Чудеса цвета или тайны красоты осени
творческая работа учащихся по экологии (6 класс)

Областной конкурс «Экология моего края»

Номинация

Экология

Чудеса цвета или тайны красоты осени.    

Автор работы: Антонов Александр

учащийся   6 класса Луковецкой средней школы

Руководитель: учитель химии и биологии Давлеева Л.А.

Г. Архангельск                                                                                                                                                            

1.Введение

Я живу в поселке Луковецкий. Он весь утопает в зелени. Школьная аллея насчитывает 557 берёз.  В дендрарии есть клён, вяз, дуб, боярышник, кедр, пихта. Каждый день  я вижу их.  Меня заинтересовал  вопрос, почему происходит изменение цвета листьев и я решил провести исследование. Я заметил, что  листья осенью стали разноцветные: зелёные, красные, жёлтые. Что с ними произошло? Ведь летом они все были зелёными. Почему они так выглядят?  Чтобы  получить ответ  на свои вопросы,  я решил  обратиться  к литературе. Такая грусть лишь в это время года... Господь не зря мгновенья выбирает. Так умирает осенью природа, но как она красиво умирает... Красива у нас на Севере осень.  Я давно мечтал раскрыть тайны  этой красоты.  Ну, кто же, или что раскрашивает так листочки?   Сколько в тебе осень разноцветных красок  рябина  горит, как пламя, берёзка в золотом сарафане, боярышник в багряную рубашку одет.  Почему же осенью желтеют листья? А знаете ли вы ответ на этот вопрос?   Мотив выбора темы.  Летом листва деревьев и кустарников была  зелёная. Но настала осень, ночью были первые заморозки, листва на деревьях изменила окраску, стали падать листья. Яркие краски раскрасили лес.  Я решил  понаблюдать за этими явлениями  и выяснить, почему осенью происходят такие изменения.(Прил.1 фото1)                                                                                                                       Цель исследования:  изучить причины изменений цвета  растений и объяснить  процессы,  протекающие в листе осенью.  

Задачи исследования:  узнать, почему деревья осенью сбрасывают листья; выяснить,   почему листья меняют окраску? Что влияет на эти процессы?

Гипотеза: Я считаю, что на  изменение цвета листьев влияет погода и время года.

Объект исследования: разноцветные листья разных пород деревьев и кустарников.

Предмет исследования: явления происходящие в листе во время осеннего листопада.

Методы исследования: наблюдение за растениями  поздней осенью; сбор информации; практический эксперимент; сравнения.

Основная часть.

Для сбора материала я уходил на улицу. Смотрел   на деревья и листья, растущие в нашем посёлке, у дома и школы, сравнивал их. Результаты вносил в таблицы.  Беседовал с людьми, задавая им два вопроса:  почему листья у деревьев изменяют окраску. И какое дерево желтеет первым?  Ответы были разные, но точно никто не знал.  Я собрал много  листьев разных по окраске, сделал фотографии. И провёл своё исследование.  Думаю, что  этот материал пригодится мне на уроках биологии, химии,  изобразительном искусстве и в дальнейшей работе.  

 2.Методика  исследования.  В процессе исследования я  собрал листья разной формы и окраски.  Это были листья березы, тополя, осины, рябины, шиповника, боярышника и черёмухи. На ощупь листья были мягкие, жесткие, нежные. По форме и размеру они разнообразны: сложные, простые, большие и маленькие.    

Также я установил наблюдение за берёзами в аллее у школы, всего их 557.  На первой берёзе появились жёлтые листочки 3 сентября. К 6 сентября листочки жёлтые были на 12 берёзах. К 10 сентября только на трёх берёзах изменения окраски листьев не наблюдалось. К 16 сентября листья всех берёз изменили цвет. Рябина стояла с жёлто -  красными листочками. Осина листья имела оранжевые и красные.

 Среднесуточная температура: с 25 августа по 15 октября

3 сентября по 13 сентября  -  100С

С 13 по 23 сентября  + 90С.

С 23 по 3 октября  +70С, много дождей

С 3 по 13 октября +50С,

С 13 по 15 октября + 40С . А к 15 октября на берёзах, осинах, тополях листьев не было вообще. (Прил.4 график)  Кроме сирени, лист сбросили все деревья. Моё мнение: дерево сбрасывает лист, потому что чувствует опасность. Когда наступают на хвост ящерице, она его просто оставляет. Осень, до морозов ещё далеко, а деревья сбрасывают листву. Я прочитал, что сбрасывание листьев имеет определенный биологический смысл. Деревья, на которых нет листьев, лучше переносят суровые зимы. Этому явлению есть объяснение. Главная опасность, которая подстерегает деревья зимой, испарение воды из надземных органов, т. е. высыхание. В зимнее время, в мороз это может привести к гибели по той причине, что передвижения воды по растению нет и восполнить потери влаги невозможно. Ветви дерева испаряют несравненно меньше воды, чем листья. Это - отличная  защита. При листопаде каждый лист отделяется в  определенном месте - там, где сформировался пробковый слой.  Листья опадают  сами, или их срывает ветер. Этот процесс идёт постепенно. [1]  В листьях происходят загадочные превращения. Рассмотрим всё по порядку. Зелёные краски лета почему? Потому что  лист дерева имеет  пигмент - хлорофилл. Когда он в большом количестве содержится в клетках, что происходит во время периода роста, зелёный цвет хлорофилла преобладает, затмевая цвета любых других пигментов, которые могут содержаться в листе. Поэтому листья летом имеют характерный зелёный цвет.  Хлорофилл обладает жизненно важной функцией: перехват солнечных лучей и преобразование полученной энергии в питательные вещества -  простые сахара, которые получаются из воды и углекислого газа. .[3] Эти сахара являются основой питания растений - источниками углеводов, необходимых для роста и развития. Во время процесса производства питательных веществ,  хлорофилл разрушается, так как непрерывно используется. Несмотря на это, в течение сезона роста, растения снова и снова восстанавливают запасы хлорофилла. Большой запас хлорофилла позволяет листьям оставаться зелёными. Поздним летом жилки, переносящие соки в лист и из листа, постепенно закрываются. Это происходит по мере того, как в основании каждого листа формируется пробковый клеточный слой.[2] С нарастанием этого слоя, количество воды и минералов, поступающих в лист, уменьшается. Сначала медленно, но затем этот процесс ускоряется. В течение этого времени количество хлорофилла начинает снижаться. Но вот  жилки остаются долго зелёными, даже когда расположенные между ними ткани уже давно полностью изменили цвет. Так почему же листочки приобретают такие красивые цвета осенью? Причина тому пигменты.   Пигменты, способствующие изменению цвета :                                                                                                                                                                                                                                                    Каротиноиды имеют преимущественно жёлтый или оранжевый цвет. Они всегда присутствуют в листьях, но перекрываются зелёным цветом хлорофилла. Вот почему берёза осенью жёлтая красавица. Антоцианы, которые ответственны за красные цвета в листьях, не присутствуют в листьях до тех пор, пока в листьях не начнёт снижаться уровень хлорофилла. Раньше предполагали, что антоцианы просто результат разрушения зелёного хлорофилла, но эта теория уже не считается общепризнанной. Листья осины. Коричневый цвет листьев возникает не из-за действия какого-либо пигмента, а из-за клеточных стенок, которые становятся заметными, когда отсутствуют видимые красящие пигменты.Функции осенней расцветки листьев - фотозащитная

В конце XIX века наблюдалось, что производство в листьях антоцианов возрастает при низких температурах и хорошем освещении. Предполагалось, что антоцианы защищают листья от вредного ультрафиолетового излучения. Но в 1980-х годах заметили[кто?], что антоцианы производятся внутри листьев, а не на поверхности, что говорит против теории фотозащиты.  Но в 1990-х годах учёные Дэвид Ли и Кэвин Гольд показали, что красные листья лучше справляются с колебаниями света, чем зелёные. Они предполагают, что наличие красных антоцианов стабилизирует фотосинтез. Согласно теории коэволюции, цвета осенних листьев являются предупреждающими сигналами, предназначенными для насекомых, использующих деревья в качестве питающей среды на время зимы. Например, тли. А теперь вернемся вновь к осенней раскраске листьев. Чтобы написать эту работу, я прочитал много литературы, и узнал, что  ученые из университета Северной Каролины в Шарлотте нашли новые закономерности в появлении осенью красных и желтых листьев.  Исследования проводились под руководством Эмили Хабинк, которая исследовала разные породы деревьев, на разных территориях. Оказалось, что красные листья обычно появляются у деревьев, которые растут на бедной почве, а желтые - на деревьях, что произрастают на богатой почве. Также было установлено, что красные листья позволяют эффективнее использовать содержащиеся в них питательные вещества в условиях их дефицита. Как известно, осенью в листьях прекращается синтез зеленого пигмента хлорофилла, необходимого для фотосинтеза. После чего листья меняют свою окраску и опадают, но перед этим дерево извлекает из них все питательные вещества и запасается ими на зиму. И особенно это важно для деревьев, растущих на бедной почве. Среди ученых бытует мнение, что красный цвет листьям придает пигмент антоциан, который обычно начинает синтезироваться как раз осенью, когда распадается хлорофилл. Однако, тогда не ясен тот факт, зачем деревьям тратить энергию на синтез нового пигмента в листьях, которые все равно скоро опадут. Однако, одна из теорий гласит, что новый пигмент защищает ослабленные и уязвимые листья от солнечного света, позволяя им продержаться как можно дольше, чтобы дерево могло извлечь из них как можно больше питательных веществ. А я сравнил листву осины на картофельном поле ( около неё вываливается ежегодно органические удобрения) и около школы разницы никакой. Поэтому Хабинк необходимо ещё поработать над этим предположением. [6] Наверное, немногим известно, что у нас есть дерево, которое никогда не раскрашивается осенью, остается зеленым. Листья его опадают на землю такими же зелеными, как были летом. Никаких изменений окраски здесь не происходит. Удивительное явление! Именно так обстоит дело у ольхи серой и сирени. А следующий  факт меня очень удивил. Некоторые деревья сбрасывают осенью не только листья, но еще и часть своих ветвей. Такой  веткопад,  можно наблюдать у осины и тополя. И я это увидел. Тут и там под деревом валяются тонкие веточки разной длины. Веточки эти живые, не засохшие, с них только что опали листья. На конце каждой -  почка. Почему же оказались на земле живые осиновые веточки, как они оторвались от дерева? Чтобы ответить на этот вопрос, надо посмотреть на тот конец ветки, где она отломилась. Поверхность излома ровная,  а  кончик ветки завершён  шляпкой. Ветка отделяется от дерева сама. Точно так же, как пожелтевший лист осенью. Значит, дерево намеренно избавляется от некоторых лишних ветвей. Следовательно, у осины бывает не только листопад, но и веткопад. Веткопад лучше выражен в более старом  возрасте дерева. Биологический смысл веткопада: сбрасываются те веточки, на которых листья вырабатывают меньше органических питательных веществ, чем расходуют их на дыхание. Иначе говоря, веточки работают с убытком. Именно от них дерево и избавляется.                                                                   Исследование я продолжил. Когда  я собирал листочки, то мне попались листья  с зелеными островками. Эти открытия у меня вызвали большой интерес. И вот что я узнал. Когда листья деревьев желтеют и готовы опасть, личинки одного из вредителей - плодовой  моли-пестрянки (Phyllonorycter blancardella) словно оживляют листочки. Часть листа, окружающая личинку, остается зеленой и активно участвует в фотосинтезе! Недавнее исследование специалистов Университета Тура во Франции показало, что участки листьев «оживают» благодаря необычной симбиотической бактерии. Эколог Давид Жирон из Университета Тура во Франции, для него кажется возможным, что бактерии, как например, представители рода Wolbachia, которые живут в насекомых-минерах листьев (насекомые-минеры живут внутри листа, прогрызая в нем ходы), могут влиять на растительный организм. Многие микробы, включая Wolbachia, имеют ген, который найден у растений, этот ген заставляет некоторые клетки растений производить гормоны-цитокины. Цитокины могут привести к появлению зеленых островков на листе, как бы «оживляя» часть умирающего листа. Чтобы понять, приводят ли именно бактерии к появлению зеленых островков на листе или нет, Жирон и его коллеги давали самкам насекомых-минеров листьев антибиотики, чтобы убить живущих в них бактерий. Затем исследователи заставляли насекомых откладывать яйца на листья яблонь. Как выяснили ученые, личинки от контрольных матерей, которым не давали антибиотиков, приводили к появлению зеленых островков на листьях, а личинки от матерей, принимавших антибиотики - нет. Пока ученые не знают, отвечает ли за это процесс бактерия Wolbachia путем стимулирования синтеза цитокинов, или это происходит как-то иначе. В предыдущих исследованиях было показано, что в листьях березы насекомые-минеры приводят к синтезу цитокинов, но непонятно пока, кто именно вызывает такой синтез — сами насекомые или их бактерии-симбионты? Независимо от того, как этот механизм работает, бактерия — важный соратник, а появление зеленых островков на умирающих листьях позволяет размножиться дополнительно целому поколению моли до наступления холодов.  «Это прекрасный пример того, как организм решает проблему за счет отношений с микробами!»,– считает эколог Йан Балдуин из Института химической экологии в Йене, Германия. Пока тут остается много вопросов — например, если Wolbachia живет не в насекомом, может ли она возвращать участки листьев к жизни в этом случае? Об этом сообщает Информнаука со ссылкой на sciencemag.org. И опять здесь много вопросов. Ученые разгадали тайну зеленых островков на осенних листьях, а я тайну окраски листьев.

