Свет и его экологическое значение в жизни растений. Спектральный состав лучистой энергии солнца. Фотосинтетически активная радиация. Пигменты листа. Спектры поглощения. Световой режим леса. Индекс листовой поверхности. Понятие компенсационной точки.
Аннотация к работе
Растение явилось истинным Прометеем, передавшим силу, свет и тепло солнечных лучей людям; оно явилось и до сих пор является тем живым Атлантом, на котором покоится по существу весь многообразный мир живых существ. Его роль определяется, прежде всего, особой позицией растений в биосфере как автотрофов, образующих органическое вещество из простых неорганических соединений с использованием для синтеза энергии солнечного излучения (недаром этот процесс назван фотосинтез). В том случае, если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ - сенсибилизаторов. Эмерсона показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. Когда свет падает на молекулы хлорофилла, часть энергии квантов рассеиваются в виде тепла, поэтому отраженные кванты несут меньший запас энергии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей.
Введение
Бесконечна сложна и разнообразна жизнь. Австралийские эвкалипты поднимаются ввысь на 150 м, а ряска, покрывающая пруды, достигают всего лишь 1 мм. Американская секвойя имеет в обхвате 46 м, а поперечник одноклеточной водоросли не превышает и десятой доли миллиметра. Однако как бы сложна и многообразна ни была жизнь, она представляет собой единый процесс беспрерывного превращения энергии, вещества и формы. Источником энергии является Солнце. Порывы урагана и тихий шепот листвы, грациозный бег антилопы и нежная улыбка ребенка, летящий самолет и мысль ученого - все это процессы, идущие за счет энергии, посылаемой на Землю Солнцем. Понадобились усилия многих пытливых исследователей, чтобы установить, что именно зеленое растение является посредником, связывающим лучистую энергию Солнца с жизнью на Земле. Выдающемуся ученому, автору работы «Солнце, жизнь и хлорофилл», К.А. Тимирязеву наука и человечество всегда будут обязаны своими знаниями о космической роли растения, о его незаметной, но незаменимой роли на Земле. Но и много раньше, еще в древности, зависимость жизни от растений и Солнца уже была подмечена. До нас дошли сказания об умирающих осенью и воскресающих весной божествах - Адонисе у финикиян, Озирисе у египтян, Митре у древних персов, олицетворяющих бога Солнца и растительности. Растение явилось истинным Прометеем, передавшим силу, свет и тепло солнечных лучей людям; оно явилось и до сих пор является тем живым Атлантом, на котором покоится по существу весь многообразный мир живых существ.
Свет - один из наиболее важных для жизни растений абиотических факторов. Его роль определяется, прежде всего, особой позицией растений в биосфере как автотрофов, образующих органическое вещество из простых неорганических соединений с использованием для синтеза энергии солнечного излучения (недаром этот процесс назван фотосинтез). Подчеркивая, что жизнь зеленых растений невозможна без света, К.А. Тимирязев образно назвал их «детьми Солнца». Свет оказывает на растения и значительное формообразующее действие, как форма роста, внутренняя структура тканей листа, величина хлоропластов и их расположение в клетках и т.д. С некоторыми особенностями светового режима тесно связано географическое распространение растений.
1. Свет и его экологическое значение в жизни растений
1.1 Спектральный состав лучистой энергии солнца
Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является то, что он протекает с использованием энергии солнечного света.
Лучистая энергия - это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определенной длиной волны, частотой колебания и скоростью распространения.
