Биология · базовый уровень · 6 класс · Урок 12

Дыхание, транспорт веществ и испарение воды

Проследим, почему и корень, и лист дышат, как вода поднимается по древесине и куда движутся продукты фотосинтеза.

Жизнедеятельность растительного организма

Федеральная программа · базовый уровень · 6 класс

Жизнедеятельность растительного организма

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

Клеточное дыхание растения и условия дыхания корней
Газообмен через устьица и чечевички
Сосуды древесины и транспорт воды с минеральными веществами
Ситовидные трубки луба и распределение органических веществ
Транспирация, камбий, рост стебля в толщину и годичные кольца

Два условных пути: вода и минеральные ионы поступают от корня к листу по ксилеме, а сахара из листа перемещаются по флоэме к органам, которые их используют или запасают. На рисунке не показаны масштабы скоростей и все возможные направления в отдельных проводящих пучках.

Условный вид устьица сверху у растения с бобовидными замыкающими клетками. Изменение содержания воды и тургора меняет форму клеток и ширину щели; форма устьиц, степень раскрытия и реакции на среду различаются у видов.

Цифровая лаборатория связывает датчик, регистратор и подписанную таблицу. Справа — график явно модельных потерь массы из практической работы: 1,20 г у образца и 0,15 г у контроля за 15 минут. Разность 1,05 г относится только к этой учебной модели, не является нормой для любого растения и не измеряет раскрытие устьиц напрямую.

Как это устроено

Фотосинтез и дыхание не являются противоположными режимами, которые просто переключаются днём и ночью. Живые клетки растения дышат постоянно, если есть необходимые вещества и условия; фотосинтез в зелёных клетках требует света. Днём суммарный газообмен листа может быть связан преимущественно с фотосинтезом, ночью — с дыханием. Корни обычно не фотосинтезируют, но активно дышат.

Вода и растворённые минеральные вещества поступают от корней в ткани древесины и поднимаются к листьям. Испарение через устьица поддерживает движение воды, а корневое давление может вносить дополнительный вклад при определённых условиях. Органические вещества, образованные в листьях, перемещаются по лубу к растущим и запасающим частям — в том числе вверх к плодам, а не исключительно вниз.

Как меняется щель? У замыкающих клеток есть живое содержимое, мембрана и стенка. Когда в них меняется количество растворённых веществ, вода может входить или выходить через мембрану. В учебной модели фасоли поступление воды повышает тургор: благодаря форме клеток и устройству их стенок они изгибаются и щель расширяется. При уменьшении тургора щель сужается. Это управляемая клетками реакция на сигналы, а не желание растения и не простое раздувание отверстия воздухом. У злаков форма клеток другая, поэтому рисунок фасоли не копируют для любого листа.

Открытие устьица позволяет CO₂ проникать в лист и участвовать в фотосинтезе, но одновременно облегчает потерю водяного пара. При недостатке воды многие наземные растения уменьшают раскрытие устьиц, ограничивая испарение; поступление CO₂ при этом тоже может уменьшаться. У многих растений свет способствует открытию, но жаркий сухой день не означает максимально открытые устьица: водный дефицит может вызвать противоположную реакцию. Нельзя заключать по одному увядшему листу, что каждое его устьице закрыто: для этого нужно наблюдение или измерение.

При одинаковой ширине устьичной щели и температуре сухой воздух обычно усиливает выход водяного пара по сравнению с более влажным. Движущийся воздух может уносить влажный слой рядом с листом и также усиливать испарение. Повышение температуры часто увеличивает возможность испарения, но растение одновременно меняет раскрытие щели; поэтому результат опыта зависит от сочетания факторов. Для честного сравнения меняют один фактор, сохраняют площадь листьев, длительность и остальные условия и учитывают повторные измерения.

В цифровой лаборатории сначала формулируют проверяемый вопрос и выбирают измеряемые величины. Для изучения потери воды можно взвешивать подготовленный образец и одновременно регистрировать температуру и влажность воздуха. Масса связана с потерей воды лишь при оговорённых условиях: испарение из почвы, утечки, движение воздуха, изменение температуры и газообмен могут влиять на результат. Поэтому датчик не выдаёт готовый биологический вывод, а контроль и повторные опыты остаются необходимыми.

