира в организме млекопитающих изменяется в широких пределах. Очень сильно изменчивы размеры листьев растений.

2 .3 Береза бородавчатая, или поникшая, или повислая (Betulapendula)

Местообитание - на рыхлых, светлых слаборазвитых почвах, не переносит чрезмерного затенения. Нетребовательна к климатическим условиям. При этом важную роль играет необычайно белая кора, которая отражает большую часть поступающего солнечного излучения. Это эффективное средство по приспосабливаемости на сильно и постоянно освещенных солнцем местах обитания.

Признаки: высотой до 20 метров. Ствол прямой или искривленный, иногда наклонен в одну сторону. Ветки очень длинные и стройные. Кора гладкая, серебристо-матовая, с отдельными серо-белыми поперечными отметинами. Кора пропитана особым веществом - бетулином. Листья длиной 2-6 см, округло-овальные или треугольные, иногда ромбовидные, длинно-черешковые, двоякопильчатые, с обеих сторон голые, (неопушенные) кажутся очень тонкими и легкими. Растение однодомное, т.е. женские и мужские цветки в виде соцветий "сережка" находятся на одном растении. Мужские сережки длиной 3-6 см, в начале коричневые, затем светло-желтые, женские сережки в начале зеленоватые, также неприметные в период цветения, во время созревания семян в летний период увеличиваются в размере и ранней осенью приобретают коричневую окраску.

Березы чрезвычайно быстро распространяются на гарях, заброшенных участках, вырубках.

I
II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Р
абота проводилась в период август - октябрь 2018г. в г. Йошкар-Ола, переулок Лени Голикова 4а, МБОУ СШ № 13. Материалом для исследования послужили листья березы повислой, посаженные выпускниками школы в 1972 году. С южной и северной стороны школьного здания было выбрано по одной березе приблизительно одного возраста.

С каждой березы было сорвано по 100 листьев без выбора.

При выполнении работы использовались методы: измерения, сравнения, сопоставления, анализа результатов, составление таблиц, построение графиков, статистическая обработка материалов.

IV. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Развитие фенотипа организма определяется взаимодействием его наследственной основой - генотипа - с условиями внешней среды. При одном и том же генотипе, но при разных условиях развития признаки организма (его фенотип) могут существенно различаться. Границы модификационной изменчивости для разных признаков и при разных условиях могут быть очень различными.

Пределы модификационной изменчивости признака называют его нормой реакции. Одни признаки (например, размеры листьев растений) обладают очень широкой нормой реакции.

Каковы же статистические закономерности модификационной изменчивости длины листьев березы повислой, растущих на южной и северной сторонах от школьного здания.

4.1 Южная сторона

С одной березы с южной стороны было сорвано без разбора 100 листьев.

Измерена длина листовой пластинки каждого листа. Все 100 листьев расположили в порядке нарастания признака - это длины листа. В результате получился ряд изменчивости данного признака, который называется вариационным рядом, слагающегося из отдельных вариант.

В ариационный ряд длины листьев № 1

Размеры листьев варьируются в довольно широких пределах от 3,0 см до 8,0 см. Эта изменчивость - результат разных условий развития листьев на ветвях дерева; генотип их одинаков.

Далее подсчитали число отдельных вариант в вариационном ряду, где U - варианта, Р - частота встречаемости вариант.

Результаты подсчетов занесли в таблицу № 1, где U - варианта, Р - частота встречаемости вариант.

Таблица №1

Частота встречаемости вариант березы повислой (южная сторона)

Если сложить ряд нижних цифр, получится 100, что и соответствует числу отдельных наблюдений. Распределение вариант в вариационном ряду наглядно отражаем на графике. Получилась вариационная кривая.

В ариационная кривая № 1

Используя данные вариационной кривой определена средняя величина признака (длины листа) равная 5,9 см.

Частота встречаемости отдельных вариант в вариационном ряду (южная сторона)

Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что частота встречаемости средних членов вариационного ряда не отличается от вариант с наименьшим и наибольшим значением признака.

Среднее значение признака можно рассчитать по формуле M=Σ(U*P)/n
В нашем случае расчеты будут следующие:
М=(3,0*1)+(4,0*12)+(4,5*1)+(5,0*17)+(5,5*2)+(6,0*33)+(6,5*6)+(7,0*22)+(7,5*1)+(8,0*5)/100=5,9. Среднее значение признака составляет 5,9 см.

