Исследовательский проект "Светящиеся растения"

ОТКРЫТАЯ УЧЕНИЧЕСКАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«ПОИСК И ТВОРЧЕСТВО»

Секция биологии

КАК СОЗДАТЬ СВЕТЯЩИЕСЯ РАСТЕНИЯ: ЖИВАЯ БИОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Автор: Щипицына Вероника, 3 «А» класс

МАОУ лицей 35 им. Буткова В.В.

Научный руководитель: Аверина Анна Александровна, учитель начальных классов МАОУ лицея 35 им. Буткова В.В.

Калининград

2022

Открытая ученическая научно-практическая конференция

«Поиск и творчество»

Информация о работе участников конференции

Аннотация

к исследовательскому проекту

Начальная школа

Тема проекта: «Как создать светящиеся растения: живая биолюминесценция»

Автор: Щипицына Вероника, 3 «А» класс МАОУ лицей 35 им. Буткова В.В.

Руководитель проекта: Аверина Анна Александровна, учитель начальных классов МАОУ лицей 35 им. Буткова В.В.

Актуальность: живая биолюминесценция в    будущем позволит экономить электричество и снизить         отрицательное влияние на окружающую среду. 

Цель: Познакомиться с живой биолюминесценцией более подробно и рассказать об этом ученикам моего класса.

Задачи:

1. Получить знания о живой биолюминесценции;
2. Узнать об этапах исследований и последних разработках;
3. Развить навыки поиска и обработки информации в библиотеке и интернете;
4. Приобщить учеников моего класса к интересным научным открытиям.

Отзыв руководителя об исследовательском проекте

ученицы 3 «А» класса

МАОУ лицей 35 им. Буткова В.В.

Щипицыной Вероники  на тему:

«Как создать светящиеся растения: живая биолюминесценция»

        Проект Щипицыной Вероники представляет собой исследование по изучению биолюминесценции, истории исследований светящихся растений и изучение разработок по их созданию. Актуальность проекта заключается в том, что время не стоит на месте – живая биолюминесценция в будущем позволит экономить электричество и снизить отрицательное влияние на окружающую среду. Дети интересуются фантастическими фильмами, и опрос обучающихся 3 «А» класса показал, что тема создания учеными светящихся растений, а также история исследований в этой области является для них интересной и актуальной.

        Содержание работы соответствует заявленной теме.

        Текст работы изложен на 11 листах печатного текста, что представляется достаточным для обучающегося начальной школы.

     Работа включает в себя введение, основную часть, заключение, список источников информации. Во введении указывается актуальность исследования, ставится цель, задачи,  определяются проблема исследования, её объект и предмет, выдвигается гипотеза.

        В работе представлена история исследований в области биолюминесценции, разработки по созданию светящихся растений, проведён эксперимент, сделаны выводы.

         Работу Вероника выполняла самостоятельно, при поддержке мамы и научного руководителя, используя материалы Интернета и литературы, рекомендованной ей для проведения исследования. Провела опрос среди обучающихся 3 «А» класса.  Всё фиксировала анализировала. При выполнении работы проявила: самостоятельность, творчество, инициативу, способность решать соответствующие исследовательскую проблему. Чётко выполняла все рекомендации научного руководителя и вовремя устраняла замечания в процессе доработки исследовательского проекта.

        Рекомендации: исследовательская работа Щипицыной Вероники по теме: «Как создать светящиеся растения: живая биолюминесценция» отвечает требованиям, предъявляемым к исследовательским работам, и рекомендуется к защите.

Научный руководитель:_______________   Аверина Анна Александровна

«11» декабря 2022 г.

Содержание

1. Введение.

2. Глава 1. Всё о светящихся растениях. Живая биолюминесценция

3. Глава 2. Создание светящихся растений.

        2.1 История исследований.

        2.2 Последние разработки по созданию светящихся растений.

4. Заключение.

5. Список литературы.

6. Приложение.

Введение

        Для исследовательской работы мы выбрали тему «Как создать светящиеся растения: живая биолюминесценция», так как этот материал представляет информационную ценность для учащихся, учителей и других людей, которым интересен мир необычных растений. В нашей работе собраны и описаны различные сведения о светящихся растениях, об истории исследований этих необычных видов растений, а также данные о последних разработках по созданию таких растений.

Актуальность данного проекта заключается в том, что живая биолюминесценция в    будущем позволит экономить электричество и снизить         отрицательное влияние на окружающую среду. 

Проблема исследования – как создать светящиеся растения.

Объект исследования – светящиеся растения

Предмет исследования – разработки по созданию светящихся растений.

Цель исследования - Познакомиться с живой биолюминесценцией более подробно и рассказать об этом ученикам моего класса.

