Влияния света на жизнь живых организмов
План
Введение.
1 .Теоретическая часть. Влияние света на организм человека, животных, растений.
1.1 .В объятиях солнца. Избирательность действия света.
1.2. Ультрафиолетовое излучение. Влияние на человека.
1.3. Видимый свет.
б) Фотопериодизм у животных.
в) Гормоны - водители фотопериодических ритмов.
г) Органы - рецепторы.
П. Самостоятельное исследование -1
2. Влияние света на развитие и рост растений.
2.1. Свет как сигнальный управляющий энергетический фактор.
а) Движение растущих органов.
б) Фототропизм.
Методика проведения исследования -1а.
в) Геотропизм.
Методика проведения исследования -16 и 1в.
г) Поведение растений в состоянии невесомости.
д) Ростовые вещества растений.
е) Хемотропизм.
ж) Гидротропизм.
з) Тигмотропизм.
к) Прочие тропизмы.
III. Самостоятельное исследование -2. Влияние различных концентраций ауксина на рост побегов у растений. Методика проведения исследования -2. Выводы. Приложение. Список литературы.
Введение
Актуальность исследования. Одно из популярных направлений биологических исследований в настоящее время - изучение влияния света на жизнь живых организмов. Основы фотобиологических наук заложены крупнейшими учёными: Д. Дьюсбери, К. Лоренц, Ф. Кегель. Несмотря на наличие большого количества научных работ по этой проблеме, многие вопросы до сих пор ещё недостаточно исследованы.
Ежедневно живые организмы подвергаются воздействию солнечного света и света от искусственных источников. Под действием света в клетках организмов осуществляются многие очень важные фотобиологические процессы.
Зная, что фотобиологические явления есть в животном и растительном мире, мы поставили перед собой цель: изучить некоторые фотобиологические процессы, влияющие на физиологические процессы организма или вызывающие какие-либо особенные явления в организме животного, растения, связанные с воздействием света.
Гипотеза: Если свет является важнейшим биоэкологическим фактором, то в ходе эволюции у многих живых организмов выработались приспособления для более полного использования света.
Для достижения поставленной цели я рассмотрел следующие задачи:
1.Рассмотреть теоретический материал, в котором представлены различные взгляды ученых на происхождение и протекание физических процессов в живом организме.
2.Проанализировать и сопоставить различные физиологические механизмы, лежащие в основе физиологических процессов, связанных с воздействием света.
3.Найти черты сходства в механизмах светового воздействия на организм растений.
4.Экспериментально доказать, что свет является экологическим фактором, влияющим на такой процесс, как рост и движение растений.
1. Теоретическая часть. Влияние света на организм растений
1.1. Свет – источник энергии
Всё живое на Земле связано со средой обитания, которая включает разнообразные географические области и населяющие их сообщества живых организмов. По характеру действия связи организмов со средой могут быть абиотическими (сюда относятся факторы неживой природы, физические и химические условия среды) и биотическими (факторы живой природы, межвидовые и внутривидовые взаимоотношения). Жизнедеятельность организмов невозможна без постоянного притока энергии извне. Её источником является Солнце. Вращение Земли вокруг своей оси приводит к неравномерному распределению энергии Солнца, его тепловое излучения. В связи с этим атмосфера над сушей и океаном нагреваются неодинаково, а различия в температуре местности и давлении вызывают перемещения воздушных масс, изменения влажности воздуха что влияет на ход химической реакции, физических превращений и прямо или косвенно на все биологические явления (характер расселения жизни, биоритмы и т. п.). Регулирующее влияние на плотность жизни оказывает комплекс факторов: свет, температура, вода, минеральные питательные вещества и др. Эволюция жизни осуществлялась в направлении эффективного приспособления с этим факторам: колебания влажности, освещения, температуры, ветра, силы тяжести и др. Взаимосвязи организмов между собой и со средой обитания изучает наука экология. Рассмотрим значение отдельных экологических факторов.
Свет основной источник энергии на Земле. Природа света двойственна: с одной стороны он представляет собой поток элементарных физических частиц корпускул, или фотонов, не имеющих заряда, с другой обладает волновыми свойствами. Чем меньше длина волн фотона, тем выше его энергия, и наоборот. Энергия фотонов служит источником обеспечения энергетических потребностей растений при фотосинтезе, поэтому, после зеленое растение не может существовать без света.
