Почему растения зимой не замерзают

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ Школа № 323

ПОЧЕМУ РАСТЕНИЯ ЗИМОЙ НЕ ЗАМЕРЗАЮТ

Исследовательская работа

Работа выполнена учениками 6 “А” класса ГБОУ Школа № 323

Севостьяновой Екатериной Дмитриевной и

Трачом Тимофеем Никитичем

Учитель биологии И. Б. Абрамова

г. Москва 2018 г.

Оглавление

Введение

Внешние условия, влияющие на морозоустойчивость

Приспособительные механизмы растений

Экспериментальная часть работы

Заключение

Источники информации

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Введение

Если в конце зимы, начале весны срезать ветки и поставить в воду, почки набухнут, и начнут расти молодые побеги. Пробуждение деревьев весной вообще явление удивительное. В морозы клеточный сок должен бы замерзать, а образующиеся кристаллы льда разрывать оболочку клеток и уничтожать растение. Но этого не происходит. Почему растения не погибают зимой?

Мы решили разобраться с этим вопросом.

Цель исследования: Выяснить, от чего в целом зависит морозоустойчивость растений.

Задачи: 1. Собрать материал по теме, изучить его, отобрать наиболее значимый.

2. Выяснить, какие приспособления позволяют растениям средней полосы переносить зимние морозы, и влияют ли на выносливость внешние условия.

3. Провести экспериментальное исследование по криопротекторным свойствам некоторых веществ.

4. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Гипотеза: Растения имеют специальные приспособления к переживанию зимних морозов.

Актуальность: это важно понять, чтобы знать, как защитить культурные растения от замерзания зимой.

Внешние условия, влияющие на морозоустойчивость

Морозоустойчивость -- способность растений переносить низкие отрицательные температуры. Она свойственна растениям умеренной полосы. Эта способность определяется наследственными особенностями каждого вида растений. Помимо природного свойства растений противостоять морозам очень важны внешние условия.

Морозоустойчивость одного и того же растения зависит от условий, предшествующих наступлению морозов, влияющих на характер образования льда. [2]

Вода переходит в твёрдое состояние уже при 0⁰С, но не всегда образование льда приводит клетки растения к гибели.

Постепенное снижение температуры приводит к образованию кристаллов льда в межклетниках и сосудах ксилемы и первоначально не вызывает гибели клеток. Если же заморозки длятся долго, образующийся в межклетниках и клеточных стенках (апопласт) лёд, оттягивает воду из клеток, вода переходит из цитоплазмы в апопласт, происходит обезвоживание тканей. Клеточный сок становится концентрированным, изменяется его химический состав. Кристаллы льда растут, цитоплазма подвергается сжатию, и клеточные структуры повреждаются. [4] Образующиеся кристаллы льда вытесняют воздух из межклетников.

Если льда образуется немного, и клетки не были механически повреждены, то при последующем оттаивании такие растения сохраняют жизнеспособность.

При быстром понижении температуры образование льда происходит в протопласте клетки. При этом происходит коагуляция белков, которые при оттаивании уже не восстанавливаются, а кристаллы льда повреждают клеточные структуры, в результате клетки погибают. [2]

Губительность действия мороза зависит от оводнённости тканей растения. Насыщенные водой ткани легко повреждаются, низкое содержание воды предохраняет от образования льда в растениях при промораживании. Состояние переохлаждения без образования льда растения переносят без вреда. Cухие семена могут выносить понижение температуры до - 196°С (температура жидкого азота).

Из внешних условий большую роль играет высота снежного покрова. Чем больше снега, тем легче растениям переносить стужу. Между снежинками есть воздух, а воздух - лучший теплоизолятор. Наиболее чувствительны к морозу корни, корневища, луковицы и клубни. [3] Снег защищает корни растений и почву от промерзания. Меньше всего почва промерзает в лиственном лесу, потому что в нём всегда есть подстилка из опавших листьев.

