Проект на тему: Фенология растений

Научно-практическая конференция школьников

Раменского муниципального района

«Общество, наука, инновации»

Тема: Фенологические наблюдения

Автор:

Васильева Дарья

МОУ СОШ №11, класс 7а

Научный руководитель:

 Кондакова Валентина Васильевна, 

учитель биологии

2016 - 2017 г.г.
Оглавление

1.     Введение                                                                                                         4

2.     Листопад                                                                                                     5

3.     Наблюдения                                                                                                10

4.     Функции листьев                                                                                        13

5.     Заключение                                                                                                14

6.     Список литературы                                                                                    15

Введение

Разноцветные листья на деревьях осенью –  явление природы, связанное с подготовкой растений к зиме. Мы уже знаем, что лист является частью побега, у нас есть знания о внутреннем и внешнем строении листьев, а так же мы изучили процессы, которые протекают в листьях. Это фотосинтез, дыхание, испарение, а так же видоизменения листьев. Растения реагируют на изменение времени года - сбрасывают листья на зиму.

Цель проекта: провести фенологические наблюдения за сезонными изменениями в жизни растений. Определить раздражимость растений на абиотические факторы: свет, влажность, температуру.

Задачи: найти ответы на вопросы, какие процессы происходят в листьях? Каково значение испарения? Почему листья к осени меняют окраску? (потому что становится холодно или  потому что в них разрушается хлорофилл.) Может ли нормально протекать процесс фотосинтеза в измененных листьях? Какие вещества накапливаются в листьях, когда в них разрушается хлорофилл? (ненужные вещества или полезные). Почему на одних деревьях желтеют листья раньше, а на других позже; как это происходит. Значение листопада в том, чтобы: а) увеличить испарение; б) удалить вредные вещества; в) уменьшить испарение? Что делать с осенними листьями, чтобы не навредить природе?

I.Листопад

В условиях умеренного климата зимой многим растениям не хватает воды. Вода в замёрзшем грунте находится в состоянии льда и не может проникать в клетки корней. В то же время испарение с поверхности листьев не прекращается (хотя оно, естественно, снижается, так как зависит от температуры воздуха). Если бы деревья и кустарники, а также и некоторые травянистые растения не сбрасывали листву, они бы засыхали.

В районах с холодным климатом листопад отсутствует, так как в таких условиях листопадные деревья не могут существовать, а могут существовать (до определённого предела) только хвойные деревья. Сброс хвои же идёт медленно и постепенно (за исключением лиственниц).

Хвойные растения, например, ель и сосна, намного лучше переносят сухие периоды, поэтому они в умеренных зонах вечнозелёные. Количество воды, которое испаряется лиственными породами, в 6—10 раз превышает количество воды, испаряемой хвойными. Это, с одной стороны, связано с меньшей поверхностью испарения, с другой, — с различиями в строении.

Если лиственное дерево пересадить в теплое помещение, то оно сбросит листву несмотря на хорошие температурные условия. То есть листопад – это не следствие неблагоприятных условий для деревьев и кустарников, а является циклом развития растения. Можно видеть, что в месте, где лист прикрепляется к ветке лиственного дерева, есть «листовая подушечка». Когда начинается листопад, листья легко отделяются от дерева и остаются висеть на сосудистых пучках, которые соединяют лист с деревом. Они служат для подачи веществ от корня лиственного дерева к листьям. Когда нарушается эта связь между листвой и деревом – ветки лиственного дерева теряют свой наряд.

Если лиственное дерево останется зимой с зелеными листьями – оно погибнет от недостатка влаги. Значение листопада в жизни лиственных деревьев особенно хорошо заметно, если сравнивать их с хвойными. Хвойные деревья (особенно сосна и ель) – хорошо переносят засуху. К тому же хвоя испаряет очень мало воды, чем листва лиственных деревьев. Поэтому хвойные деревья могут оставаться зелеными весь год. Количество влаги, которое испаряют хвойные, в десять раз меньше, чем у лиственных деревьев. Но лиственница ведет себя как лиственное дерево и испаряет влаги в 5 раз больше, чем ель обыкновенная и в 10 раз больше, чем сосна. Способность хвойных деревьев экономить влагу достигается за счет хвои. Хвоинки имеют множество приспособлений для сохранения влаги: толстую кожицу, восковой налет. Листья же у лиственных деревьев лишены засухоустойчивых приспособлений.
Кроме того, что лиственные деревья за счет листопада спасаются от засухи, зимой это спасает их от повала. Зимой даже голые ветви деревьев ломаются под тяжестью снега. Что бы случилось, если бы снег оседал на широких листьях лиственных деревьев?

