«Исследование влияния листовой поверхности на газообмен растений"

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ  

ГОРОДА НОВЫЙ УРЕНГОЙ

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «СРЕДНЯЯ ШКОЛА №7»

Исследовательская работа

«ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛОЩАДИ ЛИСТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ГАЗООБМЕН РАСТЕНИЙ»

г. Новый Уренгой, 2023

1. ВВЕДЕНИЕ                                                                                 3
2. ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ ПО ВЫБРАННОЙ ТЕМЕ

2.1. Общие сведения о газообмене растений                                                 4

2.1.2. Характеристика процесса газообмена                                                  4

2.1.3. Общая характеристика листа и его функции                                        7

2.1.4. Влияние условий на газообмен растений                                                8

2.2. Сведения об аналогичных работах                                                        9 

3.    ОПИСАНИЕ ИНСТРУМЕНТАРИЯ  

3.1. Практическая часть                                                                        9

3.1.1. Материал и методы                                                                        10 

3.1.2. Вычисление площади листовой пластинки разными методами                10

3.1.3. Исследование влияния площади листовой пластинки на скорость фотосинтеза                                                                                        13

3.1.4. Результаты исследований                                                                15

4. МЕТАПРЕДМЕТНАЯ РЕФЛЕКСИЯ                                                        16 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                16

Список литературы                                                                                17

Приложение                                                                                        19

1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Лист – это главнейший орган растений, и предназначен для решения разных функций, а именно: фотосинтез – формирование органики из неорганических соединений на свету; создание запаса необходимых для жизни растения веществ; осуществление газообмена; вегетативное размножение; испарение.

Именно газообмен обеспечивает выделение в атмосферу кислорода и поглощения углекислого газа, и необходимо отметить, что именно поверхность листьев играет значимую роль в этой жизненно важной операции в газообмене.

В этой работе мы исследуем влияние размера площади листовой поверхности на газообмен. Применяем весовой способ и выявление площади листа по его параметрам. [3].

Новизна данной исследовательской работы заключается в том, что до настоящего времени при решении вопросов по изучению влияния листовой пластинки на газообмен растений применяли весовой метод и расчет площади листа по его характеристикам, в представляемой работе задействован применен лабораторный комплект для учебной практической и проектной деятельности по биологии и экологии. Всё названное выше определило выбор и злободневность темы настоящей работы.

Выбранную тему исследовательской работы считаю актуальной, так как изучение и понимание влияния площади листовой поверхности на процессы газообмена у растений имеет важное значение для сельского хозяйства, экологии и борьбы с изменением климата.

Цель: изучить зависимость площади листовой поверхности на интенсивность газообмена у растений.

Задачи:

- изучить литературу по теме исследования;

- произвести вычисления площади листовой пластинки разными методами;

- сравнить эффективность используемых методов, определить точность совпадения измерений у разных видов растений;

- доказать влияние площади листовой пластинки (на примере различных растений) на скорость фотосинтеза.

Объект исследования: лист как орган газообмена.

Предмет исследования: влияние площади листовой поверхности на газообмен растений.

Гипотеза: площадь поверхности листа оказывает влияние на газообмен растений.

Методы проведения эксперимента: наблюдение, измерение, эксперимент.

Оборудование и принадлежности (из комплекса): компьютер с установленным программным обеспечением для датчиков; датчик содержания кислорода; датчик содержания углекислого газа.

Дополнительное оборудование, материалы, реактивы: калькулятор; калька; весы электронные; листья растений; настольная лампа; ножницы измерительная линейка; простой карандаш.

2. ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ ПО ВЫБРАННОЙ ТЕМЕ  

2.1.1.  Общие сведения о газообмене растений

2.1.2. Характеристика операции газообмена

Газообмен – обмен газов между живым организмом, в нашем случае растением и внешней средой /атмосферой/, протекающий в ходе дыхания. В результате этой операции в организм поступает кислород, впоследствии используемый для окисления химический, вовлеченных в метаболизм организма; в итоге происходит высвобождение энергии, необходимой для осуществления процессор жизнедеятельности, и формируются финишные продукты метаболизма, в том числе и углекислый газ, и незначительный объем других газообразных соединений. То есть, организмы приобретают необходимый им кислород либо из атмосферы, либо из воды, где он растворен. Газообмен проходит посредством диффузии газов прямо через поверхность клеток. [1].

