Н.В. БАТУРИЦКАЯ, Т.Д. ФЕНЧУК

Продолжение. См. No 42, 44-47/1999; 2/2000

Удивительные опыты с растениями

Под действием различных раздражителей проницаемость мембран меняется. Это приводит к изменению величины биопотенциалов и возникновению токов действия. Возбуждение, вызванное раздражителем, может передаваться по растению от корней к листьям, регулируя, например, работу устьиц, скорость фотосинтеза. При изменении освещения, температуры воздуха токи действия могут передаваться и в противоположном направлении – от листьев к корням, что приводит к изменению активности работы корня.
Интересно, что вверх по растению биотоки распространяются в 2,5 раза быстрее, чем вниз.
С наибольшей скоростью возбуждение у растений идет по проводящим пучкам, а в них – по клеткам-спутницам ситовидных трубок. Скорость распространения потенциала действия (электрических импульсов) по растению у различных видов не одинакова. Быстрее всех реагируют насекомоядные растения и мимоза – 2–12 см/с. У других видов растений эта скорость значительно ниже – около 25 см/мин.

41. Опыт с зеленой горошиной

Этот опыт впервые был поставлен крупнейшим исследователем проблемы раздражимости растений индийским ученым Д.Ч. Босом. Он показывает, что резкое повышение температуры вызывает в семенах появление токов действия. Для опыта нужны несколько зеленых (несозревших) семян гороха посевного (бобов, фасоли), гальванометр, препаровальная игла, спиртовка.
Соедините внешнюю и внутреннюю части зеленой горошины с гальванометром. Очень осторожно в бюксе нагрейте горошину (не повреждая) приблизительно до 60 °С.
При повышении температуры клеток гальванометр регистрирует разность потенциалов до 0,1–2 В. Вот что отметил по поводу этих результатов сам Д.Ч. Бос: если собрать 500 пар половинок горошин в определенном порядке в серии, то суммарное электрическое напряжение составит 500 В.
Самыми чувствительными у растений являются клетки точек роста, находящиеся на верхушках побегов и корней. Многочисленные, обильно ветвящиеся побеги и быстро нарастающие в длину кончики корней как бы ощупывают пространство и передают информацию о нем в глубь растения. Доказано, что растения воспринимают прикосновение к листу, реагируя на него изменением биопотенциалов, перемещением электрических импульсов, изменением скорости и направления передвижения гормонов. Например, кончик корня реагирует более чем на 50 механических, физических, биологических факторов и всякий раз при этом выбирает наиболее оптимальную программу для роста.
Убедиться в том, что растение реагирует на прикосновения, особенно частые, надоедливые, можно на следующем опыте.

42. Стоит ли трогать растения без надобности

Познакомьтесь с тигмонастиями – двигательными реакциями растений, вызванными прикосновениями.
Для опыта в 2 горшка высадите по одному растению, желательно без опушения на листьях (бобы, фасоль). После появления 1–2 листьев начинайте воздействие: листья одного растения слегка трите между большим и указательным пальцем 30–40 раз ежедневно в течение 2 недель.
К концу второй недели различия будет видны отчетливо: растение, подвергавшееся механическому раздражению, отстает в росте (рис. 20).

Рис. 20. Влияние на рост растений механического воздействия

Результаты опыта свидетельствуют, что длительное воздействие на клетки слабыми раздражителями может привести к торможению процессов жизнедеятельности растений.
Постоянным воздействиям подвергаются растения, высаженные вдоль дорог. Особенно чувствительны ели. Их ветви, обращенные к дороге, по которой часто ходят люди, ездят машины, всегда короче ветвей, расположенных на противоположной стороне.
Раздражимость растений, т.е. их способность реагировать на разные воздействия, лежит в основе активных движений, которые у растений не менее разнообразны, чем у животных.
Перед тем как приступить к описанию опытов, раскрывающих механизм движения растений, целесообразно ознакомиться с классификацией этих движений. Если растения на осуществление движений затрачивают энергию дыхания, это физиологически активные движения. По механизму изгиба они подразделяются на ростовые и тургорные.
Ростовые движения обусловлены изменением направления роста органа. Это сравнительно медленные движения, например изгибы стеблей к свету, корней к воде.
Тургорные движения осуществляются путем обратимого поглощения воды, сжатия и растяжения специальных двигательных (моторных) клеток, расположенных у основания органа. Это быстрые движения растений. Они свойственны, например, насекомоядным растениям, листьям мимозы.
Более подробно типы ростовых и тургорных движений будут рассмотрены ниже по мере выполнения опытов.
Для осуществления пассивных (механических) движений прямых затрат энергии клетки не требуется. В механических движениях в большинстве случаев цитоплазма не участвует. Наиболее распространены гигроскопические движения, которые вызываются обезвоживанием и зависят от влажности воздуха.

Гигроскопические движения

В основе гигроскопических движений лежит способность оболочек растительных клеток к поглощению воды и набуханию. При набухании вода поступает в пространство между молекулами клетчатки (целлюлозы) в оболочке и белка в цитоплазме клетки, что приводит к значительному увеличению объема клетки.

43. Движения чешуй шишек хвойных, сухого мха, сухоцветов

Изучите влияние температуры воды на скорость движения семенных чешуй шишек.
Для опыта нужны по 2–4 сухие шишки сосны и ели, высушенные соцветия акроклиниума розового или гелихризума большого (бессмертники), сухой мох кукушкин лен, часы.
Рассмотрите сухую шишку сосны. Семенные чешуи подняты, хорошо видны места, к которым были прикреплены семена (рис. 21).

Рис. 21. Шишки сосны

Опустите половину шишек сосны в холодную воду, а вторую – в теплую (40–50 °С). Наблюдайте за движением чешуй. Отметьте время, которое потребовалось для полного их смыкания.
Достаньте шишки из воды, стряхните и проследите за движением чешуй в процессе высыхания.
Отметьте время, за которое чешуи вернутся в исходное состояние, занесите данные в таблицу.

Повторите опыт с теми же шишками несколько раз. Это позволит не только получить более точные данные, но и убедиться в обратимости изучаемого вида движений.
Результаты опыта позволят сделать важные выводы.

1. Движение семенных чешуй шишек обусловлено потерей и поглощением ими воды. Об этом же свидетельствует прямая зависимость движения чешуй от температуры воды: при ее повышении скорость движения молекул воды возрастает, набухание чешуй происходит быстрее.

2. Чтобы набухание чешуй могло изменить их положение в пространстве, строение и химический состав клеток на внешней и внутренней стороне чешуи должны быть различными. Это действительно так. Оболочки клеток верхней стороны чешуй шишек хвойных более эластичны, растяжимы по сравнению с клетками нижней стороны. Поэтому при погружении в воду они поглощают ее больше, быстрее увеличивают свой объем, что приводит к удлинению верхней стороны и движению чешуи вниз. В процессе обезвоживания клетки верхней стороны теряют воду тоже быстрее клеток нижней стороны, что приводит к загибанию чешуи вверх.

Интересно наблюдать вызываемые набуханием движения листьев кукушкина льна либо других листостебельных мхов. У живых растений листья направлены в сторону от стебля, а у сухих – прижаты к нему. Если опустить сухой стебелек в воду, через 1–2 мин листья переходят из вертикального положения в горизонтальное.
Очень красивы движения высушенного соцветия бессмертника. Если сухое соцветие опустить в воду, через 1–2 мин листочки обертки приходят в движение и соцветие закрывается.

Задание. Сравните скорость движения чешуй шишек различных видов хвойных. Зависит ли она от размера шишек? Сравните скорость движения чешуй шишек сосны и ели, листьев мхов и листочков обертки соцветия бессмертника, выявите черты сходства и различия.

44. Гигроскопические движения семян. Гигрометр из семян аистника

Гигроскопические движения играют важную роль в распространении семян различных растений.
Изучите механизм самозакапывания семян аистника, перемещения по почве семян василька полевого.
Для опыта нужны семена аистника (грабельника), василька синего, лист плотной бумаги, часы, предметное стекло.
Аистник – распространенное в Белоруссии растение. Свое название получило благодаря сходству плода с головой аиста (рис. 22).

Рис. 22. Аистник

Рассмотрите внимательно строение сухого плода аистника. Доли зрелого коробочковидного плода снабжены длинной остью, в нижней части спирально закрученной. Плод покрыт жесткими волосками.
На предметное стекло нанесите каплю воды и опустите в нее сухой плод. Закрученная спиралью нижняя часть начинает раскручиваться, и плод, не имеющий опоры на стекле, совершает вращательные движения.
После полного выпрямления ости перенесите плод на сухую часть стекла. По мере высыхания нижняя часть снова закручивается в спираль и вызывает вращение плода.
Проведите хронометраж опыта, сравнивая скорости процессов раскручивания и закручивания спирали.
Механизм движения плода аистника тот же, что и чешуй шишек хвойных, – различие в гигроскопичности клеток ости.
Наблюдения за движением плода в капле воды позволяют понять поведение его в почве. Когда плод падает на землю, верхний конец ости, загнутый под прямым углом, цепляется за окружающие его стебельки и остается неподвижным. При закручивании и раскручивании спирального участка нижняя часть плода с семенем ввинчивается в землю. Путь назад преграждают жесткие, отогнутые вниз волоски, покрывающие плод.
Чтобы изготовить примитивный гигрометр, в кусочке картона или дощечке, покрытой белой бумагой, проделайте отверстие и закрепите в нем нижний конец плода. Для калибровки прибора сначала высушите, затем смочите ость водой и отметьте крайнее положение (рис. 23). Размещать прибор лучше на улице, где колебания влажности выражены более резко, чем в помещении.

Рис. 23. Гигрометр из аистника

Аистник – не единственное растение, способное к самозакапыванию семян. Сходное строение и механизм распространения имеют ковыли, овсюг, лисохвост.
Плоды василька (семянки с хохолком из твердых щетинок) не способны к самозакапыванию. При колебаниях влажности почвы щетинки попеременно опускаются и поднимаются, толкая плод вперед.

Задание. Соберите семена василька, лисохвоста, овсюга. Изучите поведение их во влажной и сухой среде, сравните с аистником.

Тропизмы

Умнейшее создание природы,
Всегда растущее из рода в роды –
В земле корнями, в небе – головой...

В.Рождественский

В зависимости от строения органа и действия факторов внешней среды различают два вида ростовых движений: тропизмы и настии.
Тропизмы (от греч. «тропос» – поворот), тропические движения – это движения органов с радиальной симметрией (корень, стебель) под влиянием факторов внешней среды, которые действуют на растение односторонне. Такими факторами могут быть свет (фототропизм), химические факторы (хемотропизм), действие силы земного тяготения (геотропизм), магнитное поле Земли (магнитотропизм) и др.
Эти движения позволяют растениям располагать листья, корни, цветки в положении, наиболее благоприятном для жизнедеятельности.

45. Гидротропизм корня

Одно из наиболее интересных видов движения – движение корня к воде (гидротропизм). Наземные растения испытывают постоянную потребность в воде, поэтому корень всегда растет в ту сторону, где содержание воды выше. Гидротропизм присущ прежде всего корням высших растений. Наблюдается также у ризоидов мхов и заростков папоротников. Для опыта нужно 10–20 наклюнувшихся семян гороха (люпина, ячменя, ржи), 2 чашки Петри, немного пластилина.
Плотно прикрепленным ко дну пластилиновым барьером разделите площадь чашки на 2 равные части. На барьер положите наклюнувшиеся семена, слегка вдавливая их в пластилин, чтобы при росте корня семена не сдвинулись с места. Корешки должны быть направлены строго вдоль барьера (рис. 24).

Рис. 24. Схема расположения семян при изучении гидротропизма корня

Эти этапы работы в контрольной и опытной чашках одинаковы. Теперь предстоит создать различные условия увлажнения. В контрольной чашке влажность в левой и правой частях должна быть одинакова. В опытной чашке вода наливается только в одну половину, а вторая остается сухой.
Обе чашки накройте крышками и поместите в теплое место. Ежедневно наблюдайте за положением корешков. Когда ориентация их станет хорошо заметной, подсчитайте количество семян, корни которых проявили положительный гидротропизм (рост органа в сторону воды).
Наблюдения за движением корешка к воде ясно показывают, что тропизмы – это ростовые движения. Корешок растет в сторону воды, при этом происходит, если это необходимо растению, изгиб корня.
Гидротропизм – частный случай хемотропизма (ростовой реакции растений на неравномерное распределение в окружающей среде какого-либо вещества). Способность корней растений, грибных гифов, пыльцевых трубок, проростков паразитических растений (повилики, например) распознавать химическое вещество на некотором расстоянии от него удивительна. Установлено, что воспринимает воздействие химических веществ зона роста органа, а изгиб образуется на некотором расстоянии от нее, т.е. происходит передача раздражения по корню (рис. 25).

Рис. 25. Хемотропический изгиб корней

Задание. По описанной выше схеме опыта проверьте способность растений распознавать не только воду, но и нужные растению растворы минеральных солей, например 0,3%-ный раствор нитрата калия или нитрата аммония.

46. Влияние силы земного тяготения на рост стебля и корня

Большинство растений растет вертикально. При этом главную роль играет не расположение их относительно поверхности почвы, а направление радиуса Земли. Именно поэтому на горных склонах растения растут под любым углом к почве, но вверх. Главный стебель обладает отрицательным геотропизмом – он растет в сторону, противоположную действию силы земного тяготения. Главный корень, напротив, обладает положительным геотропизмом.
Наиболее интересно поведение боковых побегов и корней: в отличие от главного корня и стебля они способны расти горизонтально, обладая промежуточным геотропизмом. Побеги и корни второго порядка вообще не воспринимают действие силы земного тяготения и способны расти в любом направлении. Неодинаковое восприятие побегами и корнями различных порядков действия силы земного тяготения позволяет им равномерно распределяться в пространстве.
Чтобы убедиться в противоположной реакции главного стебля и главного корня на одно и то же воздействие силы земного тяготения, можно поставить следующий опыт.
Для опыта нужны наклюнувшиеся семена подсолнечника посевного, пластинки из стекла и пенопласта 10х10 см, фильтровальная бумага, пластилин, стакан.
На пластинку из пенопласта положите несколько слоев увлажненной фильтровальной бумаги. Наклюнувшиеся семена разместите на ней так, чтобы их острые концы были направлены вниз. По углам пластинки прикрепите кусочки пластилина. Положите на них, слегка прижимая, стеклянную пластинку, чтобы зафиксировать семена в нужном положении. Оберните несколькими слоями увлажненной фильтровальной бумаги и в вертикальном положении (острые концы семян должны быть направлены вниз) поместите в теплое место.
Когда корешки достигнут 1–1,5 см, пластинку переверните на 90°, чтобы корешки были расположены горизонтально.
Ежедневно контролируйте состояние проростков. Фильтровальная бумага должна быть влажной.
Проведите хронометраж опыта и отметьте время (в сутках от начала опыта) проявления геотропического изгиба.
Результаты опыта свидетельствуют, что при любом положении проростка в пространстве главный корень всегда изгибается вниз, а стебель – вверх. Причем ответная реакция осевых органов на изменение положения в пространстве может проявиться довольно быстро (1–2 ч).
Геотропическая чувствительность растений высока, некоторые способны воспринимать отклонение от вертикального положения на 1°. Проявление ее зависит от сочетания внешних и внутренних условий. Под влиянием низкой температуры воздуха отрицательный геотропизм стеблей может переходить в поперечный, что приводит к их горизонтальному росту.
Каким же образом стебель или корень «ощущают» свое положение в пространстве? У корня зона, воспринимающая геотропическое раздражение, находится в корневом чехлике. Если его удалить, геотропическая реакция затухает. В стебле силы земного тяготения также воспринимаются верхушкой.
Непосредственный изгиб корня или стебля осуществляется ниже, в зоне, где клетки проходят растяжение. При этом под действием одного и того же фактора – силы земного тяготения – в горизонтально лежащем стебле усиливается рост клеток нижней стороны, что приводит к изгибу его вверх, в корне же – рост клеток верхней стороны и изгиб вниз.

Задание. Изучите характер геотропической реакции стеблей разного порядка двудольного растения. Для этого вырастите проростки, закройте поверхность почвы, чтобы она не высыпалась, и переверните горшки. Наблюдения ведите до тех пор, пока не появятся боковые стебли первого и второго порядка.

47. Влияние этилена на геотропическую реакцию проростков гороха

Рост растений регулируется не только биоэлектрическими сигналами, но и гормональной системой. Главную роль в регуляции скорости роста играет количественное содержание гормона ауксина и его взаимодействие с другими гормонами, в частности абсцизовой кислотой и этиленом.
В отличие от стимулирующего рост ауксина абсцизовая кислота тормозит деление клеток нижней стороны органа. Это вызывает замедление ее роста, и корень начинает изгибаться по направлению к центру Земли.
Для опыта нужны зрелые яблоки (источник этилена), 2 стеклянных колпака, 2 горшка с проростками гороха.
Стеклянные колпаки установите на подставку. Под ними разместите горшки с 2–3-дневными проростками гороха. В опытном варианте под колпак положите яблоки. Растения поставьте в темноту.
По мере накопления этилена в воздухе он начинает проникать в проростки гороха. Через несколько дней становятся заметны нарушения нормальной отрицательной геотропической реакции побегов, которые начинают расти горизонтально, а при высокой концентрации этилена в воздухе даже полегают.
Результаты опыта свидетельствуют о регуляторных функциях этилена в жизни растений. Увеличение его содержания в клетках приводит к изменению скорости их роста.

Задание. Изучите влияние этилена на рост проростков томатов.

Естественно, геотропическая ориентация органов растений в непрерывно меняющихся условиях среды не может всегда оставаться постоянной. По мере формирования и распускания бутонов изменяется ориентация цветоножки, например у мака. Молодые ветки ели растут под более острым углом, чем старые.
Можно изучить смену отрицательного геотропизма цветоножек арахиса (земляного ореха) на положительный, вырастив его в комнатных условиях. После отцветания цветоножка арахиса, на которой сидит завязь, удлиняется, загибается к земле и углубляется в нее. Таким образом, цветки находятся над землей, а плоды созревают в земле. Хотя это ограничивает способность вида к распространению, созревшие семена находятся в идеальных условиях для прорастания.