IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Актуальность. Устойчивое развитие природных сообществ предполагает функционирование экологически безопасной экономики, которая обеспечивает рациональное ресурсопотребление и минимизацию техногенного воздействия на окружающую среду процессов производства. В идеале – экобезопасной является такая экономика, которую отличает оптимальная отраслевая структура, предполагающая пропорциональность в развитии природоэксплуатирующих отраслей, при соответствующем развитии сферы экобизнеса. При этом, подобные предприятия должны быть ориентированы на высокие технологии, отвечающие условиям чистого производства.

Одним из актуальных вопросов получения экологически чистой сельскохозяйственной фитопродукции является процесс производства качественных семян, способных воспроизвести здоровое потомство, которое

может сопротивляться и выживать в стрессовых условиях окружающей среды, в условиях повышенного фона фитопатологической нагрузки.

Цель исследования: изучить воздействие красного, синего, желтого и зеленого света на способность к прорастанию семян растений.

Исходя из поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Изучить по литературным источникам роль света, как экологического фактора, в жизни семян растений.

2. Исследовать воздействие ультрафиолетового (синего), красного, желтого, зеленого света на семена растений.

3. Сравнить между собой воздействие красного, синего, желтого, зеленого света на способность к прорастанию семян растений в условиях освещения и темноты.

I.Обзор литературы

1.1. Свет как экологический фактор

1.1.1. Понятие света в физике (оптика)

Свет – в физической оптике – электромагнитное излучение и поток частиц, воспринимаемые человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380–780 нм (750–395 ТГц). [10]

В этом случае, в понятие «свет», помимо видимого излучения, включаются как инфракрасное, так и ультрафиолетовые излучения.

Раздел физики, в котором изучается свет, носит название оптика.

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов – частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).[3]

Длина волны – расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками в пространстве, в которых колебания происходят в одинаковой фазе.

Свет в жизни растений играет определяющую роль, т.к. световая энергия участвует в процессе фотосинтеза. Фотосинтез – поглощение света зелёными органами растения с последующим преобразованием его, при помощи пигмента хлорофилла, (а также воды и растворённых в ней минеральных веществ) в органические соединения (углеводы). Углеводы тратятся растением на свой рост и развитие, а также, откладываются про запас, который, может быть, в будущем использован самим растением и другими живыми организмами (в экологических цепях питания). [3]

С физической точки зрения, солнечная радиация состоит из волн разной длины. Лучистую энергию растения используют избирательно. При фотосинтезе они потребляют лучи с длиной волны от 380 до 740 нм. Область солнечного спектра, используемая растениями для фотосинтеза, получила название фотосинтетически активной радиации (ФАР). Со стороны более коротких волн к ФАР примыкает ультрафиолетовая радиация (УФ), а более длинных – инфракрасная (ИК).

1.1.2. Роль света в жизни растений

Солнце излучает в космическое пространство громадное количество электромагнитных волн разной длины и частоты. Часть солнечных лучей, преодолев огромное расстояние, падает на нашу планету, освещает и обогревает её. Поверхность Земли получает ежегодно от солнца около 21×10²⁰ кДж лучистой энергии. Примерно половина её приходится на видимые лучи, около половины на тепловые и инфракрасные и примерно 1% на ультрафиолетовые. В земной атмосфере солнечные лучи сталкиваются с частицами водяных паров, капельками воды, входящими в дождевые облака, ледяными кристалликами высоких перистых облаков и с молекулами газов воздуха (кислорода, азота, аргона, углекислого газа и других).[9] Кроме этого очень сильно влияет на проходящий солнечный луч пыль и дымовые частицы. Попав на них, часть лучей поглощается, а часть отражается и уходит в мировое пространство, навсегда теряясь для Земли. На нашу планету поступает лишь одна двухмиллиардная часть солнечной радиации. Из этого количества лучистой энергии, дошедшего до Земли лишь 0,1–0,2% используется зелёными растениями на создание органического вещества.[4]

