Исследовательская работа тема "Транспирация растений"

Министерство Образования Республики Башкортостан

муниципальное бюджетное общеобразовательное  учреждение

Башкирская гимназия №102 городского округа город Уфа

Транспирация растений

Научно - исследовательская работа по биологии

                                                                                 Руководитель: Воробьева  

                                                                                 Евгения Александровна, 

                                                                                 учитель  биологии.

Уфа - 2022 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 Введение                                                                                                             1 стр.

 Глава I. Устьичная транспирация

  1.1  Строение устьиц                                                                                      2-3 стр.

  1.2  Как работают устьица                                                                             4-5 стр.

   1.3  Значение транспирации                                                                              6 стр.

Глава II. Материалы и методы

2.1 Определение суточного изменения интенсивности                                7-8 стр.

транспирации растений.

2.2   Результаты                                                                                               9 -10 стр.

Заключение                                                                                                       11 стр.                                                                                                                                                                                

Список используемых источников                                                               12 стр.

ВВЕДЕНИЕ

     Любое  зеленое растение, будь то маленькая травинка или огромное дерево, представляет собой настоящую «живую фабрику», оснащенную всем необходимым для поведения сложного технологического процесса. Здесь одновременно происходят сотни сложных биохимических реакций, вырабатываются разнообразные органические вещества. «Фабрика» растительного мира – это результат продолжительной эволюции, происходящей миллионы лет.

    Самым главным «цехом» этой «фабрики» можно назвать зеленый лист – сложный орган, ответственный за процессы фотосинтеза, газообмена и транспирации. Транспирации у растений - потеря влаги в виде испарения воды с поверхности листьев или других частей растения. Большая часть воды, поступающей в растение через корни, теряется при транспирации. Движение воды от корней к порам листьев (устьицам) называется потоком транспирации. Транспирация спасает растение от перегрева. Температура сильно транспирирующего листа может примерно на 7 С° быть ниже температуры нетранспирирующего завядшего листа. Кроме того, транспирация участвует в создании непрерывного тока воды с растворенными минеральными и органическими соединениями из корневой системы к надземным органам растения. В осуществление этих физиологических процессов важная роль принадлежит особым образованиям покровной ткани листа – устьицам. Устьица — одно из оригинальных приспособлений, обладающих способностью открываться и закрываться в зависимости от насыщенности замыкающих клеток водой.

       Целью  данной работы было изучение состояния устьиц у комнатных растений.

      Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1.                 Изучить литературу о строении устьиц и их работе;

2.                 Изучить методику опыта;

3.                 Провести соответствующие измерения и сделать выводы.

Глава I. Устьичная транспирация

1.1  Строение устьиц

    Основным транспирирующим органом является лист. Средняя толщина листа составляет 100—200 мкм. Паренхимные клетки листа расположены рыхло, между ними имеется система межклетников, составляющая в общей сложности от 15 до 25% объема листа. Эпидермис — покровная ткань листа, состоит из компактно расположенных клеток, наружные стенки которых утолщены. Кроме того, листья большинства растений покрыты кутикулой, в состав которой входят оксимонокарбоновые кислоты, содержащие по 16—28 атомов углерода и по 2—3 гидроксильные группы. Эти кислоты соединены друг с другом в цепочки с помощью эфирных связей. Кутикула варьирует как по составу, так и по толщине. Более развитой кутикулой характеризуются листья светолюбивых растений по сравнению с теневыносливыми и засухоустойчивых по сравнению с влаголюбивыми. Кутикула вместе с клетками эпидермиса образует как бы барьер на пути испарения паров воды. Особенно значительную преграду составляет кутикула. Удаление кутикулы во много раз повышает интенсивность испарения. Все эти особенности выработались в процессе эволюции как приспособление к сокращению испарения. Для соприкосновения листа с атмосферой имеются поры — устьица.   Форма клеток эпидермиса, если смотреть на него сверху, сильно варьирует, и в большей степени зависит от формы пластинки листа. У листа с широкой  пластинкой эпидермиальные клетки также широкие, с крупноизвилистыми краями; и, наоборот, на листьях вытянутых, линейных, например, у злаков, или на стеблях клетки эпидермиса вытянуты, извилистость их краев обычно более мелкая.

    Главная функция покровной ткани – регуляция газообмена и испарения. Основными органами, осуществляющими эту функцию, являются устьица.