Освещённость
Свет (освещенность) представляет собой мощный стимул активности организмов фотопериодизма в жизни растений (рост, цветение, опадение листвы) и животных (линька, накопление жира, миграции и размножения птиц и млекопитающих, наступление стадии покоя диапаузы, поведенческие реакции и др.).
Продолжительность светового дня зависит от географической широты. С итм связано существование растений длинного дня, цветение которых наступает при продолжительности светлого периода суток 12 ч и менее (большинство тропических цветковых растений, соя, просо, конопля, кукуруза и многие другие растения умеренной зоны). Но есть растения, цветение которых не зависит от длины дня (томаты, одуванчик и др.). Ритмы освещенности вызывают у животных различную активность в дневное и ночное время суток или в сумерки, а также сезонные явления: весной подготовку к размножению, осенью к зимней спячке, линьку.
Коротковолновая радиостанция Солнце (290 нм) представляет собой ультрафиолетовые лучи (УФ). Большая часть их поглощается слоем озона в верхних участках атмосфера; на Землю проникают УФ-лучи с меньшей энергией (300-400 нм), которые губительны для многих микроорганизмов и их спор; в организме человека и животных эти лучи активируют синтез витамина Д из холестерина и образование пигментов кожи и глаза.
Радиация
Средневолновая радиация (600-700 нм) представляет собой оранжевую часть спектра и поглощается растением при фотосинтезе. Как проявление приспособительных реакций на смену дня и ночи, у животных и человека наблюдается суточная ритмичность интенсивности обмена веществ, часть дыхания, сердечных сокращений и уровня кровяного давления, температуры тела, клеточных делений и т. д. У человека выявлено более ста физиологических процессов биоритмологического характера, благодаря которым у здоровых людей наблюдается согласованность различных функций. Исследование биоритмов имеет большее значение для разработки мер, облегчающих адаптацию человека к новым условиям при дальних перелетах, переселении людей в районы Сибири, Дальнего Востока, Севера, Антарктиды. Считают, что нарушение регуляторных механизмов по поддерживанию внутренней среды организма (гомеостаза) последствие урбанизации и индустриализации: чем дольше организм от внешних изолирован от внешних климатических факторов и находится в комфортных условиях микроклимата помещения, тем заметнее снижаются его приспособительные реакции к перемене погодных факторов, нарушается способность к терморегуляции, чаще возникает расстройства сердечно-сосудистой деятельности.
Биологический эффект
Биологический эффект фотонов состоит в том, что их энергия в организме животных вызывает возбуждённое состояние электронов в молекулах пигментов (порфиритов, каротиноидов, флавинов), которые возникший избыток своей энергии передают другим молекулам, и таким путем запускается цепь химических превращений.
Белки и нуклеиновые кислоты поглощают УФ-лучи с длиной волны 250-320 нм, что может вызвать генетический эффект (генные мутации); лучи меньшей длины (200 нм и меньше) не только возбуждают молекулы, но и могут их разрушать. В последние годы большое влияние уделяется изучению процесса реактивации – способность клеток микроорганизмов ослаблять и полностью устранять повреждающий эффект УФ-облучение ДНК, если облучённые клетки выращивать затем не в темноте, а на видимом свету. Фотореактивация явление универсальное, осуществляется при участии специфических клеточных ферментов, действие которых активируется квантами света определённой длины волны.
2.1. Влияние света на организм растений
а) Движение растущих органов растений
Особое значение в жизни растения имеет свет. Он может вызвать движения растений.
У живых существ самое заметное проявление в жизни - это движение. Это относится и к растениям. Хочу отметить, что способность к быстрым движениям не является признаком высокой организации - это следствие способа питания. Растению нет необходимости гоняться за пищей, так как углекислый газ, минеральные соли, вода и свет есть повсюду в окружающей среде.