Подстилка из листьев - тоже теплоизолятор. Она хорошо впитывает влагу. Почва в лесу сохраняется в талом состоянии даже тогда, когда стоят сильные морозы. Поэтому первые весенние цветы - подснежники развиваются под снегом.

Малоснежные зимы и резкие перепады температур, которые стали обычным явлением для нас, снижают морозоустойчивость растений.

Приспособительные механизмы растений

Если летом ветку охладить до -5⁰С, то ветка погибнет. Но поздней осенью и зимой ветки деревьев переживают и более низкие температуры. Это происходит благодаря тому, что растения начинают готовиться к перенесению неблагоприятных зимних условий с момента остановки роста и затем в течение осени во время наступления низких температур. У устойчивых к морозу растений имеются внутренние защитные механизмы, в основе которых лежат сложные физиологические и физико-химические процессы.

Прежде скажем о листопаде. Листопамд -- биологический процесс сбрасывания листвы растениями. В условиях умеренного климата зимой многим растениям не хватает воды. Вода в замёрзшем грунте находится в состоянии льда и не может проникать в клетки корней. Если бы деревья и кустарники не сбрасывали листву, они бы засыхали. [1]

Способность погружаться в состояние покоя - другое важное приспособление к периодическому наступлению неблагоприятных условий. В состоянии глубокого покоя у растения резко заторможен обмен веществ (интенсивность дыхания зимой в 200-400 раз меньше) и прекращается рост. Сигналом к покою служит уменьшение длины светового дня. Изменение длины дня воспринимают у растений листья, а в отсутствие их - почки. В листьях увеличивается количество природного ингибитора роста - абсцизовой кислоты. Из листьев абсцизовая кислота транспортируется в почки и "усыпляет" их. Одновременно в тканях растений уменьшается содержание природных стимуляторов роста - гиббереллинов и ауксина. [1] На переход растений в состояние покоя оказывает влияние и температура.

В феврале глубокий покой у растений завершается и сменяется вынужденным. В состоянии вынужденного покоя растения в значительной степени утрачивают устойчивость к низким температурам. [5]

Некоторые южные растения, если пытаться выращивать их в северных широтах, не приживаются здесь лишь по той причине, что в новых для себя условиях не улавливают вовремя сигнал к погружению в состояние покоя: ведь они привыкли к совсем иной длительности светового дня и у них выработались другие ритмы. [1]

Морозоустойчивые растения обладают приспособлениями, уменьшающими обезвоживание клеток. При понижении температуры у таких растений отмечаются повышение содержания сахаров и других веществ, защищающих ткани.

Вещества, защищающие живые объекты от повреждающего действия замораживания называются криопротекторы. Это гидрофильные белки, моносахариды и олигосахариды, полиспирты, полярные липиды.

Исследования академика Н. А. Максимова (один из основоположников экологической физиологии растений) показали, что хорошо переносят морозы те растения, которые к зиме накапливают в живых тканях сахар (до 20--30 %). Сахар образуется из крахмала с помощью ферментов, поэтому содержание крахмала снижается. [4]

Влияние сахаров на повышение морозоустойчивости растений многосторонне. Сахара являются антифризами - снижают точку замерзания жидкостей, тем самым предохраняют от замерзания внутриклеточную воду и уменьшают количество образующегося льда. Чем больше в гиалоплазме растворенных веществ, тем ниже точка замерзания. [2]

В результате накопления сахаров содержание прочносвязанной воды увеличивается, а свободной уменьшается. Чем более низкие температуры переживает дерево, тем меньше воды остаётся в клетках.

Сахара защищают белковые соединения от коагуляции при вымораживании; они образуют связи с белками цитоплазмы, предохраняя их от возможной денатурации. Особое значение имеет защитное влияние сахаров на белки в поверхностных мембранах клетки.