    Устьице — это отверстие (щель), ограниченная двумя замыкающими клетками. Щель может расширяться и сужаться, регулируя, таким образом, газообмен и испарение. Устьица встречаются у всех наземных органов растения, но больше всего у листьев. Каждая замыкающая клетка устьица имеет хлоропласты, в отличие от клеток эпидермиса. В них осуществляется фотосинтез, хотя с меньшей интенсивностью, чем в клетках мезофилла.

      На рисунке 1 показана эпидерма поверхности листа хлорофитума, плюща обыкновенного, герани душистой и шелковицы белой.

      На рисунке 2 показано строение устьиц с двух видов: сверху и поперечный разрез устьичного аппарата.

      Рис.1   Эпидерма поверхности листа различных растений. Представитель однодольных: А – хлорофитум; представители двудольных: Б – плющ обыкновенный, В – герань душистая, Г – шелковица белая.

     Рис.2   Схема строения устьиц.

(А – вид на эпидерму сверху, Б – поперечный разрез устьичного аппарата):

1 – замыкающие клетки, 2 – устьичная щель, 3 – побочные клетки, 4 – дыхательная полость, 5 – эпидермиальные клетки, 6 – кутикула, 7 – клетки мезофилла, заполненные хлоропластами.

      Под щелью располагается дыхательная полость, окруженная клетками мякоти листа. Клетки эпидермы, примыкающие к замыкающим, получили название побочных или околоустьичных. Они участвуют в движении замыкающих клеток. Замыкающие и побочные клетки образуют устьичный аппарат.

     Замыкающие клетки устьиц имеют удлиненно-изогнутую «бобовидную» форму. Их стенки, обращенные к устьичной щели, утолщены. Устьичные клетки способны изменять свою форму – за счет этого происходит открытие или закрытие устьичной щели.

      В этих клетках находятся хлоропласты. Открытие и закрытие устьичной щели происходит благодаря изменению тургора в замыкающих клетках. У большинства растений замыкающих клеток одна пара и, когда устьице открыто, они имеют полулунную форму. У злаков каждое устьице окружено двумя парами клеток. Само устьице имеет форму узкой длинной щели. Щель замыкается двумя удлиненными клетками своеобразного строения. Устьица у злаков расположены рядами, подустьичные полости при этом соединяются в общий канал.

2.2 КАК РАБОТАЮТ УСТЬИЦА

       В хлоропластах замыкающих клеток устьиц имеется крахмал, который может под влиянием фермента амилазы переходить в сахар.

      Днем, благодаря деятельности пластид, всегда имеющихся в замыкающих клетках, в клеточном соке этих клеток накапливается сахар; в силу разности концентрации вода устремляется в замыкающие клетки и тургор в них возрастает; устьица открываются. Ночью количество сахара уменьшается, тургор падает, и устьица закрываются. Таким образом, в основе механизма замыкания  размыкания устьиц лежит процесс изменения концентрации сахара в листьях.

     Также доказано, что концентрация ионов калия и её изменения влияет на осмотическое давление в замыкающих клетках. Усиленное поступление последних в утренние часы приводит к увеличению осмотического давления; понижение содержания ионов калия в замыкающих клетках в замыкающих в конце дня или при недостатке воды приводит к понижению осмотического давления.

 Поскольку устьичная транспирация составляет 80—90% от всего испарения листа, то степень открытости устьиц является основным механизмом, регулирующим интенсивность транспирации. При открытых устьицах общая поверхность устьичных щелей составляет всего 1—2% от площади листа. Казалось бы, это должно очень сильно уменьшать испарение по сравнению с испарением свободной водной поверхности той же площади, что и лист. Однако это не так. Сравнение испарения листа с испарением со свободной водной поверхности той же площади показало, что оно идет не в 100 раз, как эта следовало бы, исходя из размеров открытой площади (1%), а всего в 2 раза медленнее. Объяснение этому явлению было дано в исследованиях английских ученых Броуна и Эскомба, которые установили, что испарение из ряда мелких отверстий идет быстрее, чем из одного крупного той же площади. Это связано с явлением краевой диффузии. При диффузии из отверстий, отстоящих друг от друга на некотором расстоянии, молекулы воды, расположенные по краям, рассеиваются быстрее. Для малых отверстий интенсивность испарения пропорциональна их диаметру, а не площади. Указанная закономерность проявляется в том случае, если мелкие поры расположены достаточно далеко друг от друга. Структура листа удовлетворяет указанным требованиям. Поры (устьица) имеют малый диаметр и достаточно удалены друг от друга. При открытых устьицах выход паров воды идет достаточно интенсивно, закрытие устьиц резко тормозит испарение. Именно на этом этапе вступает в действие устьичная регулировка транспирации. При недостатке воды в листе устьица автоматически закрываются. Полное закрывание устьиц сокращает транспирацию примерно на 90%. Вместе с тем уменьшение диаметра устьичных щелей не всегда приводит к соответственному сокращению транспирационного процесса. Определения показали, что устьица должны закрыться больше чем на 1/2, для того чтобы это сказалось на уменьшении интенсивности транспирации.