Таблица 1 Характеристика отдельных участков спектра
Цвет Длина волны в нм Частота, в Гц Энергия, в КДЖ на 1 моль квантов
Согласно первому закону фотохимии, только поглощенные лучи могут быть использованы в химических реакциях. В том случае, если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ - сенсибилизаторов. Сенсибилизаторы - вещества, поглощающие энергию света и передающие ее на ту или иную бесцветную молекулу
Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощенные лучи солнечного света, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К. А. Тимирязева. Он показал, что процесс усвоения СО2 на свету представляет собой фотохимический процесс и подчиняется законам фотохимии. В процессе фотосинтеза на место связей, обладающих малым запасом энергии, таких, как О-Н, С-О, создаются связи С-С, благодаря этому свободная энергия системы повышается. Эта энергия представляет собой трансформированную солнечную энергию. Опыты К. А. Тимирязева ясно показали, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света и передающим ее на молекулы Н2О и СО2. Определяя интенсивность процесса фотосинтеза в различных лучах солнечного спектра, К. А. Тимирязев показал, что наиболее интенсивное усвоение углекислоты наблюдается в красных лучах. Затем по направлению к зеленой части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает. В зеленых лучах фотосинтез минимальный. Зеленые лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъем интенсивности фотосинтеза. Таким образом, если представить себе интенсивность фотосинтеза в виде кривой, то она будет иметь два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Ряд пиков энергии фотосинтеза соответственно отдельным линиям поглощения хлорофилла не наблюдается, так как хлорофилл в хлоропластах находится в такой концентрации, при которой, линии поглощения частично сливаются и образуются два основных максимума. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия. Можно сделать вывод, что спектр поглощения хлорофилла и спектр действия совпадают. Важное значение имеют исследования К. А. Тимирязева по эффективности использования энергии в красном и сине-фиолетовом участках спектра. Он провел сравнение интенсивности и эффективности поглощения энергии в разных лучах солнечного спектра и получил следующие данные (в относительных единицах).
Поглощенная энергия в красном участке спектра используется более полно. Из этого наблюдения К. А. Тимирязев сделал вывод, что поглощенная энергия лучей разного качества, разной длины волны используется в фотохимических реакциях с разной эффективностью. Из теории фотоэффекта следует, что интенсивность любой фотохимической реакции определяется не количеством поглощенной энергии, а числом поглощенных квантов. Между тем величина квантов в разных лучах солнечного спектра различна. В красных лучах кванты характеризуются меньшей энергией. По мере того как уменьшается длина волны, растет энергия квантов. В связи с этим на одно и то же количество поглощенной энергии в красных лучах по сравнению с сине-фиолетовыми приходится большее число квантов и соответственно большее количество прореагировавших молекул в фотохимических реакциях, в том числе и при фотосинтезе. Могут быть кванты, несущие так мало энергии, что ее не хватает на то, чтобы вызвать химический эффект. Для фотохимических реакций существует нижний предел энергии, т. е. верхний предел длины волны, после которого они неосуществимы.
Фотохимические реакции возможны в пределах величины квантов от 147 до 587 КДЖ/моль. Таким образом, в квантах красного света (176 КДЖ/моль hv) заключено достаточное количество энергии для осуществления фотохимической реакции. Вместе с тем при поглощении квантов синего света (261 КДЖ/моль hv) реагирующие молекулы будут получать избыток энергии, который выделяется в виде тепла или света.
Молекулы будут вступать в реакцию под влиянием разного количества энергии. Использование энергии зависит от качества света. Это было подтверждено исследованиями О. Варбурга. В этих исследованиях впервые была установлена величина фотосинтетической работы, производимой за счет 1 Дж поглощенной лучистой энергии. Эта величина возрастает по мере увеличения длины волны.
Таким образом, количество прореагировавших молекул СО2 и Н2О в процессе фотосинтеза пропорционально числу поглощенных квантов. Однако число квантов, необходимое для протекания различных фотохимических реакций, неодинаково. Редкая фотохимическая реакция имеет квантовый расход, равный единице. Он может быть значительно больше единицы, так как не все возбужденные молекулы вступают в реакцию; может быть и меньше единицы, если благодаря цепным взаимодействиям в реакцию вступают не только возбужденные молекулы.
Квантовый расход процесса фотосинтеза, т. е. количество квантов, необходимое для того, чтобы одна молекула СО2 восстановилась до углеводов, окончательно не установлен. Все же большинство исследований показывает, что для восстановления одной молекулы СО2 до углеводов нужно 8-9 квантов света. Анализ квантового расхода, наблюдаемого в различных участках солнечного спектра, позволил также доказать роль каротиноидов в процессе фотосинтеза. Исследования А. А. Рихтера, а затем Р. Эмерсона показали, что в той части спектра, где лежит максимум поглощения каротиноидов, т. е. между синими и зелеными лучами, на их долю приходится 70% от всего поглощения и лишь 30% энергии поглощается хлорофиллом. Кванты света, поглощенные каротиноидами, используются, менее эффективно по сравнению с квантами, поглощенными непосредственно хлорофиллом.
Световой луч, представляя собой единое целое, не однороден. Белый свет Солнца содержит совокупность лучей разного цвета. При помощи хорошо известного опыта с трехгранной призмой свет можно разложить на ряд элементов - гамму цветов, которые создают непрерывный спектр. Цвета постепенно переходят один в другой. Четкой границы между ними нет. Такой цветовой спектра впервые получил во второй половине XVII в. английский физик И.Ньютон.
Рисунок 1. Различные виды электромагнитных излучений и положение среди них видимых, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.
1.2 Фотосинтетически активная радиация (ФАР)
В экологии и физиологии растений качественный состав света принято выражать по содержанию в нем тех лучей, которые оказывают наибольшее физиологическое воздействие на растения. В спектре солнечных лучей выделяют область фотосинтетически активной радиации (ФАР). Это лучи с длиной волны 380-710нм. Для ФАР определяют интенсивность, выражая ее в энергетических единицах, а также процент содержания лучей определенной длины волны или всей ФАР в общем потоке радиации.
В зависимости от высоты Солнца прямая радиация содержит от28 до 43% ФАР; рассеянная радиация при облачном небе - 50-60; рассеянная радиация голубого неба - до 90%.
Способы количественной характеристики спектрального состава сводятся к определению относительной доли ФАР в световом потоке с помощью пиранометром с селективными фильтрами, позволяющими вычленить отдельные спектральные области. Такие приборы называют фитопиранометрами. Можно пользоваться и данными по освещенности, переводя их в интенсивность ФАР по коэффициентам, вычисленным разными исследователями.
1.3 Пигменты листа
Один из самых важных на Земле пигментов - хлорофилл. Без этого прекрасного изумрудного пигмента невозможна жизнь на Земле. Зеленый цвет - цвет жизни. Зеленые «фабрики» вокруг нас поддерживают жизнь. Исключительный интерес к изучению хлорофилла связан с тем, что этот пигмент поглощает солнечную энергию и осуществляет фотосинтез - основной процесс, обеспечивающий образование органических соединений и освобождение молекулярного кислорода на планете. Зеленый цвет хлорофилла зависит от непоглощенных зеленых лучей. Молекула хлорофилла обуславливает окраску практически всей растительности, превращает энергию солнечных лучей в энергию химических связей органических соединений. Зеленый пигмент не является химически индивидуальным веществом, у большинства растений он состоит из двух соединений: сине-зеленого хлорофилла а и желто-зеленого b,отличающихся различной степенью окисления, окраской и другими свойствами. Под действием света молекулы хлорофиллов возбуждаются, а после прекращения его действия возвращаются в исходное состояние, и этот переход сопровождается потерей энергии в виде излучения света - флюоресценции. Хлорофилл характерен для всех листостебельных растений земного шара. Но листья имеют зеленый цвет не у всех растений. Есть растения с лиловыми, фиолетовыми, красными или иных оттенков незеленого цвета листьями. В таких растениях образуются не только зеленый хлорофилл, но и соединения, которые придают им иной необычный цвет. Окраска растений обуславливается четырьмя главными веществами: хлорофиллом а, хлорофиллом b, каротином и ксантофиллом. Каратиноиды - спутники хлорофилла. Это большая группа пигментов желтого, оранжевого и красного цвета. Каратиноиды широко распространены в природе: их обнаружено больше трехсот. Однако в фотосинтезе участвуют лишь некоторые из них. Каратиноиды играют роль вспомогательных пигментов передающих энергию поглощенных квантов хлорофиллу, что позволяет организмам более полно использовать ту часть видимого спектра, которая не поглощается хлорофиллом. Каратиноиды поглощают от 10 до 20% той энергии солнечного света, которая поглощается всеми пигментами листа. Кроме того, Каратиноиды играют и специфическую роль в деятельности фотосинтетического аппарата растений: хлоропласты перемещаются в клетке только под влиянием синих лучей, поглощаемых каратиноидами. Также являются переносчиками активного кислорода в растениях. Ксантофиллы, или каротинолы, желтые пигменты, - это кислородсодержащие производные каротинов. Является красящим веществом. Ксантофилл - пигмент осенних листьев.