Среди солнечных лучей, достигших земной поверхности, имеются разные лучи: радиоволны, ультрафиолетовые, световые и другие.[5]

Для растений важны лучи видимой и невидимой человеческим глазом частей спектра, особенно оранжево–красные (0,65–0,68мкм) и сине–фиолетовые (0,40–0,50мкм). Меньше всего поглощаются желто–зеленые лучи (0,50–0,60мкм), почти не поглощаются инфракрасные лучи. Из них лишь инфракрасные лучи с длиной волны более 1,05мкм, принимают участие в теплообмене растений.[12]

1.1.3.Свет в жизни семян растений

Особая роль света отводится семенам растений т.к. для их прорастания это является важным экологическим фактором.[12]

После впитывания влаги некоторые семена смогут прорасти только при наличии солнечного освещения. Однако, есть и такие семена, которые для

прорастания не нуждаются в свете, или, даже такие семена, прорастание которых будет тормозиться при освещении. Более того, существуют семена, которые смогут прорасти при кратковременном освещении, однако, при длительном освещении их прорастание остановится.[6]

Для роста семян также исключительно важным является качество света. При белом, синем и желтом свете, в тени семена огурцов вполне смогут прорасти. Но при длительном освещении красного и зеленого света, рост семян может остановиться. [11]

Семена некоторых растений могут прорастать и без света, если на них оказывается какое–либо иное воздействие. Например, некоторые семена замачивают в растворе гиббереллина, что исключает необходимость прорастания семян в свете.[11]

Длинноволновая часть спектра видимого света (красный свет) является особенно важным в жизни растений. Так как, кроме хлорофилла в растениях присутствуют другие пигменты (каротиноиды, фикобилллины), то они тоже задействованы в процессе фотосинтеза. Они входят в состав пигментных систем в виде хромопротеидов (пигментно-белковых комплексов). Белковая часть пигмента (фитохром) имеет избирательную чувствительность к определённому участку спектра белого света. Особенность фитохрома заключается в том, что он может принимать две формы с разными свойствами под воздействием красного света (660 нм) и дальнего красного света (730 нм), т.е. он обладает способностью к фотопревращению. Причем, поочередное кратковременное освещение тем или другим красным светом аналогично манипулированию любым выключателем, имеющим положение "ВКЛ-ВЫКЛ", т.е. всегда сохраняется результат последнего воздействия. Это свойство фитохрома обеспечивает растению “слежение” за временем суток (утро-вечер), управляет периодичностью его жизнедеятельности. Более того, светолюбивость или теневыносливость того или иного растения также зависит от особенностей имеющихся в нем фитохромов. [2]

Также красный свет может способствовать увеличению количества гиббереллина в семенах растений и стимулировать их развитие, но дальняя

часть красного света уменьшает количество данного гормона, и процесс прорастания семян замедляется.[15]

Кроме этого, свет ускоряет прорастание недоразвитых и длительно хранившихся семян.

Семена растений при облучении их красным светом увеличивают скорость прорастания зародыша, благодаря содержащемуся в них фитохрому.[7]

Ультрафиолетовый свет – электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн ультрафиолетового излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм. В связи с этим выделяют три типа ультрафиолетового излучения:

1.Коротковолновое 200–290мм

2.Средневолновое 290–350мм

3.Длинноволновое 350–400мм

Коротковолновое излучение обладает высокой энергией и способностью повреждать биомолекулы. Белки активно поглощают излучение с максимумом 220–240нм, нуклеиновые кислоты 260нм. Возбуждение от этого поглощения напрямую вызывает изменение или разрыв химических связей, поэтому белки перестают выполнять свои функции, а нуклеиновые кислоты подвергаются мутациям. Также поглощение коротковолнового излучения пигментами может вызывать фотолиз воды с образованием активных свободных радикалов и перекиси водорода. Эти соединения разрушают и окисляют любые органические молекулы, что приводит к разрушению клетки.

