Зависимость фотопериодических реакций от воздействия света на организм растения

Все живые организмы, начиная от простейших одноклеточных и заканчивая такими высокоорганизованными, как человек, обладают биологическими ритмами, которые проявляются в периодическом изменении процессов жизнедеятельности.

Одной из важнейших проблем современной биологии является изучение цикличности процессов, протекающих в живых организмах, их зависимость от факторов внешней среды. Эта проблема интересует врачей, садоводов, биохимиков, иммунологов, физиологов и космонавтов.

Важным фактором, влияющим на ритмичность процессов жизнедеятельности растений, является свет. Изучение фотопериодических реакций растений актуально, так как под действием света в клетках осуществляются многие очень важные фотобиологические реакции. У растений свет влияет на интенсивность процессов фотосинтеза, рост и развитие растения, его цветение.

1. 1. Биологические ритмы, их характеристика и значение.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ РИТМЫ (биоритмы), циклические колебания интенсивности и характера биологических процессов и явлений. Одни биологические ритмы относительно самостоятельны (напр. , частота сокращений сердца, дыхания), другие связаны с приспособлением организмов к геофизическим циклам — суточным (напр. , колебания интенсивности деления клеток, обмена веществ, двигательной активности животных), приливным (напр. , биологические процессы у организмов, связанные с уровнем морских приливов), годичным (изменение численности и активности животных, роста и развития растений и др. ).

У всех организмов в процессе эволюции сложились суточные и сезонные (годичные) ритмы жизни. Суточные ритмы проявляются в смене сна и бодрствования у животных, в открывании и закрывании цветков у растений, в суточном ритме самых разнообразных процессов у тех и других. Годичные ритмы у однолетних растений проявляются в ежегодном повторении всего жизненного цикла, а у многолетних растений — в ежегодном цикле жизни побегов (весеннее распускание почек, цветение, плодоношение, осенний листопад).

Установлено, что у растений есть 13 физиолого-биохимических процессов, протекающих в их организме с определенным ритмом, т. е. с размеренным чередованием усиления и ослабления. Например, открывание и закрывание цветков, замыкание и размыкание устьиц, усиление и ослабление фотосинтеза, транспирации, дыхания и т. п. В Индии есть растение десмодиум, которое постоянно через каждые 1,5—2,5 мин то поднимает, то опускает свои прилистники. Эти движения — следствие постоянной пульсации плазмы в клетках растения и замедления питания составляющих их клеток.

Чередование (смена) периодов усиления и ослабления того или иного физиологического процесса невозможно без способности измерять время. Эта способность живых организмов, зависящая от наследственных особенностей и от внешних условий (нормальное питание, дыхание, смена дня и ночи, времен года), и называется биологическими часами.

В 1755 г. знаменитый шведский ботаник К. Линней устроил в ботаническом саду в Упсале цветочные часы, или часы флоры, в виде клумбы. На ней голубые соцветия цикория и розовые цветки шиповника раскрывались в 4—5 ч утра, соцветия одуванчика— в 5—6 ч. Несколько позднее, в 6—7 ч утра, раскрывались цветки картофеля, а еще позднее, в 9—10 ч, — соцветия ноготков, цветки красной смолевки, кислицы. Вечером цветки последовательно закрывались. На этикетках было указано, в какие часы открываются и закрываются цветки или соцветия каждого растения. В зависимости от широты места время, в которое открываются и закрываются цветки, меняется.

Выходит, что растения и животные «знают» время? Да, только измеряют его особые часы — биологические. Биологическими часами обладают все организмы — растения, насекомые, птицы, рыбы, млекопитающие, в том числе и человек.

Обычные часы заводятся при помощи пружины, а биологические — с помощью энергии, образующейся при питании и связанном с ним дыхании. Если растение поместить в постоянную темноту, то в течение нескольких суток его листья сохраняют свойственную им периодичность движений. Однако вскоре она утрачивается, так как без света нарушается питание клеток, тканей и органов растения.

Доказано, что у позвоночных животных и человека центр, управляющий биологическими часами всех тканей и органов тела, находится в центральной нервной системе — в мозгу. Мозг связан с особыми органами — железами внутренней секреции. Они выделяют активные вещества — гормоны. С помощью гормонов нервная система управляет суточным ритмом всех процессов, идущих в теле человека и животных.

У растений свет и темноту воспринимает каждая клетка. Особый пигмент — фитохром заряжается положительно под действием изменений спектрального состава света при восходе солнца и теряет положительный заряд под действием изменений светового спектра при закате солнца.

Передача возбуждения от пигмента к плазме клеток происходит при участии того же вещества (ацетилхолина), которое служит переносчиком возбуждения в нервной системе животных. С помощью фитохрома клетки растений могут, как бы отсчитывать «светлое» и «темное» время.