Газообмен у растений – это процесс поглощения и выделения углекислого газа клетками растений. Этот процесс складывается из двух противоположных процессов - фотосинтеза и дыхания.

Фотосинтез — это процесс образования на свету в зеленых частях растений органических веществ из углекислого газа и воды. При этом в атмосферу выделяется свободный кислород. Этот процесс можно записать в виде схемы: Вода + углекислый газ + световая -> глюкоза + кислород или уравнения химической реакции:

6CO2 + 6H2O ->C6H12O2+ O2

Фотосинтез происходит в хлоропластах – органоидах растительной клетки, которые содержит хлорофилл – зеленый растительный пигмент, способный улавливать световую энергию и преобразовывать ее в энергию АТФ. Благодаря процессу фотосинтеза в атмосфере Земли накопился свободный кислород, который в дальнейшем стал использоваться аэробными организмами для процесса дыхания. В этом состоит космическая роль зеленых растений.

Во время фотосинтеза растения производят сахар, накапливая энергию Солнца в виде химической энергии. Если существуют потребность в энергии, они могут высвободить накопленную в сахаре энергию в результате клеточного дыхания.

Клеточное дыхание относится к процессу преобразования химической энергии органических молекул в непосредственно потребляемую организмами форму. Глюкоза может полностью окисляться, если доступно достаточное количество кислорода. Клеточное дыхание – это окислительный процесс, с участием кислорода, распад органических питательных веществ, сопровождающий образованием химически активных метаболитов и освобождением энергии, которые клетки используют для процессов жизнедеятельности.

Этот процесс можно отобразить в виде схемы: глюкоза + кислород -> вода + углекислый газ + энергия, или суммарного уравнения химической реакции: C6H1206 + O2 ->6CO2 + 6H2O +2875 кДж/моль

Дыхание – один из центральных процессов метаболизма растительного организма. Выделяющаяся при дыхании энергия расходуется как на процессы роста, так и на поддержание в активном состоянии уже завершивших рост органов растения. Надо помнить дыхание не только поставляет энергию, но и служит источником метаболитов. На его переходных этапах происходит формирование органических соединений, например, органические кислоты и пентозы, использующиеся в разны метаболических процессах. Хотя процесс дыхания в суммарном виде противоположен фотосинтезу, в отдельных случаях они могут дополнять друг друга.

Как видно из суммарного уравнения, в процессе дыхания происходит образование воды. Эта вода в сложных условиях обезвоживания будет использована растением и предохранять его от кончины. В некоторых случаях, когда энергия дыхания выделяется в виде тепла, дыхание ведет к бесполезной потере сухого вещества, поэтому при рассмотрении процесса дыхания надо помнить, что не всегда усиление процесса дыхания является полезным для растительного организма.

При дыхании растения поглощают из воздуха кислород, а выделяют углекислый газ. Корни растений берут частицы кислорода из почвы, а стебли и листья поглощают его из воздуха. Кислород нужен, чтобы растение могло получить энергию, которая ему требуется для жизни.

Клеточное дыхание, в отличие от фотосинтеза, происходит в клетках растений непрерывно вне зависимости от солнечной энергии. Однако на свету процесс клеточного дыхания малозаметен, т. к. выделяемый углекислый газ тут же вовлекается в процесс фотосинтез. Лучше всего наблюдать процесс дыхания растений в темноте.

2.1.3. Общая характеристика листа и его функции

Лист — это основной орган фотосинтеза у растений. Он обычно имеет плоскую форму, что позволяет ему максимально поглощать свет для проведения фотосинтеза. Лист также выполняет функцию газообмена, обмениваясь кислородом и углекислым газом с окружающей средой.

