Влияние света на живые организмы

План

Введение.

1 .Теоретическая часть. Влияние света на организм человека, живот­ных, растений. 1.1 .В объятиях солнца. Избирательность действия света.

1.2. Ультрафиолетовое излучение. Влияние на человека.

1.3. Видимый свет.

а) Лечение желтухи у новорожденных.

б) Фотопериодизм у животных.

в) Гормоны - водители фотопериодических ритмов.

г) Органы - рецепторы.

П. Самостоятельное исследование -1

Влияние света на развитие и рост растений.

2.1. Свет как сигнальный управляющий энергетический фактор.

а) Движение растущих органов.

б) Фототропизм.

Методика проведения исследования -1а.

в) Геотропизм.

Методика проведения исследования -16 и 1в.

г) Поведение растений в состоянии невесомости.

д) Ростовые вещества растений.

е) Хемотропизм.

ж) Гидротропизм.

з) Тигмотропизм.

к) Прочие тропизмы.

III. Самостоятельное исследование -2. Влияние различных концен­траций ауксина на рост побегов у растений. Методика проведения исследования -2. Выводы. Приложение. Список литературы.

Введение

Актуальность исследования. Одно из популярных направлений биоло­гических исследований в настоящее время - изучение влияния света на жизнь жи­вых организмов. Основы фотобиологических наук заложены крупнейшими учё­ными: Д.Дьюсбери, К.Лоренц, Ф.Кегель. Несмотря на наличие большого количе­ства научных работ по этой проблеме, многие вопросы до сих пор ещё недоста­точно исследованы.

Ежедневно живые организмы подвергаются воздействию солнечного света и света от искусственных источников. Под действием света в клетках организмов осуществляются многие очень важные фотобиологические процессы.

Наше солнце — это огромный светящийся газовый шар. Оно освещает и нагре­вает нашу планету. Без этого была бы невозможна жизнь на ней не только челове­ка, но и даже микроорганизмов. Солнце - главный двигатель происходящих на Земле процессов. Основной поток солнечного излучения в видимом — инфракрас­ном диапазоне необходим для существования биосферы, но солнечное, рентгенов­ское и ультрафиолетовое излучения губительны для живой материи. К счастью, от потока солнечных космических лучей и солнечного ветра Землю защищает маг­нитный щит. Хотя эту оболочку невозможно увидеть, люди издавна ощущали зем­ное магнитное поле. Хорошо знакомы нам и фотобиологические процессы. Мно­гие из нас обгорали под действием солнечного света, после чего развивается стой­кое покраснение кожи.

Зная, что фотобиологические явления есть в животном и растительном мире, мы поставили перед собой цель: изучить некоторые фотобиологические процес­сы, влияющие на физиологические процессы организма или вызывающие какие-либо особенные явления в организме человека, животного, растения, связанные с воздействием света.

Гипотеза: Если свет является важнейшим биоэкологическим фактором, то в ходе эволюции у многих живых организмов выработались приспособления для более полного использования света.

Для достижения поставленной цели мы решали следующие задачи:

1.Рассмотреть теоретический материал, в котором представлены различные взгляды ученых на происхождение и протекание физических процессов в живом организме.

2.Проанализировать и сопоставить различные физиологические механизмы, ле­жащие в основе физиологических процессов, связанных с воздействием света.

3.Найти черты сходства в механизмах светового воздействия на организм челове­ка, животных, растений.

4.Экспериментально доказать, что свет является экологическим фактором, влияющим на такой процесс, как рост и движение растений.

5. Создать общую для всех организмов модель, отражающую механизм протека­ния химических реакций, связанных с воздействием света.

1. Теоретическая часть. Влияние света на организм человека, животных, растений

1.1. В объятиях солнца

Избирательность действия света

Биологический эффект зависит от длины волны электромагнитного излу­чения, включая ультрафиолетовый и видимый свет.

Граница солнечного света у поверхности Земли над уровнем моря определяется длиной волны 285 нм. Особенно важная роль в фильтрации солнечного излучения принадлежит слою атмосферного озона.