Очень важно знать биологические ритмы жизни растений. Можно заставить южные растения цвести на севере, давая им укороченный день и удлиненную ночь, т. е. условия, к которым они приспособились у себя на родине. Напротив, растения севера можно заставить цвести на юге, давая им дополнительное освещение и укорачивая период темноты. Чтобы успешно бороться с сорняками с помощью гербицидов, надо знать время максимальной чувствительности тех или иных сорняков к гербицидам и время минимальной чувствительности к ним культурных растений.

1. 2 Влияние света на физиологические реакции растений.

Фотопериодизм – реакция растений на длину дня (на продолжительность дневного освещения в течение суток). Это один из важных путей воздействия света на живой организм. На экваторе длина дня почти постоянна и составляет примерно 12 часов, но чем дальше от экватора, тем больше будут сезонные колебания длины дня. Поэтому продолжительность дня является очень важным внешним фактором в умеренных широтах, где она изменяется в течение года в пределах примерно от 9 до 15 часов. У растений такие явления, как цветение, образование плодов и семян, переход почек и семян в состояние покоя, листопад и прорастание семян тесным образом связаны с сезонными изменениями длины дня и температуры.

Наиболее глубокие изменения происходят во время цветения, когда меристема побегов переключается с образования листьев и боковых почек на формирование цветков. Значение фотопериода было открыто ещё в 1910 году, но впервые было описано только в 1920 году Гарнером и Аллардом. Эти авторы показали, что растения табака зацветают лишь после выдерживания на коротком фотопериоде в течение нескольких дней. В естественных условиях это происходит осенью, но короткий день (продолжительностью 7 часов) можно создать искусственно и летом, особенно в теплице. Когда был исследован и ряд других растений, выяснилось, что некоторым растениям для цветения нужен длинный день (растения длинного дня: пшеница, овёс, лён и др), а некоторые зацветают, как только созреют, независимо от длины дня (растения, нейтральные в отношении фотопериода : гречиха, махорка).

Позже обнаружились и другие сложности. Так, например, некоторые растения при одной температуре ведут себя, как нейтральные, а при другой – нет; некоторым нужно, чтобы одна длина дня сменялась другой; а есть такие, у которых определённая длина дня только ускоряет наступление цветения, но не является обязательным условием.

2. Изучение биологических особенностей подсолнечника обыкновенного

Подсолнечник – однолетнее растение семейства сложноцветных. Обладает мощной корневой системой, быстро развивающейся до 140 см в глубину (в особо оптимальных условиях – до 5 м) и до 120 см в ширину. Стебель высокий (от 40 см до 4 м), деревянистый, покрыт жёсткими волосками. Листья крупные, овально-сердцевидной формы с заострённым концом. Соцветие –многоцветковая корзинка (диаметром у масличных форм в среднем около 15-20 см) с плоским или выпуклым диском. Цветки краевые – язычковые, крупные, бесполые, оранжево-жёлтого цвета; срединные – трубчатые, обычно обоеполые, меньших размеров, покрывают всё цветоложе. Подсолнечник – хороший медонос. Плод – семянка, состоит из оболочки и ядра. Оболочка (лузга) обычно составляет 35-40%, у высокомасличных сортов до 20% от веса семянки. В семянках подсолнечника содержится 22-27% масла, а у лучших селекционных сортов до 46% (в ядре значительно больше). В одной корзинке, в зависимости от сорта подсолнечника и характера ухода за растением, имеется от 200 до 7000 семянок. Родина его – юг.

Подсолнечник является типичным растением степной и лесостепной полосы. Обладает высокой пластичностью, которая позволяет возделывать его в различных климатических условиях. В России сосредоточено около 70% всех мировых посевов. Подсолнечник – основная масличная культура, возделываемая в России на семена, из которых получают пищевое и техническое масло. Жмыхи используются в корм сельскохозяйственным животным; из золы стеблей получают поташ или применяют её как удобрение. Высокорослые сорта подсолнечника (до 4 м), дающие большую зелёную массу, возделывают как силосную культуру.

3. Изучение фотопериодических реакций подсолнечника обыкновенного

В качестве объекта исследования мной был выбран подсолнечник обыкновенный (сем. Сложноцветных). Исследования проводились в окрестностях деревни Александровка Прокопьевского района в период с 27 мая по 15 августа 2007 года.

В 4 лунки было посажено по 2 семени подсолнечника. Всхожесть - 100%, так как были посажены проросшие семена. Из каждой лунки было удалено по одному, более слабому растению. В первом опыте растения в лунках №1 и №2 развивались при нормальной освещённости. Во втором опыте растения в лунках № 3 и №4 развивались в затененном месте, солнечный свет попадал на подсолнечник только во второй половине дня. Результаты исследования представлены в таблице:

№ лунки Условия произрастания Время посадки Время появления всходовВремя зацветания Высота растения на

15. 08. 07

№ 1 Нормальная освещённость 27 мая 8 июня 25 июля 152 см

№ 2 9 июня 26 июля 150 см

№ 3 11 июня 8 августа 127 см

Затенение

№ 4 12 июня 10 августа 123 см

Из таблицы мы видим, что подсолнечник во втором опыте отставал в развитии. Он сильно отставал в росте и зацвёл намного позднее. Более наглядно полученные результаты представлены на графике № 1.