Функции листа включают в себя фотосинтез, процесс, в котором растение использует свет, углекислый газ и воду для производства питательных веществ, таких как глюкоза. Лист также выполняет роль дыхания, процесса, в результате которого растение использует кислород для окисления органических веществ и выделения энергии.

Площадь листовой поверхности имеет прямое влияние на эффективность фотосинтеза и газообмена у растений. Чем больше площадь листа, тем больше света он может поглотить для фотосинтеза, и тем больше газов он может обменять с окружающей средой.

Изучение и понимание влияния площади листовой поверхности на процессы газообмена у растений имеет важное значение для сельского хозяйства, экологии и борьбы с изменением климата.

Эпидермис – слой клеток, которые защищают от вредного воздействия среды и излишнего испарения воды. Часто поверх эпидермиса лист покрыт защитным слоем восковидного происхождения (кутикулой).

Мезофилл (паренхима) - внутренняя ткань, содержащая хлорофилл, выполняющая функцию фотосинтеза. 

Рисунок 1. Клеточное строение листа

Сеть жилок образована проводящей тканью, состоящая из сосудов и ситовидных трубок, для перемещения воды, питательных веществ.

Устьица – специальные клетки, через них осуществляется транспирация и газообмен (рис.1).

2.1.4. Влияние условий на газообмен растений

Условия окружающей среды, такие как освещенность, температура, влажность и содержание углекислого газа, также оказывают влияние на процессы газообмена у растений. Например, при недостаточной освещенности или низких температурах процессы фотосинтеза могут замедлиться, что приведет к уменьшению обмена газов. Также высокая влажность может затруднить испарение воды через устьица листа, что также может повлиять на газообмен.

Изучение этих влияний позволяет разрабатывать методы оптимизации условий выращивания растений, а также предсказывать возможные последствия изменений климата на растительный мир. Таким образом, изучение влияния условий на газообмен растений имеет большое значение для сельского хозяйства, экологии и устойчивого развития.

Скорость газообмена у растений разных видов, в разных органах и тканях одного растения зависит от внешних факторов и физиологического состояния клеток. По количеству выделенного или поглощенного кислорода, а также углекислого газа, определяют скорость фотосинтеза или дыхания [1].

Следовательно, создавая определенные внешние условия или оказывая влияние на определенные факторы, процесс дыхания можно направить на максимальную продуктивность растений.

2.2. Сведения об аналогичных работах

Один из аналогов исследования влияния площади листовой поверхности на газообмен растений — это работа исследователей из Университета Оклахомы. В их исследовании они изучали влияние размера листьев на процессы фотосинтеза и дыхания у растений. Они провели эксперименты с различными видами растений, у которых были изменены размеры листьев, и измерили их газообмен. Результаты исследования показали, что у растений с большей площадью листьев был более высокий уровень фотосинтеза и обмена газов, чем у растений с меньшей площадью листьев.

Другой аналогичный пример исследования — это работа исследователей из Университета Калифорнии в Дэвисе. Они изучали влияние изменения размеров листьев на газообмен у растений в условиях измененной освещенности. Исследователи выявили, что при увеличении площади листьев у растений увеличивался уровень фотосинтеза и обмена газов, что свидетельствует о том, что площадь листьев имеет значительное влияние на газообмен у растений.

Оба этих исследования показывают, что размер листовой поверхности имеет важное значение для процессов газообмена у растений. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации условий выращивания растений и прогнозирования последствий изменений климата на растительный мир.

3. ОПИСАНИЕ ИНСТРУМЕНТАРИЯ  

3.1. Практическая часть  

3.1.1. Материал и методы

Для практической части мы использовали традесканцию и герань которые часто встречаются в школьных кабинетах.