На первый взгляд кажется, что растение не способно к самостоятельному движению. Однако при внимательном наблюдении можно заметить, что оно обладает ясно выраженной подвижностью
У растения очень медленно движутся органы: листья, стебли, корни, цветы. Движутся они путем изгиба или скручивания. Движения органов растений многообразны. Я остановилась на некоторых из них. Меня очень заинтересовало движение, связанное с ростом.
б) Фототропизм
Фототропные реакции растений можно наблюдать в природе и у комнатных растений. Комнатные растения особенно часто реагируют на одностороннее освещение ростовыми движениями - характерным положением стебля и листьев.
Методика проведения исследования
Опыт 1
Для исследования я взял растение пеларгонию (герань)
Все листовые пластинки были обращены к окну, к свету. Я развернул это растение на 90°. На следующий день уже было заметно движение листьев, через 15 дней появился изгиб стеблей в сторону света к окну.
[pic]
Особенно ясно, что вызываемые светом движения можно наблюдать у молодых проростков пшеницы, если их прикрыть картонной коробкой с небольшим отверстием в одной из стенок.
Через 4 дня все проростки резко согнулись по направлению к падающему на них через это отверстие свету. Я повернул чашку с проростками так, чтобы они оказались обращенными от света, и увидел через 3 дня, что проростки согнулись в обратную сторону, но опять-таки направленному к свету.
Знакомство ботаников с явлением фототропизма привело к новым открытиям. Были открыты новые вещества, названные фотогормонами, или ростовыми веществами.
Опыты Дарвина с канареечной травой подтвердили мысль о том, что в основе фототропизма лежит распространение вдоль проростка некоторого вещества, содержащегося в его верхушке. Верхушка проростка поставляет некое химическое вещество, и его перемещение определяет изгиб при одностороннем освещении. Академик Н.Г. Холодный и голландский ученый Ф. Вент в 1928 году дали объяснение изгибам проростков. Они создали гормональную теорию тропизма, суть ее в следующем: под влиянием одностороннего освещения гормон смещается на затемненную сторону проростка. Повышение его концентрации вызывает усиление роста, и проросток изгибается по направлению к свету. Доктор Ф. Вент обнаружил этот гормон в верхушках колеоптилий овса. Это основной гормон роста - ауксин.
Результаты исследования
По углу искривления судят о концентрации гормона. Чем больше угол, тем больше гормона ауксина в этих клетках.
в) Геотропизм
После того, как мы рассмотрели многообразие влияний света на растения, обратимся теперь к тому источнику раздражения, который мы не можем ни увидеть, ни услышать, ни понюхать, ни попробовать на вкус, ни потрогать, но все-таки чувствуем его. Сила его воздействия на земле повсюду одинакова. Наряду со светом он представляет основной фактор, определяющий положение растений в пространстве. Речь идет о способности всех растений воспринимать земное притяжение и реагировать на него. Это называют геотропизмом.
Геотропизм - это такое движение, при котором корни и стебли располагаются по прямой, направленной к центру земли при условии равномерного питания и освещения.
Растение всегда строго определенным образом расположено в пространстве. Корни его идут вниз, в землю, а стебли поднимаются вверх и раскидывают свои листья, подставляя их солнечным лучам. Кому не приходилось наблюдать, как поднимаются вверх стволы вековых сосен и елей, как прямо вверх выносят свои колосья хлебные злаки, как ровно стоят стебли подсолнечника или кукурузы.
Семена растений падают на землю в различных положениях, строго вертикальное положение стеблей достигается не тем, как ляжет семя при своем падении на землю, а направленными движениями вверх молодых растущих проростков. Эти движения обнаружить очень легко.
Опыт 2
Особенно ясно, что вызываемые светом движения можно наблюдать у молодых проростков ячменя, если их прикрыть картонной коробкой с небольшим отверстием в одной из стенок.
Через 4 дня все проростки резко согнулись по направлению к падающему на них через это отверстие свету. Я повернул чашку с проростками так, чтобы они оказались обращенными от света, и увидела через 3 дня, что проростки согнулись в обратную сторону, но опять-таки направленному к свету.
Я взял крупные семена гороха, намочил в воде и дал им наклюнуться, т.е. дождался того, чтобы корешок показался из кожуры и самые сильные поместил в стеклянную трубку. Чтобы прорастающие семена были во влажной среде, поместил трубку с семенами в чашку Петри, на дне которой была вода. И стал наблюдать за поведением молодого корешка и стебелька.