1.4 Спектры поглощения
В спектре четко различают семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.
В спектре поглощения хлорофиллов а и b - два ярко выраженных максимума: в красной области 660 и 640 нм, в сине-фиолетовой - 430 и 450 нм (рис.1). В живом зеленом листе спектр поглощения хлорофиллов более широкий и выровненный. Лучи в области 400 - 750 нм, т. е. в зоне поглощения хлорофилла, можно назвать фотосинтетически активными. У хлорофилла а поглощение в синих лучах примерно в 1,3 раза больше, чем в красных, а у хлорофилла b в 3 раза.
Величина квантов и их энергетический потенциал изменяются при этом слева направо: кванты синих лучей значительно богаче энергией, чем кванты красных. Когда свет падает на молекулы хлорофилла, часть энергии квантов рассеиваются в виде тепла, поэтому отраженные кванты несут меньший запас энергии, а длина волны света увеличивается, смещаясь в сторону длины волны красных лучей. Поэтому мы видим красное свечение при освещении хлорофилла белым светом, то есть явление флюоресценции.
Из рисунка 2 видно, что свет всех областей видимого спектра, включая ближние ультрафиолетовую и инфракрасную, поглощается тем или иным пигментом. Учитывая, что ширина полос поглощения этих пигментов составляет примерно 50 нм, можно сделать вывод, что все области спектра используются одной или несколькими формами фотосинтезирующих организмов. Коротковолновая граница используемого света находится около 300 нм и обусловлена началом поглощения озона. Наличие длинноволновой границы света связано с тем обстоятельством, что вода является эффективным экраном для солнечного света с длиной волны больше 1150 нм.
Высшие растения не содержат бактериохлорофилл, и листья в лесном массиве прозрачны для света с длиной волны выше 700 нм. Это позволяет им оставаться холодными, в то время как ближний инфракрасный свет и тепло достигают земли. При этом тепло рассеивается в виде излучения по всему лесному массиву.
1.5 Приспособления растений к более полному использованию света Разнообразие световых условий, при которых живут растения на планете, чрезвычайно велико: от таких сильно освещенных местообитаний, как высокогорья, степи, пустыни, меловые обнажения, до сумеречного освещения в пещерах и водных глубинах. В разных местообитаниях различаются не только интенсивность радиации, но и ее спектральный состав, продолжительность освещения растений, пространственное и временное распределение света разной интенсивности и т.д. Соответственно разнообразны и приспособления растений к жизни при том или ином световом режиме. Одно из наиболее наглядных различий внешнего облика растений в разных световых условиях - неодинаковая величина листовых пластинок. Хотя этот признак и связан с наследственными морфологическими особенностями вида, но от него также в большей степени зависит количество радиации, получаемое растением. У светолюбивых растений листья обычно более мелкие, чем у тенелюбивых. Известно, например, что у светолюбивых растений ростовые процессы более чутко реагируют на недостаток света, чем у теневыносливых. В результате наблюдается усиленное вытягивание стеблей, помогающее растениям «пробиться» к свету, в верхние ярусы растительных сообществ.
