Много времени и труда отдал Тимирязев разработке важнейшего вопроса биологии: какова роль солнечного луча в создании зеленым растением органического вещества



жүктеу 175.5 Kb.
Дата25.04.2019
өлшемі175.5 Kb.
түріИсследование


ОБЛАСТНАЯ ТВОРЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«НАУКА. ТВОРЧЕСТВО. ИССЛЕДОВАНИЕ»

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 197 имени В.Маркелова»

Цвет и растения

Автор: Коняева Анастасия,

МОУ «Кисловская средняя

общеобразовательная школа», 7 класс

Руководитель работы: Пшеничникова И.М.,

учитель биологии

ЗАТО Северск 2009

Томская область


Оглавление


I. Введение ……………………………………………………..…………………………3

II. Содержание

Несколько слов о хлорофилле……………………………………...………………5

Красный цвет — символ созидания…………………………………………… …..7

Объект исследования ……………...………………………………………………10

Проведение исследования …………………………………………………………12

Результаты исследования …………………………………………………………13

III. Заключение ……………………….………………………………………………...16

IV. Список литературы …………………………………………………………………18

Приложение


Введение
Практически вся энергия поступает на землю в виде солнечного излучения, состоящего из: видимого света, ультрафиолетовых и инфракрасных лучей. Ультрафиолетовая область солнечного света это лучи с длиной волны менее 0,290 мкм губительны для всего живого. Жизнь на Земле возможна лишь потому, что это коротковолновое излучение задерживается озоновым слоем атмосферы. А до поверхности Земли доходит лишь небольшая часть более длинных ультрафиолетовых лучей (0,300-0,400мкм). Они обладают высокой химической активностью и в большой дозе могут повреждать живые клетки. Однако в небольших дозах ультрафиолетовые лучи необходимы человеку и животным.

Инфракрасная область солнечного излучения это лучи с длиной волны более 0,750 мкм не воспринимаются глазом человека, но они являются важным источником внутренней энергии. Ими особенно богат прямой солнечный свет.

Видимая область солнечного излучения лучи длиною волны от 0,400 до 0,750 мкм, на долю которых приходится большая часть энергии солнечного излучения, достигающего земной поверхности, имеет особенно большее значение для организмов. Земные растения синтезируют органическое вещество, следовательно, и пищу для всех остальных организмов, за счет энергии именно этой части спектра.

Именно видимую область солнечного излучения мы называем белым светом. Но немногие знают, что видимый свет разлагается призмой на семь цветов радуги. Это красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Основными цветами спектра являются только три: красный, желтый и синий. Именно эти цвета я взяла для проведения исследования. Для этого мне понадобились три емкости синего, желтого и красного цвета. В своей работе я решила ответить на вопрос.

Каким образом лучи с разной длиной волны влияют на рост растения, а значит и на процесс фотосинтеза? Поможет мне ответить на него Климент Аркадьевич Тимирязев (22 мая (3 июня) 1843 – 28 апреля 1920) — автор замечательной книги «Жизнь растения», опубликованной в 1878 году. В ней он с большим мастерством рассказал, как питается, растет, развивается и размножается зеленое растение.

Много времени и труда отдал Тимирязев разработке важнейшего вопроса биологии, какова роль солнечного луча в создании зеленым растением органического вещества? В результате длительного изучения спектра поглощения зеленого пигмента — хлорофилла ученый установил, что наиболее интенсивно поглощаются им красные и несколько слабее сине-фиолетовые лучи. Кроме того, он выяснил, что хлорофилл не только поглощает свет, но и химически участвует в самом процессе фотосинтеза. Современная наука подтвердила эти выводы ученого. Чисто теоретический, на первый взгляд отвлеченный, вопрос, поставленный Тимирязевым, имеет огромное практическое значение. Основная задача агрономии — возможно, более полно использовать солнечный луч. Каждый луч, упавший на растение, но не усвоенный им, пропадает не только для растения, но и для человечества. Поэтому-то теоретическая работа Тимирязева стала одной из научных основ сельского хозяйства и тем самым оказалась тесно связанной с практикой.