В таблице у времени должна быть единица, у каждого канала — название величины и единица, у опыта — условия и способ подготовки образца. Температуру здесь записывают в °C, относительную влажность — в %, массу — в г. При построении графика потери массы из начальной массы вычитают текущую: например, 300,00 − 298,80 = 1,20 г. Это положительная потеря, а не текущая масса растения. Два наблюдения нельзя сравнивать по одной высоте линий, если на графиках разные масштабы осей.

До регистрации учитель проверяет подключение приборов и сохранённые настройки по инструкциям, а ученик дожидается стабилизации показаний. Некоторые датчики влажности в неподвижном воздухе реагируют медленно; дополнительные знаки после запятой и частый опрос не исправляют этого ограничения. В контрольном опыте оценивают фоновую потерю массы без изучаемого растения при сопоставимых условиях. Вычитание контроля полезно в оговорённой модели, но не устраняет автоматически все различия между сосудами и все изменения живого организма.

Рыхление почвы может улучшать доступ кислорода к корням, если почва уплотнена; переувлажнение может заполнить поры водой и затруднить дыхание. Но механическое рыхление не должно повреждать корни. Растение не «вдыхает» воздух лёгкими: газы проходят через поверхности и специальные структуры, а энергия высвобождается внутри клеток.

При сильной запылённости частицы на листе могут уменьшать поступление света и менять газообмен через устьица; величина эффекта зависит от вида растения, количества и свойств частиц, расположения устьиц и погоды. Неточно говорить, что любая пыль «закрыла все устьица» или полностью остановила клеточное дыхание. Чтобы проверить эффект, нужны сопоставимые листья и измерения, а не одно фото грязного листа.

У древесных растений камбий образует новые слои тканей. На поперечном срезе различия древесины, образованной в разные части сезона, могут создавать годичные кольца. Для оценки возраста считают кольца правильно выбранного среза и учитывают, что ствол в месте среза начал расти позже самого проростка.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Клеточное дыхание

Совокупность процессов, при которых клетки высвобождают энергию из органических веществ и делают её доступной для работы. При кислородном дыхании расходуется кислород и образуются углекислый газ и вода.

Пример: Клетки корня фасоли дышат даже в темноте, используя вещества, образованные ранее в листьях.

Газообмен

Поступление газов в организм и выход газов из него. У растения газообмен связан и с фотосинтезом, и с дыханием, поэтому направление суммарного обмена меняется с освещением и условиями.

Пример: В освещённом листе поступление углекислого газа для фотосинтеза может превышать его выделение при дыхании.

Устьице

Участок кожицы с щелью между замыкающими клетками, через который регулируются газообмен и выход водяного пара.

Пример: На многих листьях большая доля устьиц расположена на нижней стороне пластинки.

Замыкающие клетки

Две специализированные клетки кожицы, окружающие устьичную щель. Изменение их водного состояния и формы позволяет увеличивать или уменьшать просвет щели, а не передвигать всё устьице по листу.

Пример: На схеме листа фасоли две изогнутые замыкающие клетки ограничивают светлую щель; соседние клетки кожицы не следует считать ещё одной парой замыкающих клеток.

Устьичная щель

Промежуток между замыкающими клетками, через который воздух сообщается с внутренними межклетниками листа. Это отверстие, а не третья клетка: через него могут проходить CO₂, кислород и водяной пар.

Пример: При уменьшении ширины щели у фасоли обычно снижается обмен газами через данное устьице; газообмен не становится обязательно нулевым у всего растения.

Тургор

Давление содержимого живой клетки на её стенку, связанное с поступлением и удержанием воды. Стенка ограничивает увеличение объёма; изменение тургора влияет на форму клеток и упругость растительных тканей.

Пример: В замыкающих клетках изменение тургора участвует в движении щели, а потеря воды многими клетками листа может привести к его увяданию.

Осмос

Переход воды через избирательно проницаемую мембрану в зависимости от различий водного состояния по обе стороны. В простой учебной модели вода поступает к раствору с большей концентрацией растворённых веществ, если давление и остальные условия сопоставимы.

Пример: Накопление растворённых веществ в замыкающих клетках может способствовать поступлению воды; при её поступлении тургор меняется, а стенка не пропускает клетку через щель.

Чечевичка

Участок наружных покровов древесного стебля с рыхло расположенными клетками, облегчающий газообмен внутренних живых тканей с воздухом.

Пример: На коре берёзы заметны чечевички, через которые происходит обмен газами.

