Klíčení je okamžik, kdy se suché, spící semeno stává živou rostlinou. Voda přijatá imbibicí reaktivuje metabolismus semene, enzymy štěpí škrob a bílkoviny uložené v dělohách, objevuje se klíční kořínek a ukotvuje klíček a stonek tlačí vzhůru k povrchu. Nic z toho nevyžaduje světlo: semeno klíčí dokonale ve tmě, ze zásob v něm nashromážděných. Světlo vyžaduje až další krok. Chlorofyl nelze ve tmě vytvořit, takže klíček, který se dostane na vzduch bez světla, zůstává bledý, drží stonek ohnutý v ochranném háčku a nikdy neotevře své listy; žije ze svých zásob, dokud ty nedojdou. Za přítomnosti světla se háček napřímí, dělohy a první listy se roztáhnou a zezelenají a rostlina přejde od spotřebovávání svých zásob k tvorbě vlastního cukru pomocí fotosyntézy. Semenářské firmy, pěstitelé a provozovatelé skleníků jsou závislí na tom, že přesně vědí, kolik světla klíček k tomuto přechodu potřebuje a jak rychle. V této laboratoři namočíte tři fazolová semena do vody, zasadíte je do tří totožných očíslovaných květináčů a poté umístíte každý květináč do jiného světelného prostředí: květináč 1 do zavřené krabice od bot, květináč 2 na pult vedle dřezu v běžném pokojovém světle a květináč 3 přímo pod zapnutou lampu. Všechny tři dostanou stejnou půdu a stejnou zálivku. Poté posunete čas vždy o 24 hodin a budete rostliny zalévat každý den po dobu odpovídající deseti dnům, přičemž budete všechny tři květináče denně fotografovat, takže světlo bude jedinou proměnnou, která je odlišuje.
Vzdělávací cíle
Seznámení s laboratorním prostředím
- Najděte a identifikujte květináče, 50ml kádinky, promývací láhev, lampu, krabici od bot a hodiny a uveďte, jakou roli hraje každá z těchto položek v experimentu.
- Najděte obrazovou tabulku na tabletu a pochopte, že obsahuje jednu fotografii každého květináče pro každý den experimentu.
Návrh kontrolovaného porovnání
- Nezávislá proměnná je světlo a záměrně kontrolované faktory (konstanty) jsou: stejný druh semene, stejná půda, stejný květináč, stejný objem vody ve stejném harmonogramu a stejná teplota.
- Vysvětlete, proč se se třemi hrnci musí ve všech ostatních ohledech zacházet naprosto stejně, aby jakýkoli rozdíl mezi nimi něco znamenal.
Příprava osiva a výsadba
- Do každé ze tří 50ml kádinek naplněných do poloviny vodou z vodovodu namočte jednu fazoli a vysvětlete, proč změkčení osemení urychluje klíčení.
- Zasad'te namočená semena do číslovaných květináčů a sledujte, které semeno je v kterém květináči po celých deset dní.
Každodenní údržba a kontrola času
- Každý den zalijte všechny tři květináče promývací lahví a do každého dejte stejné množství.
- Posuňte hodiny o 24 hodin vpřed a opakujte cyklus tak, aby desetidenní sekvence byla kompletní a nepřerušená.
Pozorování a vedení záznamů
- U každého květináče a pro každý den zaznamenejte, zda se objevil výhonek, jeho přibližnou výšku, barvu a zda se háček otevřel a listy se rozvinuly.
- Využijte denní fotografie k přesnému určení dne, kdy k jednotlivým etapám došlo, místo abyste se na konci spoléhali pouze na paměť.
Interpretace výsledku
- Odlište klíčení, ke kterému dochází ve všech třech květináčích, od následného růstu a zezelenání, ke kterým nedochází.
- Porovnejte vzhled jednotlivých sazenic s množstvím světla, které mají k dispozici, a uveďte, co tento experiment může a nemůže prokázat, pokud je v každé podmínce pouze jedna rostlina.
Protokol
Příprava a pozorování
- Do každého ze tří 50ml kádinek vložte jedno fazolové semínko.
- Každý 50ml kádinku naplňte do poloviny vodou z vodovodu, aby se zjemnila semena fazolí.
- Zasaďte fazolová semínka do květináčů číslo 1 až 3 (pro jejich vyzvednutí umístěte otevřenou dlaň směřující vzhůru ke dnu kádinky).
- Pomocí stříkačky zalijte fazolové rostliny označené čísly 1 až 3.
- Umístěte fazolku 1 do krabice od bot, fazolku 2 na pult vedle dřezu a fazolku 3 dejte pod osvětlení lampy.
- Zapni lampu.
- Musíte počkat několik dní, abyste pozorovali klíčení fazole v závislosti na podmínkách zálivky a světla.
- Klepněte na červené tlačítko hodin pro posunutí času o 24 hodin.
- Každou ze tří rostlin zalijte pomocí rozprašovače.
- Zopakujte krok posunutí času o 24 hodin a zalití tří rostlin (kroky 8 a 9) a pozorujte vývoj fazolového keře, dokud neuplyne ekvivalent 10 dnů.
- Sledujte vývoj klíčení fazole v závislosti na expozici světlu během následujících dnů.
- Výsledky se nacházejí v tabulce tabletu.
