Связь симметрии и тропизмов растений

 В реальном мире во всем наблюдаются элементы симметрии. Наиболее известна зеркальная симметрия - полное соответствие противолежащих частей друг другу. Но существуют и другие виды симметрии - это переносная, поворотная, орнаментальная и т. д. Виды симметрии в реальности комбинируются между собой, создавая разнообразие форм. Живое и неживое подчинено одним и тем же законам и строится по единым принципам.

На явления симметрии в живой природе обратили внимание ещё в Древней Греции пифагорейцы в связи с развитием учения о гармонии (5 век до н. э. ).

Как же возникает вид симметрии? Прикованные к постоянному месту растения четко различают только верх и низ, а все остальные направления для них более или менее одинаковы. Естественно, что их внешний вид подчинен поворотной симметрии.

Характерная для растений симметрия конуса хорошо видна на примере любого дерева. Дерево поглощает из почвы влагу и питательные вещества за счёт корневой системы, то есть снизу, а остальные жизненно важные функции выполняются кроной, то есть наверху. Поэтому направления «вверх» и «вниз» для дерева, существенно отличаются. А направления в плоскости перпендикулярной к вертикали, для дерева фактически неразличимы: по всем этим направлениям к дереву в равной мере поступают воздух, свет, и влага. В результате появляется вертикальная поворотная ось и вертикальная плоскость симметрии.

Что же является причиной такой симметрии? Такую симметрию обеспечивают движения органов растений в ответ на одностороннее действие света, силы тяжести и др. факторов внешней среды в результате более быстрого роста клеток на одной стороне побега, корня или листа. Реакция ориентирования растений, т. е. направления роста и движения корней и побегов относительно раздражителя называется тропизмами (от греч. tropos - поворот, направление).

Именно тропизмы обеспечивают вертикальное положение растений в пространстве и симметричное расположение стеблей, листьев и т. д.

Мы существуем в трехмерном пространстве. Строение любого объекта в нашем мире объемно. Живые организмы создавались не на плоскости, а в пространственных взаимоотношениях. Они обладают формой. Внутреннее и внешнее строение подчинено определенным законам. Все во Вселенной стремится к какой-либо форме симметрии. Это не случайно - материальные структуры стремятся к сохранению как можно большего количества энергии в наименьшем объеме. Этому состоянию лучше всего отвечает форма шара. Потому вселенские структуры, такие как Галактики, имеют шарообразную форму с центральной симметрией, другие - спиралевидную конфигурацию с осевой симметрией. Такая симметрия у Солнечной системы. Расстояния между планетами в ней подчинены правилу геометрической прогрессии. Звезды и планеты, которые мы наблюдаем, обладают шарообразной формой с центральной симметрией.

Простейшие микроорганизмы, бактерии, также представляют собой шар. Чем больше свободной энергии в живом, тем больше его форма усложняется, но все равно подчиняется определенной закономерности. Усложняясь, бактерии приобретают различные очертания, цилиндрическая форма - у туберкулезной палочки, в виде запятой - у холерного вибриона. Самой известной формой симметрии является билатеральная - это зеркальная симметрия правой и левой половин тела. Новый виток развития приводит к объединению однородных элементов в единое целое, когда соединяются несколько одинаковых организмов в сообщество. Так приобретается переносная симметрия растениями и животными, строятся простейшие водоросли и все сегментарные животные. На каждом новом витке развития жизни эти этапы повторяются и усложняются.

2. Связь симметрии и тропизмов растений

Ответные реакции растений на различные односторонние воздействия раздражителей внешней среды (свет, земное притяжение, химические вещества и др. ) заключаются в направленных ростовых и сократительных движениях (изгибах) органов растения, приводящих к изменению его ориентации в пространстве.

Еще Чарлз Дарвин связывал изгибы у растений, возникающие под действием силы тяжести, с наличием веществ, перемещающихся в зоны роста. Позже Д. Сакс сформулировал концепцию геотропической реакции, проявляющейся в виде последовательно протекающих процессов. А затем в этих исследованиях наметились два направления. Первое связано с именами Немеца и Габерландта, которые создали так называемую статолитовую теорию. Согласно ей геотропическая реакция возникает благодаря давлению подвижных зерен амилопластов-статолитов на протоплазму. Другая гипотеза, выдвинутая Холодным, исходила из различия физико-химических свойств протоплазмы корня и стебля, в результате чего происходит электрическая поляризация клеток. Вент дополнил ее предположением о том, что ростовые движения основаны на полярном перемещении особых веществ — ауксинов.

Ростовые движения зависят от вида раздражителя, механизм действия которого на растения сложен. Эти движения могут возникать в растущих частях растений, как следствие более быстрого роста клеток, расположенных на одной стороне органа растения (стебле, корне, листе). В органах растения возникают растяжения, связанные с асимметричным распределением в них фитогормона роста растений — ауксина и абсцизовой кислоты. Ауксин образуется в молодых, активно растущих частях высших растений: точках роста стеблей, в верхушках корней, в молодых листьях и почках. Высокое содержание ауксина в растущих органах активирует приток к ним питательных веществ из других частей растения. Ауксины способны передвигаться вниз по стеблю или вверх по корню. Неравномерным распределением ауксина в осевых органах объясняются ростовые движения у растений, а также различные тропизмы. Тропизмы различают в зависимости от вида раздражителя. Если растение под влиянием раздражителя изгибается к источнику раздражителя, то это положительный тропизм, а если оно изгибается в противоположную сторону от раздражителя, то это отрицательный тропизм.

Геотропизм (от греч. ge - земля и греч. tropos — поворот, направление), способность органов растений принимать определённое положение под влиянием земного притяжения.