4.2 Северная сторона

С одной березы с северной стороны было сорвано без разбора 100 листьев. Измерена длина листовой пластинки каждого листа. Все 100 листьев расположили в порядке нарастания признака - это длины листа. В результате получился ряд изменчивости данного признака, который называется вариационным рядом, слагающегося из отдельных вариант.

В ариационный ряд длины листьев № 2

Размеры листьев варьируются в довольно широких пределах от 3,0 см до 8,0 см. Эта изменчивость - результат разных условий развития листьев на ветвях дерева; генотип их одинаков.

Далее подсчитали число отдельных вариант в вариационном ряду, где U - варианта, Р - частота встречаемости вариант.

Результаты подсчетов занесли в таблицу № 2, где U - варианта, Р - частота встречаемости вариант.

Таблица №2

Частота встречаемости вариант березы повислой (северная сторона)

Если сложить ряд нижних цифр, получится 100, что и соответствует числу отдельных наблюдений. Распределение вариант в вариационном ряду наглядно отражаем на графике. Получилась вариационная кривая.

В ариационная кривая №2

Используя данные вариационной кривой, определена средняя величина признака (длины листа), равная 5,26 см.

Частота встречаемости отдельных вариант в вариационном ряду (северная сторона)

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что частота встречаемости признаков с наибольшим значением длины листьев составляет 40%, а с наименьшим только 25%.

Среднее значение признака можно рассчитать по формуле M=Σ(U*P)/n
В нашем случае расчеты будут следующие:
М=(3*5)+(3,5*2)+(4,0*13)+(4,5*5)+(5,0*29)+(5,5*6)+(6,0*28)+(6,5*3)+(7,0*8)+(8,0*1)/100=5,26. Среднее значение составляет 5,26 см. Эта величина совпадает со значением на вариационной кривой.

Какими же причинами вызвано такое распределение вариант в вариационных рядах? Причина этого - внешняя среда и воздействие ее на организм.

Березы, растущие на южной и северной сторонах от школьного здания, развиваются и обитают в определенных внешних условиях, испытывая на себе действие факторов внешней среды - колебаний температур, освещенности, влажности, наличия питательных элементов. Все это создает разные условия развития листьев на ветвях березы.

На березе с северной стороны 40% листьев имела наибольшие значения признака от 6,0-8,0 см. Для получения таких результатов необходимо, чтобы сочетание всех факторов среды оказалось наиболее благоприятным.

Но 25% листьев березы повислой испытывали воздействие факторов среды, которые задерживали развитие признака. К ним можно отнести недостаточное освещение, конкуренция с соседними растениями.

У березы с южной стороны 33% листьев имеют наименьшее выражение признака, т.е. длины листьев, испытывая воздействие таких факторов среды, как максимальное освещение, недостаток влаги и питательных веществ.

На березах с северной и южной сторон среднее значение признака - длины листьев практически одинаково и составляет 34%.

Чем однообразнее условия развития признака, тем меньше выражена модификационная изменчивость, тем короче будет вариационный ряд, чем разнообразнее условия среды, тем шире модификационная изменчивость.

В ходе проведенного исследования было определено среднее значение длины листа березы повислой на южной и северной сторонах двумя способами: графически и расчетами по формуле.

На южной стороне среднее значение признака составило – 5,9 см. На северной - оба значения совпали и составили 5,26 см.

Такое различие объясняется не только воздействием внешних факторов, но и анатомическим строением листьев при различных условиях освещения.

Листья, выросшие в условиях яркого солнечного освещения (световые листья) имеют столбчатую и губчатую паренхиму.

Наружные стенки клеток эпидермиса сильно утолщены.

Столбчатая паренхима имеет в своих клетках больше хлорофилловых зерен, чем губчатая, в связи с чем верхний слой листа имеет более интенсивную зеленую окраску. И здесь процесс фотосинтеза - образование крахмала из воды и углекислого газа, протекает наиболее интенсивно. Хлорофилловые зерна в столбчатых клетках располагаются равномерно и вдоль продольных стенок столбчатых клеток. Благодаря этому свет, проникая в клетку, распределяется по всей ее полости равномерно, освещая все хлорофилловые зерна.

Поэтому листья березы с южной стороны имеют интенсивную зеленую окраску с утолщенными наружными стенками клеток эпидермиса.