Через 5 дней вытянувшийся корешок и стебелек приняли горизонтальное положение.
Через 7 дней я увидел, что корешок проростка изогнулся вниз, а стебелек принял положение вверх.
Я повернул трубку и проросшее семя на 180°, чтобы корешок был направлен вверх, а стебелек вниз.
Через 7 дней было видно, что корешок и проросток опять изменили свое положение. Корешок проростка направлен вниз, а стебелек изогнулся вверх.
При этом растение приняло причудливую форму. Повернем еще раз - опять получим новые изгибы.
Методика проведения исследования-lв
Опыт 3. Я взяла 7 проростков фасоли и положила в чашку Петри закрыла полотенцем и поставила в шкаф. Ещё семь (контрольный) проростков фасоли поставила на подоконник.
[pic] [pic]
Результат: проростки фасоли стоявшие в шкафу затормозили, можно даже сказать остановились в росте. А те, которые стояли на подоконнике хорошо росли.
Опыт 4
Я проделала такое же исследование со стеблем растения Пеларгония.
Комнатные растения в горшке положила на бок. Через несколько дней побег согнулся, и его верхняя часть снова приняла вертикальное положение.
[pic] [pic]
Результаты исследования
Прочитала в энциклопедии. Изгибы стеблей совершаются следующим образом: пока стебель растет прямо, выделяемый ауксин (природный ауксин представляет собой индо-лил - 3 - уксусную кислоту сокращено ИУК. Индолилуксусная кислота образуется у всех высших растений) из растущей верхушки спускается вниз по стеблю, равномерно распределяясь по всем его сторонам, которые растут с одинаковой скоростью. Но если стебель положить горизонтально, ауксин начнёт концентрироваться преимущественно на нижней стороне, которая станет расти быстрее и стебель изогнется к верху. Изгиб будет продолжаться до тех пор, пока верхушка не примет снова вертикальное положение, и ауксин окажется вновь равномерно расположенным по всем сторонам стебля.
Из литературы.
Поведение растений в состоянии невесомости
В 1974 - 1975 годах на борту орбитальной станции „Салют-4" проводились эксперименты по изучению влияния факторов полета на прорастания семян и рост растений. Опыты с горохом показали, что начальная фаза роста проростков в космосе не отличается от земных. В дальнейшем рост проростков в условиях невесомости замедлялся, и они погибали на разных стадиях развития. Следовательно, сила тяжести - необходимый экологический фактор для роста и размножения растений.
Это способность всех растений воспринимать земное притяжение и реагировать на него.
Я проделал такое же исследование с более взрослыми растениями: Бегония и Катарантус.
Комнатные растения в горшке положили на бок. Через несколько дней побег согнулся, и его верхняя часть снова приняла вертикальное положение.
Результаты исследования
Проведенные исследования показывают, что изгибы корня и стебля -следствие одностороннего действия силы тяжести.
г) Поведение растений в состоянии невесомости
В 1974 - 1975 годах на борту орбитальной станции „Салют-4" проводились эксперименты по изучению влияния факторов полета на прорастания семян и рост растений. Опыты с горохом показали, что начальная фаза роста проростков в космосе не отличается от земных. В дальнейшем рост проростков в условиях невесомости замедлялся, и они погибали на разных стадиях развития. Следовательно, сила тяжести - необходимый экологический фактор для роста и размножения растений.
Это способность всех растений воспринимать земное притяжение и реагировать на него.
Растения, в отличие от животных, не имеют нервной системы. Передача принятых раздражений у растений идет, не в виде пробегающего по нервам биотока, как происходит у животных, а в виде растекающегося из точки роста потока, особого вещества - ауксина.
д) Ростовые вещества растений
Изгибы стеблей совершаются следующим образом: пока стебель растет прямо, выделяемый ауксин из растущей верхушки спускается вниз по стеблю, равномерно распределяясь по всем его сторонам, которые растут с одинаковой скоростью. Но если стебель положить горизонтально, ауксин начнёт концентрироваться преимущественно на нижней стороне, которая станет расти быстрее и стебель изогнется к верху. Изгиб будет продолжаться до тех пор, пока верхушка не примет снова вертикальное положение, и ауксин окажется вновь равномерно расположенным по всем сторонам стебля.