Объектами исследования мною были взяты водные растения из разных климатических зон: роголистник и элодея. В природе они обитают в разных климатических зонах и для нормального роста лучшими температурами для них являются интервалы: для элодеи 18 - 220 С, для роголистника от 16 до 280 С.



Тема моей работы: Цвет и растения.

Цель работы. Изучение влияния цвета на рост и развитие водных растений элодеи и роголистника.

Задачи.

  • Изучить статьи о видимой области солнечного света;

  • Познакомиться с работой К. А. Тимирязева о роли солнечного луча в создании зеленым растением органического вещества;

  • Продумать план и провести исследование;

  • Проанализировать данные и сравнить с результатами прошлых лет;

  • Сделать выводы и оформить их в виде графиков

  • Создать презентацию

Несколько слов о хлорофилле

Процесс фотосинтеза происходит в зеленых клетках растения. Зеленых потому, что в них имеются особые органоиды пластиды, содержащие пигмент хлорофилл. Что представляет этот пигмент и какова его роль в жизни растений? Выделить хлорофилл из листа несложно. Для этого измельчим листья любого растения ножницами, поместим в ступку, прильем немного спирта, разотрем и отфильтруем в чистую сухую пробирку. Если у вас нет под рукой ступки, кусочки листьев поместите в небольшую колбочку, влейте спирт и осторожно нагрейте на спиртовке. Очень быстро спирт окрасится в изумрудно-зеленый цвет из-за присутствия хлорофилла.

Если вы имеете спектроскоп — несложный школьный прибор, в котором при помощи призмы видимый свет разлагается на составные компоненты, — то можно изучить спектр поглощения хлорофилла. Приложите пробирку с раствором хлорофилла к щели спектроскопа и загляните в окуляр. Вы увидите мощную темную полосу поглощения в красной части спектра и менее выраженную в синей. Итак, хлорофилл поглощает красные и синие лучи спектра. А вот зеленые, беспрепятственно проходя через его раствор, сообщают ему свою окраску. Отчего зависит зеленая окраска пигмента? Добавим в пробирку с вытяжкой хлорофилла несколько капель слабой соляной кислоты. Тотчас же окраска изменится на оливково-бурую. Что при этом произошло с хлорофиллом?

Уже давно установлено, что его молекула содержит атом магния. При взаимодействии с соляной кислотой он вытесняется из нее атомами водорода соляной кислоты. Можно предположить, что наличие атома магния и определяет зеленую окраску пигмента.

Теперь в ту же пробирку добавим небольшое количество ацетата меди или ацетата цинка и подогреем содержимое пробирки на спиртовке. Едва жидкость закипит, окраска раствора резко изменится — вместо оливково-бурой она вновь станет изумрудно-зеленой. Что же при этом произошло? В молекуле хлорофилла на место атома магния при взаимодействии с соляной кислотой встал водород. В свою очередь, атомы водорода при добавлении ацетата меди или ацетата цинка и нагревании вытесняются атомами меди или цинка. Происходит восстановление металлоорганической связи. Следовательно, зеленая окраска хлорофилла определяется наличием в нем атома металла вне зависимости от того, будет ли это магний, медь или цинк.

А теперь познакомимся с некоторыми свойствами этого пигмента. Поместите за пробиркой черную бумагу или какой-то темный предмет и направьте на нее яркий свет. Раствор хлорофилла отражает свет с измененной длиной волны, поэтому хлорофилл приобретает вишнево-красную окраску. Это явление носит название флуоресценции.

