[ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΔΙΑΠΝΟΗΣ ΦΥΤΩΝ] Τεύχος 1 ΠΡΟΤΥΠΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ

Transcript

1 Μαθητές του Ομίλου Τεύχος 1 με αλφαβητική σειρά: Αγγελική Γιαννακοπούλου ΠΡΟΤΥΠΟ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΛΥΚΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΥ ΠΑΤΡΩΝ ΟΜΙΛΟΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ Υπεύθυνη καθηγήτρια: Κατερίνα Καλόσακα Ανδρέας Λικμέτα Ανδριάνα Κατσιγιάννη Ασπασία Κουκουβέλα Δήμητρα Δημακοπούλου Δημήτρης Σπανός Ευαγγελία Παπαϊωάννου Ιωάννα Δημητροπούλου Μάιρα Σπυροπούλου Μαρία Μπαντούνου Ναταλία Ροδοπούλου [ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΔΙΑΠΝΟΗΣ ΦΥΤΩΝ] Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο Φυσικών Επιστημών του Πρότυπου Πειραματικού Λυκείου του Πανεπιστημίου Πατρών σε διάστημα 6 διδακτικών ωρών από τους μαθητές που συμμετείχαν στον Όμιλο Βιολογικών και Φυσικών Επιστημών. Οι μαθητές χωρίστηκαν σε ομάδες των τριών και η κάθε ομάδα ανέλαβε να διερευνήσει ένα από τα 4 ερωτήματα που θέσαμε στην πορεία αυτής της εργασίας.

2 2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το μεγαλύτερο μέρος του νερού που επιστρέφει στην ατμόσφαιρα από τα χερσαία οικοσυστήματα προέρχεται από τη διαδικασία της διαπνοής των φυτών. Η διαπνοή είναι μια θεμελιώδης διαδικασία για την είσοδο θρεπτικών συστατικών από το έδαφος μέσω του ριζικού συστήματος των φυτών, τα οποία είναι διαλυμένα στο νερό. Το νερό αυτό μαζί με τα θρεπτικά συστατικά φτάνει έως τα φύλλα ακολουθώντας μια πορεία αντίθετη στη βαρύτητα. Η «κινητήρια δύναμη» σε αυτή την πορεία του νερού είναι η διαπνοή. ΕΙΚΟΝΑ 1 Η διαπνοή είναι η διαδικασία αποβολής νερού μέσα από τα στόματα των φύλλων το οποίο επιστρέφει στην ατμόσφαιρα. Όπως φαίνεται στις πιο πάνω εικόνες το νερό (μπλε κουκίδες) μόλις φτάσει στο φύλλο μέσω των αγγείων του φυτού διαχέεται στα κύτταρα του μεσοφύλλου και από εκεί στην ατμόσφαιρα σε μορφή υδρατμών από τους πόρους της επιδερμίδας του φύλλου, δηλαδή τα στόματα. O ρυθμός της διαπνοής εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως είναι η θερμοκρασία, ο άνεμος, το φώς και η υγρασία.

3 3 Μία μέθοδος μελέτης της διαπνοής βασίζεται στη λειτουργία του ποτόμετρου (1), ενός οργάνου μέσω του οποίου μετράμε την μετακίνηση του νερού από το βλαστό στα φύλλα και από τα φύλλα στην ατμόσφαιρα. Τα ερωτήματα που αναλύονται στην εργασία αυτή αφορούν α) στην επίδραση της υγρασίας στο ρυθμό διαπνοής β) στην επίδραση του φωτός και γ) την αναγκαιότητα της ύπαρξης των στομάτων των φύλλων για την πραγματοποίηση της διαπνοής. Στο τεύχος 2, παρουσιάζουμε τη δομή των στομάτων. ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ Στην εικόνα 2α παρουσιάζεται το ποτόμετρο το οποίο τροποποιήσαμε όπως φαίνεται στην εικόνα 2β για τις μετρήσεις μας, χρησιμοποιώντας υλικά που χρησιμοποιούνται στην Ιατρική για την παροχέτευση ορού. EIKONA 2α ΕΙΚΟΝΑ 2β Η αρχή της μεθόδου βασίζεται σε ένα στεγανό σύστημα δεξαμενής νερού και βλαστού με φύλλα, όπου κατά τη διαπνοή του φυτού, το νερό που αποβάλλεται στην ατμόσφαιρα αναπληρώνεται από τη δεξαμενή νερού. Στο ένα άκρο του σωλήνα εικόνα 2β, (κάθετος άξονας) προσαρμόζεται ο βλαστός με φύλλα και το άλλο άκρο (οριζόντιος άξονας) στηρίζεται σε οριζόντια θέση όπου έχει σημειωθεί συγκεκριμένο μήκος το οποίο βαθμολογούμε ώστε να μετράμε την