1.1.3.1.Прорастание семян на свету

После впитывания влаги некоторые семена смогут прорасти только при наличии солнечного освещения. Однако, есть и такие семена, которые для

прорастания не нуждаются в свете, или, даже такие семена, прорастание которых будет тормозиться при освещении. Более того, существуют семена, которые смогут прорасти при кратковременном освещении, однако, при длительном освещении их прорастание остановится.[8]

Для роста семян также исключительно важным является качество света. При белом, синем и желтом свете, в тени семена огурцов вполне смогут прорасти. Но при длительном освещении красного и зеленого света, рост семян может остановиться. [1]

Семена некоторых растений могут прорастать и без света, если на них оказывается какое–либо иное воздействие. Например, некоторые семена замачивают в растворе гиббереллина, что исключает необходимость прорастания семян в свете.

1.1.3.2.Прорастание семян в темноте

На чувствительность семян к свету влияют условия выращивания материнского растения, например, если некоторые виды вырастить на ярком свету, то их семена могут прорастать в полной темноте. При этом, при развитии зародыша на материнском растении его фитохромная система получает достаточно красных лучей, что является сигналом к прорастанию.

Так как семена обычно прорастают в почве, то свет им для этого не нужен, что характерно для семян большинства овощных культур. Но мелкие семена, в частности, семена салата латука и сельдерея для прорастания нуждаются в свете.

Глава II .Практическая часть

2.1. Объект исследования

Объектами исследования явились:1) семена растений – пшеница мягкая, подсолнечник однолетний, пшеница мягкая (сорт Мальцевская 110), вика посевная, аквилегия (водосбор обыкновенный); 2) свет как экологический фактор (синий – ультрафиолетовый желтый зеленый и красный ).

2.1.1. Семена

Семена играют важную роль в жизни растений. С помощью семян растения размножаются и расселяются по земной поверхности.

В регуляции прорастания заметную роль играет фитохромная система (совокупность фоторецепторов, синезеленых пигментов, существующих во взаимосвязанных формах, одна из которых поглощает красный свет, а другая дальний красный ). Для восприятия светового сигнала необходимо набухание семян после которого фитохромная система способна активировать процесс “пробуждения” семян. Прорастание можно вызвать небольшим количеством красных квантов света.[3]

На чувствительность семян к свету влияют условия выращивания материнского растения, например, если некоторые виды вырастить на ярком свету, то их семена могут прорастать в полной темноте. При этом, при развитии зародыша на материнском растении его фитохромная система получает достаточно красных лучей, что является сигналом к прорастанию.

После периода покоя семя прорастает без света. Если материнское растение выросло в тени других растений или при недостатке света, то фитохромы в зародыша активируют их прорастание при достаточном количестве красной части спектра солнечного света.

Таким образом, фитохромная система растений способствует началу прорастания семян и может способствовать изучению формирования методов борьбы, снижающих прорастание семян сорняков в агроценозах.

2.1.2. Свет как объект исследования

У растений синий свет воспринимают криптохромы, фототропин.

Синие и фиолетовые лучи, кроме участия в фотосинтезе, ускоряют образование белков и регулируют скорость развития растения. Эти лучи стимулируют деление клеток, но вместе с тем задерживают их растяжение, увеличение в объёме. Вот почему растения, произрастающие в горах, где много синих и сине – фиолетовых лучей, обычно низкорослы. [2]

У растений, живущих в природе в условиях короткого дня, эти лучи ускоряют наступление периода цветения. Если растение испытывает дефицит сини лучей, например в запущенных посевах, то его стебли становятся нежными и легко полегающими под тяжестью плодов и ветра.

Красный свет – область цветов в длинноволновой части видимого спектра, соответствует минимальной частоте электромагнитного поля, воспринимаемой человеческим глазом. Диапазон красных цветов в спектре часто определяют длиной волны 620–740 нанометров.

Другой существенный показатель – частота колебаний. Она взаимосвязана с длиной, поэтому волна может быть задана любой из этих величин. Частота волн красного цвета находится в пределах от 400 до 480 Гц. Энергия фотонов при этом образует диапазон от 1,68 до 1,98 эВ.

Именно красный свет является основным поставщиком энергии для фотосинтеза и влияет на процессы, связанные с изменением скорости развития растения. Избыток красной составляющей спектра задерживает переход растения к цветению.

Красный свет необходим растениям для цветения и плодоношения. Как только растение определяет, что в освещении превалируют красный свет, это становится сигналом к ускоренному росту, развитию и цветению. Большое количество красного света в спектре в природе возникает при затенении растений и эволюционно в ответ на развитие конкурентов растения начинали бурный рост и плодоношение. Для этой фазы развития растений становится важен фотопериодизм, для каждого вида растения он свой , чаще 12-16 часов. Важно для активации цветения и плодоношения создавать суточный ритм, близкий к природному для данного растения, с достаточным количеством энергии света.[15]

2.2. Методы и место исследования

Наши исследования по воздействию синего (ультрафиолетового), красного,зеленого,желтого света на семена растений проводились в лабораторных условиях.

Эксперименты ставились следующим образом: после облучения красным , синим, желтым и зеленым светом семена (50 штук семян каждого опытного растения) помещались в чашки Петри в увлажнённый прокалённый песок (Рис.1). Далее чашки Петри с семенами располагались на подоконнике в учебной аудитории. Учет проросших семян проводился по мере их всхожести. После всех экспериментов выявлялось среднее число проросших семян.

Рис. 1. Чашки Петри с посеянными семенами.

Чашки Петри с семенами размещались на подоконнике в лаборатории при комнатной температуре и в шкафу. Опыт был повторен в двух вариантах.

Виды растений брались с учетом строения зародыша и питательного вещества семени. Самый слабый зародыш содержит семена аквилегии; вика посевная имеет хорошо сформированный зародыш; пшеница содержит большое количество питательного вещества (эндосперма) с полностью сформированным, но небольшим зародышем, для которого достаточно питательного вещества при прорастании; подсолнечник имеет сформированный зародыш.

Семена облучались красным светом LED лампой Reflector 450W, имеющей следующие характеристики (Рис.2.)

Reflector 450W

• Потребляемая мощность: 258W–270W
• Покрываемая площадь: 1–2.5 м²
• Количество люмен: 21900
• Спектр наших ламп: 430 ~ 440nm, 450 ~ 475nm 620 ~ 630nm, 650 ~ 660nm, 730nm IR и белый.
• Светоотражатель установлен так, что отражает до 100% света.
• Срок службы: 50000–100000 часов (5–10 лет)
• Количество светодиодов: 144шт x 3W
• Угол света: 90° / 120° смешиваемый
• Входное напряжение AC85V-265V
• Рабочая температура: от -20° до 40°
• Размеры: 825мм x 250мм x 50мм
• Вес: 11.5кг
• Комплектация: LED панель / кабель питания / Стальной подвесной комплект
• Гарантия: 3 года

Рис. 2. LED лампа, с включенным красным светом и облучаемыми семенами.

Результаты исследования

Результаты исследования представлены в таблицах 1 и 2

Таблица

Данные по прорастанию количества семян растений, облучённых красным, синим, зелёным и желтым светом в темноте

Виды изученных растений, вариант облучения		Время облучения светом, мин				Контроль, проращивание на свету без облучения
		15	30	45	60
		Число семян, шт.
Helianthus annuus	1	9	12	8	10	19
	2	6	20	6	14
	3	11	4	9	6
	4	9	10	10	2
Vicia sativa	1	18	4	5	4	31
	2	3	6	7	15
	3	21	18	28	31
	4	30	30	34	25
Triticum aestivum	1	8	14	5	5	3
	2	30	3	6	33
	3	6	6	3	7
	4	4	5	18	25
Aquilegia vulgaris	1	0	0	1	1	0
	2	1	0	1	0
	3	1	0	0	1
	4	1	0	0	1

По данным таблицы мы видим, что наибольшее влияние на семена Viciasativaпроизвёл желтый и зеленый свет. Количество проросших семян Viciasativaне превысило контроль.