К фотобиологическим относятся процессы, начинающиеся с поглощения кванта света биологически важной молекулой и заканчиваются какой-либо фи­зиологической реакцией (позитивной или негативной) на уровне организма. Ясно, что фотобиологический процесс инициирует только при условии погло­щения кванта света подходящей молекулой - акцептором.

Например, бактерицидные эффекты возникают в результате поглощения света молекулами ДНК в клетках бактерий и последующих химических реак­ций, запасающих энергию квантов света. Следовательно, бактерицидные эф­фекты можно вызвать только тем светом, который поглощают молекулы ДНК.

На этом основана избирательность действия света - важная черта фото­биологии, выгодно отличающая ее от радиобиологии.

Поглощение квантов рентгеновского или гамма-излучения осуществляется не молекулами, а атомами и не зависит от того, в состав каких молекул эти атомы входят, поэтому поглощение ионизирующего излучения происходит в основном теми элементами, которых в организме больше. А так как наш орга­низм на 80% состоит из воды, то радиохимические процессы приводят пре­имущественно к появлению свободных радикалов воды, которые в дальнейшем повреждают белки, нуклеиновые кислоты и другие биомолекулы. Отсюда по­нятно, что ионизирующее излучение не может действовать избирательно.

1.2. Ультрафиолетовое излучение. Влияние на человека

Ультрафиолетовые лучи практически полностью поглощаются эпидерми­сом, едва проникая в кожу человека.

Эритема

Эритема зависит от интервала времени между окончанием облучения и проявлением покраснения. Дело в том, что фотохимические реакции, ответст­венные за возникновение эритемы, протекают в глубине эпидермиса. На пути ультрафиолетового света к молекулам лежит поверхностный роговой слой, со­стоящий из уплотненных мертвых клеток. Роговой слой из-за высокого в нем содержания белков и нуклеиновых кислот исполняет роль светофильтра.

Под действием ультрафиолетового света в эпидермисе происходит фото­химическое разрушение витамина Е, который является природным антиокси-дантом, защищающим клетки от процессов пероксидного окисления насыщен­ных липидов.

Загар

Ультрафиолетовое излучение, кроме эритемы, вызывает гиперпигмента­цию кожи - загар. Загар является замедленным процессом и начинает разви­ваться в коже через 3 суток после облучения, достигая максимума на 13-21 день и затем угасать за несколько месяцев. Ультрафиолетовое излучение запускает сложную цепь реакций биосинтеза меланина в специализированных клетках -меланоцитах. Появление меланина в коже является важной защитной реакцией организма.

В настоящее время установлены три механизма защитного действия меланина:

а) меланин служит оптическим экраном, поглощающим ультрафиолетовый свет, таким образом, он физически защищает клетки кожи от пагубного дейст­вия ультрафиолета.

б) Два химических механизма под действием ультрафиолета в коже образуют свободные радикалы, запускающие цепные реакции пероксидного окисления липидов. С одной стороны, меланин является перехватчиком свободных ради­калов и за счет этого он обрывает цепные реакции окисления. С другой сторо­ны, меланин способен связывать ионы двухвалентного железа. И железо утра­чивает способность к окислению.

Практический смысл вышесказанного в следующем: попав весной на пляж, нельзя забывать, что кожа за зиму утратила меланиновую защиту, и не следует злоупотреблять пребыванием на солнце.

Ультрафиолетовый свет вызывает не только красивую пигментацию кожи, но и нежелательный эффект старения кожи. Последствием хронического облу­чения может стать рак кожи.

1.3. Видимый свет

а) Лечение желтухи у новорожденных

Синий свет используется в родильных домах для лечения желтухи у но­ворожденных. Это заболевание является следствием резкого повышения в ор­ганизме концентрации биллирубина, придающего коже желтоватый оттенок. Если новорожденных детей освещать синим светом, то фотоизомерация билли­рубина происходит в кровеносных сосудах.

б) Фотопериодизм у животных

Вся жизнедеятельность животных периодична. Внешними факторами, регулирующими ритмы, являются суточные и годовые колебания интенсивно­сти света, температуры, уровня шумов и другое. Однако периодичность осве­щения, соотношения длительности дня и ночи является важным синхронизато­ром суточных и годовых ритмов жизнедеятельности организмов.