4 4 μετακίνηση του νερού. Πρώτα γεμίζουμε όλο το σύστημα των σωλήνων με νερό με τη βοήθεια σύριγγας και το διατηρούμε με το σφιγκτήρα κλειστό στο ένα άκρο (το οριζόντιο) ενώ στο άλλο άκρο το κάθετο το κλείνουμε προσωρινά με το δάκτυλό μας. Μετά στο κάθετο τμήμα προσαρμόζουμε το βλαστό με τα φύλλα και αμέσως μετά ανοίγουμε και το σφιγκτήρα στο κάθετο τμήμα ώστε να μην δημιουργηθεί υποπίεση. Είναι σημαντικό να μην υπάρχει διαρροή και το όλο σύστημα να είναι στεγανό ώστε να υπάρχει εξισορρόπηση με την ατμοσφαιρική πίεση. Τα δείγματα που μελετήθηκαν ήταν βλαστοί με περίπου 15 φύλλα που χρησιμοποιήθηκαν αμέσως μόλις κόπηκαν από τα φυτά Ligustrum japonicum (βλέπε εικόνα 3). EIKONA 3 Για τη δημιουργία συνθηκών υγρασίας ο βλαστός καλύφθηκε πλήρως με πλαστική σακούλα η οποία ραντίστηκε με νερό εσωτερικά. Για τον έλεγχο της επίδρασης του φωτός συγκρίναμε φυτά που παρέμειναν σε φυσικό φως και άλλα στο σκοτάδι (κατά τη διάρκεια της νύκτας). Ο έλεγχος του ρόλου των στομάτων των φύλλων πραγματοποιήθηκε καλύπτοντας τα φύλλα με φιλμ βαζελίνης. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν άλλοτε σε διάστημα 1 ώρας ή/και σε 12ωρη βάση. ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Διερευνήσαμε τα εξής ερωτήματα: Ερώτημα 1 ο. Πώς η διαπνοή εξαρτάται από το πλήθος των φύλλων του φυτού;

5 5 Διατηρήσαμε όλες τις παραμέτρους σταθερές όπως ένταση φωτός, υγρασία περιβάλλοντος, μήκος βλαστού από το ίδιο φυτό, απόσταση μεταξύ οριζόντιου σωλήνα με τη βάση του βλαστού από όπου προσροφάται το νερό μέσω του αγωγού συστήματος ώστε να μην χρειαστεί με προσρόφηση να τραβήξει μεγαλύτερη στήλη νερού. Οι μετρήσεις έγιναν σε διάστημα 1 ώρας και τα αποτελέσματα φαίνονται στον πίνακα 1. ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Αριθμός φύλλων φρέσκου βλαστού Μήκος μετακίνησης στάθμης νερού σε 1 ώρα φύλλα 9 cm φύλλα 8, φύλλα 6,5 cm φύλλα 4,8 cm Τα αποτελέσματα είναι ο μέσος όρος δεδομένων από δύο επαναλήψεις των πειραμάτων. Και το μέγεθος των φύλλων δεν ήταν το ίδιο, υπήρχαν και πιο μικρά και πιο μεγάλα φύλλα. Παρατηρούμε ότι όσο πιο πολλά φύλλα έχει ένας βλαστός τόσο μεγαλύτερη απόσταση έχει μετακινηθεί το νερό στο βαθμολογημένο τμήμα, που σημαίνει ότι τόσο πιο γρήγορα αποβάλλεται νερό. Δηλαδή, μεγαλύτερος ο ρυθμός της διαπνοής. Αυτό είναι θεωρητικά αναμενόμενο γιατί το νερό αποβάλλεται από τα στόματα που υπάρχουν στα φύλλα των φυτών και όσο πιο πολλά φύλλα υπάρχουν τόσο πιο γρήγορα πραγματοποιείται η διαπνοή σε συγκεκριμένες συνθήκες. Με βάση αυτό το αποτέλεσμα στη συνέχεια διατηρήσαμε σταθερό τον αριθμό των φύλλων σε βλαστούς που μόλις είχαμε κόψει από το ίδιο φυτό και μελετήσαμε το επόμενο ερώτημα. Ερώτημα 2 ο. Πώς η διαπνοή εξαρτάται από την ύπαρξη στομάτων; Είναι γνωστό από τη βιβλιογραφία ότι τα φυτά περιέχουν στόματα κυρίως στα φύλλα αλλά και σε πράσινα μέρη του βλαστού (2). Με το άνοιγμα των στομάτων αποβάλλεται νερό σε μορφή υδρατμών στο περιβάλλον.