Семена подсолнечника проросли лучше всего при облучении их синим светом в течение 30 минут, остальные варианты прорастания облученных семян выбранными спектрами света, показали примерно половинный результат от контроля.

На семена Triticumaestivumнаибольшее влияние произвёл синий свет, так как количество проросших семян увеличилось в несколько раз при кратковременной и долговременной обработке семян светом; зеленый свет и красный свет увеличил количество проросших семян в два раза и чуть более.

Семена Viciasativa,облученные желтым светом, проросли почти в том же количестве, что и в контрольном варианте; зеленый и красный свет позволили прорасти половинное количество семян от контроля , а зеленый свет отрицательно повлиял на прорастание семян, уменьшив их количество почти в 5 раз.

Семена Aquilegiavulgarisпроросли в единичном количестве независимо от их облучения, что может объясняться слабо сформированным зародышем этого растения.

Таким образом, прорастание семян в темноте зависимо от количества и качества дневного света, где разные его части с разной длиной волны способны активировать в разной степени фитохромные системы.

Таблица 2

Данные по прорастанию количества семян растений, облучённых красным, синим, зелёным и желтым светом

Виды изученных растений, вариант облучения		Время облучения светом, мин				Контроль, проращивание на свету без облучения
		15	30	45	60
		Число семян, шт.
Helianthus annuus	1	10	8	9	12	9
	2	6	4	7	8
	3	13	12	13	12
	4	9	12	10	12
Vicia sativa	1	4	2	23	14	30
	2	12	8	8	3
	3	37	18	45	44
	4	18	4	26	7
Triticum aestivum	1	9	10	8	17	35
	2	15	5	26	17
	3	29	26	24	27
	4	8	14	15	15
Aquilegia vulgaris	1	1	1	1	1	3
	2	0	1	3	1
	3	11	1	8	4
	4	0	0	1	1

Примечание. 1 – красный ; 2 – синий ; 3 – зелёный ; 4 – желтый свет.

Из 50 семян 2013 года (пшеница, вика, аквилегия, подсолнечник), облучённых в разные временные промежутки(15мин, 30мин, 45мин, 60 мин) красным светом, вместе контролем, проросло практически в одинаковом числе (штук). Наилучший результат получился у семян подсолнечника с 60 минутным облучением.

В нашем эксперименте семена прорастали через 2 дня ,а в контроле - на пятый день.

Прорастающих семян подсолнечника в количественном числе увеличилось незначительно (по сравнению с контролем).

Контрольный вариант с семенами пшеницы мягкой и вики посевной оказался в лучшем состоянии, чем проросшие семена этих же растений, облученных красным светом. Возможно, происходят изменения с зародышами семян или их питательным веществом на биохимическом и физиологическом уровне.

Семена пшеницы мягкой (сорт Мальцевская 110) 2009г имеют единичные прорастания, что практически соответствует контрольному варианту. Видимо, семена после длительного хранения (5лет) теряют всхожесть.

Аквилегия имеет единичные прорастающие семена (почти как в контрольном варианте). Т.к. зародыши семян аквилегии слабо развиты, то всхожесть семян у этого растения слабая, если не проводить дополнительные меры, увеличивающие процент всхожести семян (например, стратификацию).

Таким образом, прорастание облучённых семян в эксперименте с красным светом при времени в пределах часа (15 – 60мин.) в количественном плане не увеличилось (по сравнению с контрольным вариантом), но время прорастания семян сократилось вдвое.