Традесканция обладает ползучими или прямыми побегами, полегающимися и укореняющимися на поверхности грунта. Листья эллиптические, яйцевидные до ланцетовидных, очередные. Большая часть видов традесканции — неприхотливые растения, поэтому выращиваются как комнатные растения. Для обильного цветения и ярко окрашенной и компактной листвы рекомендуется содержать их в светлом месте, но не на солнцепёке и поливать в жаркие дни по мере просыхания почвы. Традесканции в состоянии адаптироваться практически почти к любым условиям содержания; они спокойно переносят тень, но при этом    они теряют цвет, бледнеют, изменяют форму и частично теряют привлекательный внешний вид. Растения в состоянии переносить излишнее освещение, но только попадание прямых солнечных лучей может оставить ожоги, могущие повлечь за собой отмирание частей листа. Традесканции очень просто размножаются в любое время года. Все традесканции могут быть отнесены к самым неприхотливым и выносливым комнатным растениям.

Герань растение с длинным корнем. Стебли сильно ветвистые, восходящие, покрытые прижатыми волосками, направленными к основанию. Листья на черешках, покрыты прижатым опушением, в очертании округло-пятиугольные, пальчаторассечённые на 5 узкоромбических долей, каждая из которых с крубнозубчатым краем, имеются прилистники. Цветки одиночные, редко по два. Чашелистики продолговато-яйцевидной формы, с заострённым концом, щетинисто-опушённые. Герань предпочитает расти в солнечных местах.

Методы, используемые в работе: весовой и определение площади листа по его параметрам.

3.1.2. Вычисление площади листовой пластинки разными методами

Весовой метод

Для весового метода вырезали из кальки 15 квадратов площадью 100 см2 (10 *10 см) и взвесили их на электронных весах. Наложили каждый лист растения на другой лист кальки, обвели его, вырезали по контуру и взвесили.

Вычислили площадь контура (листа) по формуле: S= 100*B/ A, где S – площадь листа, см2, A– масса 100 см2 кальки, г, B–масса контура листа, г. Определили таким образом площади листьев двух видов растений. Результаты всех измерений представили в таблице 1.

Таблица 1.

Определение площади листа весовым методом

Метод определения площади листа по его параметрам

Для метода определения площади листа по его параметрам мы сопоставили формы листа с геометрической фигурой. Метод простотой, но недостаточно точен.

Наложили листья растений герани и традесканции, на кальку и обвели их по контуру (рис. 2 а). Вписали контуры в соответствующие фигуры в вытянутые прямоугольники (рис.2 б)

Рисунок 2.

Вписывание контура листа в соответствующую фигуру

                          рис. 2а                                                                          рис. 2б

Измерили длину (а) и ширину (b) такого прямоугольника, нашли его площадь (S), по формуле: S= a * b

Но фактически площадь листа (Sл) будет меньше площади геометрической фигуры, поэтому необходимо установить поправочный коэффициент (K), равный отношению Sл/S. Определили поправочный коэффициент (K) весовым методом: вырезали из бумаги прямоугольник вместе с контуром листа (рис. 1) и взвесили его. Записали данные в таблицу 2, как Mф.

Вырезали из прямоугольника контур листа (рис. 1а) и взвесили его, записали данные в таблицу 2, как Mл. Определили поправочный коэффициент по формуле: K= MЛ/MФ

Определили фактическую площадь листа традесканции по формуле: Sл= a*в*К (* знак умножения). Определили площадь листьев растений. Внесли данные в таблицу 2.

Таблица 2.

Определение площади листа по его параметрам

Сравнили площади пластинок, полученные разными методами. Результаты измерений занесли в таблицу 3.

Таблица 3.

Сравнение разных методов определения площади листовой пластинки

Величина площади листьев является фундаментом для дальнейших расчетов чистой продуктивности фотосинтеза, фотосинтетического потенциала и других характеристик. Выявление площади листьев – не самый простой прием, так как их форма и размер изменяется в течение всего вегетационного цикла. Более того, форма листовых пластинок крайне разнообразна и ее как правило, сложно замерить. Пришлось выбирать наиболее одинаковые по размеру листья.

Существует ряд основных технологий измерения площади листьев: технология промеров, технология высечек, весовая технология, нанесение контура листа на миллиметровую бумагу, планиметрический метод, метод сканирования. В этой работе мы применили 2 технологии метода. Самым точным оказалась технология нанесения контуров листа на миллиметровую бумагу, но по затраченному времени это самой продолжительная технология.

3.1.3. Исследование влияния площади листовой пластинки на скорость фотосинтеза

В школе имеется новое оборудование цифровая лаборатория. Ознакомившись с инструкцией, мы приступили к практической части.

На скорость продуктивность фотосинтеза влияют разные факторы. Одним из самых важных является площадь листовой поверхности.

Подключили датчик содержания кислорода к компьютеру. Запустили программное обеспечение для работы с датчиком. Подождали 5 мин. пока произойдет настройка датчика. За это время поместили в прозрачный контейнер несколько листьев растения. Когда датчик был готов к работе, аккуратно проделали отверстие в нем и поместили туда чувствительный электрод датчика так, чтобы датчик не касался листьев. Настроили параметры датчика на «%» в воздухе. Провели калибровку датчика согласно инструкции. Запустили эксперимент и записали начальное содержание кислорода в колбе, в таблицу 4.

Таблица 4.

Влияние площади листовой пластинки на скорость фотосинтеза

Включили настольную лампу и осветили ею листья растения в колбе. Следили за изменениями содержания кислорода в колбе на экране компьютера. Через время остановили измерения. Выключили лампу. Записали конечное содержание кислорода в колбе в таблицу 4.

Подключили к компьютеру датчик содержания углекислого газа. Запустили программное обеспечение датчика. Подождали 5 мин., пока произойдет настройка датчика. За это время сделали несколько полных выдохов в стеклянную банку с листьями, чтобы насытить ее углекислым газом. Соблюдали гигиенические требования, не касались стенок колбы губами. Когда датчик был готов к работе, аккуратно закрыли банку, в которой находится чувствительный электрод датчика. Настроили параметры датчика на «%» в воздухе. Провели калибровку датчика согласно инструкции. Запустили эксперимент и записали начальное содержание углекислого газа в колбе в таблицу 4.

Включили настольную лампу и осветили ею листья растения в колбе. Следили за изменениями содержания углекислого газа в колбе на экране компьютера. Через время остановили измерения. Выключили лампу. Записали конечное содержание углекислого газа в колбе в таблицу 4. Извлекли из колбы листья и рассчитали их общую площадь.

Рассчитали изменения содержания кислорода и углекислого газа и скорость выделения кислорода и поглощения углекислого газа во время эксперимента.

Таблица 5.

Влияние площади листовой пластинки на скорость фотосинтеза

3.1.4. Результаты исследований

В результате выполненной работы подтвердилось, что газообмен происходит через лист, рассчитана площадь листов разных растений и оценена взаимосвязь площади листа и газообмена.

В результате оценки полученных сведений, можно говорить о том, что корреляция газообмена от размера площади поверхности листьев полностью подтверждается, то есть чем больше лист, тем активнее газообмен.

4. МЕТАПРЕМЕТНАЯ РЕФЛЕКСИЯ

Исследование влияния размера площади поверхности листа на газообмен растений имеют большое значение для понимания сущности фотосинтеза и дыхания у растений. Эти работы помогли выявить факторы, влияющие на результативность газообмена у растений. И в дальнейшем, какие адаптации могут происходить в условиях постоянно меняющейся окружающей среды.

Метапредметная рефлексия по этой теме позволяет увидеть, как различные научные дисциплины, такие как биология, ботаника, физиология растений и экология, могут взаимодействовать для изучения данной проблемы. Это позволило увидеть, какие методы и подходы используются в различных исследованиях для изучения влияния размера листьев на газообмен у растений.