В чем причина флуоресценции хлорофилла? Кванты света падают на его молекулы, находящиеся в растворе, и вызывают их возбуждение. При этом электрон молекулы пигмента переходит на более высокий энергетический уровень. В растворе, в отличие от зеленого листа, энергия возбужденного электрона не расходуется на синтез органических веществ, поэтому этот электрон возвращается на прежний энергетический уровень, а избыток энергии испускается в виде квантов красного света. Видимый свет, как известно, состоит из разных лучей: фиолетовых, синих, голубых, зеленых, желтых, оранжевых, красных. Их окраска зависит от длины волны, которая увеличивается по направлению от синих к красным лучам солнечного спектра. А вот величина квантов и их энергетический потенциал изменяются при этом в противоположном направлении: кванты синих лучей значительно богаче энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлорофилла, часть энергии квантов рассеивается в виде тепла, поэтому отраженные кванты несут меньший запас энергии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей. Вот почему мы видим красное свечение при освещении хлорофилла белым светом, то есть совокупностью разных лучей солнечного спектра. Любопытно в связи с этим отметить, что на прекрасных фресках гениального Андрея Рублева мы часто видим сочетание зеленого с красным: в складках зеленой одежды как бы скрываются красные отсветы.

Красный цвет — символ созидания

Если солнечный спектр, который мы наблюдаем в спектроскопе, спроектировать на экран, то можно изучать скорость фотосинтеза в разных лучах — синих, желтых, зеленых, красных. Впервые интенсивность фотосинтеза в различных лучах спектра исследовал физик В. Добени. В 1836 году он сделал очень важное открытие: зеленый лист может осуществлять фотосинтез в отдельных лучах спектра, причем в зависимости от характера лучей он идет с неодинаковой скоростью. Но вот на вопрос, в каких именно лучах спектра фотосинтез протекает наиболее интенсивно, В. Добени ответил неправильно. И виной тому методические погрешности при проведении эксперимента. Во-первых, ученый получал те или иные лучи, пропуская солнечный свет через цветные стекла или окрашенные растворы. Во-вторых, он применял очень примитивный метод учета интенсивности фотосинтеза. Ученый поместил отрезок побега водного растения элодеи в пробирку с водой срезом вверх и считал, сколько пузырьков кислорода отрывается с поверхности среза за единицу времени. Добени пришел к выводу, что интенсивность фотосинтеза пропорциональна яркости света, а наиболее яркими лучами в то время считались желтые. Этой же точки зрения придерживались Джон Дрепер (1811—1882) и физиологи растений Ю. Сакс и В. Пфеффер. В 1846 году Дрепер изучал интенсивность фотосинтеза в различных лучах спектра, испускаемых спектроскопом, и пришел к тому же заключению, что и Добени.

Между тем утверждение противоречило закону сохранения энергии. Ведь желтые лучи, как мы уже знаем, незначительно поглощаются хлорофиллом. Могут ли они быть главной движущей силой процесса фотосинтеза?

Такова была обстановка в области изучения фотосинтеза, когда к исследованиям в этой области приступил К. А. Тимирязев. Будучи последовательным материалистом, он утверждал, что яркость лучей зависит от субъективного восприятия света глазом (синие лучи кажутся нам неяркими, а желтые наоборот) и потому не может определять интенсивность усвоения углекислого газа зелеными растениями. Наиболее деятельными в процессе фотосинтеза могут быть только те лучи, которые поглощаются хлорофиллом.


Главной причиной ошибки Дрепера он считал недостаточную чистоту отдельных участков спектра, возникшую из-за широко открытой щели спектроскопа.
Увеличивать же щель спектроскопа приходилось для усиления интенсивности светового потока, иначе фотосинтез с помощью примитивных методов не обнаруживался. Для того чтобы иметь возможность работать с узкой щелью спектроскопа, необходимо было создать принципиально новые, значительно более чувствительные методы учета скорости этого процесса.