в) Гормоны - водители фотопериодических ритмов

Биохимический механизм -изменение под действием света содержания в организме ряда гормонов. Важная роль эндокринной системы доказывается тремя группами фактов.

Во-первых, хирургическое удаление некоторых желез внутренней секреции снимает фотопериодические реакции.

Во-вторых, обнаружены зависимые от света процессы биосинтеза некоторых гормонов. В-третьих, экзогенное поведение животных вызывается светом.

г) Органы - рецепторы света при фотопериодической регуляции

Они существенно отличаются у разных животных. Так, у птиц - это средняя часть мозга. У рыб, амфибий, рептилий - эпифиз. Фоторецептор у рыб расположен в области гипоталамуса - гипофизарного тракта. У млекопитающих - глаза.

II. Самостоятельное исследование -1

Влияние света на развитие и рост растений

2.1. Свет как сигнальный управляющий энергетический фактор

а) Движение растущих органов растений

Особое значение в жизни растения имеет свет. Во-первых, он может вы­звать одни движения и препятствовать другим, кроме того, солнечный свет это источник биологической энергии. Для понимания процессов, обусловленных внешним светом, я решил несколько ближе познакомиться с основными теоре­тическими положениями, проверяя их несложными исследованиями.

У живых существ самое заметное проявление в жизни - это движение. Это относится и к растениям. В растительном мире свойствами свободного пере­движения обладают лишь низшие растения - одноклеточные водоросли. Но это не типично для остальных растений. Хочу отметить, что способность к быст­рым движениям не является признаком высокой организации - это следствие способа питания. Растению нет необходимости гоняться за пищей, так как уг­лекислый газ, минеральные соли, вода и свет есть повсюду в окружающей сре­де.

На первый взгляд кажется, что растение не способно к самостоятельному движению. Однако при внимательном наблюдении можно заметить, что оно обладает ясно выраженной подвижностью

У растения очень медленно движутся органы: листья, стебли, корни, цве­ты. Движутся они путем изгиба или скручивания. Движения органов растений многообразны. Я остановился на некоторых из них. Меня очень заинтересовало движение, связанное с ростом. Ростовые движения возникают под влиянием односторонних внешних факторов, их называют тропизмы

Термин этот пришел из греческого языка, в котором „тропо" означает по­ворот. В зависимости от характера раздражения (свет, сила тяжести, прикосно­вение, химикаты, вода, электрический ток, тепло, ранение) повороты, пред­ставляющие собой тропизмы, называют: фототропизмы, геотропизмы, хемо-тропизмы, гидротропизмы, термотропизмы, тигмотропизмы, травмотропизмы. Характер ответной реакции может быть разным. Те органы, которые поворачи­ваются к источнику раздражения, оказываются положительно тропичными, а в противном случае - отрицательно тропичными.

В основе тропизмов лежат, как правило, процессы роста. Поэтому к дви­жениям способны лишь растущие органы и их части.

б) Фототропизм

Среди факторов вызывающих проявление тропизмов, свет был, бесспор­но, первым, на действие которого человек обратил внимание. Греческий фило­соф Теофраст, которого считают основоположником научной ботаники, упоми­нал, что все листья обращены своими верхними сторонами к свету (286 г. до н. э.). Римский ученый Варрон (27 г. до н. э.) отмечал, что цветки некоторых рас­тений с утра обращены в сторону восходящего солнца. Фототропные реакции растений можно наблюдать в природе и у комнатных растений. Комнатные рас­тения особенно часто реагируют на одностороннее освещение ростовыми дви­жениями - характерным положением стебля и листьев.

Методика проведения исследования-1

Для исследования я взял растение Колеус.

Все листовые пластинки были обращены к окну, к свету. Я развернул это растение на 90°. На следующий день уже было заметно движение листьев, через 15 дней появился изгиб стеблей в сторону света к окну. (См. приложение рис. 1,2,3).

Особенно ясно, что вызываемые светом движения можно наблюдать у мо­лодых проростков пшеницы, если их прикрыть картонной коробкой с неболь­шим отверстием в одной из стенок.