2.3 Значение транспирации

Количество воды, испаряемой растением, во много раз превосходит объем содержащейся в нем воды. Экономный расход воды составляет одну из важнейших проблем сельскохозяйственной практики. К. А. Тимирязев назвал транспирацию, в том объеме, в каком она идет, необходимым физиологическим злом. Действительно, в обычно протекающих размерах транспирация не является необходимой. Так, если выращивать растения в условиях высокой и низкой влажности воздуха, то, естественно, в первом случае транспирация будет идти со значительно меньшей интенсивностью. Однако рост растений будет одинаков или даже лучше там, где влажность воздуха выше, а транспирация меньше. Вместе с тем транспирация в определенном объеме полезна растительному организму:

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 около 30—33 °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.

Как уже говорилось, механизм поступления питательных веществ и воды в клетку различен. Однако некоторое количество питательных веществ может поступать пассивно, и этот процесс может ускоряться с увеличением транспирации.

II.МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1 Определение суточного изменения интенсивности транспирации растений.

     Определение состояния устьиц проводилось по методике, описанной в «Полевая практика по физиологии растений» (составители Р.Х. Шакирова, Э.Н. Яппарова, Л.Р. Полякова).

      Цель опыта: Познакомиться с дневным ходом интенсивности транспирации у различных видов растений. Определение производится в 11⁰⁰, 15⁰⁰, 19⁰⁰ч

в I раз – в яркий солнечный день, во II раз – в облачный день.

    Материалы и методы: весы, листья с одного и того же яруса с 3 растений разных видов, чашка с водой, миллиметровая бумага, ножницы.

Ход работы:

1.     Берут по одному листу одного и того же яруса с 3 разных растений и взвешивают их вместе (n₁).

2.     Определяют площадь каждого листа и вычисляют их сумму.

3.     Через 30 минут после первого взвешивания повторно взвешивают (n₁).

4.     Определяют интенсивность транспирации по следующей формуле:

г/м² в ч

где: n₁ – первое взвешивание (г)

        n₂ – второе взвешивание (г)

        t – время (30 мин)

        S – сумма площадей листьев (см²)

        60 – коэффициент перевода минут в часы

        10000 – коэффициент перевода см² в м²

         Чтобы убедиться в том, что транспирация не является простым физическим процессом испарения, поставим одновременно с определением интенсивности транспирации опыт по учету испарения со свободной водной поверхности.

    Ход работы: 

1.                 Взвесить чашку, наполненную водой комнатной температуры – n₁(в г)

2.                  Определить площадь чашки по формуле: S=        

3.                  Через 30 минут повторно взвешивают чашку с водой – n₂ (в г)

    Вычислить интенсивность испарения со свободной водной поверхности (∑), пользуясь той же формулой:

               г/м² в ч

Затем  вычисляем относительную транспирацию:

                          

2.2 Результаты

Результаты занесем в таблицу:

Название видов растений		S- листьев, см2			Сумма S	n1 (в г)	n2 (в г)	Iтр	∑	I0
		1 лист	2 лист	3 лист
11:00	1.Герань	17,3	19,2	17	53,5	0,4	0,3	-37,3	-5095	0,02
	2.Роза домашняя	14	15	12	41	0,6	0,55	-24,3	-5095	0,01
	3.Спатифиллум	62,5	60	28	150,5	1,8	1,75	-6,6	-5095	0,003
15:00 ч	1.Герань	17,3	19,2	17	53,5	0,4	0,37	-11,2	-5095	0,002
	2.Роза домашняя	14	15	12	41	0,6	0,54	-29,2	-5095	0,005
	3.Спатифиллум	62,5	60	28	150,5	1,8	1,78	-2,6	-5095	0,0005
19:00 ч	1.Герань	17,3	19,2	17	53,5	0,4	0,33	-26,1	-5095	0,00051
	2.Роза домашняя	14	15	12	41	0,6	0,58	-9,7	-5095	0,001
	3.Спатифиллум	62,5	60	28	150,5	1,8	1,78	-2,6	-5095	0,0005
11:00 ч	1.Герань	17,3	19,2	17	53,5	0,4	0,37	-11,2	-5095	0,002
	2.Роза домашняя	14	15	12	41	0,6	0,54	-29,2	-5095	0,005
	3.Спатифиллум	62,5	60	28	150,5	1,8	1,78	-2,6	-5095	0,0005
15:00 ч	1.Герань	17,3	19,2	17	53,5	0,4	0,33	-26,1	-5095	0,00051
	2.Роза домашняя	14	15	12	41	0,6	0,58	-9,7	-5095	0,001
	3. Спатифиллум	62,5	60	28	150,5	1,8	1,78	-2,6	-5095	0,0005
19:00 ч	1.Герань	17,3	19,2	17	53,5	0,4	0,33	-26,1	-5095	0,00051
	2.Роза домашняя	14	15	12	41	0,6	0,58	-9,7	-5095	0,001
	3.Спатифиллум	62,5	60	28	150,5	1,8	1,78	-2,6	-5095	0,0005

    В результате определения суточного изменения интенсивности транспирации растений: герани, домашней розы, спатифиллума, я выявила что:

1. интенсивность транспирации растений зависит от климатических условий, в пасмурный день интенсивность транспирации меньше, чем в солнечный;

2. интенсивность транспирации листа зависит от площади листа, чем больше площадь листа, тем больше интенсивность транспирации;

3. интенсивность транспирации листьев зависит от вида растений, у спацефиллума интенсивность транспирации больше, чем у домашней розы и герани.

Заключение   

         Транспирация усиливается при возрастании общей площади поверхности листьев растения и отношения этой площади к его объему. Поверхность листьев уменьшается с приобретением ими чешуе- или игловидной формы, как у хвойных, или при редукции их до колючек, как у кактусов. К этому же ведет и мелколистность, свойственная ксерофитам. Ксероморфной адаптацией является также сбрасывание листвы в сухой или холодный сезон. В последнем случае это важно, поскольку вода в почве замерзает и становится недоступной растению.

       Интенсивность транспирации зависит от освещенности  поскольку устьица обычно открыты на свету и закрыты в темноте. Таким образом, ночью растения теряют сравнительно мало воды (через кутикулу или чечевички). Утром устьица раскрываются, и интенсивность транспирации возрастает.

          Низкая влажность воздуха около листа способствует транспирации, поскольку диффузионный градиент водяного пара (градиент водного потенциала) между межклетниками и окружающей атмосферой становится круче. С повышением концентрации водяного пара в воздухе, т. е. с увеличением влажности, диффузионный градиент становится более пологим. Водный потенциал атмосферы убывает также с увеличением высот над уровнем моря; это связано с понижением атмосферного давления. Поэтому у высокогорных растений часто наблюдаются ксероморфные признаки, снижающие интенсивность транспирации.

         К таким признакам относятся, например, погруженные устьица, т. е. устьица находящиеся на дне борозд или складок эпидермиса, в которых локально создается повышенная влажность, что замедляет транспирационные потери воды. У некоторых видов, вся листовая пластинка скручивается в трубку, так что устьица оказываются внутри этой трубки, где возникает влажная атмосфера. Если лист покрыт густо расположенными эпидермальными волосками или чешуйками, то между ними задерживается диффундирующий из устьиц пар, и скорость транспирации также снижается.  

Список используемых источников

1.Якушкина Н.И. Физиология растений. М., Просвещение, 1980г.

2.Козловский Водный обмен растений. М., Колос. 1969г.

3.Сказкин Ф.Д. Критический период у растений к недостаточному

   водоснабжению. М., Наука. 1968г.

4.Радкевич В.А. Экология. Мин., Высшая школа. 1983г.

5.Генкель П.А. Физиология устойчивости растительных организмов. М.,

   Изд- во МГУ. 1967г. т.3.

6. Жданов В.С. Аквариумные растения. / Под. ред. Коровина. - М.:

    Лесн. пром-ть , 1981

7. Горышина Т.К. Экология растений. – М.: Высшая школа,1979

8. В. И. Малиновский. Физиология растений. Учеб. пособие. — Владивосток:

    Изд-во ДВГУ, 2004