ФИЗИКА

БИОЛОГИЯ

Растения и их электрический потенциал.

Выполнил: Маркевич В.В.

ГБОУ ООШ № 740 г. Москва

9 класс

Руководитель: Козлова Виолетта Владимировна

учитель физики и математики

г. Москва 2013

Содержание

1. Введение

   1. Актуальность

   2. Цели и задачи работы

   3. Методы исследования

   4. Значимость работы

2. Анализ изученной литературы по теме «Электричество в жизни

растений»

1. 1. История исследования электрических свойств растений

   2. Биоэлектрические потенциалы в клетках растений

   3. Влияние атмосферного электричества на растения

   4. Ионизация воздуха в помещении

2. Методика и техника исследования

   1. Исследование токов повреждения у различных растений

      1. Эксперимент №1 (с лимонами)

      2. Эксперимент №2 (с яблоком)

      3. Эксперимент №3 (с листом растения)

   2. Исследование влияния электрического поля на прорастание семян

      1. Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян гороха

      2. Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян бобов

   3. Выводы

3. Заключение

4. Литература

Глава 1Введение

«Как ни удивительны электрические явления,

присущие неорганической материи, они не идут

ни в какое сравнение с теми, которые связаны с

жизненными процессами».

Майкл Фарадей

В данной работе мы обращаемся к одному из самых интересных и перспективных направлений исследований – влиянию физических условий на растения.

Изучая литературу по данному вопросу, я узнал, профессору П. П. Гуляеву с помощью высокочувствительной аппаратуры удалось установить, что слабое биоэлектрическое поле окружает любое живое и еще точно известно: каждая живая клетка имеет свою собственную электростанцию. И клеточные потенциалы не так уж малы. Например, у некоторых водорослей они достигают 0,15 В.

«Если 500 пар половинок горошин собрать в определенном порядке в серии, то конечное электрическое напряжение составит 500 вольт… Хорошо, что повар не знает об опасности, которая ему угрожает, когда он готовит это особенное блюдо, и к счастью для него, горошины не соединяются в упорядоченные серии». Это высказывание индийского исследователя Дж. Босса базируется на строгом научном эксперименте. Он соединял внутренние и внешние части горошины с гальванометром и нагревал до 60°С. Прибор при этом показывал разность потенциалов 0,5 В.

Каким образом это происходит? На каком принципе работают живые генераторы и батареи? Заместитель заведующего кафедрой живых систем Московского физико-технического института кандидат физико-математических наук Эдуард Трухан считает, что один из самых главных процессов, протекающих в клетке растения, - процесс усвоения солнечной энергии, процесс фотосинтеза.

Так что, если в тот момент ученым удастся «растащить» положительно и отрицательно заряженные частицы в разные стороны, то, по идее, мы получим в свое распоряжение замечательный живой генератор, топливом для которого служили бы вода и солнечный свет, а кроме энергии, он бы еще производил и чистый кислород.

Возможно, в будущем такой генератор и будет создан. Но для осуществления этой мечты ученым придется немало потрудиться: нужно отобрать наиболее подходящие растения, а может быть, даже научиться изготавливать хлорофилловые зерна искусственно, создать какие-то мембраны, которые бы позволили разделять заряды. Оказывается, живая клетка, запасая электрическую энергию в природных конденсаторах – внутриклеточных мембранах особых клеточных образований, митохондрий, потом использует ее для произведения очень многих работ: строительства новых молекул, затягивания внутрь клетки питательных веществ, регулирования собственной температуры… И это еще не все. С помощью электричества производит многие операции и само растение: дышит, движется, растет. [8]

Актуальность

Уже сегодня можно утверждать: изучение электрической жизни растений несет пользу сельскому хозяйству. Еще И. В. Мичурин проводил опыты по влиянию электрического тока на прорастание гибридных сеянцев.

Предпосевная обработка семян – важнейший элемент агротехники, позволяющий повышать их всхожесть, а в конечном итоге – урожайность растений.А это особенно важно в условиях нашего не очень длинного и теплого лета.

Цели и задачи работы

Целью работы является исследование наличия биоэлектрических потенциалов у растений и исследование влияния электрического поля на прорастание семян.

Для достижения цели исследования необходимо решить следующие задачи:

1. Изучение основных положений, касающихся учения о биоэлектрических потенциалах и влияния электрического поля на жизнедеятельность растений.

2. Проведение экспериментов по обнаружению и наблюдению токов повреждения у различных растений.

3. Проведение экспериментов по наблюдению влияния электрического поля на прорастание семян.