Криопротекторами являются также молекулы гемицеллюлоз (ГМЦ -- растительные полисахариды, состоящие из остатков разных пентоз и гексоз), выделяемые цитоплазмой в клеточную стенку, обволакивающие растущие кристаллы льда, что предотвращает образование крупных кристаллов, повреждающих клетку. [4] Кроме того, клетчатка растения хорошо сохраняет тепло. Клетчаткой называют растительные волокна, образованные полисахаридами - целлюлозой, гемицеллюлозой и неуглеводными волокнами - лигнином.

Значительное количество защитных белков и модификаций молекул липидов увеличивают структурированность клеток. Так клетки защищаются как от внутриклеточного льда, так и от чрезмерного обезвоживания.

Экспериментальная часть работы

Объект исследования - морозоустойчивость растений.

Предмет исследования - криопротекторный эффект некоторых веществ.

Эксперимент 1. Криопротекторный эффект сахарозы.

Это свойство сахара мы проверили, проделав опыт: выжали сок из растения, налили его в два стаканчика и в один из них добавили сахар. Мы взяли лист Замиокулькаса (Zamioculcas), так как он относится к суккулентам и даёт много сока. Поставили оба стаканчика ненадолго в морозильную камеру. Через некоторое время в стакане без сахара образуются хлопья - это происходит коагуляция белка. Сладкий сок в другом стаканчике остаётся прозрачным. (Смотри приложение 1)

Вывод: Сахара защищают белковые соединения от коагуляции при вымораживании; они предохраняют белки цитоплазмы от денатурации.

Эксперимент 2. Способность ферментативного преобразования крахмала в сахар при низких температурах мы исследовали на клубнях картофеля.

Если поместить некрупные клубни картофеля в морозильную камеру на сутки при температуре минус 10⁰-12⁰С, то под действием низких температур безвкусный картофельный крахмал превращается в сладкую глюкозу.

Если слегка подмороженные клубни картофеля положить в тёплую воду, то они перестают быть сладкими. Когда становится теплее, ферменты опять превращают глюкозу в крахмал.

Но от сильного холода ферменты необратимо денатурируют, клубни и в тепле остаются сладкими. Денатурируют ферменты и от сильного нагревания. Мы сварили подмороженный клубень и попробовали на вкус. Он действительно сладковатый. Второй клубень после подмораживания подержали в тёплой воде и тоже сварили. Он был обычного вкуса. (Смотри приложение 2)

Вывод: При низких температурах крахмал под действием ферментов превращается в глюкозу. Если ферменты не денатурируют, то в тепле произойдёт обратный процесс.

Эксперимент 3. Сахара играют роль антифриза - вещества, которое снижает температуру замерзания растворов. Чем больше сахара в клеточном соке растений, тем ниже точка замерзания. Проверим. Возьмём два стаканчика с водой. В один из них добавим сахар, перемешаем, поместим оба стаканчика в морозильную камеру на один час при температуре минус 10⁰-12⁰С. морозоустойчивость растение криопротекторный ферментативный

Сладкий раствор остался жидким, вода превращается в лёд. (Смотри приложение 3). При длительном охлаждении в растворе сахара образуется лёд, но он рыхлый и мягкий.

Вывод: Сахар снижает точку замерзания воды, а если при длительном замораживании происходит образование льда, то лёд рыхлый.

Эксперимент 4. Так же мы проверили влияние соли и глицерина на температуру замерзания воды. Возьмём два стаканчика с водой. В один из них добавим соль, помещаем оба стаканчика в морозильную камеру на один час при температуре минус 10⁰-12⁰С. Во втором случае в один из стаканчиков добавляем глицерин и также помещаем в морозильную камеру при тех же условиях.

Чистая вода превращалась в лёд, а растворы оставались жидкими. (Смотри приложения 4, 5)

Вывод: Минеральная соль и глицерин тоже являются антифризами - снижают точку замерзания воды.