6 6 Έτσι κάτω από τις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες, υγρασίας, φωτισμού, θερμοκρασίας κ.λπ. και σε βλαστούς με 15 περίπου φύλλα εξετάσαμε το ρυθμό της διαπνοής, δηλαδή πόσο γρήγορα μετακινήθηκε το νερό στο βαθμολογημένο τμήμα σε διάστημα 1ώρας, στις εξής συνθήκες: α) σε φύλλα χωρίς καμιά επεξεργασία β) σε φύλλα που είχαμε καλύψει την πάνω επιφάνεια με βαζελίνη γ) σε φύλλα που είχαμε καλύψει την κάτω επιφάνεια με βαζελίνη και δ) σε φύλλα που είχαμε καλύψει και τις δύο επιφάνειες με βαζελίνη. Το φιλμ βαζελίνης καλύπτει τους πόρους της επιφάνειας στην οποία επιστρώνεται οπότε και δεν μπορεί να διαφύγει το νερό. Με αυτό τον τρόπο αποδεικνύεται έμμεσα ο ρόλος των στομάτων στην διαπνοή. Τα αποτελέσματα φαίνονται στον πίνακα 2. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 Επεξεργασία φύλλων Καμία επεξεργασία στα φύλλα Επικάλυψη της πάνω επιφάνειας με βαζελίνη Επικάλυψη της κάτω επιφάνειας με βαζελίνη Επικάλυψη όλου του φύλλου με βαζελίνη Μήκος μετακίνησης νερού 3,5 cm 2 cm 1,3 cm 0,7 cm Από τα αποτελέσματα αυτά διαπιστώσαμε ότι υπήρξε πολύ μικρή μετακίνηση νερού (0,7 cm) από το βλαστό προς τα φύλλα όταν είχαμε καλύψει και τις δύο επιφάνειες όλων των φύλλων με βαζελίνη. Επίσης διαπιστώσαμε ότι όταν καλύφθηκε μόνο η πάνω επιφάνεια του φύλλου με βαζελίνη, δηλαδή δεν υπήρχε δυνατότητα εξόδου νερού από την πάνω επιφάνεια, υπήρξε μικρή μετακίνηση νερού (2 cm), που όπως ερμηνεύσαμε οφείλεται στην απελευθέρωση νερού από τα στόματα της κάτω επιφάνειας του φύλλου. Όταν όμως κλείσαμε τους πόρους της κάτω επιφάνειας στα φύλλα αυτού του φυτού υπήρξε σε μικρότερο βαθμό μετακίνηση του νερού (1,3 cm) γεγονός που ερμηνεύσαμε

7 7 ως αποτέλεσμα των περισσότερων στομάτων (πόρων) στην κάτω επιφάνεια από ότι στην πάνω επιφάνεια των φύλλων του φυτού αυτού. Στο σημείο αυτό αναρωτηθήκαμε ποιο θα είναι το αποτέλεσμα εάν έχουμε προσαρμόσει στο ποτόμετρο διαφορετικά είδη φυτών, κάτι που όμως δεν εξετάσαμε και μπορεί να διερευνηθεί στο μέλλον. Ερώτημα 3 ο. Πώς η υγρασία της ατμόσφαιρας επηρεάζει τη διαπνοή; Στο ερώτημα αυτό τοποθετήσαμε έναν βλαστό με περίπου 25 φύλλα σε συνθήκες υγρασίας (βλέπε υλικά και μέθοδοι). Ως μάρτυρα τοποθετήσαμε στο ποτόμετρο βλαστό με περίπου τον ίδιο αριθμό φύλλων σε συνθήκες δωματίου. Όλες οι άλλες περιβαλλοντικές συνθήκες ήταν οι ίδιες και διατηρήθηκαν σταθερές. Παρατηρήσαμε ότι σε συνθήκες υγρασίας στο περιβάλλον του φυτού ο ρυθμός διαπνοής ήταν πιο αργός από ότι στο φυτό που ήταν στο συνηθισμένο περιβάλλον του εργαστηριακού χώρου. Επιπλέον παρατηρήσαμε ότι υπήρξε αντίστροφη κίνηση όπου νερό μετακινήθηκε από τα φύλλα προς το βλαστό και μαζεύτηκε σε ένα μικρό δοχείο ζέσεως όταν οι μετρήσεις διήρκεσαν περίπου 12 ώρες. Τα αποτελέσματά μας στο ερώτημα αυτό προέκυψαν από ένα μόνο πείραμα. Ερώτημα 4 ο. Ποια είναι η επίδραση του φωτός στη διαπνοή; Είναι γνωστό ότι στα περισσότερα φυτικά είδη τα στόματα ανοίγουν την ημέρα και κλείνουν τη νύκτα. Αυτό είναι συνέπεια της ανάγκης του φυτού να προσλάβει CO 2 από την ατμόσφαιρα για να πραγματοποιηθεί η φωτοσύνθεση. Εμείς θέσαμε βλαστούς με ίδιο αριθμό φύλλων στο ποτόμετρο κατά τη διάρκεια της ημέρας σε φυσικό φωτισμό και βλαστούς με φύλλα κατά τη διάρκεια της νύκτας. Τα αποτελέσματα της νύκτας τα ελέγξαμε την επόμενη ημέρα το πρωί.