Задачи исследования:

5. Получить знания о живой биолюминесценции;
6. Узнать об этапах исследований и последних разработках;
7. Развить навыки поиска и обработки информации в библиотеке и интернете;
8. Приобщить учеников моего класса к интересным научным открытиям.

Гипотеза проекта: Научные разработки по живой биолюминесценции позволят украсить и улучшить жизнь людей в будущем.

       Методы исследования:

1. Изучение специальной литературы.

2. Обобщение и систематизация материала по данной теме.    

3. Наблюдение и фиксация наблюдений.

Глава 1. Всё о светящихся растениях. Живая биолюминесценция

         Вы думаете, что гигантские деревья, светящиеся грибы, цветы, которые выглядят словно птицы, и растения, наполовину животные принадлежат исключительно кино?

На самом деле, многие открытия, которые делают ученые в фильме «Аватар», уже обнаружены на нашей планете. Биолюминесцентные растения, которые можно увидеть в фантастических фильмах и компьютерных играх больше не являются выдумкой фантастов.

Однако стоит отметить, что широкое распространение таких растений и получения от них достаточно яркого света — все еще в отдаленном будущем.

        Что такое живая биолюминесценция? Биолюминесценция – это способность живых существ излучать свет посредством окисления собственных белков или за счет жизнедеятельности симбионтов. Явление биолюминесценции возникает за счет окисления люциферинов. Люциферины – это химические вещества, которые имеют способность светиться. Данные химические агенты в живых организмах окисляются под действием ферментов люцифераз. В ходе окисления люциферинов происходит отделение фотона во внешнюю среду - за счет этого и достигается эффект свечения. На данный момент развития биологической науки известно порядка восьми ста видов живых организмов, обладающих способностью светиться. Большинство из них являются обитателями морских глубин – это некоторые виды глубоководных кораллов, водорослей, которые «живут» в зарослях кораллов, рыбы, медузы и пр., однако светящиеся существа встречаются и на суше. Это некоторые виды моллюсков, а также светлячки, скорпионы, грибы… В природе светящихся растений нет, потому что растения не нуждаются в естественной биолюминесценции. Объектом нашего исследования являются светящиеся растения. О них и об их создании речь пойдёт в следующей главе.

Глава 2. Создание светящихся растений.

1. История исследований.

        Мы начали свою работу с того, что искали информацию об истории исследований светящихся растений. Как было сказано выше, светящихся растений в природе не бывает. Впервые они были придуманы и выращены американскими генетиками из Массачусетского института ещё в 1986 году. В эксперименте участвовали два представителя семейства капустных – водяной кресс и жеруха обыкновенная. В качестве добавочного гена была использована люцифераза, которая необходима для реакции биолюминесценции у многих живых организмов — например, светлячка. Эксперимент 1986 года помог обнаружить активность люциферазы в растениях, а также позволил кодифицировать излучение света как маркер. Однако у него есть два основных недостатка: количество света было слишком низким для обнаружения невооруженным глазом (исследователи использовали люминометр), плюс для получения люминесценции требовалось добавление реагента. Кроме того, растение светилось неравномерно. Корни и стебли показали большую интенсивность света, чем листья. Более молодые органы излучали                 больше света, чем более старые.

        В 2010 году группа ученых провела эксперимент с целью получения полного автолюминесцентного растения, то есть растения, способного светиться без применения реагентов. Ученые использовали механизм биолюминесценции морских бактерий P.leiognathi. Они вставили опероны, отвечающие за люминисценцию в геном хлоропластов табака Nicotiana tabacum и сумели создать первое автолюминесцентное растение, способное излучать свет, видимый невооруженным глазом. Доктор Александр Кричевский является одним из исследователей, участвовавших в эксперименте на табаке и вместе с предпринимателем Талем Эйдельбергом они основали стартап Bioglow, который в 2013 году начал продавать первое автолюминесцентное растение под названием Старлайт Аватар. Идеальная температура для его роста составляла около 25 ° C и средняя продолжительность жизни составляла от двух до трех месяцев. Возможно, короткий срок жизни и трудности с выживанием генномодифицированных ростков стали причиной того, что светящиеся растения не появились на каждом подоконнике.

        Су Яньсюнь и его коллеги из исследовательского центра RCAS на Тайване в 2010 году искали подходы к усовершенствованию  светодиодов и изучали поведение золотых наночастиц в форме сфер с длинными иглами – что-то вроде морских ежей диаметром от 11 до 80 нм. Возникающий на их сложной поверхности плазмонный резонанс позволял на порядок усилить флуоресцентный сигнал, в том числе и слабое естественное свечение хлорофилла, вызванное взаимодействием с фотонами определенной длины волны.