Сконструированные К. А. Тимирязевым приборы позволяли резко повысить точность исследований. В восьмидесятых годах прошлого столетия химик Пьер


Эжен Марсель Вертело говорил К. А. Тимирязеву, что каждый раз он привозит в
Париж новый метод анализа газов, в тысячу раз более усовершенствованный. С помощью этой аппаратуры К. А. Тимирязев убедительно показал, что наиболее активно фотосинтез идет в красных лучах спектра, которые, как уже отмечалось, интенсивнее других поглощаются хлорофиллом. По направлению к зеленой части спектра интенсивность фотосинтеза ослабевает. В зеленых лучах она минимальная. И это вполне понятно: ведь они хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части наблюдается новый подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, Тимирязев установил, что максимум усвоения листом углекислого газа совпадает с максимумом поглощения света хлорофиллом. Иными словами, он впервые экспериментально доказал, что закон сохранения энергии справедлив и по отношению к фотосинтезу. Зеленый цвет растений отнюдь не случаен. В процессе эволюции они приспособились к поглощению именно тех лучей солнечного спектра, энергия которых наиболее полно используется в ходе фотосинтеза.

Современная наука подтвердила правильность взглядов К. А. Тимирязева относительно исключительной важности для фотосинтеза именно красных лучей солнечного спектра. Оказалось, что коэффициент использования красного света в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются хлорофиллом.

Красные лучи, по представлениям К. А. Тимирязева, играют основополагающую роль в процессе мироздания и созидания жизни. В статье-притче «Красное знамя», написанной им в июне 1917 года, читаем: «Если красный цвет является фактическим признаком, выражением работоспособности света в творческом процессе созидания жизни, то не следует ли признать его самой подходящей эмблемой, выражением работоспособности света знания, света науки?». Интересно в связи с этим отметить, что в государстве древних инков Тауантинсуйю красный цвет почитался священным.

Современная наука подтвердила правильность взглядов К. А. Тимирязева относительно исключительной важности для фотосинтеза именно красных лучей солнечного спектра. Оказалось, что коэффициент использования красного света в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются хлорофиллом. Красные лучи, по представлениям К. А. Тимирязева, играют основополагающую роль в процессе мироздания и созидания жизни. Тимирязев предположил, что светоулавливающая функция хлорофилла эволюционно возникла сначала у морских водорослей, что косвенно подтверждается наибольшим разнообразием поглощающих солнечную энергию пигментов именно у этой группы растений.



Объект исследования

Роголистник темно – зеленый. Часто встречающееся в аквариумах цветковое растение из семейства Роголистниковых. В природе распространено в проточных водоемах умеренно теплых районов Земли. У роголистника длинные, обильно ветвящиеся красноватые стебли и темно-зеленые листья, рассеченные на многочисленные игловидные доли. Междоузлия короткие, поэтому все растение имеет вид пушистых веточек, напоминающих побеги хвоща. Относительно не прихотливое растение, лучше всего развивается в воде средней жесткости, с нейтральной или слабощелочной реакцией. Освещение предпочтительно естественное. Температура воды может колебаться в широких пределах – от 16 до 28 С. Роголистник – многолетние растение, но в природе осенью у него отмирают стебли и листья. На дне водоема сохраняются в зимнее время только почки возобновления. Весной из них развиваются молодые экземпляры, которые часто бурно разрастаются, покрывая все дно. В аквариуме зимой роголистник даже не растет, но при высокой температуре и интенсивном освещении может сохранять стебли и листья. Роголистник размножается вегетативно стеблевыми черенками. Его лучше высаживать в грунт у задней стенки аквариума. Разрастаясь, он образует густые заросли, в которых прячутся мальки многих рыб. В дополнительной минеральной подкормке роголистник не нуждается.

Элодея канадская. Это цветковое растение семейства водокрасовых родом из Северной Америки. Оно акклиматизировалось в водоемах умеренных областей Евразии. В России встречается на территории европейской части и Западной Сибири. По внешнему облику элодея схожа с лагаросифоном. У нее длинные, ветвящиеся, сочные стебли с продолговатыми листьями, расположенными в мутовках по три штуки. Элодея – растение двудомное, то есть мужские и женские цветки у нее образуются на разных экземплярах. В мужских цветках имеются тычинки, в пыльниках которых созревает пыльца. Женские цветки содержат пестики, в которых после опыления созревают плоды с семенами. В наших водоемах встречаются только женские экземпляры, поэтому семенного размножения не происходит, хотя элодея иногда цветет небольшими белыми цветками. Элодея неприхотлива. Жесткость и активная реакция воды не имеет для нее не какого значения. Она прекрасно растет в воде умеренной температуры (18 – 220С), хорошо переносит даже длительное похолодание до + 120 С, а вот температура воды выше 24С для нее губительна. Растение светолюбиво. При хорошем освещении и оптимальных значениях температуры оно очень быстро разрастается и в природе заполняет все водоемы. За удивительную способность к бурному росту получило название «водяная чума». Зимой в природе стебли и листья элодеи отмирают, а на дне водоема сохраняются лишь ростовые почки. В аквариуме при интенсивном освещении оно растет и в зимнее время. Размножение происходит вегетативно стеблевыми черенками, оптимальная длина которых составляет 20см. их высаживают у задней стенки аквариума. Элодея не нуждается в минеральной подкормке.