Методы исследования

Для выполнения задач исследования используется теоретический и практический методы. Теоретический метод: поиск, изучение и анализ научной и научно-популярной литературы по данному вопросу. Из практических методов исследования используется: наблюдение, измерение, проведение экспериментов.

Значимость работы

Материал данной работы может быть использован на уроках физики и биологии, так как в учебниках этот важный вопрос не освещается. А методика проведения экспериментов – как материал для практических занятий элективного курса.

Глава 2Анализ изученной литературы

История исследования электрических свойств растений

Один из характерных признаков живых организмов – способность к раздражению.

Чарльз Дарвин придавал важное значение раздражимости растений. Он детально изучил биологические особенности насекомоядных представителей растительного мира, отличающихся высокой чувствительностью, и результаты исследований изложил в замечательной книге «О насекомоядных растениях», вышедшей в свет в 1875 году. Кроме того, внимание великого натуралиста привлекли различные движения растений. В совокупности все исследования наводили на мысль, что растительный организм удивительно схож с животным.

Широкое использование электрофизиологических методов позволило физиологам животных достичь значительного прогресса в этой области знаний. Было установлено, что в организмах животных постоянно возникают электрические токи (биотоки), распространение которых и приводит к двигательным реакциям. Ч. Дарвин предположил, что сходные электрические явления имеют место и в листьях насекомоядных растений, обладающих довольно сильно выраженной способностью к движению. Однако сам он не проверял эту гипотезу. По его просьбе эксперименты с растением Венерина мухоловка были проведены в 1874 году физиологом Оксфордского университета Бурданом Сандерсоном. Подсоединив лист этого растения к гальванометру, ученый отметил, что стрелка тотчас же отклонилась. Значит, в живом листе этого насекомоядного растения возникают электрические импульсы. Когда исследователь вызвал раздражение листьев, прикоснувшись к расположенным на их поверхности щетинкам, стрелка гальванометра отклонилась в противоположную сторону, как в опыте с мышцей животного.

Немецкий физиолог Герман Мунк, продолживший опыты, в 1876 году пришел к заключению, что листья венериной мухоловки в электромоторном отношении подобны нервам, мускулам и электрическим органам некоторых животных.

В России электрофизиологические методы были использованы Н. К. Леваковским для изучения явлений раздражимости у стыдливой мимозы. В 1867 году он опубликовал книгу под названием «О движении раздражимых органов растений». В экспериментах Н. К. Леваковского самые сильные электрические сигналы наблюдались в тех экземплярах мимозы, которые наиболее энергично отвечали на внешние раздражители. Если мимозу быстро убить нагреванием, то мертвые части растения не вырабатывают электрических сигналов. Возникновение электрических импульсов автор наблюдал также в тычинках бодяка и чертополоха, в черешках листьев росянки. Впоследствии было установлено, что в любом растении можно обнаружить возникновение электрических потенциалов.

Биоэлектрические потенциалы в клетках растений

Жизнь растений связана с влагой. Поэтому электрические процессы в них наиболее полно проявляются при нормальном режиме увлажнения и затухают при увядании. Это связано с обменом зарядами между жидкостью и стенками капиллярных сосудов при протекании питательных растворов по капиллярам растений, а также с процессами обмена ионами между клетками и окружающей средой. Важнейшие для жизнедеятельности электрические поля возбуждаются в клетках.

Итак‚ нам известно‚ что…

1. Несомая ветром цветочная пыльца имеет отрицательный заряд‚ приближающийся по величине к заряду пылинок при пылевых бурях. Вблизи теряющих пыльцу растений резко изменяется соотношение между положительными и отрицательными легкими ионами‚ что благоприятно сказывается на дальнейшем развитии растений.

2. В практике распыления ядохимикатов в сельском хозяйстве выяснено‚ что на свеклу и яблоню в большей мере осаждаются химикаты с положительным зарядом‚ на сирень - с отрицательным.

3. Одностороннее освещение листа возбуждает электрическую разность потенциалов между освещенными и неосвещенными его участками и черешком‚ стеблем и корнем. Эта разность потенциалов выражает реакцию растения на изменения в его организме‚ связанные с началом или прекращением процесса фотосинтеза.

4. Прорастание семян в сильном электрическом поле (например‚ вблизи коронирующего электрода) приводит к изменениям высоты и толщины стебля и густоты кроны развивающихся растений. происходит это в основном благодаря перераспределению в организме растения под влиянием внешнего электрического поля объемного заряда.

5. Поврежденное место в тканях растений всегда заряжается отрицательно относительно неповрежденных участков‚ а отмирающие участки растений приобретают отрицательный заряд по отношению к участкам‚ растущим в нормальных условиях.

6. Заряженные семена культурных растений имеют сравнительно высокую электропроводность и поэтому быстро теряют заряд. Семена сорняков ближе по своим свойствам к диэлектрикам и могут сохранять заряд длительное время. Это используется для отделения на конвейере семян культурных растений от сорняков.

7. Значительные разности потенциалов в организме растений возбуждаться не могут‚ поскольку растения не имеют специализированного электрического органа. Поэтому среди растений не существует «древа смерти»‚ которое могло бы убивать живые существа своей электрической мощностью.[6]

Влияние атмосферного электричества на растения

Одна из характерных особенностей нашей планеты – наличие постоянного электрического поля в атмосфере. Человек не замечает его. Но электрическое состояние атмосферы не безразлично для него и других живых существ, населяющих нашу планету, включая растения. Над Землей на высоте 100-200 км, существует прослойка из положительно заряженных частиц – ионосфера.
Значит, когда идешь по полю, улице, скверу, то движешься в электрическом поле, вдыхаешь электрические заряды.

Влияние атмосферного электричества на растения исследовалось с 1748 года многими авторами. В этом году аббат Нолет сообщал об экспериментах, в которых он электризовал растения, поместив их под заряженные электроды. Он наблюдал ускорение прорастания и роста. Грандиеу (1879) наблюдал, что растения, которые не подвергались влиянию атмосферного электричества, так как были помещены в проволочный сеточный заземленный ящик, показали уменьшение веса на 30 – 50% по сравнению с контрольными растениями.

Лемстрем (1902) подвергал растения действию ионов воздуха, располагая их под проволокой, снабженной остриями и подключенной к источнику высокого напряжения (1 м над уровнем земли, ток ионов 10^-11 – 10^-12 А/см²), и он нашел увеличение в весе и длине больше, чем на 45% (например, морковь, горох, капуста).

Тот факт, что рост растений ускорялся в атмосфере с искусственно увеличенной концентрацией положительных и отрицательных малых ионов недавно подтвердился Круегером и его сотрудниками. Они нашли, что семена овса реагировали на положительные, а также отрицательные ионы (концентрация около 10⁴ ионов/см³) увеличением на 60% общей длины и увеличением свежего и сухого веса на 25-73%. Химический анализ надземных частей растений обнаружил увеличение содержание протеина, азота и сахара. В случае ячменя имело еще большее увеличение (приблизительно на 100%) в общем удлинении; увеличение в свежем весе не было большим, но существовало заметное увеличение в сухом весе, которое сопровождалось соответствующим увеличением содержания протеина, азота и сахара.

Эксперименты с семенами растений также проводил Ворден. Он нашел, что прорастание зеленых бобов и зеленого горошка становилось более ранним при увеличении уровня ионов любой полярности. Конечное процентное отношение проросших семян было более низким при отрицательной ионизации по сравнению с контрольной группой; прорастание в положительно ионизированной группе и контрольной было одинаковым. По мере роста сеянцев контрольные и положительно ионизированные растения продолжали свой рост, в то время как растения, подвергавшиеся отрицательной ионизации, в большинстве чахли и погибали.

Влияние в последние годы произошло сильное изменение электрического состояния атмосферы; различные районы Земли стали отличаться друг от друга по ионизированному состоянию воздуха, которое обусловлено его запыленностью, загазованностью и т.д. Электрическая проводимость воздуха – чуткий индикатор его чистоты: чем больше в воздухе посторонних частиц, тем больше число ионов оседает на них и, следовательно, меньше становится электропроводимость воздуха.
Так, в Москве в 1 см³ воздуха содержится 4 отрицательных заряда, в Санкт-Петербурге – 9 таких зарядов, в Кисловодске, где эталон чистоты воздуха – 1,5 тыс. частиц, а на юге Кузбасса в смешанных лесах предгорья количество этих частиц доходит до 6 тысяч. Значит, где больше отрицательных частиц, там легче дышится, а где пыль – человеку достается их меньше, так как пылинки оседают на них.
Хорошо известно, что возле быстро текущей воды воздух освежает и бодрит. В нем много отрицательных ионов. Еще в XIX веке было определено, что более крупные капли в брызгах воды заряжены положительно, а капли поменьше – отрицательно. Поскольку большие капли оседают быстрее, в воздухе остаются отрицательно заряженные маленькие капельки.
Наоборот, воздух в тесных помещениях с обилием разного рода электромагнитных приборов насыщен положительными ионами. Даже сравнительно непродолжительное нахождение в таком помещении приводит к заторможенности, сонливости, головокружениям и головным болям.[9]

Глава 3Методика проведения исследования

Исследование токов повреждения у различных растений.

• 3 лимона, яблоко, помидор, лист растения;

• 3 блестящих медных монеты;

• 3 оцинкованных винта;

• провода, желательно с зажимами на концах;

• небольшой нож;

• несколько клеящихся листочков;

• низковольтный светодиод 300мВ;

• гвоздь или шило;

• мультиметр.

[pic] [pic]

Эксперименты по обнаружению и наблюдению токов повреждения у растений

Техника выполнения эксперимента № 1. Ток в лимонах.

Вкрутили в лимоны оцинкованный винт приблизительно на треть его длины. При помощи ножа осторожно вырезали в лимоне небольшую полосу - на 1/3 его длины. Вставили в щель в лимоне медную монету таким образом, чтобы половина ее осталась снаружи.

Вставили таким же образом винты и монеты в другие два лимона. Затем подключили провода и зажимы, соединили лимоны таким образом, чтобы винт первого лимона подключался к монете второго и т.д. Подключили провода к монете из первого лимона и винту из последнего. Лимон работает как батарейка: монета - положительный (+) полюс, а винт - отрицательный (-). К сожалению, это очень слабый источник энергии. Но его можно усилить, соединив несколько лимонов.

Подключили положительный полюс диода к положительному полюсу батареи, подключили отрицательный полюс. Диод горит!!!

[pic] [pic]

5. Со временем напряжение на полюсах лимонной батареи уменьшится. Заметили, насколько хватит лимонной батареи. Через некоторое время лимон потемнел возле винта. Если удалить винт и вставить его же (или новый) в другое место лимона, то можно частично продлить срок работы батареи. Можно еще попробовать помять батарею, время от времени передвигая монеты.

6. Провели эксперимент с большим количеством лимонов. Диод стал светиться ярче. Батарея теперь работает дольше.

7. Использовали кусочки цинка и меди большего размера.

8. Взяли мультиметр, измерили напряжение батареи. Результаты измерений поместили в таблицу.

Техника выполнения эксперимента № 2. Ток в яблоках.

1. Яблоко разрезали пополам, удалили сердцевину.

2. Если оба электрода, отведенных к мультиметру, приложить к наружной стороне яблока (кожуре), мультиметр не зафиксирует разности потенциалов.

3. Один электрод перенесли во внутреннюю часть мякоти, и мультиметр отметит появление тока повреждения.

4. Проведем эксперимент с овощами - томатами.

5. Результаты измерений поместили в таблицу.

Один электрод на кожуре,

другой – в мякоти яблока

0,21 В

3

Электроды в мякоти разрезанного яблока

0‚05 В

4

Электроды в мякоти помидора

0‚02 В

[pic] [pic]

[pic]

Техника выполнения эксперимента № 3. Ток в срезанном стебле.

1. Отрезали лист растения со стеблем.

2. Измерили токи повреждения у срезанного стебля на различном расстоянии между электродами.

3. Результаты измерений поместили в таблицу.

[pic] [pic]

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

• В любом растении можно обнаружить возникновение электрических потенциалов.

• Электрический потенциал зависит от вида и размеров растений, от расстояния между электродами.

Исследование влияния электрического поля на прорастание семян.

Инструменты и материалы

• семена гороха, бобов;

• чашки Петри;

• аэроионизатор;

• часы;

• вода.

Эксперименты по наблюдению влияния ионизованного воздуха на прорастание семян [pic]

Техника выполнения эксперимента №1

1. Для опыта взяли семена гороха и бобов, замочили в чашках Петри и поместили в разных помещениях с одинаковой освещенностью и комнатной температурой. В одном из помещений установили аэроионизатор – прибор для искусственной ионизации воздуха.

2. Ежедневно включали ионизатор на 10 минут.

3. Каждый день увлажняли семена гороха, бобов и наблюдали, когда семена проклюнутся.

[pic] [pic]

4. Хронометраж опытов поместили в таблицах. [pic]

Прорастание 8 семян

(5 не проросли)

10.03.09

Увеличение ростков

у 10 семян (3 не проросли)

Увеличение ростков

11.03.09

Увеличение ростков

у 10 семян (3 не проросли)

Увеличение ростков

12.03.09

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Прорастание 3 семян

(4 не проросли)

11.03.09

Увеличение ростков семян

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

12.03.09

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что прорастание семян более быстрое и успешное под действием электрического поля ионизатора.

Порядок выполнения эксперимента №2

1. Для опыта взяли семена гороха и бобов, замочили в чашках Петри и поместили в разных помещениях с одинаковой освещенностью и комнатной температурой. В одном из помещений установили аэроионизатор – прибор для искусственной ионизации воздуха.

2. Ежедневно включали ионизатор на 20 минут.

3. Каждый день увлажняли семена гороха, бобов и наблюдали, когда семена проклюнутся.

[pic]

4. Хронометраж опыта поместили в таблице. [pic]

Прорастание 6 семян

Прорастание 9 семян

(3 не проросли)

19.03.09

Прорастание 2 семян

(4 не проросли)

Увеличение ростков семян

20.03.09

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

21.03.09

Увеличение ростков семян

Увеличение ростков семян

Опытная чашка

(с обработанными семенами)

Контрольная чашка

15.03.09

Замачивание семян

Замачивание семян

16.03.09

Набухание семян

Набухание семян

17.03.09

Без изменений

Без изменений

18.03.09

Прорастание 3 семян

(5 не проросли)

Прорастание 4 семян

(4 не проросли)

19.03.09

Прорастание 3 семян

(2 не проросли)

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

20.03.09

Увеличение ростков

Прорастание 1 семени

(1 не проросло)

21.03.09

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что более длительное воздействие электрического поля отрицательно подействовало на прорастание семян. Они проросли позже и не столь успешно.

Порядок выполнения эксперимента №3

1. Для опыта взяли семена гороха и бобов, замочили в чашках Петри и поместили в разных помещениях с одинаковой освещенностью и комнатной температурой. В одном из помещений установили аэроионизатор – прибор для искусственной ионизации воздуха.

2. Ежедневно включали ионизатор на 40 минут.

3. Каждый день увлажняли семена гороха, бобов и наблюдали, когда семена проклюнутся.

[pic] [pic]

4. Хронометраж опытов поместили в таблицах

Прорастание 8 семян

(4 не проросли)

05.04.09

Без изменений

Увеличение ростков

06.04.09

Прорастание 2 семян

(10 не проросли)

Увеличение ростков

07.04.09

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Без изменений

Прорастание 3 семян

(4 не проросли)

06.04.09

Прорастание 2 семян

(5 не проросли)

Прорастание 2 семян

(2 не проросли)

07.04.09

Увеличение ростков

Увеличение ростков

Результаты исследования

Результаты эксперимента свидетельствуют, что более длительное воздействие электрического поля отрицательно подействовало на прорастание семян. Прорастание их заметно понизилось.

ВЫВОДЫ

• В любом растении можно обнаружить возникновение электрических потенциалов.

• Электрический потенциал зависит от вида и размеров растений, от расстояния между электродами.

• Обработка семян электрическим полем в разумных пределах приводит к ускорению процесса прорастания семян и более успешному их прорастанию.

• После обработки и анализа экспериментальных и контрольных образцов можно сделать предварительный вывод – увеличение времени облучения электростатическим полем действуют угнетающе, так как качество прорастания семян ниже при увеличении времени ионизации.

Глава 4Заключение

В настоящее время вопросам влияния электрических токов на растения посвящены многочисленные исследования ученых. Влияние электрических полей на растения до сих пор еще тщательно изучается.

Исследования, выполненные в Институте физиологии растений, позволили установить зависимость между интенсивностью фотосинтеза и значением разности электрических потенциалов между землей и атмосферой. Однако еще не исследован механизм, лежащий в основе этих явлений.

Приступая к исследованию, мы ставили перед собой цель: определить влияние электрического поля на семена растений.

После обработки и анализа экспериментальных и контрольных образцов можно сделать предварительный вывод – увеличение времени облучения электростатическим полем действуют угнетающе. Мы считаем, что данная работа не закончена, так как получены только первые результаты.

Дальнейшие исследования по данному вопросу можно продолжить по следующим направлениям:

1. Повлияла ли обработка семян электрическим полем на дальнейший рост растений?

[pic]

Глава 5ЛИТЕРАТУРА

1. Богданов К. Ю. Физик в гостях у биолога. - М.: Наука, 1986. 144 с.

2. Воротников А.А. Физика – юным. – М: Харвест, 1995-121с.

3. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. – М: Просвещение, 1971-158с.

4. Перельман Я.И. Занимательная физика. – М: Наука, 1976-432с.

5. Артамонов В.И. Занимательная физиология растений. – М.: Агропромиздат, 1991.

6. Арабаджи В. И. Загадки простой воды.- М.: «Знание», 1973.

7. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/163.html

8. http://www.npl-rez.ru/litra/bios.htm

9. http://www.ionization.ru