Немецкий химик Ф. Кегель в 1932 году определил химическую природу растительного гормона - ауксина. Природный ауксин представляет собой индо-лил - 3 - уксусную кислоту сокращено ИУК. Индолилуксусная кислота образуется у всех высших растений. Ауксин образуется в быстрорастущих меристемах побегов, семяпочках, листьях. Количество ауксина в растениях ничтожно мало. Много ауксина находиться в созревших семенах злаков, особенно в кукурузе — до 100 миллиграммов на 1 кг семян.
Несколько труднее оказалось решить другой вопрос: почему корень изгибается вниз, а не вверх. Ауксин в корне скапливается преимущественно на нижней стороне.
Но здесь сказывается замечательное свойство ауксина: он усиливает рост лишь до тех пор, пока его мало.
Различные органы растений не одинаково чувствительны к ауксину. Те его количества, которые усиливают рост стеблей, могут тормозить рост корней. Различная чувствительность корня и стебля к ауксину - вот в чем лежала разгадка их неодинакового поведения при горизонтальном положении проростка гороха. Эту разгадку принесли нам исследования ученого академика Н.Г. Холодного.
Способность растений изгибаться под влиянием одностороннего освещения также вызывается неравномерным ростом. Быстрее растет сторона проростка, удаленная от света, а задерживается в росте сторона, обращенная к свету. Такие различия в скорости роста также связаны с неравномерным распределением спускающегося по проростку ауксина. Под влиянием света поток ауксина отклоняется на слабо освещенную сторону и, усиливая рост, вызывает наклон всего проростка по направлению к свету.
е) Хемотропизм
Не только свет и сила тяжести, но и химические вещества тоже могут вызвать направленные ростовые движения. Раздражение вызывают растворенные и газообразные вещества. Если ответная реакция обнаруживается при повышении концентрации - говорят о положительном хемотропизме, а в противоположных случаях - об отрицательном. Корни проявляют положительный хемотропизм к фосфатам, двуокиси углерода и кислороду. Это помогает им находить богатые питательными веществами и хорошо проветриваемые почвы. Все хемотропные ответные реакции представляют собой ростовые движения.
ж) Гидротропизм
Если ростовые изгибы происходят под влиянием воды или уменьшения влажности воздуха, то говорят о гидротропизме. Движения в направлении более высокой влажности называют положительным гидротропизмом, а в противоположном - отрицательным.
Гидротропные ответные реакции экологически рациональны, так как вода оказывает влияние на жизнь растений всей нашей планеты.
з) Тигмотропизм
Тигмотропизм - это ответные направленные реакции растений, вызываемые раздражением от прикосновения. Восприятие раздражений, вероятно, связано с некоторой деформацией цитоплазмы.
к) Прочие тропизмы
Изменения положений органов растений могут быть вызваны электрическими, термическими и раневыми раздражениями. Эти тропизмы играют в природе подчинённую роль. Если растение изгибается в сторону источника тепла, то происходит положительная термотропная ответная реакция. Один из феноменов, давно уже привлекавший к себе внимание исследователей, - это возможность вызвать у растений направленные движения с помощью электрического тока. Однако сила используемого тока должна быть очень небольшой. У корней особенно восприимчивы к действию тока их кончики, а изгибаются корни при этом в направлении, поперечном движению тока, отклоняясь в сторону положительного электрода. Положительно электротропны также колеоптили овса.
Травматропные движения вызываются нанесением растению ран или других повреждающих раздражений. Корни, в общем, отрицательно, а колеоптилии положительно травматропны. Механической причиной (например, надрезанием или уколом) или какой-либо другой (химической или тепловой ожог и т.п.) вызвано раздражение - значения не имеет. В основе изгибов, появляющихся вследствие нанесения ранений, лежат изменения в направлении роста.
III. Самостоятельное исследование - 2
Влияние различных концентраций ауксина на рост побегов
Методика проведения исследования-2
1. Шесть пробирок и 6 чашек подписать буквами от А до Е.