Проведение исследования



Для проведения исследования мы подготовили три сосуда следующих цветов: красный, желтый, синий. Эти цвета являются основными, так как все остальные цвета появляются при смешивании основных цветов. В каждую емкость пометили водные растения роголистник и элодею длиной черенка по 8 см. черенки не укореняем, для того чтобы легче было их измерять. Сроки проведения эксперимента определили 1-2 месяца с 1 сентября по 1 ноября. Для достоверности сравним результаты, полученные в этом 2008 году и результаты прошедшего 2006 года.

Согласно работе К.А.Тимирязева изложенной в книге «Жизнь растения», я выдвинула следующие предположения.

Гипотеза 1. Лучше всего растения будут расти в сосуде красного цвета.

Гипотеза 2. Чуть медленнее будут расти растения в сосуде синего цвета.

Гипотеза 3. В желтом сосуде рост растения будет самым медленным.

Результаты исследования



2008 год






3. 09.2008

15. 09.2008

23. 09. 2008

6. 10.2008

13. 10.2008

26. 10.2008






3. 09.2008



10.09.2008

15. 09.2008

23. 09. 2008

6. 10.2008

13. 10.2008

26. 10.2008




2006 год






10.01.2006

20.01.2006

30.01.2006

10.02.2006

20. 02.2006

03.03.2006

12.03.2006










































10.01.2006

20.01.2006

30.01.2006

10.02.2006

20. 02.2006

03.03.2006

12.03.2006



Выводы.


Вывод 1. Гипотеза 1 о том, что лучше всего растения будут расти в сосуде красного цвета, подтвердилась в 2008 году, в 2006 году нет.

Вывод 2. Гипотеза 2 о том, что чуть медленнее будут расти растения в сосуде синего цвета, не подтвердилась, ни в 2008 году, ни в 2006 году.

Вывод 3. Гипотеза 3 о том, что в желтом сосуде рост растения будет самым медленным, также не подтвердилась.

Изучая полученные результаты, я пришла еще к нескольким заключениям.



  • Наиболее активный рост растений наблюдался в 2008 году в сосудах красного цвета, а 2006 году в сосудах желтого цвета.

  • В 2006 году рост наиболее максимальным был у роголистника, у элодеи в 2008 году.

  • В синих сосудах рост растений оказался самым минимальным.

Заключение

Я ожидала, что в сосуде красного цвета рост растений будет проходить более интенсивно, так как этот цвет играет для процесса фотосинтеза наибольшую роль. Однако на самом деле красный цвет сыграл ключевую роль только для элодеи в 2008 году, и для роголистника в 2006 году, именно в эти года их прирост массы был самым максимальным. Мне кажется, причиной этому является то, что в 2008 году эксперимент проводился с сентября по ноябрь, а в это время световой день убывал, а ночь увеличивалась. Кроме того, немалое значение я думаю, сыграла и температура. В сентябре-октябре она составляла не более 20–220С. Учитывая оптимальные температуры для роголистника это в пределах – от 16 до 28 0С, для элодеи (18 – 220С) можно предположить, что только для элодеи (размер увеличился в три раза) этого интервала было достаточно, для роголистника маловато. В январе – марте 2006 года день увеличивался и температура составляла 25 – 29 0С, поэтому прирост массы роголистника максимальным (почти в 7 раз), для элодеи эта температура была слишком высокой.