Лабораторное исследование  листа.    Использовав микромед микроскоп, я рассмотрел внутреннее содержимое листьев.

Опыт1. Лист зелёный В листе были мелкие желтые очаги (Прил 1. Фото 3 )                                                                                           Опыт2.Лист жёлтый больше жёлто оранжевого цвета. (Прил 1. Фото 4 )                                                                                          

 Опыт 3. Красный лист осины видны  красные и оранжевые пятнышки.  (Прил 1. Фото 5 )                                                                                                                                            

Почему у разных листьев картинка  разная ? Я уже знаю из-за пигментов.

Также я приготовил спиртовые вытяжки из листьев, брал 50г спирта разрезал на мелкие кусочки лист жёлтый, красный и зелёный, засыпал их в отдельные стаканчики  и оставлял на сутки. (Прил 1. Фото 6;  Прил 2. Фото 1,2 )                                                                                                                                           Содержимое окрашивалось соответственно в жёлтый, красноватый и зелёный цвет.                       Брал по капельке содержимого раствора из каждого стаканчика и рассматривал под микроскопом. Сделал фотографии (Прил. 3Фото 2,3) – зелёный цвет клеток соответствовал окраске раствора. Жёлтый цвет раствора клетки преимущественно жёлтого цвета (Прил. 3Фото 4). Красно-оранжевый цвет (Прил. 3Фото 5)

Вывод: хлорофилл –клетки зелёного цвета, пигмент каротиноиды жёлтого, оранжевого; красные – антоцианы.  

При практическом эксперименте я опроверг утверждения Эмили Хабинк, которая утверждает, что красные листья обычно появляются у деревьев, которые растут на бедной почве, а желтые - на деревьях, что произрастают на богатой почве. Я приготовил почвенную вытяжку, согласно экологического практикума и провёл тест на наличие азота. Результаты таковы:  10 проб – почва из под жёлтых деревьев в среднем - 100 мг\л;

10 проб – почва из под деревьев с красными листьями  в среднем – 200 мг\л.