Заключение

В очень суровые зимы и при возвратных заморозках весной некоторые деревья погибают. Наиболее уязвимы растения становятся после обильного урожая, так как большая часть минеральных веществ и сахаров идёт на образование и рост плодов, а в клетках их остается мало. Плохо переносят морозы и те растения, которые осенью интенсивно росли - например, вследствие длительной тёплой погоды или в результате обильной подкормки азотом. Причина: растения плохо подготовились к зиме, их питательные вещества использовались на рост вегетативных органов (стеблей, листьев), а не откладывались в виде запасных углеводов. [1]

Но всё же большинству удаётся перезимовать, теперь мы знаем, от чего это зависит.

Хотим дать несколько рекомендаций как помочь перезимовать нашим плодовым растениям.

Для повышения зимостойкости плодовых деревьев необходимо создать условия для интенсивного роста растений в начале вегетационного периода и своевременного завершения процессов роста и накопления питательных веществ во второй половине вегетации с последующим переходом к состоянию покоя.

Большое значение имеет оптимальное равномерное обеспечение растений водой в течение всего лета и осенью.

Внесение удобрений улучшает рост растений, способствует накоплению питательных веществ, повышению зимостойкости. Основные элементы - азот, калий, фосфор. Преобладание процентного содержания азота благоприятно весной, а в августе азот не нужен вовсе, поскольку он ускоряет ростовые процессы. [3]

Сильную омолаживающую обрезку деревьев производят в начале весны или в конце зимы, но не в конце лета к осени, так как ростовые процессы резко усиливаются, и ткани не вызревают к зиме.

Стволы молодых деревьев рекомендуется на зиму обвязывать камышом, стеблями подсолнечника, кукурузы, плотной белой бумагой.

Побелка ствола и ветвей у садовых деревьев служит защитой от резких перепадов температур зимой и весной, а так же замедляет распускание почек ранней весной, что очень полезно в нашем климате.

Для защиты корневой системы от вымерзания применяют мульчирование приствольных кругов торфом, опилками, перегноем слоем в 10-12 см. Если же выпало достаточно снега, его подсыпают и утрамбовывают вокруг ствола деревьев. [3]

Источники информации

1. Артамонов В.И. Занимательная физиология растений. Издательство: Агропромиздат, 1991 http://fizrast.ru/skachat/artamonov.html

2.Логинова И. Морозоустойчивость растений: как не дать замерзнуть?

http://infoindustria.com.ua/morozoustoychivost-rasteniy-kak-ne-dat-zamerznut/

3. Калюжная К. Уход за садом. Издательство Эксмо, 2012

4. Медведев С.С. Физиология растений. Издательство: Издательство Санкт-Петербургского университета , 2004 http://fizrast.ru/skachat/medvedev.html

5. http://www.ecosystema.ru Морозоустойчивость растений

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Выжать сок из какого-нибудь растения, налить его в два стаканчика и в один из них добавить сахар. Мы взяли лист Замиокулькаса (Zamioculcas). Поставили оба стаканчика ненадолго в морозильную камеру. Через некоторое время в стакане без сахара образуются хлопья - это происходит коагуляция белка. В стаканчике с сахаром белок не коагулировал.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Поместить некрупные клубни картофеля в морозильную камеру на сутки при температуре минус 10⁰-12⁰С. Под действием низких температур безвкусный картофельный крахмал превращается в сладкую глюкозу. Мы сварили подмороженный клубень и попробовали на вкус. Он действительно сладковатый. Второй клубень после подмораживания подержали в тёплой воде и тоже сварили. Он был обычного вкуса. В тепле ферменты опять превращают глюкозу в крахмал. Но от сильного холода ферменты необратимо денатурируют, клубни и в тепле остаются сладкими.

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Вода превратилась в лёд. Раствор сахара остался жидким.

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Вода превратилась в лёд. Раствор соли остался жидким.

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Вода превратилась в лёд. Раствор глицерина остался жидким.

Размещено на Allbest.ru