Я попыталась объяснить причину неравномерности роста растений в зависимости от цвета стенок сосуда, в которых они растут. Вот мои мысли по этому поводу. Прежде всего, нужно учитывать, что для выявления закономерностей необходимо проведение огромного числа измерений, у меня же только два этапа. Самое главное, вероятно, состоит в том, что наш глаз воспринимает только отраженные от поверхности лучи. Предмет кажется нам, например красным, только потому, что он отражает лучи красного цвета, а остальные поглощает. Из этого следует, что если мы берем сосуд желтого цвета, то растение будет получать только лучи с длинною волны соответствующие красному и синему цветам, а лучи соответствующие длине волны желтого цвета будут отражаться от поверхности сосуда. Если сосуд будет синего цвета, то объекты исследования будут поглощать лучи с длинной волны соответствующие желтому и красному цвету. А если сосуд будет красного цвета, то растением придется использовать для фотосинтеза лучи длинной соответствующие красному и желтому цветам. Исходя из этого, легко объяснить результаты 2006 года в желтых сосудах, где максимальный прирост составил и у роголистника и у элодеи. Однако с объяснением следующих результатов у меня возникли трудности.

Совсем недавно у меня созрела еще одна версия. Вероятно, я допустила погрешности при проведении исследования. От этого никто не застрахован, ведь даже В. Добени совершил ошибку в описании результатов эксперимента по изучению фотосинтеза. Во-первых, ученый получал те или иные лучи, пропуская солнечный свет через цветные стекла или окрашенные растворы. Я тоже использовала этот вариант. Во-вторых, он применял очень примитивный метод учета интенсивности фотосинтеза. Ученый поместил отрезок побега водного растения элодеи в пробирку с водой срезом вверх и считал, сколько пузырьков кислорода отрывается с поверхности среза за единицу времени. Я же воспользовалась обыкновенным измерением длины черенка водного растения. Эти погрешности при проведении исследования, наверное, и привели меня к таким различным результатам, несовпадающим с выдвинутыми гипотезами.

Мне потребуется повторить исследования и ещё не один раз. Конечно, не двести раз как это сделал К.А. Тимирязев, но раза 3 – 4 я успею. Исследования проведу в 4 этапа по три месяца. 1 этап: сентябрь–октябрь; 2 этап: ноябрь–декабрь; 3 этап: январь-февраль; 4 этап: март-апрель. В мае следующего года проведу сравнение результатов. Но этим я займусь уже в следующем году.



Список литературы

  1. Биология. Справочник школьника./Сост.З.А. Власова. Филологическое общество «Слово», 1995.

  2. Кошель П.А. Фотосинтез. Журнал «Биология». Издательский дом «Первое сентября». № 42, 43, 44, 45. 2004.

  3. Общая биология./Рувинский А.О. и др. М: Просвещение, 2005, 544с.



Области солнечного излучения.

Ультрафиолетовая

Инфракрасная

Видимая

Лучи с длиной волны менее 0,290 мкм губительны для всего живого. Жизнь на Земле возможна лишь потому, что это коротковолновое излучение задерживается озоновым слоем атмосферы. До поверхности Земли доходит лишь небольшая часть более длинных ультрафиолетовых лучей (0,300-0,400мкм). Они обладают высокой химической активностью и в большой дозе могут повреждать живые клетки. В небольших дозах ультрафиолетовые лучи необходимы человеку и животным.

Лучи с длиной волны более 0,750мкм не воспринимаются глазом человека, но они являются важным источником внутренней энергии. Ими особенно богат прямой солнечный свет.

Лучи длиною волны от 0,400 до 0,750мкм, на долю которых приходится большая часть энергии солнечного излучения, достигающего земной поверхности, имеет особенно большее значение для организмов. Земные растения синтезируют органическое вещество, следовательно, и пищу для всех остальных организмов, за счет энергии именно этой части спектра.





Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет