Исследовательская работа “Оптико-микроскопический анализ старения и стрессовых реакций листвы”
Автор: Пилкова Виктория Станиславовна
Место работы/учебы: МОУ СОШ №82, г.Черноголовка, Московская область, 10 класс
Научный руководитель: Классен Николай Владимирович, заведующий лабораторией, ФГБУН Институт физики твердого тела РАН. Г. Черноголовка
Аннотация
Актуальность. Исследования процессов старения и стрессовых реакций растений актуальны по нескольким причинам. Растения выполняют важную функцию в природе. Такие функции, как: Космическая роль в природе, фотосинтез, образование озонового слоя в атмосфере, питание для всех живых существ. С растений начиналось образование всего живого на нашей планете и многие происходящие в них процессы в основных чертах повторяются и в других биосистемах вплоть до млекопитающих (включая и человека). Например, один из ключевых моментов жизнедеятельности и растений, и животных – реакция на резкое изменение внешних условий, называемое стрессом. Стрессовые ситуация такие как: резкое похолодание, перепады температуры. А так как растения с методической точки зрения значительно проще для экспериментальных исследований по сравнению с людьми, изучение процессов старения и стрессов в растительных компонентах может существенно способствовать прогрессу, не только в ботанике, но и в биомедицине. Вторым фактором актуальности нашей темы является то, что растения – основа питания всего животного мира (в том числе и людей), так как в процессе фотосинтеза происходит химическое преобразование видимой (солнечной) энергии в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. Всем известно, что фотосинтетические пигменты – зелёного цвета, у растений – хлорофилл, который имеет формулу C₅₅H₇₂O₅N₄Mg В процессе фотосинтеза поглощается CO2, а в процессе дыхания поглощается O2, благодаря этому мы можем дышать, так как поддерживается концентрация CO2 и O2 в атмосфере.. Так же на фоне быстро увеличивающейся численности населения Земли остро актуальны проблемы повышения урожайности, питательности, выживаемости растений, уменьшение численности фотосинтезирующих растений, для решения которых необходимо значительное углубление понимания происходящих в них процессов. Кроме того, к настоящему времени общепризнано, что в жизнедеятельности растений главную роль играют фотоэлектрические и электрофизические явления (фотосинтез, разделение и перенос электрических зарядов и др.), в регулировании которых естественная природа достигла высокого совершенства. Например, эффективность разделения зарядов при фотосинтезе в растениях превышает 90%, в то время как в самых лучших и самых дорогих солнечных батареях, требующих значительных производственных затрат, этот параметр достигает всего лишь от 20 до 40 %. Поэтому развитие понимания микроскопии процессов, происходящих в растениях, способно принести большую пользу повышению эффективности, экологичности и экономичности научно-технических разработок в энергетической, электронной и оптической областях.
Цели и задачи: изучить и дать новую информацию о микроскопическом уровне процессов старения и стрессовых реакций в растениях посредством экспериментального наблюдения, а также дать анализ об изменении в структуре листвы растений при неблагоприятных условиях, такие как: изменения условий внешней среды, лазерных и электрических воздействиях. Предположить, благодаря чему происходит активация антоцианов, так как в наше время они недостаточно изучены.
Методики экспериментов. Для проведения экспериментов использовали листья, которые были только сорваны в период с начала по конец сентября 2020 года с таких растений, как клен и крапива. Так же изучали их водные суспензии, приготовленные раскатыванием листьев в чашке Петри стальным шариком с добавлением пару каплей дистиллированный воды. Листья клена были в разных состояниях, то есть различались своей окраской (зеленые, желто-зеленые, желтые, красно-зеленые и красные). Внутренние структуры листьев и их водные суспензии в исходном состоянии и после внешних воздействий (лазерным облучением и электрическим полем) исследовались с помощью оптического микроскопа как в неполяризованном белом свете, так и при размещении просвечиваемых образцов между скрещенными поляризаторами. Лазерное воздействие проводилось непрерывным полупроводниковым лазером с красным излучением (длина волны 633 нм) интенсивностью 200 милливатт (3 минуты) . Электрическое воздействие осуществлялось постоянным полем от аккумулятора с разностью потенциалов 14 вольт. Суспензии размещались на предметном стекле оптического микроскопа между параллельными электродами из алюминиевой фольги. Зазор между электродами составлял 3 мм, а напряженность электрического поля, действующего на образцы – порядка 40 в/см. Наблюдения проводились как визуально, так и с регистрацией процессов и результатов воздействий с помощью видеокамеры и компьютера.
Результаты
1. Обнаружено, что и старение зеленых листьев в виде пожелтения, и стрессовое покраснение в виде появления антоцианов начинаются с образования желтых и красных микроостровков, которые по мере разрастания постепенно заполняют всю площадь листа. Такую динамику старения и стрессового покраснения листвы можно объяснить тем, что процессы разрушения хлорофиллов и формирования антоцианов носят автокаталитический характер, когда скорости указанных преобразований существенно возрастают по мере накопления уже преобразованных в данной области листа органелл. Причиной такого возрастания могут быть, например, затруднения в переворотах хлоропластов, взвешенных в строме клеток листа, в связи с загустением цитоплазмы из-за повышения концентрации продуктов предшествующих распадов других хлоропластов.
2. Экспериментальным путем установлено, что при естественном старении и стрессовых преобразованиях листьев в первую очередь изменяются клеточные ткани между прожилками, а после этого – сами прожилки. С другой стороны, при нападениях вредителей в виде грибков или бактерий – наоборот, прожилки разрушаются в первую очередь. Это объясняется тем, что внешним вредителям выгодно как можно быстрее разрушить защитную структуру листьев, а самому растению необходимо ее сохранить как можно дольше для нормальной жизнедеятельности.
3. Обнаружено, что облучение зеленых листьев красным светом, поглощаемым Хлорофиллом, ускоряет их пожелтение и растворение в воде, в то время как такое же облучение водных растворов с компонентами растертых листьев приводит, наоборот, к коагуляции зеленых компонентов. Оба процесса объясняются электрической поляризацией зеленых компонентов при поглощении света. В первом случае их поляризация усиливает взаимодействие связанных в тканях компонентов с полярными молекулами контактирующей с ними воды, а во втором возникает взаимное притяжение взвешенных в воде хлоропластов, тилакоидов и хлорофиллов, вызывающее их коагуляцию.
4. Экспериментами по разрушению зеленых компонентов листьев электрическим полем показано, что главным действующим фактором изменений в зеленых тканях листьев при старении и стрессах могут быть локальные электрические поля, вызывающие распад молекул хлорофилла.
5. Обнаружено, что при стрессовом покраснении происходят увеличение поперечных сечений прожилок листьев и преобразование их внутренней структуры от пучков продольных микрокапилляров к сетке микроячеек. Оба процесса обусловлены тем, что при стрессе предназначение прожилок изменяется от обеспечения связи с корнями растения к усилению защиты преобразованного листа, содержащего антоцианы, необходимые растению в будущем сезоне для усиления его сопротивляемости вредоносным факторам. Одним из факторов такой защиты может быть активация производства молекул воска непосредственно в тканях листа для образования защитного слоя его кутикулы.
Содержание работы
Дата публикации работы: 03.03.2021
Добавить комментарий