        Доставить наночастицы в растение проще, чем гены: тайваньские физики просто поместили водоросль в раствор на несколько дней. Оказавшись в клетке, золотые «ежи» улавливали ультрафиолетовые фотоны и переизлучали их, заставляя хлорофилл испускать слабое красное свечение.

        В 2013 был также разработан проект, организованный Кембриджским университетом и названный iGEM. Исследователи ввели гены, ответственные за люминесценцию в светлячке, в бактерии Escherichia coli. Впоследствии они вставили оперон, взятый из морских бактерий под названием Vibrio fischeri, в другую кишечную палочку. Результаты показали, что света было достаточно, чтобы позволить читать текст, используя только бактерии в качестве источника света. А также им удалось получить разные цвета люминесценции.

2. Последние разработки по созданию светящихся растений.

        Далее мы приступила к изучению последних разработок по данному вопросу. В 2020 году международная команда из 27 ученых во главе с московским биотехнологическим стартапом Планта и Российской академией наук опубликовала новое исследование, в котором сообщили о возможности генетически модифицировать практически любой вид растения и обеспечивать его свечение на протяжении всего жизненного цикла.

        Благодаря введению ДНК из биолюминесцентного гриба в последовательность ДНК растений ученые смогли создать растения с сильным и продолжительным свечением. Хотя грибы и растения не связаны, та же молекула, которая вызывает биолюминесценцию грибов– кофеиновая кислота также была обнаружена в клеточных стенках большинства растений.

        Ученые выяснили, как именно устроена эта «грибная лампочка». Цепочка реакций оказалась нехитрой: всего четыре молекулы и четыре фермента, которые катализируют их реакции. На первом шаге широко распространенная у грибов кофейная кислота превращается в гиспидин, на втором — в люциферин. С третьим шагом, окислением люциферина, испускается излучение, после чего оксилюциферин снова восстанавливается до кофейной кислоты и все начинается сначала.

        После полной расшифровки механизма свечения гриба учёные приступили к настройке генов растений. В результате последней и самой успешной попытки им удалось создать два генетически модифицированных вида табака, которые излучали стабильную, видимую невооружённым глазом зелёную ауру. Свечение в десять раз превзошло по яркости то, что было получено в результате предыдущего эксперимента того же коллектива.

        Как отмечают учёные, мощный механизм люминесценции встроен в гены и не требует химической подпитки извне, при этом устойчивое свечение не мешает растениям нормально развиваться. Ученые сообщили, что этот процесс может быть воспроизведен и в    других растениях, включая петунии и розы.

Заключение

        В начале нашей исследовательской работы мы поставили проблему – создание светящихся растений. В ходе исследования мы изучили литературные источники, а также источники в сети интернет о светящихся растениях, о биолюминесценции, об истории исследований и с разработками по созданию светящихся растений.

        Заканчивая работу над исследовательским проектом можно сказать, что не всё из того, что было задумано, получилось: например, светящиеся деревья, которые могли бы заменить уличные фонари, все еще являются фантазией. Это произошло потому, что живые организмы -  достаточно сложные объекты для изучения и геномодифицирования. Но проблема эта будет решена, так как результаты, полученные российскими учеными, могут быть использованы для создания декоративных растений, которые будут светиться в темноте и будут доступны для широкой аудитории.

        Работа над проектом показала, что в будущем можно ожидать создание еще более ярких растений, в том числе растений с новыми свойствами, такими как изменение яркости или цвета свечения в ответ на людей и окружение. Ученые считают, что благодаря этой живой ауре из света мы можем достичь новых отношений с нашими комнатными растениями, которые бы понравились создателям фильма «Аватар».

        Практическая значимость данного исследования заключается в том, что собранные материалы могут быть использованы обучающимися и учителями для дополнительных занятий по окружающему миру, биологии.

        Таким образом, задачи исследовательской работы решены, поставленная цель достигнута, выдвинутая проблема выяснена, гипотеза нашла подтверждение.

Список литературы

1. Анктил, Мишель Светящиеся существа: История и наука о производстве света в живых организмах. Монреаль и Кингстон, Лондон, Чикаго: Издательство McGill-Queen's University Press. (2018).

2. Светящиеся растения вызывают споры. Nature, 498:15-16

3. https://derevynidom.ru/drugoe/svetjashhiesja-rastenija-v-prirode-2.html

4. https://www.nkj.ru/news/38655/

5.https://travelask.ru/blog/posts/34276-rasteniya-svetilniki-uchenye-pridumali-sposob-zaryazhat-pred

Приложение

Светящиеся растения из фильма «Аватар»