1.6 Типы растений по отношению к свету
По отношению к свету различают три основные группы растений: светолюбивые (или гелиофиты), тенелюбивые (сциофиты) и теневыносливые. Первые две группы различаются положением экологического оптимума. У светолюбивых растений он находится в области полного солнечного освещения, и сильное затенение действует на них угнетающе. Это растения открытых местообитаний или хорошо освещенных экологических ниш. Например, степные и луговые травы (верхних ярусов травостоев), наскальные лишайники, виды альпийских лугов, прибрежные и водные растения (с плавающими листьями), ранневесенние травянистые растения листопадных лесов, большинство культурных растений открытого грунта и сорняков и т.д. Тенелюбивые растения имеют оптимум в области слабой освещенности и не выносят сильного света. К этой группе принадлежат виды сильно затененных местообитаний. Следует заметить, что местообитания с затенением абиогенного характера (пещеры, расщелины скал, водные глубины, верхние слои почвы, в которых живут водоросли) сравнительно редки. В основном затенение - результат «перехвата» света более высокорослыми растениями-сообитателями. Поэтому весьма распространенные местообитания тенелюбов - это нижние затененные ярусы сложных растительных сообществ, например таежных ельников, лесостепных дубрав, тропических гилей. К тенелюбам относятся и многие наши комнатные и оранжерейные растения. Теневыносливые растения имеют широкую экологическую амплитуду по отношению к свету. Как правило, экологическая кривая отношения к свету у них несколько ассиметрична, т.е. они лучше растут и развиваются при полной освещенности (или близкой к ней), но хорошо адаптируются и к слабому свету. Это распространенная и очень пластичная группа.
1.7 Световой режим леса
Свет - один из самых динамичных факторов среды, поэтому при характеристике световых условий местообитания растений необходимо учитывать и их временную изменчивость. Сезонная динамика прихода солнечной радиации, связана как с закономерностями астрономического характера, так и с сезонной климатической ритмикой данной местности (периодичность дождей и т.д.). На разных широтах она выражена в разной степени: от почти полного отсутствия в экваториальной зоне до весьма резкой смены летнего и зимнего режимов на полюсах. Для растений нижних ярусов сложных растительных сообществ сезонная динамика световых условий складывается под влиянием не только радиационного режима местности, но и фенологического состояния растений верхних ярусов. Так, в листопадных лесах травяной покров, кустарники и подрост в условиях сильного освещения находятся лишь ранней весной, пока не развернулись почки на деревьях, а в течение всего лета они растут в глубокой тени. Напротив, для травянистых растений хвойных лесов затенение более или менее постоянно в течение года. Существенное значение для жизни растений имеют ежесуточные ритмичные изменения в освещенности и спектральном составе света. Правильный характер дневного хода радиации часто нарушается погодными влияниями - изменением состояния атмосферы, облачностью и т.д. Для растений в растительных сообществах световые условия в течение дня наиболее изменчивы в связи с передвижением световых пятен и резкими перепадами освещенности, создающими «световые удары» на фоне длительной тени. Общая продолжительность освещения одной точки прямыми лучами под пологом листопадного леса составляет не более1-2 ч в день. Растения нижних ярусов испытывают и очень быстрые изменения интенсивности света, регистрируемые лишь чувствительными приборами.
1.8 Индекс листовой поверхности
В растительных сообществах общую фотосинтетическую продуктивность в значительной степени определяет листовой индекс, т.е. отношение площади всех листьев фитоценоза к площади почвы, занятой этим сообществом. С листовым индексом связаны и другие важные функции растительного сообщества, особенно лесного: распределение лучистой энергии солнца и ее утилизация на различные физиологические процессы слагающей растительности, тепловой и углекислотный режим ценоза и т.д. Для сельскохозяйственных культур значения листового индекса достигают 4-5. Он примерно в 1,5 раза меньше, чем в высокопродуктивных лесах. Например, в лиственных лесах умеренной зоны индекс листовой поверхности колеблется от 3 до 12, а в некоторых хвойных - до 14. Каждому типу растительного сообщества свойственен свой листовой индекс. Наблюдается явная тенденция уменьшения продуктивности леса с понижением этого показателя. Рыхлость лесного полога способствует при равном листовом индексе более высокой продуктивности древостоев.
1.9 Компенсационная точка
Компенсационное освещение - то освещение, при котором интенсивность фотосинтеза (поглощение СО2) равна интенсивности дыхания (выделения СО2). На световой кривой эта величина соответствует точке пересечения кривой с осью абсцисс. Эта точка называется компенсационным пунктом, при котором КПД (по биомассе) равен нулю.
Рисунок 3. Световые кривые фотосинтеза светолюбивых (1) и тенелюбивых (2). 3 и 4 - КПД фотосинтеза соответственно для светолюбивых и тенелюбивых форм.
Под компенсационной точкой понимается та освещенность, при которой процессы фотосинтеза и дыхания уравновешивают друг друга. Иначе говоря, это та освещенность, при которой растение за единицу времени образует в процессе фотосинтеза столько органического вещества, сколько оно тратит в процессе дыхания. Естественно, что рост зеленого растения может идти только при освещенности выше компенсационной точки. Чем ниже интенсивность дыхания, тем ниже компенсационная точка и тем при меньшей освещенности растения растут.
1.10 Фотопериодизм и группы растений по типу фотопериодической реакции
Важнейшая характеристика светового режима фотопериод, т.е. продолжительность дня (или точнее, соотношение длины светлой и темной частей суток), которая неодинакова в течение года. Длина дня не безразлична для растений. Очень многие виды переходят от вегетативного развития к генеративному (цветение и плодоношение) только в том случае, если они развиваются при фотопериоде, не превышающем (или - в других случаях - не ниже) определенной критической величины. Способность растений реагировать на длину дня получила название фотопериодической реакции (ФПР), а круг явлений, регулируемых длиной дня, именуются фотопериодизмом. Фотопериодизм был открыт в 1920 г. В. Гарнером и Н. Аллардом. Проводя селекционные работы с табаком, они обнаружили, что один из сортов, который цвел весной в теплице, не зацветает летом в грунте. Поскольку летние условия почти не отличались от тепличных, они предположили, что цветению препятствует длинный летний день. Это предположение подтвердилось, когда удалось получить цветение табака летом, но при искусственно укороченном дне. По типу ФПР различают следующие основные группы растений: 1. Растения с короткодневной ФПР (или растения короткого дня), которым для перехода к цветению требуется 12 часов и менее света в сутки (например, конопля, табак, перилла).
2. Растения с длиннодневной ФПР (растения длинного дня); для цветения им нужна продолжительность дня 12 и более часов (таковы картофель, пшеница, шпинат).
3. Некоторые виды (например, гваюла), имеют ФПР промежуточного типа, т.е. цветение у них наступает при определенном, сравнительно узком диапазоне фотопериода - не длиннее, но и не короче критических величин.
4. Наконец, есть растения, фотопериодически нейтральные - для них длина фотопериодизма безразлична, и цветение наступает при любой длине дня (кроме очень короткой, означающей для растений световое голодание). Таковы томат, одуванчик и др.
2. Экспериментальная часть «Влияние внешних условий на процесс фотосинтеза»
2.1 Методика исследования
Объекты, реактивы, оборудование: растение колеус, 4 стаканчика (выкрашенные в синий, зеленый, красный цвет и один прозрачный), электролампа, штатив, лезвия и скальпели, пробирки,. Инфильтрация - это заполнение межклетников жидкостью, Инфильтрацию проводят с помощью медицинского шприца. При этом высечки из ткани растений (пластинка листа) помещают в баллон шприца в воду или в вещество, которое надо закачать в межклетники. Отверстие канюли закрывают указательным пальцем, наливают воду на 2/3 объема, закладывают высечки и выставляют поршень. Затем перевертывают шприц канюлей вверх и, убрав палец, выгоняют из баллона воздух, вдвигая поршень. После этого, плотно закрыв пальцем отверстие канюли, оттягивают поршень вниз, в результате чего в баллоне понижается давление. Поскольку высечки должны быть погружены в воду, шприц резко встряхивают, одновременно отнимая палец от канюли. Давление в баллоне шприца резко повышается, и в межклеточники высечек, погруженных в вод, загоняется вода - происходит инфильтрация. Повторяя операцию несколько раз, можно добиться полной инфильтрации. Это легко обнаружить по потемнению тканей высечек и по их однородному просвечиванию на свету. Инфильтрованные высечки опускаются на дно. Иногда это не происходит изза образовавшихся пузырьков газа на поверхности высечек. Пузырьки легко удалить кисточкой или стеклянной палочкой.