Древесина (ксилема)

Проводящая ткань растения, элементы которой переносят воду и растворённые минеральные вещества преимущественно от корней к надземным частям; также участвует в опоре.

Пример: Окрашенная вода при учебном опыте поднимается по сосудам срезанного стебля сельдерея.

Сосуд древесины

Трубчатый проводящий элемент, образованный из последовательных клеток, утративших живое содержимое при созревании. По его просвету может двигаться вода.

Пример: В стебле цветкового растения сосуды входят в состав проводящих пучков.

Луб (флоэма)

Проводящая ткань, по которой продукты фотосинтеза и другие растворённые органические вещества распределяются от источников к потребляющим или запасающим органам.

Пример: Сахара из листа могут поступать по лубу к растущему корню или плоду.

Важно: Школьное «нисходящий ток» описывает частый путь от листьев к корням, но транспорт по флоэме не всегда направлен только вниз.

Ситовидная трубка

Проводящий путь флоэмы, образованный живыми ситовидными элементами с участками отверстий между ними; участвует в переносе растворённых продуктов фотосинтеза.

Пример: Плоды, развивающиеся выше листьев, тоже могут получать сахара по ситовидным трубкам.

Транспирация

Испарение воды надземными частями растения, прежде всего через устьица листьев. Оно связано с охлаждением и поддержанием потока воды по проводящим тканям.

Пример: В жаркий сухой день лист может терять воду быстрее, чем в прохладном влажном воздухе.

Камбий

Боковая образовательная ткань стебля и корня многих растений, клетки которой делятся и образуют новые проводящие ткани, обеспечивая рост в толщину.

Пример: У дерева камбий ежегодно добавляет новые слои древесины и луба.

Годичное кольцо

Заметный на поперечном срезе древесины слой, сформированный за один период сезонного роста при выраженной сезонности. Его ширина зависит от условий и не является прямым измерителем календарной погоды.

Пример: На спиле сосны последовательные кольца позволяют оценить число сезонов роста древесины.

Цифровая лаборатория

Учебная система приборов, датчиков и программы, которая регистрирует измеряемые величины и связывает их со временем. Цифровая запись облегчает сравнение, но сама не проверяет, правильно ли поставлен опыт и что именно измеряется.

Пример: В опыте с растением одновременно записывают температуру воздуха, его относительную влажность и массу образца на электронных весах; каждый столбец должен иметь название и единицу.

Датчик

Часть измерительного прибора, которая реагирует на определённую физическую величину и преобразует её изменение в сигнал. Датчик температуры измеряет температуру, а не скорость фотосинтеза или число открытых устьиц.

Пример: Датчик влажности рядом с листом показывает состояние воздуха около чувствительного элемента; тот же результат нельзя без объяснения подписать как «влажность внутри листа».

Регистратор данных

Устройство или программа, которые принимают сигналы прибора, сохраняют значения и время записи. Один регистратор может получать сведения от нескольких датчиков по отдельным измерительным каналам.

Пример: В строке «5 мин; 23 °C; 45 %» время относится к записи двух разных каналов, а 45 не следует путать с температурой.

Относительная влажность воздуха

Отношение фактического содержания водяного пара к содержанию, соответствующему насыщению при той же температуре, выраженное в процентах. Это характеристика воздуха, зависящая и от температуры; она не равна доле воды в растении.

Пример: 45 % при 23 °C означает, что воздух далёк от насыщения при этой температуре; это не утверждение, что лист состоит на 45 % из воды.

Калибровка измерительного прибора

Установление соответствия между показаниями прибора и значениями, принятыми по надёжным опорным средствам, с учётом условий. Школьный прибор используют по его инструкции: сохранённую заводскую настройку не следует произвольно менять, чтобы получить желаемый ответ.

Пример: Учитель проверяет электронные весы подходящей контрольной гирей и записывает результат; установка нуля перед взвешиванием сама по себе ещё не проверяет точность всей шкалы.

Разрешение измерительного прибора

Наименьшее изменение измеряемой величины, которое прибор позволяет различить по показаниям в данных условиях. Много знаков на экране не гарантирует, что показание близко к опорному значению: разрешение и точность — разные свойства.

Пример: Весы с шагом 0,01 г позволяют записать 300,00 г; одна эта запись ещё не доказывает погрешность меньше 0,01 г. Допустимые пределы смотрят в инструкции и результатах проверки.