На основании проведённого исследования можно придти к выводу, что подсолнечник является нейтральным растением в отношении фотопериода, так как его зацветание наступает независимо от условий освещенности.

Однако, полученные данные показывают, что биологическое развитие подсолнечника зависит от уровня освещенности, так как растения, развивающиеся при достаточном освещении, росли быстрее и зацветали раньше.

Анализируя зависимость роста растения от условий освещения, можно предположить, что свет влияет на деятельность меристематической (образовательной) ткани – наибольший размер имеют растения, выросшие на свету.

4. Наблюдение гелиотропизма подсолнечника обыкновенного

Реакцией растений на свет являются различные фототропизмы. Интересной разновидностью фототропизма является гелиотропизм – движение органа вслед за движением солнца по небосводу в течение дня.

Для опыта я выбрал растущие на открытом месте растения подсолнечника с раскрытыми и закрытыми соцветиями. Также мне понадобился компас, несколько листов бумаги, карандаш, отвес – нитка с привязанным грузом.

Лист бумаги через прорезь в нем я надел на стебель растения и опустил на землю. С помощью компаса отметил на бумаге направление сторон горизонта. К центральной части соцветия поднес нить отвеса так, чтобы гвоздь острием почти касался бумаги. Проекцию отвеса отметил на бумаге карандашом (в виде точки) и заметил время. В течение дня через каждые час-два повторял измерения. Полученные точки соединил, стрелкой указав направление.

Наблюдения показывают, что раскрывшиеся желтые корзинки подсолнечника в течение дня остаются неподвижными, ориентированными на восток, тогда как нераскрывшиеся зеленые корзинки поворачиваются за солнцем, совершая путь с востока на запад.

Этот опыт отчетливо показывает зависимость ростовых движений растений от возраста органа: изгибы органа возможны только до тех пор, пока клетки его проходят фазу растяжения. Клетки полностью дифференцировавшихся тканей, в данном опыте – обертки раскрытого соцветия подсолнечника, уже не могут делиться, расти в длину и поэтому не обнаруживают движения.

5. Наблюдения никтинастий подсолнечника обыкновенного

Никтинастии- движения лепестков венчиков цветка, обусловленные сменой дня и ночи.

Я выбрал два молодых цветущих экземпляра подсолнечника. Для опыта мне потребовалась полоска миллиметровой бумаги длиной около 25 см, лист миллиметровой бумаги. Никтинастии - медленные, плавные движения, поэтому определить среднее время открытия и закрытия цветка визуально не просто. Для получения более точных данных наблюдения за движением лепестков проводились в течение всего дня, в солнечную погоду.

Определялся основной показатель – расстояние между расположенными друг против друга лепестками венчика. Когда цветок закрыт, расстояние между лепестками минимально, по мере раскрытия венчика оно возрастает. Расстояние измерял полоской миллиметровой бумаги.

Измерения проводил с интервалом в 1 ч, начав их утром, когда венчики ещё закрыты и закончил их вечером. Полученные данные представлены в таблице: время 7ч 8ч 9ч 10ч 11ч 12ч 13ч 14ч 15ч 16ч 17ч 18ч 19ч 20ч 21ч 22ч см 4 4 4,5 6,5 8,5 14 18 21,5 18,5 13 7 3,5 3,5 3,5 3,5 3,5

Полученные данные наглядно представлены на графике № 2

Наблюдения показывают, что у растений венчики способны открываться и закрываться в определенное, характерное для каждого вида время суток. У подсолнечника обыкновенного лепестки венчика начинают раскрываться в 7 часов утра, их максимальное раскрытие наблюдается в 14. 00, после 18. 00 лепестки венчика не обнаруживают движения. Изменение условий, например дождь, облачность, приводит к сдвигу в ритмах движений венчиков. Это явление получило образное название «сон растений».

Заключение

Изучение биологических ритмов необходимо, так как они являются необходимым условием нормальной жизнедеятельности процессов во всех живых организмах. Без них не могла бы существовать жизнь. Воздействуя ультрафиолетовым излучением на нуклеиновые кислоты, можно управлять ритмами растений, их созреванием и плодоношением.

Рост и цветение растений зависят от взаимодействия между их биологическими ритмами и изменениями средовых факторов. Наибольшее значение имеет свет.

В результате проведённых исследований я пришел к выводу:

1. Подсолнечник является нейтральным растением в отношении фотопериода.

2. Свет влияет на деятельность меристематической ткани.

3. Существует зависимость ростовых движений растений от возраста органа.

4. У растений венчики способны открываться и закрываться в определенное, характерное для каждого вида время суток.