При листопаде лиственные деревья избавляются от лишних минеральных солей, которые становятся для деревьев и кустарников вредными. С возрастом у листвы деревьев повышается содержание золы. Накопление минеральных веществ у лиственных деревьев происходит, потому что листья дерева испаряют много воды. На смену ей поступает новая влага, которая и содержит минеральные вещества. Часть их идет на питание лиственного дерева, остальное остается в листьях. Листопад для лиственного дерева является нормальным условием для нормального роста и развития растения. Хвойные деревья не нуждаются в таком сбрасывании хвои, так как сосны, ели и другие хвойники испаряют очень мало влаги.

Лиственница по испарению влаги достигает уровня лиственных деревьев, поэтому при влажном климате происходит сбрасывание мягких игл.
Все эти факты доказывают, что листопад зависит не только от внешних условий, но также необходим для нормальной жизнедеятельности лиственных и хвойных деревьев и кустарников.

Листопад - это биологический процесс сбрасывания растениями лиственного покрова. Происходит это для того, чтобы деревья, кустарники и растения не засохли зимой, так как зимой вода в замёрзшем грунте находится в состоянии льда и тяжело проникает в клетки корней.

Сосну и ель тоже относят к вечнозеленым растениям. Но вечные ли листья сосны и ели. Бываете в лесу, что вы видите под ногами? (иголки). Иголки – это что? Можно ли их назвать листьями? Можно, хвоя – это видоизмененные листья. Это так же является приспособлением к уменьшению испарения. Значит, все-таки иголки (листья) сосны и ели живут очень долго, но все же опадают медленно и незаметно для нашего глаза. А на их месте вырастают новые. Исключение – хвоинки на лиственнице. Это листопадное хвойное дерево. На зиму сбрасывает свои хвоинки. Брусника и клюква сохраняют свои листья всю зиму. Это потому, что они имеют плотные листья, которые плохо испаряют воду.

III Функции листьев

У баснописца И.А. Крылова есть басня о листьях и корнях. Листья, говорится в ней, не более чем бесполезный убор, а самое главное труженики-корни. Во времена Крылова считалось так. Однако наука доказала, что без зелёного листа не только не может жить растение, но и не было бы жизни на Земле. Так как в клетках листа происходят важнейшие процессы - фотосинтез, газообмен и транспирация.

Процессы, происходящие в листе: фотосинтез, испарение, газообмен.

1. Фотосинтез в жизни растения. Если лист осенью перестает быть зеленым, то что-то в нем произошло, что именно?

Хлорофилл разрушается и исчезает. Кроме хлорофилла, в листве существуют пигменты оранжевого и жёлтого цветов (основные среди них – ксантофилл и каротин). В летний период они, замаскированные цветом хлорофилла хоть и присутствуют, но абсолютно не видны.

Рис. 2 Строение хлоропласта

Перед нами хлоропласт, в нем вот в таких гранах, которые похожи на стопочки монет, находится хлорофилл, но к осени хлорофилл начинает разрушаться, а красящие вещества (оранжевые, желтые) – пигменты в хлоропластах клеток листьев при этом сохраняются и становятся заметными. Кроме того, красящие вещества могут создаваться и в клеточном соке. Вот таким образом, после разрушения хлорофилла хлоропласты будут выглядеть вот так. Поэтому лист будет выглядеть вот так.