Инфильтрованные высечки помещают по 10 штук в стаканчики с водой, обогащенной СОІ. Один из стаканчиков помещают в темноту (контроль), другие выставляют на свет на одинаковом расстоянии от источника света. Высечки всплывают в разное время в зависимости от интенсивности фотосинтеза в результате вытеснения воды из межклетников кислородом. По десяти бальной шкале оценили интенсивность фотосинтеза каждой из высечек. Данные наблюдения представлены в виде таблицы 2.
Таблица 2. Изучения интенсивности фотосинтеза высечек из листьев колеуса.
№ высечки Время всплытия
Белый цвет Зеленый цвет Синий цвет Красный цвет мин балл мин балл мин балл мин балл
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 2,6 9,8 3,3 8,7 6,9 4,9 2,1 10,0
2 3,1 8,8 4,1 7,0 6,9 4,9 2,9 9,0
3 3,3 8,5 4,1 7,0 7,2 4,7 3,6 8,1
1 2 3 4 5 6 7 8 9
4 3,3 8,3 8,3 3,6 7,3 4,4 3,7 8,0
5 3,7 7,9 8,4 3,5 7,6 4,3 4,1 7,0
6 3,8 7,8 8,7 3,3 7,9 4,1 4,1 7,0
7 4,2 6,3 9,2 3,0 7,9 4,0 4,3 6,2
8 4,6 6,2 14,8 2,4 8,1 3,8 4,5 6,1
9 4,6 6,2 15,4 2,0 8,4 3,5 4,5 6,0
10 5,3 3,9 17,1 1,6 9,2 3,0 5,5 4,0
Сред. 3,85 7,37 9,34 4,2 7,76 3,76 3,93 7,14
Таблица 3. Меры интенсивности фотосинтеза.
Вариант опыта Время всплытия высечек, мин Интенсивность фотосинтеза, балл
50% 100%
Красный цвет 3,8 3,93 7,14
Синий цвет 7,22 7,76 3,76
Зеленый цвет 5,64 9,34 4,2
Белый цвет 3,2 3,85 7,37
растение свет поглощение лист
2.2 Результаты и обсуждения Интенсивность процесса фотосинтеза зависит, прежде всего, от света и температуры. Влияние температуры на фотосинтез находится в зависимости от освещения
В нашей работе мы изучали влияние внешних условий на процесс фотосинтеза, а именно: влияние света. В основе определения интенсивности фотосинтеза лежат две группы методов: газометрические, регистрирующие количество поглощенной углекислоты или выделенного кислорода, и методы учета органического вещества, образующегося при фотосинтезе.
1) Средняя арифметическая величина ( ) определяется по формуле: (1) где Х1, Х2, Х3 … Xn - относительные значения признака, n - объем выборочной совокупности под белым стаканом = (2,6 3,1 3,3 3,3 3,7 3,8 4,2 4,6 4,6 5,3)/10=3,85 под зеленым стаканом = (3,3 4,1 4,1 8,3 8,4 8,7 9,2 14,8 15,4 17,1)/10=9,34 под синим стаканом = (6,95 6,97 7,23 7,3 7,6 7,9 7,9 8,1 8,1 8,4 9,2)/10=7,76 под красным стаканом = (2,1 2,9 3,6 3,7 4,1 4,1 4,3 4,5 4,5 5,5)/10=3,93 темнота =
Для оценки вариабельности необходимо определить среднее квадратическое отклонение.