Через 4 дня все проростки резко согнулись по направлению к падающему на них через это отверстие свету. Я повернул чашку с проростками так, чтобы они оказались обращенными от света, и увидел через 3 дня, что проростки со­гнулись в обратную сторону, но опять-таки направленному к свету. (См. при­ложение рис.4,5,6).

Знакомство ботаников с явлением фототропизма привело к новым откры­тиям. Были открыты новые вещества, названные фотогормонами, или росто­выми веществами.

Опыты Дарвина с канареечной травой подтвердили мысль о том, что в ос­нове фототропизма лежит распространение вдоль проростка некоторого веще­ства, содержащегося в его верхушке. Верхушка проростка поставляет некое химическое вещество, и его перемещение определяет изгиб при одностороннем освещении. Академик Н.Г. Холодный и голландский ученый Ф. Вент в 1928 го­ду дали объяснение изгибам проростков. Они создали гормональную теорию

тропизма, суть ее в следующем: под влиянием одностороннего освещения гормон смещается на затемненную сторону проростка. Повышение его концен­трации вызывает усиление роста, и проросток изгибается по направлению к свету. Доктор Ф. Вент обнаружил этот гормон в верхушках колеоптилий овса. Это основной гормон роста - ауксин.

Результаты исследования

По углу искривления судят о концентрации гормона. Чем больше угол, тем больше гормона ауксина в этих клетках. (См. приложение рис.7)

в) Геотропизм

После того, как мы рассмотрели многообразие влияний света на растения, обратимся теперь к тому источнику раздражения, который мы не можем ни увидеть, ни услышать, ни понюхать, ни попробовать на вкус, ни потрогать, но все-таки чувствуем его. Сила его воздействия на земле повсюду одинакова. На­ряду со светом он представляет основной фактор, определяющий положение растений в пространстве. Речь идет о способности всех растений воспринимать земное притяжение и реагировать на него. Это называют геотропизмом.

Геотропизм - это такое движение, при котором корни и стебли располага­ются по прямой, направленной к центру земли при условии равномерного пи­тания и освещения.

Растение всегда строго определенным образом расположено в пространст­ве. Корни его идут вниз, в землю, а стебли поднимаются вверх и раскидывают свои листья, подставляя их солнечным лучам. Кому не приходилось наблюдать, как поднимаются вверх стволы вековых сосен и елей, как прямо вверх выносят свои колосья хлебные злаки, как ровно стоят стебли подсолнечника или куку­рузы.

Семена растений падают на землю в различных положениях, строго вер­тикальное положение стеблей достигается не тем, как ляжет семя при своем падении на землю, а направленными движениями вверх молодых растущих проростков. Эти движения обнаружить очень легко.

Методика проведения исследования-16

Я взял крупные семена гороха, намочил в воде и дал им наклюнуться, т.е. дождался того, чтобы корешок показался из кожуры и самые сильные поместил в стеклянную трубку. Чтобы прорастающие семена были во влажной среде, по­местил трубку с семенами в чашку Петри, на дне которой была вода. И стал на­блюдать за поведением молодого корешка и стебелька.

Через 5 дней вытянувшийся корешок и стебелек приняли горизонтальное положение.

Через 7 дней я увидел, что корешок проростка изогнулся вниз, а стебелек принял положение вверх.

Я повернул трубку и проросшее семя на 180°, чтобы корешок был направ­лен вверх, а стебелек вниз.

Через 7 дней было видно, что корешок и проросток опять изменили свое положение. Корешок проростка направлен вниз, а стебелек изогнулся вверх.

При этом растение приняло причудливую форму. Повернем еще раз - опять получим новые изгибы.

(См. приложение рис.8,9,10,11,12,13).

Методика проведения исследования-lв

Я проделал такое же исследование с более взрослыми растениями: Бегония и Катарантус.

Комнатные растения в горшке положили на бок. Через несколько дней по­бег согнулся, и его верхняя часть снова приняла вертикальное положение. (См. приложение рис. 14,15,16,17,18).

Результаты исследования

Проведенные исследования показывают, что изгибы корня и стебля -следствие одностороннего действия силы тяжести.