У листьев растений, выросших в затенении (теневые листья) почти нет столбчатой паренхимы с хлорофилловыми зернами. А имеется только губчатая ткань, состоящая из округлых клеток. Здесь меньше хлорофилловых зерен и процесс фотосинтеза здесь менее интенсивен. Поэтому листья березы с северной стороны имеют светлую зеленую окраску. Наружные стенки клеток эпидермиса тонкие и тонкие листья, без утолщенных наружных стенок.

V. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

По результатам выполненной исследовательской работы на тему:
«Статистические закономерности модификационной изменчивости длины листьев Березы бородавчатой или повислой (Betula pendula) при разных условиях» можно сделать выводы:

1) Построены вариационные ряды изменчивости длины листьев березы, произрастающие с северной и южной сторон здания школы. На основании вариационных рядов определена частота встречаемости отдельных вариант.

2) Графически и по формуле M=Σ(U*P)/n определены средние значения длины листьев березы с северной и южной сторон.

Северная сторона: 5,26 см.

Южная сторона: 5,9 см.

Такое различие в значениях объясняется воздействием внешних факторов, и анатомическим строением листьев.

Листья с южной стороны - темно-зеленые, утолщенные, имеют столбчатую паренхиму с большим количеством хлорофилловых зерен.

Листья с северной стороны - имеют светлую зеленую окраску, отсутствует столбчатая ткань, меньше хлорофилловых зерен, листья тонкие из-за тонких наружных стенок клеток эпидермиса.

3) определены статистические закономерности модификационной изменчивости листьев березы повислой:

а) на березе с северной стороны 40 % листьев имели наибольшее значение признака от 6,0 до 8,0 см.

Существует зависимость между размером листьев и условиями внешней среды. Укрупнение листьев происходит там, где освещение умеренное, а воздух насыщен влагой.

б) 25 % с северной стороны испытывали воздействие факторов среды, которые задерживали развитие признака, и наименьшее значение изучаемого признака составляет от 3,0 до 4,5 см.

в) на березе с южной стороны частота встречаемости средних членов вариационного ряда не отличаются от вариант с наименьшим и наибольшим значениями признака и составляет по 33 %. Это результат равномерного воздействия факторов среды: колебаний температуры, освещенности, влажности, наличия питательных веществ. Равномерность воздействия внешней среды объясняется и анатомическим строением листьев, выросших в условиях яркого солнечного освещения. Чем однообразнее условия развития изучаемого признака, тем меньше выражена модификационная изменчивость, тем короче будет вариационный ряд. Чем разнообразнее будет вариационный ряд, тем шире модификационная изменчивость.

4) Выдвинутая гипотеза подтвердилась.

VI. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Генкель П.А., Кудряшов Л.В. Ботаника: пособие для учителей. - Москва: издательство «Просвещение», 1964, - 695с.: ил.

Захаров В.Б. Общая биология: Учеб. для 10-11кл. общеобразоват. учреждений.-М.: Дрофа, 2004.-624с.: ил.

Константинов В.М. Биология: учебник для образоват. учреждений нач.и сред. проф. образования-М., «Академия»,2011

Кремер Б.П. Деревья:Местные и завезенные виды Европы: Пер. с нем./Б.П. Кремер, - М.: «Издательство Астрель: ООО «Издательство АСТ», 2002, - 288с.: ил. - (Путеводитель по природе).

Общая биология: учеб. для 10-11кл. сред. шк./Д.К. Беляев, А.О. Рувинский, Н.Н. Воронцов и др.; Под ред. Д.К. Беляева, А.О. Рувинского.-М.: Просвещение, 1991.-271с.: ил.

Пекпаев А.А. Мы изучаем природу: Книга о природе родного края для учащихся III-IV классов.- Йошкар-Ола: Марийское книжное издательство, 1995,-136с.

Пименова И.Н., Пименов А.В. Лекции по общей биологии.-Саратов «Лицей»,2003

Полянский Ю.И. Общая биология, Москва «Просвещение», 1984.

Школьный экологический мониторинг: Учебно-методическое пособие/Под ред. Т.Я. Ашихминой.-М.:АГАР,2000.

Энциклопедия для детей. [Т.2.]. Биология. - 6-е изд., испр./ред. коллегия: М. Аксенова, Г. Вильчек и др. - М.: Мир энциклопедий Аванта +, Астрель, 2007.-672с.:ил.