2) Среднее квадратическое отклонение ( ) определяется по формуле: (2) под белым стаканом под зеленым стаканом под синим стаканом под красным стаканом
Темнота
3) Коэффициент вариации (V) в % определяется по формуле: (3) где среднее квадратическое отклонение, средняя арифметическая величина под белым стаканом под зеленым стаканом под синим стаканом под красным стаканом темнота
4) Основная ошибка средней величины ( ) определяется по формуле: (4) под белым стаканом под зеленым стаканом под синим стаканом под красным стаканом темнота
5) Точность опыта (Р) определяется по формуле: (5) по белым стаканом под зеленым стаканом под синим стаканом под красным стаканом темнота
6) Достоверность арифметической ошибке ( ) определяется по формуле: (6) под белым стаканом под зеленым стаканом под синим стаканом под красным стаканом темнота
Результаты обработки средней арифметической величины ( ) и среднего квадратического отклонения ( ) были занесены в таблицу 2.
Таблица 4. Оценка средней арифметической величины и среднего квадратического отклонения.
Условие проведения опыта
Под белым стаканом 3,85 0,82
Под зеленым стаканом 9,34 4,95
Под синим стаканом 7,76 0,17
Под красным стаканом 9,35 0,94
Темнота 0 0
По таблице 2 можно сделать вывод, что при проведении опыта под белым стаканом среднее квадратическое отклонение составляет ±0,82 от средней арифметической величины; при проведении опыта под зеленым, синим стаканом и в темноте - этот показатель не варьируется, что говорит о высокой точности опыта; при проведении опыта под красным стаканом отклонение составляет ±0,94.
Таблица 5. Основные статистические показатели.
Условие проведения опыта V в % Р в %
Под белым стаканом 21,3 ±0,26 6,75 0,57
Под зеленым стаканом 53 ±1,57 16,81 0,56
Под синим стаканом 2,19 ±0,05 0,64 12,13
Под красным стаканом 23,92 ±0,3 7,63 1,23
Темнота 0 ±0 0 0
Из результатов таблицы видно, что коэффициент варьирования при разных условиях опыта различен под белым и красным лучами он составил 21,3%, в остальных условиях - разные. Он позволяет сравнить данные о рассеянии значений. Точность опыта характеризует расхождение между средними значениями и составляет 7,96% для всех. Ошибка среднего квадратического отклонения составила ±0,61. Величина определяет достоверность статистических показателей, так как она больше 3,62 то показатель достоверен.
Заключение и выводы
В процессе написания данной курсовой работы были изучены такие вопросы как спектральный состав лучистой энергии солнца, фотосинтетически активная радиация, пигменты листа, спектры поглощения, приспособления растений к более полному использованию света, типы растений по отношению к свету, световой режим леса, индекс листовой поверхности, компенсационная точка, фотопериодизм и группы растений по типу фотопериодической реакции. В экспериментальной части курсовой работы были описаны результаты проведенного эксперимента, в котором было изучено влияние внешних условий на процесс фотосинтеза, в частности влияние света.
Опыт показал, что процесс фотосинтеза идет интенсивнее при красном свете, так как при этих лучах было накоплено больше всего крахмала - средний балл составил 7,14. Поглощенная энергия в красном участке спектра используется более полно, потому что энергия квантов красного света способствует протеканию процесса фотосинтеза, так как центральными пигментами, при участии которых идет фотосинтез, являются пигменты Р700 и Р680. Максимум поглощения находится при длине волны 700 и 680 нм.
2) Бриттон Р. Биохимия природных пигментов: Мир, 1986. 422с.
3)Культнаосв И.М. Экология растений. - М: Изд-во Москв. Ун-та, 1982.-384
4) Сунцова Л.Н. Физиология растений. Фотосинтез: Учебное пособие для самостоятельного изучения раздела дисциплины студентам специальностей 260400 и 260500 всех форм обучения:- Красноярск: СИБГТУ, 2004.- 60 с.
5) Лебедева Т.С., Сытник К.М. Пигменты растительного мира: Киев: Наук. Думка, 1986.-83 с.
6) Шульгин И.А. Растения и солнце:Л.:Гидрометеоиздат- 1973.-251 с.