Рис. 3 Строение хромопласта

Образование хлорофилла сначала замедляется, а потом и вовсе останавливается. В результате листовая пластина теряет зелёный цвет, тогда как жёлтые пигменты никуда не пропадают и отчётливо проявляются. Это является причиной того, что в дождливую и пасмурную осень листья зелёными остаются намного дольше, а когда непогоду сменяют ясные солнечные дни (бабье лето), листья за очень короткий промежуток времени приобретают яркие золотистые цвета. Листья некоторых деревьев становятся багряного цвета, например, клён, осина, бересклет, дикий виноград. Происходит это из-за наличия в растениях растворённого в клеточном соке антоциана. Когда температура воздуха снижается, его количество возрастает и лист приобретает бурый оттенок, чему способствует также тот факт, что в это же время поступление питательных веществ в листовую пластину начинает задерживаться или вовсе прекращается.

Фотосинтез - образование органических веществ. Газообмен - образование кислорода в процессе фотосинтеза. Эти процессы замедляются.

2. Транспирация — процесс движения воды через растение и её испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветы.

 Вода необходима для жизнедеятельности растения, но только небольшая часть воды, поступающей через корни используется непосредственно для нужд роста и метаболизма. Оставшиеся 99 % теряются через транспирацию. 

Растение регулирует свой уровень транспирации с помощью изменения размера устьичных щелей. Процесс ускоряется на свету, в тепле и сухости. Осмотический процесс подает воду из соседних клеток к поверхности листа. 

Сила притяжения между молекулами воды, текущей по каналам ксилемы,затрудняет прерывание потока. В отличие от других клеток эпидермиса замыкающие клетки устьиц содержат хлоропласты. Синтез углеводов в процессе фотосинтеза в замыкающих клетках увеличивает их сосущую силу и вызывает поглощение воды, способствуя этим открыванию устьиц.

Эти каналы очень узкие, так что вода поднимается по ним силой капиллярного давления.  Замыкающие клетки принимают полукруглую форму и устьица раскрываются. При недостатке воды замыкающие клетки выпрямляются и устьичная щель закрывается.

Рисунок 1. Устьица

Берёза в пересчёте на 100 г листьев за лето испаряет около 80 литров воды, для сосны эта цифра составляет около 9 литров. Лиственница занимает промежуточное место между лиственными и хвойными породами. Зиму сбрасывает хвоинки. Относится к листопадным деревьям.

У пустынных растений есть специальные приспособления, позволяющие снизить транспирацию и сохранить воду, такие как толстая кутикула, уменьшенная площадь листьев и волоски на листьях.

3.Кроме этого, листопад очищает организм растений от вредных веществ. Учёные установили, что листья осенью содержат намного больше минеральных веществ, чем весной и летом. Это объясняет то обстоятельство, что в тропической зоне с однородным в течение всего года климатом листопад всё же существует. Там он происходит не в короткие сроки, а распределяется на весь год, и поэтому менее заметен.

Таблица 1

Особенность	Влияние на транспирацию
Количество листьев	Чем больше листьев, тем больше поверхность испарения и больше количество устьиц для газообмена. Это увеличивает потери воды.
Количество устьиц	Чем больше на листе устьиц, тем больше воды испаряет лист.
Размер листа	Лист с большей площадью испаряет больше воды, чем лист с маленькой.
Наличие растительной кутикулы	Воскоподобная пленка кутикулы плохо проницаема для воды и водяных паров и снижает испарение с поверхности растения, за исключением испарения через устьица. Блестящая поверхность кутикулы отражает солнечные лучи, снижая температуру листа и уровень испарения[1]. Небольшие волоски (трихомы) на поверхности листа также снижают потерю воды, создавая рядом с поверхностью зону высокой влажности[1]. Такие приспособления для сохранения воды можно наблюдать у многих растений из засушливых мест — ксерофитов.
Содержание CO2	У многих растений понижение уровня углекислого газа в воздухе приводит к повышению тургора замыкающих клеток и открытию устьиц[2].
Уровень света	Помимо понижения уровня углекислого газа в процессе фотосинтеза свет может оказывать и непосредственное влияние на замыкающие клетки, заставляя их разбухать.
Температура	Увеличение температуры увеличивает скорость испарения и уменьшает относительную влажность окружающей среды, что также увеличивает потерю воды.
Относительная влажность	Сухой воздух вокруг листьев повышает уровень транспирации.
Ветер	В стоячем воздухе рядом с поверхностью испарения образуется область с высокой влажностью, что замедляет потерю воды.

