XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Определение местоположения и количества устьиц на листе комнатных растений

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рахимова Е.М. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов №104 г.Челябинска"

Порохина М.Л. 1Регель Н.В. 2

---

1ФГБОУ ВО "Челябинский государственный университет"

2МАОУ "СОШ № 104 г. Челябинска"

Работа в формате PDF

209.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Растения окружают нас повсюду, и особый интерес вызывает их способность существовать в различных условиях, приспосабливаясь к ним. Немаловажную роль в этом процессе играет особый механизм, который помогает растению, во-первых, дышать, а во-вторых, испарять излишки влаги или, напротив, накапливать ее. Речь идет об устьичном аппарате, который мы и решили изучить на примере трех растений, которые сейчас мы разводим как комнатные, но которые можно встретить и в дикой природе, например, в Африке или в Южной Америке. Это пеларгония, хлорофитум и традесканция, срезы верхней и нижней стороны листовой пластины которых и стали объектом нашего исследования. Предмет исследования – устьица этих растений.

Цель работы – выявить местоположение и количество устьиц на поверхности листа указанных растений, что поможет определить условия выращивания растений в помещении (режим полива, освещенность) – в этом заключается практическая значимость работы.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить строение и принцип работы устьичного аппарата.

2. Описать внешний вид и условия произрастания растений, ставших объектом исследования, и сделать выводы об их принадлежности к тем или иным экологическим группам по отношению к воде и свету.

3. Выдвинуть теоретические предположения о расположении и количестве устьиц у листьев пеларгонии, хлорофитума и традесканции на основании их принадлежности к определенным экологическим классам и группам.

4. Определить опытным путем расположения и количество устьиц на листовых пластинах указанных растений.

В написании работы нам помогали научно-популярные статьи интернет-проекта «Элементы» и сайта «Биомолекула» и материалы с сайта Селивёрстовой Алисы Андреевны, созданного в помощь сдающим экзамены по биологии и химии. Также мы опирались на отдельные параграфы учебного пособия А. Федорука «Экология» ((Минск, 2013) и учебно-методического пособия А. Шаповаловой «Экология растений» (Саратов, 2015).

В работе использованы общенаучные методы наблюдения, прогнозирования, эксперимента, анализа и синтеза и специфический для биологии микроскопический метод.

Гипотеза, которую мы выдвигаем в работе: расположение и количество устьиц на листе зависит от экологической группы растений.

Глава 1. Строение и функция устьиц растений

Растения, как известно, относятся к живым организмам, так как обладают всеми свойствами живого: они растут, развиваются, размножаются, обмениваются веществами и энергией с окружающей средой и даже могут совершать незначительные движения (например, цветы поворачиваются вслед за солнцем, стебли изгибаются под тяжестью плодов). И, как все живые организмы, растения могут дышать. Для этого в листьях растений (а часто и в стеблях) есть специальные маленькие поры – устьица, которые расположены в эпидерме – внешней покровной ткани растений. Именно устьица обеспечивают дыхание растения (помогают поглощать углекислый газ и выделять кислород) и способствуют испарению лишней влаги (транспирации).

Строение устьиц связано с той функцией, которую они выполняют. Устьица состоят из двух замыкающих клеток, форма которых зависит от класса растений (у большинства двудольных замыкающие клетки имеют форму семени фасоли, а у однодольных – гантелевидную форму), и устьичной щели (собственно поры). Именно замыкающие клетки открывают и закрывают утьичную щель. Происходит это следующим образом. Внутренние вогнутые стенки замыкающих клеток намного толще внешних. Когда в этих клетках, а точнее в их вакуолях накапливается вода, тонкие наружные эластичные стенки клеток растягиваются, а толстые внутренние стенки, слегка прогибаясь, отходят одна от другой, устьичная щель расширяется – и устьице открывается. Когда вода из клеток теряется, давление на стенки прекращается, они сближаются, устьичная щель сужается – устьице закрывается (рис. 1). Таким образом, транспирация (испарение воды) происходит только при открытых устьицах.

Форма, расположение устьиц, их строение и количество зависит от условия обитания растения. Например, у водных растений устьица расположены только сверху листа, поскольку обратная сторона находится в воде.

Рисунок 1. Строение устьица

Количество устьиц может различаться у растений одного и того же вида и даже у листьев одного растения. Это связано с тем, как растение обеспечено водой. Чем сложнее растению добывать воду, тем меньше устьиц на поверхности его листьев.

С условиями обитания связано и строение устьиц. Так, устьица с гантелевидными замыкающими клетками открываются быстрее и требуют для этого меньшее количество влаги. Такие устьица выгодно иметь растениям, живущим в переменчивых условиях, например, в степях, где в зависимости от сезона изменяется количество влаги. В степи мы можем найти значительное количество травянистых растений, которые относятся к классу однодольных. Именно у растений этого класса и преобладают гантелевидные замыкающие клетки.

Интересно, что «работа» устьиц тоже напрямую связана с условиями обитания растений. Так, растения, «живущие» в жарких странах, где днём температура воздуха очень высока, а влаги мало, научились открывать устьица в темное время суток, когда воздух прохладнее, а воды испаряется меньше.

Таким образом, устьица – это уникальный механизм, выработанный природой, позволяющий поддерживать жизнь растения.

Глава 2. Зависимость количества и расположения устьиц от

экологической группы и класса растений

Для проведения исследования нами были выбраны три растения: пеларгония, хлорофитум и традесканция. Описание этих растений представлено в таблице.

Таблица 1. Описание и условия произрастания растений

Проанализировав условия произрастания пеларгонии, хлорофитума и традесканции, можно сделать вывод о принадлежности этих растений к определенным экологическим группам в зависимости от их отношения к воде и свету.

Пеларгония относится к солнцелюбивым растениям (гелиофитам). Поскольку она легко переносит недостаток влаги, её можно назвать ксерофитом.

Хлорофитум также является гелиофитом, а вот по отношению к воде его следует считать гигрофитом, поскольку он любит повышенную влажность, и это неудивительно: в дикой природе хлорофитум растет на деревьях в тропических лесах Африки, Азии и Австралии.

Традесканция – это уже факультативный гелиофит, или теневыносливое растение: оно может расти в слабоосвещенных местах, но постоянно держать традесканцию в тени не рекомендуется. По отношению к влаге традесканция является мезофитом, т.е. растением, которое предпочитает умеренную влажность, именно поэтому почву в ее горшке заливать нельзя.

Важно отметить, что ученые связывают количество и расположение устьиц растений с экологическими группами, к которым эти растения относятся. Опираясь на данные из учебного пособия А. Федорука «Экология» (Минск, 2013) и учебно-методического пособия А. Шаповаловой «Экология растений» (Саратов, 2015), составим таблицу, где покажем эту зависимость для тех групп растений, к которым мы отнесли пеларгонию, хлорофитум и традесканцию.

Таблица 2. Зависимость расположения и количества устьиц от экологической группы по отношению к свету.

Таблица 3. Зависимость расположения и количества устьиц от экологической группы по отношению к воде.

На расположение устьиц также влияет принадлежность растения к двудольным или однодольным растениям и ориентация листьев. Так, у двудольных растений (в нашем случае это пеларгония) листья обычно ориентированы горизонтально, устьица расположены с двух сторон листовой пластины, однако их количество в нижней части несколько больше, чем в верхней. У однодольных растений, к которым относятся хлорофитум и традесканция, листья могут быть ориентированы как горизонтально, так и вертикально, от чего и зависит расположение устьиц. У растений с вертикально ориентированными листьями (например, хлорофитум) устьица можно обнаружить с обеих сторон листовой пластины.

Объединив всю информацию, которую мы получили о количестве и расположении устьиц в теории, сделаем предположение о том, где и в каком количестве должны располагаться устьица у листа пеларгонии, хлорофитума и традесканции.

Таблица 4. Расположение и количество устьиц на листе пеларгонии, хлорофитума и традесканции (предположение).

В третьей главе на основании проведенного в лабораторных условиях эксперимента мы подтвердим или опровергнем наши предположения о количестве и расположении устьиц.

Глава 3. Определение местоположения и количества устьиц на поверхности листа пеларгонии, хлорофитума и традесканции

Выявив, где и в каком количестве должны располагаться устьица на листе пеларгонии, хлорофитума и традесканции в теории, мы провели эксперимент в лаборатории биологического факультета Челябинского государственного университета, чтобы убедиться, верны ли наши предположения.

Для эксперимента нам понадобились следующие материалы и оборудование: листья пеларгонии, хлорофитума и традесканции, дистиллированная вода, световой микроскоп, предметные и покровные стекла, глазные пипетки, препаровальная игла, пинцет.

С помощью препаровальной иглы мы сняли эпидермис (верхний слой) с верхней и нижней стороны листьев и приготовили в капле воды микропрепараты. Затем мы рассмотрели каждый микропрепарат в световой микроскоп и определили, видны ли на срезе листа устьица. Если устьица были обнаружены, мы фиксировали их количество в 5 полях зрения. Полем зрения называют тот световой круг, который виден в микроскоп. Чтобы посчитать количество устьиц в 5 полях зрения, мы находили край препарата и 4 раза сдвигали покровное стекло в левую сторону.

Результаты, полученные в ходе эксперимента, мы занесли в таблицу.

Таблица 5. Расположение и количество устьиц на поверхности листа пеларгонии, хлорофитума и традесканции (эксперимент)

Сопоставим полученные данные с тем, что мы выявили в теории. Мы видим, что в целом наши предположения относительно расположения и количества устьиц на листе хлорофитума и традесканции оправдались. Устьица на вертикально ориентированном листе хлорофитума действительно располагаются с двух сторон листовой пластины и их количество невелико, при этом с верхней стороны листа устьиц в 2 раза меньше, чем с нижней. Это можно объяснить тем, что хлорофитум – это солнцелюбивое растение, которое в то же время любит влагу. Меньшее количество устьиц с верхней стороны листовой пластины, до которой легче «дотягиваются» солнечные лучи, предотвращает чрезмерное испарение влаги.

Устьица на листе традесканции, как и предполагалось, располагаются только с нижней стороны листовой пластины в умеренном количестве. А вот у листа пеларгонии мы ожидали увидеть устьица в большом количестве с двух сторон листовой пластины, что характерно для двудольных растений, однако наш эксперимент показал, что устьица есть только с нижней стороны листа, и их количество действительно велико.

Заключение

По итогам проделанной работы выдвинутая гипотеза в целом подтвердилась: количество и расположение устьиц действительно зависит от экологической группы, к которой относится растение.

Устьица (небольшие поры в листьях, а иногда и стеблях) отвечают за дыхание растений и испарение влаги (транспирацию). Именно благодаря строению, расположению и количеству устьиц растения легче приспосабливаются к условиям окружающей среды, особенно это касается тех комнатных растений, которые являются выходцами из тропиков и субтропиков. К таким растениям можно отнести пеларгонию, хлорофитум и традесканцию.

Мы предположили, что у хлорофитума как светолюбивого и влаголюбивого растения устьица в небольшом количестве будут располагаться с двух сторон листа, что и было выявлено в ходе микроскопического исследования, при этом на более подверженной воздействию солнечных лучей верхней стороне листовой пластины устьиц ожидаемо оказалось в 2 раза меньше (4 против 8 на нижней стороне в пяти полях зрения).

Экспериментальным путем мы подтвердили и расположение устьиц на нижней стороне листовой пластины у традесканции в умеренном количестве (7 в пяти полях зрения).

Наши предположения относительно расположения и количества устьиц на листе пеларгонии частично не подтвердились: на верхней стороне листа устьиц мы не обнаружили. Отсутствие устьиц с верней стороны листовой пластины можно связать с тем, что пеларгония – это солнцелюбивое растение, устойчивое к засухе, ему необходимо максимально сохранять запас влаги в листе. Поскольку листья у пеларгонии ориентированы горизонтально, через устьица на верхней стороне листовой пластины, куда попадает много солнечных лучей, влага могла бы легко испаряться, что в конечном итоге могло бы привести к гибели растения. А вот с нижней стороны листа устьиц оказалось действительно много (23 в пяти полях зрения).

Отличия фактического расположения устьиц от ожидаемого можно объяснить видовыми особенностями и условиями произрастания конкретного растения, такими как показатели освещённости, режим полива и влажность воздуха. Также при проведении экспериментальной части работы возможно допущение ошибок, что повлияло на точность подсчёта и интерпретацию результата.

В перспективе мы предполагаем более детально изучить строение устьиц и условия произрастания растений, повлиявшие на результат исследования.

Список литературы

1. Приказюк Е. Лекарству от голода – средство от засухи [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://biomolecula.ru/articles/lekarstvu-ot-goloda-sredstvo-ot-zasukhi

2. Птушенко В. Бодрящий кислород [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://biomolecula.ru/articles/bodriashchii-kislorod

3. Симонян Р.К. Исследование устьиц некоторых комнатных растений в связи с эколого-физиологическими особенностями [Электронный ресурс] // Биологический журнал Армении. – 2021. – № 4 (73). – С. 35-41. – Режим доступа: https://arar.sci.am/Content/292865/35-41.pdf

4. Соколенко О. Устьица вьюнка [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://elementy.ru/kartinka_dnya/1356/Ustitsa_vyunka

5. Федорук А. Экология: учебное пособие. – Минск, 2013.

6. Ханабаева О.Е. Пеларгония // Большая российская энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://bigenc.ru/c/pelargoniia-4af206

7. Шаповалова А.А. Экология растений: учебно-методическое пособие. – Саратов, 2015.

8. Экологические группы растений [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://onlineclass.space/материал/биология/44/#Ekologicheskie-gruppy-rasteniy-po-otnosheniyu-k-vode