Время отклика датчика

Время, необходимое датчику, чтобы его показание приблизилось к новому состоянию среды после изменения условий. Оно зависит от конструкции и среды; частая запись программой не заставляет чувствительный элемент реагировать быстрее.

Пример: После переноса датчика влажности в другой воздух сначала ждут стабилизации по инструкции; десять записей ещё не означают десять независимых быстрых измерений.

Пример по шагам

Почему длительный застой воды вокруг корней может навредить растению, хотя вода ему необходима?

Корни получают воду из почвенного раствора, но их живые клетки также нуждаются в энергии дыхания.
Когда поры почвы долго заполнены водой, доступ кислорода к корням ухудшается.
Нарушение дыхания может ослабить поглощение и повредить корни; избыток воды не компенсирует нехватку кислорода.

Вывод: Корням нужны одновременно доступная вода и условия для газообмена.

Практическая работа

Путь окрашенной воды в стебле

Поставьте срезанный стебель сельдерея или белого цветка в воду с безопасным пищевым красителем по инструкции учителя.
Через установленное время рассмотрите поперечный срез и запишите, какие участки окрасились.
Сравните с контрольным стеблем в неокрашенной воде; не делайте вывода о движении сахаров по этому опыту.

Что можно заключить: Окрашенные участки указывают на пути движения воды по проводящим тканям; этот опыт не показывает транспорт органических веществ по лубу.

Безопасность: Срезы делает взрослый или обучающийся под руководством учителя; краситель и растения из опыта не употребляют в пищу.

Практическая работа

Устьица и условия среды: разбор учебных данных

Используйте явно модельные, а не реальные измеренные данные: за один час два одинаковых листовых образца с одной и той же условной шириной щелей потеряли 0,8 г воды во влажном неподвижном воздухе и 1,6 г в сухом неподвижном воздухе при одинаковой температуре. Назовите изменённый фактор и вычислите отношение потерь.
Ответ: 1,6 / 0,8 = 2; в этой модели потери в сухом воздухе вдвое больше. Объясните, почему сравнение не доказывает, что сухость всегда даёт ровно двукратное увеличение у каждого растения, и почему повторные наблюдения нужны для реального опыта.
Теперь изменилось раскрытие устьиц: после дефицита воды щели стали уже. Отделите внешний фактор от ответа клеток; объясните, почему без нового измерения нельзя предсказать окончательную потерю воды по одной предыдущей таблице.
Нарисуйте пару замыкающих клеток и щель, подпишите направление поступления воды в модели открытия и перечислите два процесса через открытое устьице: вход CO₂ и выход водяного пара.

Что можно заключить: Учебные числа показывают способ сравнения одного фактора. В живом листе среда и регулирование устьиц действуют одновременно; более узкая щель ограничивает как потерю воды, так и поступление CO₂.

Безопасность: Работа выполняется по предоставленным числам и схеме; не сушите живые растения намеренно и не используйте нагреватели, химические осушители или герметичные сосуды под давлением.

Практическая работа

Цифровая лаборатория: потеря массы и условия у листьев

Учебные модельные данные — не результаты реального опыта

Если таблица шире экрана, прокрутите её по горизонтали.

Условные данные опыта и контроля при одинаковом освещении
Время, мин	Воздух, °C	Влажность, %	Образец с растением, г	Контрольный сосуд, г
0	23	45	300,00	301,00
5	23	45	299,60	300,95
10	23	45	299,20	300,90
15	23	45	298,80	300,85

Все числа придуманы для обучения расчёту. По условиям модели потерю массы относят к выходу воды, фоновый выход учитывают по контролю; рост, газообмен и несовпадение подготовки сосудов здесь не моделируются. Для настоящего опыта нужны повторности, характеристики приборов и проверка этих допущений.