Вывод: деревья с красными листьями произрастают на более богатой азотом почве.

Для себя я сделал ещё одно открытие

Так как  разрушение хлорофилла идет более быстрыми темпами на ярком свету  в солнечную погоду, то становится  понятным,  почему в пасмурную   дождливую осень  листья дольше сохраняют  свою зелёную окраску и почему, два- три солнечных дня, сменившие стоявшее до сих пор ненастье, сразу  разукрашивают кроны деревьев в яркие золотистые краски осени. Установить сроки листопада у какой-нибудь древесной породы бывает не так легко, так как у различных экземпляров одного и того же вида он начинается и заканчивается не одновременно. Интересно при этом отметить, что причина этого явления далеко не всегда лежит во внешних условиях. Нередко два дерева, растущие по соседству, на целую неделю различаются по времени пожелтения и опадения своих листьев, причем эти особенности листопада отдельных деревьев ежегодно повторяются. Вот это очень интересный момент. Осенняя раскраска листьев наблюдается далеко не у всех деревьев. У ольхи листья во время листопада сохраняют свой зеленый цвет и чернеют лишь после заморозков. Точно так же совершенно не изменяют свой цвет листья сирени: они остаются зелеными на ветвях до выпадения снега, несмотря на то, что давно уже убиты морозами. У осины листопад начинается, когда листья еще зеленые, осенняя же раскраска наступает позднее, когда часть дерева уже обнажилась. Продолжительность листопада у различных деревьев, так же как и период пожелтения листвы, бывает крайне различной. Из наших деревьев листопад, наиболее длителен у березы: он продолжается около 1,5 месяца

3. Заключение    Материалы моей работы и полученные результаты опытов могут широко использоваться в практике преподавания биологии в школе, а также на кружках по биологии и экологии. Осень является сложным периодом в жизни растений.  Деревья и кустарники в осенний период начинают активно готовиться к перезимовке. Я проследил, как они это делают и для себя сделал несколько открытий. Я узнал, почему осенью  листья  становятся  жёлтыми, красными?  Оказывается, из-за хлорофилла к осени большая часть его  в листьях разрушается, а появляются пигмент антоциан, каротиноид.  Усиленный листопад начинается вслед  за первыми   заморозками. Первой желтеет  берёза, а сирень вообще не сбрасывает лист. В  ходе проведенного исследования я понял, что на пожелтение листьев  влияют такие  факторы, как   температура воздуха,  солнечные дни и ночные заморозки, высокая влажность. Гипотеза моя подтверждена. Но мне кажется это не все факторы, вызывающие листопад. Работы в этом направлении много и я намерен продолжить наблюдение за природными явлениями нашего посёлка. Осень для меня - незабываемые впечатления.

4.Библиографический список

1. Исмаилова С. Большая школьная энциклопедия. Т.1. Естественные науки. Москва: Изд. «Русское энциклопедическое товарищество», 2004.

2.Мамонтов С.Г., Захаров В.Б , Т.А.Козлова  Основы биологии. Курс для самообразования. Москва: Изд. «Просвещение», 1992.

3..Пономарева И.Н.,   Корнилова О.А. , Кучменко В.С. Биология: Растения. Бактерии. Грибы. Лишайники. Учебник для 6 класса общеобразовательной школы. Москва: Издательский дом «Вентана-Граф», 2003.

4.Сонин Н.И. Биология. Живой организм. Учебник для 6 класса общеобразовательной школы, 4-е издание. Москва, «Дрофа», 1999.

5. Трайтак Д.И. Книга для чтения по ботанике (для учащихся 5 – 6 классов). Москва: «Просвещение», 1985.

6. Интернет-источники:

http://marina7ushakova.ya.ru/replies.xml?item_no=1286