Геотропизм обусловливает вертикальное направление осевых органов растения: главный корень направляется прямо вниз (положительный геотропизм), главный стебель — прямо вверх (отрицательный геотропизм). Если под каким-либо внешним воздействием, например, будучи согнут или повален ветром, главный стебель растения выведен из свойственного ему вертикального положения, то в молодой, ещё растущей части происходит изгиб и верхняя его часть поднимается и снова оказывается правильно ориентированной. Кончик главного корня, выведенного из вертикального положения, изгибается вниз. Геотропические изгибы тесно связаны с ростом и осуществляются благодаря тому, что в стеблях, выведенных из вертикального состояния, нижняя сторона начинает расти быстрее, а верхняя замедляет свой рост.

Геотропизм связан с воздействием на растения силы тяжести Земли. При положительном геотропизме рост главного корня направлен строго вниз по направлению к центру Земли, что связано не только с деятельностью гормонов, но и с особыми крахмальными зёрнами в корневом чехлике. Геотропическая реакция начинается в клетках корневого чехлика, содержащих особо плотные крахмальные зерна – статолиты, а завершается выше, там, где клетки растягиваются. Зерна крахмала при наклоне клетки перемещаются, как шарики в ящике, передавая раздражение на мембрану клетки в виде химического сигнала – гормона ауксина, который регулирует рост корней. Ауксин перемещается медленно – со скоростью 1 см/ч. Поэтому медленны и движения корней.

Фототропизм (от греч. phos - свет и греч. trópos – поворот) - это изменение направления роста органов растений, под влиянием односторонне падающего света. Различают положительный фототропизм, например изгиб стебля к источнику света. Этот изгиб имеет химическую природу. Под влиянием фитогормона ауксина на теневой стороне деление и рост клеток интенсивнее по сравнению со световой стороной, где ауксина меньше и рост клеток замедлен. В связи с этим растение изгибается в сторону клеток медленно растущих, т. е. к свету. У стеблей наблюдается положительный фототропизм, корней — отрицательный, листьев — поперечный. Примером поперечного гелиотропизма, который свойствен, скажем, листьям растений, живущих в засушливых зонах, например, листьям эвкалиптовых деревьев. В солнечный день эти листья поворачиваются ребром и пропускают солнечные лучи мимо себя так, что найти тень в эвкалиптовой роще является нелегкой задачей. Такие деревья демонстрируют, так сказать, «обратный эффект жалюзи».

3. Методика проведения исследований

Объекты исследования - растения.

Используя методику проведения исследования наблюдали изменение направления роста корня и стебля у проростков бобов.

Цель: выяснить причины, обусловливающие симметрию в царстве растений.

Оборудование: две прозрачные трубки, кристаллизатор с водой, семена бобов.

Ход работы:

1. Замочить семена в небольшом количестве воды.

2. Поместить проростки бобов в прозрачные стеклянные трубки. Контрольную трубку расположить в кристаллизаторе с водой в вертикальном положении. Опытную трубку расположить горизонтально.

3. Наблюдать за ростом корней и стеблей в течение двух недель.

4. Результаты исследования

Через неделю, как только корень и стебель выросли за пределы горизонтально расположенной трубки, корень стал расти строго вниз, а стебель вверх .

В ходе эксперимента наблюдался процесс восприятия растением внешнего раздражения, которое определяло физиологические различия между двумя сторонами растительного органа, затем следовала фаза передачи сигнала и в завершение наступила реакция — изгиб вследствие неравномерности скорости роста двух сторон органа.

Проросток боба, освещенный с одной стороны, изгибался в сторону источника света. Под влиянием фитогормона ауксина на теневой стороне деление и рост клеток интенсивнее по сравнению со световой стороной, где ауксина меньше и рост клеток замедлен. В связи с этим растение изгибалось в сторону клеток медленно растущих, т. е. к свету. У стеблей наблюдали положительный фототропизм, корней — отрицательный. Таким образом, фототропический изгиб — результат неравномерного распределения ауксина. В горизонтально лежащем стебле боба ауксин скапливался в нижней части, что привело к усилению роста этой части стебля и его изгибу вверх - отрицательный геотропизм. В горизонтально расположенном корне ауксин концентрировался также в нижней части, в результате чего корень изгибается вниз (положительный геотропизм).

II. Выводы

Растение постоянно находится под влиянием внешних факторов среды (одностороннее влияние света, земное тяготение и др. ). Чтобы приспособить положение своих органов к этим внешним факторам и занять устойчивое положение в трехмерном пространстве, растение находится в непрерывном движении. Эти движения имеют химическую природу, так как ауксин, перемещаясь в клетки, вызывает их усиленный рост.

Таким образом, причиной вертикальной поворотной симметрии является одностороннее действие света, силы тяжести и др. факторов внешней среды, которые определяют более быстрый рост клеток на одной стороне побега, корня или листа.

III. Заключение

Обследование разнообразных биообъектов, находившихся на борту биоспутников «Космос» в полетах длительностью до 22 суток, показало, что невесомость не является препятствием для нормального осуществления основных этапов жизнедеятельности организма и протекания большинства биологических процессов. Исключение представляют лишь те биологические процессы, для формирования которых необходимо наличие градиента плотности, реагирующего на силу тяжести, и присутствия чувствительных к ней рецепторов. Например, дезориентация роста растений в невесомости происходит, по-видимому, из-за того, что перестают функционировать клеточные рецепторы силы тяжести - амилопласты.

Следовательно, привычная пространственная ориентация у растений может наблюдаться только в условиях земного притяжения, а наличие симметрично расположенных органов позволяет занять устойчивое положение.