II.Наблюдения

Растения чувствуют смену дня и ночи, смену сезонов. Они не только отличают весну от осени (в наших средних широтах), но гораздо более тонко приспосабливаются к определенной длительности дня.

Есть растения короткого дня, которые зацветают ранней весной; растения длинного дня зацветают в дни, близкие к летнему солнцестоянию. Как же они определяют длительность дня и ночи? Многие листопадные растения цветут в период, когда листва на них отсутствует — это увеличивает их продуктивность при опылении. Отсутствие листвы упрощает процесс опыления у растений, опыляемых с помощью ветра, и улучшает их видимость для насекомых-опылителей. Однако эта стратегия рискованная, так как сильные морозы или засуха могут погубить семена.

1. Сроки сезонного листопада. В средней полосе России процесс активного сбрасывания листьев растениями начинается во второй половине сентября и завершается в основном к середине октября.

Низко над горизонтом светит солнце. Лучи у него красные. Это обусловлено сильной зависимостью рассеяния света от длины волны.  Изменение состава солнечного света растения используют для определения длительности дня. В зависимости от концентрации  красящего пигмента находятся физиологические процессы в растениях – их рост и зацветание. Таким образом, внутриклеточные часы растений имеют дополнительные фитохромные регуляторы, позволяющие им приспосабливаться к изменениям длительности светлого времени суток.

Были проведены фенологические наблюдения за изменениями в природе: наступление осени в жизни деревьев. По этим изменениям мы выявили основные признаки осени.

Спад лета наступает примерно с  30 июля по 28 августа. Снижается фотосинтез из-за уменьшения поступления солнечного света в листья. Снижается уровень поступления воды в листья – листья становятся более жесткими. Это очевидно.

Начало осени: 28 августа – 21 сентября. Солнце над горизонтом все ниже. День становится короче.

Золотая осень: 21 сентября – 17 октября. В ходе наблюдений мы выяснили - желтеют листья, становится холодно, созревают плоды, опадают листья. День становится короче.

Деревья	Сроки пожелтения листьев на деревьях
Липа
Осина
дуб
береза
клен

Глубокая осень: 17 октября – 27 октября.

Фенологические наблюдения, которые мы проводили, позволили выяснить следующее. Дерево, стоящее возле фонаря освещения улицы, не изменило окраску листьев. Время листопада у него еще не наступило.

Осенняя раскраска листьев наблюдается не у всех деревьев. У ольхи листья во время листопада свой зелёный цвет и чернеют лишь после заморозков. Точно так же совершенно не изменяют свой цвет листья сирени: они остаются зелеными до выпадения снега, несмотря на то, что давно уже убиты морозами. У осины листопад начинается, когда листья еще зелены. Осенняя окраска наступает позднее,  когда часть кроны уже обнажилась.

       Продолжительность листопада у различных деревьев, так же как и пожелтение листьев, бывает крайне различной. У большинства деревьев листопад продолжается около двух месяцев, в то время как липа успевает сбросить листву за две недели.

Значит, реакция растений на изменение длины светового дня и температуры есть способность растения реагировать на изменения окружающей среды, из года в год повторяющиеся синхронно.

2. Снижение температуры, как и продолжительность освещения в совокупности играют роль в подготовке растений к смене сезона. Снижение температуры приводит к сужению просвета сосудов в листьях и стеблях. Это также способствует замедлению процессов обмена.

Сбрасывая листву, деревья и кустарники уменьшают свою потребность во влаге — в морозную погоду вода замерзает. При отсутствии листвы увеличивается продуваемость растений, что сохраняет их стволы и побеги от повреждений, вызываемых снежными штормами. На месте упавшего листа в основании черешка образуется отделительный слой, благодаря которому лист опадает.

В листьях происходят удивительные превращения. Листья постепенно начинают желтеть. В них происходит разрушение хлорофилла. Самой первой желтеет береза. Следом – липа. Крупные листья клена сначала играют красками, затем тяжело опадают вниз на землю. В сентябре краснеют листья рябин. К концу сентября желтеют листья осины. У деревьев возникает реакция на сокращение длины светового дня.

Теперь снова вернемся к зеленым листьям. Вспомним, какой важный процесс происходит в зеленых листьях растений? (Фотосинтез).

 Через микроскоп мы посмотрели листья и увидели, что они сверху покрыты кожицей. А на нижней части листьев есть устьица. Под влиянием окружающей среды устьица то открываются, то закрываются. За лето в листья притекает из почвы много минеральных солей. Если листья не будут опадать, дерево будет себя отравлять избытком солей.

Будет ли нормальным питание растения с измененными листьями? - нет. Значит, когда разрушается хлорофилл, растения перестали получать достаточно органических веществ. Более того, вместо полезных сахаров и крахмала начинают образовываться и накапливаться ненужные, а иногда и вредные для растений вещества. Плюс еще те вредные вещества, которые накапливались в клетках листьев в течении всего лета, ведь растения поглощают все вредные вещества, которые содержатся в воздухе, избавляя нас с вами от той же участи. Выходит, что нужно сделать с такими листьями? (Сбросить). Что растения и делают.

Как же происходит сбрасывание листьев? Растение – живое и очень умное создание. Когда в зеленых фотосинтезирующих листьях образуются органические вещества, в частности крахмал, куда они поступают? В сердцевину и корень - про запас. А вредные вещества зачем запасать? Нет смысла. Поэтому, происходит отток, но доходит только до границы и скапливается здесь. Образуется пробка, которая не пропускает вредные вещества дальше. Когда концентрация становится большой, на границе образуется рубец и лист отрывается и падает.

Теперь сделаем вывод причины листопада: Накапливание в листьях ненужных и вредных веществ. Но это одна из причин, причем не главная.

Кроме того, что лист дает растению питание, что еще обеспечивает он? Испарение. Зимой, очень важно испарение для растений? Почему? Холодно. Кроме того, даже вредно. Какую воду легче корни всасывают теплую или холодную?

С приближением времени листопада листья стареют. По мере их старения снижается интенсивность дыхания, хлоропласты деградируют, из листа в стебель оттекают пластические вещества (аминокислоты, углеводы), накапливаются некоторые соли (например, оксолата кальция). Около основания листа формируется отделительный слой, который состоит из легко расслаивающейся материи - паренхимы. По паренхиме листья отделяются от стебля. Начинается листопад.

Какая необходимость уменьшения испарения?

Во-первых, корни многих растений не могут всасывать из почвы холодную воду, и если бы продолжалось испарение, а вода не поступает больше, растение погибнет. Вода, замерзая, расширяется, внутриклеточная влага разрывает клетку изнутри, поэтому деревья избавляются от листьев.

И во вторых, если бы шло испарение, создавалась бы разность давления и вода вынуждена была бы подниматься из зоны большего давления, т. е. из корня в зону меньшего – в листья. А это опасно для растения, особенно зимой и особенно для древесных растений и кустарников. Ведь известно, что при низких температурах вода способна замерзать, а при замерзании - расширяться. Если оставить воду в банке на морозе, что произойдет с банкой? (лопнет). Если вода замерзнет ,внутри дерева клеточки его тоже разорвутся. А весной такое дерево, уже не даст нежных молодых листочков, погибнет навсегда. Значит, вторая причина.

Одна из опасностей, подстерегающих растение – обезвоживание. Ствол, веточки защищаются от обезвоживания корой. Листья не имеют такой защиты и через них влага испаряется. Осенью начинает холодать, почва постепенно замерзает. Корням деревьев становится все труднее добывать из нее воду.

Теперь выясним, все ли растения сбрасывают свои листья. Листья брусники. Какая окраска у листьев? - зеленая. Значит, брусника зимует с зеленой листвой. А почему? ( т.к. они имеют мелкие плотные листья, слабо испаряют воду). Бруснику, клюкву называют вечнозелеными кустарничками. Вывод: нет необходимости сбрасывать листья.

Выводы из наблюдений:

1. Растения проявляют реакцию на изменение длины светового дня.

2. Снижение температуры окружающей среды оказывает существенную роль в сезонных изменениях растений.