8 8 Από τις μετρήσεις μας σε περίπου 10ωρη βάση είδαμε ότι το νερό είχε αδειάσει σχεδόν από το σύστημα φυτό-ποτόμετρου στο δείγμα μας της ημέρας (9 :00 π.μ 7μμ) ενώ το νερό στο σύστημα που τοποθετήθηκε 7μμ- 9πμ είχε μετακινηθεί 9,5 cm. Πρέπει να πούμε όμως ότι στο πείραμα αυτό δεν είχαμε επαναλήψεις και οι βλαστοί με τα φύλλα είχαν κοπεί από φυτά που την προηγούμενη ημέρα είχε βρέξει. ΣΥΖΗΤΗΣΗ Με το σύστημα του ποτόμετρου είχαμε τη δυνατότητα να διερευνήσουμε ορισμένα ερωτήματα που μπορούσαν να πραγματοποιηθούν στα στενά χρονικά περιθώρια του ομίλου μας. Οπωσδήποτε ορισμένες παράμετροι δεν ελήφθησαν υπόψη, όπως η κατάσταση των φυτών από τα οποία κόβαμε τους βλαστούς, η σχετική θερμοκρασία στο δωμάτιο του εργαστηρίου του σχολείου μας. Επίσης θεωρήσαμε ότι ο φωτισμός μέσα στην αίθουσα του εργαστηρίου ήταν επαρκής, πάντα σταθερός ώστε να μην αποτελεί περιοριστικό παράγοντα στις μετρήσεις. Από τα αποτελέσματά μας καταλάβαμε τη διαδικασία της διαπνοής και τα ερωτήματα που θέσαμε μας έδωσαν απαντήσεις που είναι σε συμφωνία με τα θεωρητικώς αναμενόμενα αποτελέσματα. Ήταν πολύ ενδιαφέρον ότι πολλά προβλήματα που προέκυψαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, μας ανάγκασαν να σκεφθούμε μόνοι μας για να τα επιλύσουμε. Χαρακτηριστικά αναφέρουμε, όταν δεν μπορούσαμε να στερεώσουμε το βλαστό με τα φύλλα σε κάθετη θέση, όταν μας τρύπησε με τη βελόνα της σύριγγας που τροφοδοτούσαμε το σύστημα με νερό το σωληνάκι και έτσι δεν είχαμε εξισορρόπηση πιέσεων, όταν ψάχναμε να βρούμε τρόπους για να δημιουργήσουμε περιβάλλον υγρασίας στο φυτό. Συμπερασματικά με την εργασία μας αυτή επιβεβαιώσαμε τη μεταφορά και αποβολή νερού από το αγωγό σύστημα του φυτού στην ατμόσφαιρα μέσω των στομάτων των φύλλων που στην περίπτωση του Ligustrum japonicum είναι περισσότερα στην κάτω επιφάνεια του φύλλου. Η διαπνοή είναι πιο έντονη σε συνθήκες που η σχετική υγρασία

9 9 της ατμόσφαιρας είναι χαμηλότερη από τη σχετική υγρασία που επικρατεί μέσα στο φύλλο. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ (1) Roberts M., King T., and Reiss M. 1994, Practical Biology for Advanced Level, Nelson Publishers Ltd. (2) Clegg C.J., Mackean D.G., 1994, Advanced Biology principles and applications, John Murray Publishers Ltd.