2. В каждую пробирку внести 18 мл 2% раствора сахарозы.
3. Добавить в пробирку А 2 мл ИУК, перемешать.
4. Добавить в пробирку Б 2мл ИУК, перемешать.
5. Используя каждый раз другую пипетку, перенести 2 мл из пробирки Б в пробирку В, перемешать; затем - 2 мл из пробирки В, в пробирку Г, затем 2 мл из Г в Д.
6. В пробирку Е добавить 2 мл воды.
7. Перенести растворы из пробирок А-Е в чашку А-Е с проростками. Измерить длину побега.
8. Чашки оставить в темноте на 4 дня при комнатной температуре.
9. Измерить длину побегов через 4 дня.
10. Построить график зависимости средней длины побегов от концентрации ИУК. (см. приложение рис.19;20.)
Результаты исследования-2
Рост проростков зависит от концентрации ауксина.
Ауксин стимулирует рост побегов и подавляет рост корней.
Выводы
Проведя анализ различных процессов, связанных с воздействием света на живые организмы, можно сделать следующие выводы:
1.Весь оптический диапазон электромагнитного излучения Солнца и искусственных источников активно воздействует на организмы: человека, животных, растений.
2.Наиболее острые эффекты вызываются ультрафиолетовым светом. Видимое излучение не вызывает патологических реакций и является эффективным регулятором биологических ритмов, а в некоторых случаях и терапевтическим эффектом.
3.Несмотря на огромные разнообразия и очевидные различия описанных процессов можно выявить некоторые общие стадии и закономерности.
Общая модель (схема)
Протекание физиологических процессов, связанных с воздействием света.
раздражитель -► рецептор -► передача сигнала -► эффектор -►реакция (свет) (свето- (ауксин) чувствительные молекулы)
Каждый фотобиотический процесс начинается с поглощения квантов света. Второй этап - образование фотопродуктов. Третий этап - фотопродукты вступают в темновые биохимические реакции. Они могут приводить к локальным (на уровне отдельных органов и тканей) или системным (на уровне всего организма) физиологическим эффектам.
Список используемой литературы
1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. - Биология. 2 том Москва. «Мир» 2010г.;
2. Миллер Т. - Жизнь в окружающей среде. 2том «Пангея» 2008г.;
3. Владимиров Ю.А. - Физико-химические основы фотобиологических процессов. Москва. Высшая школа. 1989г.;
4. Небель Б. - Наука об окружающей среде. 1том «Мир» 1993г.;
5. Рейнхольд Вайнар Движения у растений. Москва. «Знание» 2004г.;
6. Максимов Н.А. - Как живёт растение. Москва. «Колос» 2007г.;
7. Виленский Е.Р. - Растение раскрывает свои тайны. Москва. «Колос» 1984г.;
8. Справочник по биологии. - Москва. «Олимп» 2000г.;
9. Дмитриев Е. "Течёт река солнечная" "Наука и жизнь" №7 - 2001г. 10. Иванов Е. "Энергия солнечного света" Аванта +. Астрономия. 2000г.
Заключение.
Проведя анализ различных процессов, связанных с воздействием света на живые организмы, можно сделать следующие выводы:
1.Весь оптический диапазон электромагнитного излучения Солнца и искусственных источников активно воздействует на организмы: растений.
2. Рост проростков зависит от концентрации ауксина. Ауксин стимулирует рост побегов и подавляет рост корней.
3. Фитонциды, выделяемые одними растениями, могут тормозить на рост других.
Список используемой литературы
1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. - Биология. 2 том Москва. «Мир» 1996г.;
2. Миллер Т. - Жизнь в окружающей среде. 2том «Пангея» 1994г.;
3. Владимиров Ю.А. - Физико-химические основы фотобиологических процессов. Москва. Высшая школа. 1989г.;
4. Рейнхольд Вайнар Движения у растений. Москва. «Знание» 1987г.;
5. Максимов Н.А. - Как живёт растение. Москва. «Колос» 1966г.;
6. Виленский Е.Р. - Растение раскрывает свои тайны. Москва. «Колос» 1984г.;
7. Интернет ресурсы.