Исследования в этой области имеют практическое значение для сельского хозяйства, лесного хозяйства и охраны окружающей среды. Они могут помочь оптимизировать условия выращивания растений, улучшить урожайность и сопротивляемость к неблагоприятным условиям, а также предсказать возможные последствия изменений климата на растительный мир.

Таким образом, метапредметная рефлексия по теме исследования влияния площади листовой поверхности на газообмен растений помогает увидеть значение этой проблемы для различных научных дисциплин и ее практическое применение для сельского хозяйства и охраны окружающей среды.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенной исследовательской работы определено, что именно лист – есть главный орган растения, принимающий участие в газообмене. Качество выполнения листом газообмена сопряжено с содержанием в хлоропластах фотосинтетических пигментов. Процесс газообмена зависит от площади поверхности листьев: чем больше площадь поверхности листа, тем активнее протекает газообмен. Кроме того, в процессе работы исследования с растениями с различной площадью листовой пластинки выявлена прямая зависимость между площадью листа и газообменом. Результаты исследования подтверждены математическими расчетами площади поверхности листьев.

По итогам работы приходим к выводу, что выявление влияния площади листовой поверхности на газообмен растений позволит:

1) оптимизировать условия выращивания растений в тепличных и полевых условиях, чтобы увеличить их продуктивность;

2) понять, какие виды растений наиболее эффективно используют углекислый газ и выпускают кислород, что может быть полезно для борьбы с изменением климата;

3) разработать новые методы селекции растений с увеличенной площадью листовой поверхности для повышения урожайности и улучшения качества пищевых продуктов;

4) оптимизировать процессы фотосинтеза и дыхания растений, что может привести к улучшению их адаптации к различным условиям окружающей среды;

5) понять, какие факторы могут оказывать влияние на площадь поверхности листа растений, такие как генетические, окружающая среда, и условия выращивания.

Считаю, что результаты проведенных исследований, имеют практическое значение, так как исследования и понимание влияния площади листовой поверхности на процессы газообмена у растений имеет важное значение для нужд сельского хозяйства, экологии и борьбы с изменением климата.

Список литературы

1. Икконен Е. Н., Шибаева Т. Г., Шерудило Е. Г. RU 2022623418 Показатели газообмена и водного режима растений при круглосуточном освещении. № 2022622875; Заявлено 07-11-2022. Опубликовано 12-12-2022. URL: https://disk.yandex.ru/i/XqQfLO0l44VGoA
2. Мартиросян Ю. Ц., Мартиросян Л. Ю., Кособрюхов А. А. Динамика фотосинтетических процессов в условиях переменного спектрального облучения растений // Сельскохозяйственная биология. 2019. Т. 54. № 1. С. 130-139. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/dinamika-fotosinteticheskih-protsessov-v-usloviyah-peremennogo-spektralnogo-oblucheniya-rasteniy
3. Плугатарь Ю. В., Корсакова С. П., Ковалев М. С. Параметры углекислотного и водного обмена древесных растений как инструмент оптимизации структуры зеленых насаждений урбоэкосистем // Российская сельскохозяйственная наука. 2021. № 3. С. 51-56. URL: https://new.ras.ru/upload/iblock/7c1/k22xssiguita1q53c0b2erpmryu4jqu4.pdf#page=51
4. Ронжина Д. А., Иванова Л. А., Иванов Л. А. Листовые функциональные черты и биомасса растений ветландов в лесной и степной зонах // Физиология растений. 2019. Т. 66. № 3. С. 207-217. URL: https://disk.yandex.ru/i/heaI2PTmKrcLZw
5. Тарасов С. И., Герлинг Н. В. Измерение потоков CO2 и H2O между средой и растениями инфракрасным газоанализатором на основе открытой системы газообмена с учетом инструментальной ошибки // Научное приборостроение. 2022. Т. 32. № 3. С. 75-103. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/izmerenie-potokov-co2-i-h2o-mezhdu-sredoy-i-rasteniyami-infrakrasnym-gazoanalizatorom-na-osnove-otkrytoy-sistemy-gazoobmena-s