Выводы

Свет в жизни растений, как экологический фактор, играет важную роль, так как он участвует в процессе фотосинтеза и влияет на их рост.

Как известно, белый свет (дневной) состоит из семи разных цветов света, в том числе красного и синего (ультрафиолетового).

Семена растений при облучении их красным светом увеличивают скорость прорастания зародыша благодаря содержащемуся в них фитохрому. Поэтому на семена с хорошо сформированным зародышем красный свет способствовал большему появлению зародышей (подсолнечник, вика посевная)

А семена растений при облучении их синим светом увеличивают скорость прорастания зародыша практически незначительно от контрольного варианта.

При выращивании семян в темноте мы сделали следующие выводы:

Наибольшее влияние на семена горошка произвел желтый и зеленый свет. Количество проросших семян не превысило контроль, но близко к нему.

Семена подсолнечника проросли лучше всего при облучении их синим светом в течение 30 минут, остальные варианты показали, примерно половинный результат от контроля.

На семена пшеницы мягкой наибольшее влияние произвел синий свет при кратковременной и долговременной обработке семян синим светом.

Семена аквилегии обыкновенной проросли в единичных количествах, независимо от их облучения разным светом в разное время.

Наилучший эффект от облучения семян спектрами света в процессе их прорастания проявились у вики посевной(кроме синего),а пшеница и подсолнечник лучше всего реагируют на синий свет.

Список источников и литературы:

1. Березина Н.А., Афанасьева Н.Б. Экология растений М.: Издательский центр "Академия", 2009. – 400с.

2. Васильев А.Е., Ботаника, Морфология и анатомия растений, 1988. – 480с.

3. Кузнецов В.И. "Свет" - М.: "Педагогика", 1977. –128с.

4. Понамарёва И.Н. Экология растений с основами биогеоценологии. Пособие для учителей. М., "Просвещение",1978. –207с.

5. Тахтаджян А.Л. Жизнь растений 1том М., «Просвещение», 1974.–551с.

6. Тахтаджян А.Л. Жизнь растений 5 том часть 1 М., «Просвещение», 1980.–496с.

7. Тахтаджян А.Л. Жизнь растений 6 том М., «Просвещение», 1982.–608с.

8. Яковлев Г.П. , В.А. Челомбитько, "Ботаника", 2003. –367с.

9. Экология – справочник. Солнечная радиация // http://ru-ecology.info

10 . Википедия – свободная энциклопедия. Свет. // https://ru.wikipedia.org

11.Энциклопедия растений. Семена растений // http://flower.onego.ru

12. Популярно о здоровье. Свет для семян растений // http://www.rasteniya-lecarstvennie.ru/

13. Здоровая жизнь. Применение подсолнечника. // http://life-spb.ru

14.Санлайн Украина. Синтез хлорофилла // http://solariy.com.ua

15. Компания «Джиэль». Красный свет // www.greenlights.biz

Приложение

Приложение 1

Схемы строения семян исследуемых растений

Рис.1 Схемы строения семян растений с разным зародышем и питательным веществом: 1 –2 – семена с эндоспермом; 3 –4 – cемена без эндосперма; 1 и 3 –cемена с двумя семядолями; 2 и 4 – cемена с одной семядолей; энд – белок (эндосперм); с – семядоли; пч – почечка; пк – подсемядольное колено; к – корешок зародыша; кож – кожура семени.

Рис.2 Схема строения семени пшеницы

Приложение 1

(продолжение)

Рис.3 Схема строения семянки подсолнечника: А – поперечный срез семянки; Б – продольный срез семянки; В – тангентальный срез семянки; 1 – воздухоносные полости; 2 – прокамбий; 3 – геммула; 4 – плодовая оболочка; 5 – семенная оболочка.

Код для цитирования: Скопировать