г) Поведение растений в состоянии невесомости В 1974 - 1975 годах на борту орбитальной станции „Салют-4" проводились эксперименты по изуче­нию влияния факторов полета на прорастания семян и рост растений. Опыты с горохом показали, что начальная фаза роста проростков в космосе не отличает­ся от земных. В дальнейшем рост проростков в условиях невесомости замед­лялся, и они погибали на разных стадиях развития. Следовательно, сила тяже­сти - необходимый экологический фактор для роста и размножения растений.

Это способность всех растений воспринимать земное притяжение и реагировать на него.

Растения, в отличие от животных, не имеют нервной системы. Передача принятых раздражений у растений идет, не в виде пробегающего по нервам биотока, как происходит у животных, а в виде растекающегося из точки роста потока, особого вещества - ауксина.

д) Ростовые вещества растений

Изгибы стеблей совершаются следующим образом: пока стебель растет прямо, выделяемый ауксин из растущей верхушки спускается вниз по стеблю, равномерно распределяясь по всем его сторонам, которые растут с одинаковой скоростью. Но если стебель положить горизонтально, ауксин начнёт концен­трироваться преимущественно на нижней стороне, которая станет расти быст­рее и стебель изогнется к верху. Изгиб будет продолжаться до тех пор, пока верхушка не примет снова вертикальное положение, и ауксин окажется вновь равномерно расположенным по всем сторонам стебля.

Немецкий химик Ф. Кегель в 1932 году определил химическую природу растительного гормона - ауксина. Природный ауксин представляет собой индо-лил - 3 - уксусную кислоту сокращено ИУК. Индолилуксусная кислота образу­ется у всех высших растений. Ауксин образуется в быстрорастущих меристемах побегов, семяпочках, листьях. Количество ауксина в растениях ничтожно мало. Много ауксина находиться в созревших семенах злаков, особенно в кукурузе — до 100 миллиграммов на 1 кг семян.

Несколько труднее оказалось решить другой вопрос: почему корень изгибается вниз, а не вверх. Ауксин в корне скапливается преимущественно на нижней стороне.

Но здесь сказывается замечательное свойство ауксина: он усиливает рост лишь до тех пор, пока его мало.

Различные органы растений не одинаково чувствительны к ауксину. Те его количества, которые усиливают рост стеблей, могут тормозить рост корней. Различная чувствительность корня и стебля к ауксину - вот в чем лежала раз­гадка их неодинакового поведения при горизонтальном положении проростка гороха. Эту разгадку принесли нам исследования ученого академика Н.Г. Холодного.

Способность растений изгибаться под влиянием одностороннего освеще­ния также вызывается неравномерным ростом. Быстрее растет сторона проро­стка, удаленная от света, а задерживается в росте сторона, обращенная к свету. Такие различия в скорости роста также связаны с неравномерным распределе­нием спускающегося по проростку ауксина. Под влиянием света поток ауксина отклоняется на слабо освещенную сторону и, усиливая рост, вызывает наклон всего проростка по направлению к свету.

е) Хемотропизм

Не только свет и сила тяжести, но и химические вещества тоже могут вызвать направленные ростовые движения. Раздражение вызывают растворен­ные и газообразные вещества. Если ответная реакция обнаруживается при по­вышении концентрации - говорят о положительном хемотропизме, а в противо­положных случаях - об отрицательном. Корни проявляют положительный хе­мотропизм к фосфатам, двуокиси углерода и кислороду. Это помогает им нахо­дить богатые питательными веществами и хорошо проветриваемые почвы. Все хемотропные ответные реакции представляют собой ростовые движения.

ж) Гидротропизм

Если ростовые изгибы происходят под влиянием воды или уменьшения влажности воздуха, то говорят о гидротропизме. Движения в направлении бо­лее высокой влажности называют положительным гидротропизмом, а в проти­воположном - отрицательным.

Гидротропные ответные реакции экологически рациональны, так как вода оказывает влияние на жизнь растений всей нашей планеты.

з) Тигмотропизм

Тигмотропизм - это ответные направленные реакции растений, вызы­ваемые раздражением от прикосновения. Восприятие раздражений, вероятно, связано с некоторой деформацией цитоплазмы.

к) Прочие тропизмы

Изменения положений органов растений могут быть вызваны электриче­скими, термическими и раневыми раздражениями. Эти тропизмы играют в при­роде подчинённую роль. Если растение изгибается в сторону источника тепла, то происходит положительная термотропная ответная реакция. Один из фено­менов, давно уже привлекавший к себе внимание исследователей, - это воз-

можность вызвать у растений направленные движения с помощью электрического тока. Однако сила используемого тока должна быть очень не­большой. У корней особенно восприимчивы к действию тока их кончики, а из­гибаются корни при этом в направлении, поперечном движению тока, отклоня­ясь в сторону положительного электрода. Положительно электротропны также колеоптили овса.

Травматропные движения вызываются нанесением растению ран или других повреждающих раздражений. Корни, в общем, отрицательно, а колеоптилии положительно травматропны. Механической причиной (например, надрезани­ем или уколом) или какой-либо другой (химической или тепловой ожог и т.п.) вызвано раздражение - значения не имеет. В основе изгибов, появляющихся вследствие нанесения ранений, лежат изменения в направлении роста.

III. Самостоятельное исследование - 2

Влияние различных концентраций ауксина на рост побегов

Методика проведения исследования-2

1. Шесть пробирок и 6 чашек подписать буквами от А до Е.

2. В каждую пробирку внести 18 мл 2% раствора сахарозы.

3. Добавить в пробирку А 2 мл ИУК, перемешать.

4. Добавить в пробирку Б 2мл ИУК, перемешать.

5. Используя каждый раз другую пипетку, перенести 2 мл из пробирки Б в про­бирку В, перемешать; затем - 2 мл из пробирки В, в пробирку Г, затем 2 мл из Г в Д.

6. В пробирку Е добавить 2 мл воды.

7. Перенести растворы из пробирок А-Е в чашку А-Е с проростками. Измерить длину побега.

8. Чашки оставить в темноте на 4 дня при комнатной температуре.

9. Измерить длину побегов через 4 дня.

10. Построить график зависимости средней длины побегов от концентрации ИУК. (см. приложение рис.19;20.)

Результаты исследования-2

Рост проростков зависит от концентрации ауксина.

Ауксин стимулирует рост побегов и подавляет рост корней.

Выводы

Проведя анализ различных процессов, связанных с воздействием света на живые организмы, можно сделать следующие выводы:

1.Весь оптический диапазон электромагнитного излучения Солнца и искусственных источников активно воздействует на организмы: человека, животных, растений.

2.Наиболее острые эффекты вызываются ультрафиолетовым светом. Видимое излучение не вызывает патологических реакций и является эффективным регу­лятором биологических ритмов, а в некоторых случаях и терапевтическим эффектом.

3.Несмотря на огромные разнообразия и очевидные различия описанных про­цессов можно выявить некоторые общие стадии и закономерности.

Общая модель (схема)

Протекание физиологических процессов, связанных с воздействием света.

раздражитель -► рецептор -► передача сигнала -► эффектор ->.реакция (свет) (свето- (ауксин)

чувствитель­ные

молекулы)

Каждый фотобиотический процесс начинается с поглощения квантов света. Второй этап - образование фотопродуктов. Третий этап - фотопродукты всту­пают в темновые биохимические реакции. Они могут приводить к локальным (на уровне отдельных органов и тканей) или системным (на уровне всего орга­низма) физиологическим эффектам.

Список используемой литературы

1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. - Биология. 2 том Москва. «Мир» 1996г.;

2. Миллер Т. - Жизнь в окружающей среде. 2том «Пангея» 1994г.;

3. Владимиров Ю.А. - Физико-химические основы фотобиологических про­цессов. Москва. Высшая школа. 1989г.;

4. Небель Б. - Наука об окружающей среде. 1том «Мир» 1993г.;

5. Рейнхольд Вайнар Движения у растений. Москва. «Знание» 1987г.;

6. Максимов Н.А. - Как живёт растение. Москва. «Колос» 1966г.;

7. Виленский Е.Р. - Растение раскрывает свои тайны. Москва. «Колос» 1984г.;

8. Справочник по биологии. - Москва. «Олимп» 2000г.;

9. Дмитриев Е. "Течёт река солнечная" "Наука и жизнь" №7 - 2001г. 10. Иванов Е. "Энергия солнечного света" Аванта +. Астрономия. 2000г.