Сформулируйте вопрос: какая потеря массы связана с изучаемым растением в заданной модели за 15 минут? Сначала разберите предоставленную таблицу; для этого не нужно покупать приборы. Назовите три измеряемые величины и их единицы: температура, относительная влажность и масса. Время — отдельная координата каждой записи.
Если работа проводится в школе с приборами, учитель выбирает безопасное обычное растение и готовит сопоставимый контрольный сосуд без растения; испарение из субстрата ограничивают одинаковым способом, не повреждая корни и не перекрывая доступ воздуха к ним. Запишите устройство контроля, освещение, положение приборов и длительность; неполное описание подготовки нельзя восполнить одним графиком.
Подключите датчики к регистратору по инструкции под руководством учителя. Проверьте выбранные каналы, единицы и диапазоны, дождитесь стабилизации, сохраните исходные показания и сведения о проверке приборов. Датчик воздуха не погружают в воду. Не изменяйте калибровку произвольно и не считайте шаг экрана гарантией точности.
Для учебных строк вычислите потерю образца: 0,00; 0,40; 0,80; 1,20 г. Потери контроля: 0,00; 0,05; 0,10; 0,15 г. Постройте две линии на одном графике: по горизонтали время в минутах, по вертикали потеря массы в граммах; не соединяйте столбец влажности со столбцом массы как одну величину.
В рамках заданных допущений вычтите фоновую потерю за 15 минут: 1,20 − 0,15 = 1,05 г. Средняя исправленная потеря за минуту: 1,05 / 15 = 0,07 г/мин. Это средняя скорость в этой модели, а не одинаковая скорость в каждую секунду и не стандарт для всех растений.
Назовите, чего таблица не доказывает: количество открытых устьиц, скорость клеточного дыхания, причину различий между видами. Одинаковые модельные 23 °C и 45 % не проверяют гипотезу о влиянии температуры или влажности — здесь эти факторы не менялись. Для такого вопроса нужен отдельный контролируемый опыт.
При реальной работе повторите наблюдение с учителем, сохраните таблицу без исправления исходных значений под ожидаемый ответ, отдельно отметьте сбои и колебания. Обсудите, могут ли обнаруженные изменения быть сопоставимы с пределами точности приборов; показание из последней цифры само по себе не является надёжным эффектом.

Что можно заключить: Предоставленные числа позволяют вычислить 1,05 г исправленной потери и 0,07 г/мин только внутри оговорённой учебной модели. В настоящей цифровой лаборатории запись датчика, условия, контроль, повторности и допустимый вывод проверяют раздельно; цифровая таблица не заменяет биологического объяснения.

Безопасность: Школьные приборы подключают только по инструкции с учителем, электрические соединения держат сухими. Не перегревайте и не засушивайте растение, не применяйте химические осушители, не создавайте сосуды под давлением и не используйте редкие, ядовитые или вызывающие аллергию растения. При отсутствии приборов выполняйте только расчёт и чтение модельных данных.

Практическая работа

Годичные кольца на готовом спиле

Возьмите готовый учебный спил древесного стебля с известной высотой места среза.
Найдите и отметьте границы последовательных годичных слоёв от центра к коре.
Сравните число слоёв с возрастом ствола на высоте среза и обсудите, почему это не обязательно полный возраст дерева от семени.

Что можно заключить: Кольца помогают оценить число сезонов роста данной части ствола; для возраста дерева нужны контекст среза и осторожная интерпретация.

Безопасность: Используйте заранее подготовленный спил без острых щепок; не пилите дерево ради опыта.

Практическая работа

Рыхлая и уплотнённая почва: что именно сравнивают

Рассмотрите две одинаковые ёмкости с одинаковым субстратом и растениями; одну почву слегка уплотнили, другую оставили рыхлой.
При одинаковом поливе и освещении наблюдайте состояние растений и влажность, не повреждая корни.
Обсудите, какие ещё факторы могли различаться; изменение роста само по себе не измеряет концентрацию кислорода в почве.

Что можно заключить: Уплотнение может ухудшать доступ воздуха к корням, но для строгого вывода о дыхании нужны контролируемые условия и дополнительные измерения.

Безопасность: Не используйте загрязнённую почву и мойте руки после работы с субстратом.

Практическая работа

Пыль на листьях: отделяем видимое от измеряемого

По опубликованным фотографиям двух листьев одного вида с одинаковой экспозицией отметьте, где видны частицы и на какой стороне листа они находятся; запишите, что нельзя оценить по фотографии.
На готовом графике сравните газообмен или освещённость чистых и запылённых листьев при указанных условиях, обращая внимание на разброс и повторения.
Сформулируйте вывод только для исследованного вида и опыта; отдельно назовите другие возможные причины различия, например температуру, возраст листа и состав пыли.

Что можно заключить: Сильное накопление пыли может влиять на свет и газообмен, но внешний вид листа не измеряет дыхание и не доказывает одинаковый эффект для всех растений.

Безопасность: Не создавайте пыль и аэрозоли в классе и не собирайте придорожный загрязнённый материал; используйте готовые изображения и данные.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.