3. Уменьшение испарения как следствие замедления обменных процессов.

3. Растение очищает организм от вредных веществ, сбрасывая листья.

4. Раздражимость - реакция на свет, температуру, влагу (и другие абиогенные факторы) является одной из составляющих обмена веществ растения.

Иными словами, биологические часы, синхронно работающие из года в год: растения нашей местности научились замедлять обменные процессы в организме, приспособившись к сезонным изменениям в природе. Это зависит не только от внешних условий, но и является необходимостью для нормальной жизнедеятельности деревьев и кустарников.

Листопад - это приспособление растений к удалению ненужных и вредных веществ, а так же к уменьшению испарения осенью и зимой.

Листопад – это приспособление лиственных деревьев и кустарников к суровым условиям.

Листопад – это не следствие неблагоприятных условий для деревьев и кустарников, а является циклом развития растения.

Думаю, что листопад в жизни растений играет роль показателя снижения сокодвижения, а именно периода входа растения в зимнюю спячку.

Листопад – это закономерность, обусловленная изменением длины светового дня.

Значение листопада для окружающей среды велико: опавшая листва являет собой ценнейшее удобрение, благодаря которому лесной грунт каждый год обогащается перегноем, приобретая важные вещества.        

Народные приметы, связанные с листопадом: грядущие ранние (поздние) заморозки, смена времен года, поздняя оттепель. (Приложение 2).

IV.Заключение

Мы раскрыли еще одну из многочисленных тайн природы. Человек и природа эти два понятия неразделимы. Мир человека и природы удивительно гармоничен. Пришвин сказал: «Чудеса совершаются рядом с нами во всякую минуту нашей жизни, только часто к сожалению, имея глаза, мы их не видим, имея уши мы их не слышим.» Всякому ли открывается мир природы.? Всякому ли природа открывает свои тайны, и песни осени всякому ли слышны? Удивительное явление природы – листопад нашел отражение в творчестве классиков и современников. (Приложение 1)

Только неравнодушный человек – своим чутким взглядом может заметить каждую травинку, которая прорывается сквозь асфальт, каждый лучик солнца, который скользит по стене вашей комнаты.

Значение листопада для окружающей среды велико: опавшая листва являет собой ценнейшее удобрение, благодаря которому лесной грунт каждый год обогащается перегноем, приобретая важные вещества.

Благодаря толстому слою перегнившей листвы почва сильно не промерзает, что позволяет ранним растениям развиваться под снежным покровом, а мелким животным (например, ежам) переждать зиму.

Для здоровья и жизни человека опавшие листья могут быть опасны. Естественно, не тогда, когда жёлтым или багровым ковром укрывают поверхность Земли, или перегнивая, обогащают почву полезными для неё веществами. А в том случае, если в естественный природный процесс вмешивается человек, сжигая опавшие листья: дым от подожжённой листвы особо вреден детям, аллергикам, астматикам, пожилым людям.
Список использованной литературы

1.     В.П. Викторов, А.И. Никишов “Биология. Растения, бактерии, грибы и лишайники” учебник для 6 класса, М.: “Владос”, 2013

2.     Пасечник В.В. “Биология: Растения, бактерии, грибы, лишайники”, учебник для 5-6 класса, М.: “Просвящение”, 2014

3.     А.В. Марина. Уроки ботаники. Конспекты уроков для учителя биологии, М.: “Владос”, 2013

4.     Д.И. Трайтак Биология: Растения, бактерии, грибы, лишайники. Пособие для учащихся, 6-7 класс, М.: “Мнемозина” 2012

5.     Л.Д. Парфилова Уроки биологии 6-7 класс. Книга для учителя. М.: Сфера, 2013

6.     И.П. Упатова Биология. Разработки уроков. Харьков: Скорпион, 2011

7.     С.Ю. Модестов Сборник творческих задач по биологии, экологии и ОБЖ. С-Пб: “Акцидент” 2014

Интернет - ресурсы:

1.© http://primety.ru/c/narodnye/pro-listya/

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Листопадные_растения

© http://primety.ru/c/narodnye/pro-listopady/