Předvídané výsledky
Výsledky najdete na tomto odkazu (PDF)
Všechna tři semena vyklíčí. Rozdíl mezi nimi spočívá ve všem, co se odehraje poté, co výhonek vyraší na povrch. Níže uvedená tabulka uvádí stav každého květináče na konci desetidenního cyklu, jak byl zaznamenán na denních fotografiích ze simulace.
| Pot | Pozice | Přijaté světlo | Stav v 10. dni |
|---|---|---|---|
| 1 | Uvnitř uzavřené krabice od bot | Žádné, kromě okamžiků, kdy se krabička otevírá kvůli zalévání | Vyklíčilo. Výhonek má krémovou až bledě žlutou barvu bez náznaku zelené, hypokotyl je stále ohnutý do tvaru háčku a žádné listy se ještě nerozvinuly. |
| 2 | Na pultu vedle umyvadla | Běžné osvětlení místnosti, nepřímé | Vyklíčilo a zazelenalo se. Stonek je vzpřímený, háček se otevřel a úzké zelené listy se nedotýkají půdy; na povrchu je vidět odumřelá děložní lístka. |
| 3 | Přímo pod lampou, lampa svítí | Silné nepřetržité umělé osvětlení zblízka | Vyklíčil, zazelenal a je nejrozvinutější ze všech tří: má silnější vzpřímenou stonku, na níž se nachází největší a nejširší listová plocha |
Díky každodenním fotografiím lze také určit časový průběh samotného klíčení. Fazole patří mezi rostliny s epigeálním klíčením, takže jednotlivé fáze probíhají v pevně daném pořadí, které se objevuje ve všech třech květináčích, i když listy se nakonec vyvinou pouze ve dvou z nich.
| Scéna | Co je vidět | Co se děje uvnitř |
|---|---|---|
| Imbibice | Namočené semeno je viditelně nabobtnalé a jeho slupka je zvrásněná nebo popraskaná | Voda proniká do semene, tkáně se rehydratují a metabolismus se znovu rozběhne; enzymy začínají rozkládat uložený škrob na cukry |
| Vznik kořenového výhonku | Zatím nic nad zemí | Hlavní kořen nejprve roste směrem dolů, čímž ukotvuje sazenici a přijímá vodu ještě předtím, než se výhonek začne vyvíjet |
| Oblouk hypokotylu | Bledá ohnutá smyčka stonku proráží hladinu, špičkou směřující dolů | Stonek se prodlužuje do tvaru háku, takže růstová špička a semenné lístky jsou taženy nahoru skrz půdu, místo aby se jím protlačovaly. |
| Nadzemní děložní lístky | Dva silné, bledé semenné lístky vyčnívají z půdy | Zásoby jsou nyní přenášeny vzduchem; sazenice se stále živí výhradně z nich |
| Odstranění etiolace | Pouze v květináčích 2 a 3: háček se narovná a vše nad zemí zezelená | Světlo spouští poslední krok syntézy chlorofylu a přepíná klíční rostlinu z programu růstu ve tmě na program růstu na světle |
| První pravé listy | Pouze v květináčích 2 a 3: listy se rozvíjejí nad děložními lístky, které usychají | Fotosyntéza přebírá úlohu po zásobách; rostlina se stává soběstačnou, a to nejrychleji v nejjasnějším květináči |
Proč světlo není potřeba ke klíčení, ale je nutné pro přežití. Klíčení vyžaduje vodu, kyslík a vhodnou teplotu a energie pro něj pochází ze semene, nikoliv ze slunce: dělohy fazole jsou zásobárnou škrobu, bílkovin a lipidů a amylázy hydrolyzují tento škrob na cukry, které rostoucí embryo dýchá. To je důvod, proč květináč 1 klíčí v úplné tmy ve stejném termínu jako ostatní dva. Zásoby jsou však konečné. Sazenice se stává soběstačnou teprve tehdy, když dokáže provádět fotosyntézu, 6 CO2 + 6 H2O + světelná energie → C6H12O6 + 6 O2, a to vyžaduje zelené pletivo. Poslední krok při budování chlorofylu, přeměna protochlorofylidu na chlorofylid, je u kvetoucích rostlin sám o sobě poháněn světlem, takže klíček ve tmě nedokáže fyzicky pigment vytvořit. Květináč 1 tedy 10. den neumírá hlady – stále má zásoby –, ale nemá cestu k tomu, aby se stal autotrofním, a pokud by zůstal v krabici, vyčerpal by své děložní lístky a zemřel.
Dva růstové programy, jedna sazenice. Semeno ve tmě neroste; řídí se odlišným a naprosto smysluplným programem zvaným skotomorfogeneze. Prodloužení stonku má přednost před expanzí listů, nevytváří se chlorofyl a klíček je chráněn uvnitř háčku, protože v přírodě tma znamená, že klíčená rostlina je stále pod zemí a jejím jediným užitečným krokem je dosáhnout povrchu. První světlo, které přijme, je zachyceno fotoreceptory – fytochromy pro červené a daleké červené světlo, kryptochromy pro modré – a přepne rostlinu na fotomorfogenezi: háček se otevře, prodlužování stonku se zpomalí, děložní lístky a listy se rozevřou a nahromadí se chlorofyl. Květináč 1 ukazuje temný program, květináče 2 a 3 ukazují světelný program a rozdíl mezi květináči 2 a 3 ukazuje, že světelný program stále reaguje na množství světla.
Proč lampa poráží pult. Tyto tři pozice se liší více, než by se mohlo zdát. Nepřímé vnitřní osvětlení na pultu má obvykle hodnotu řádově 100 až 500 luxů, stolní lampa z malé vzdálenosti poskytuje několik tisíc luxů a plné denní světlo venku se pohybuje od asi 10 000 luxů do více než 100 000 luxů. List fazolu dosahuje svého kompenzačního bodu – kde fotosyntéza přesně vyvažuje dýchání – při několika desítkách µmol fotonů na m2 za sekundu, a nasycuje se až vysoko nad touto hodnotou. Květináč 2 je tedy nad prahem, při kterém může přežít a zazelenat se, ale výrazně pod úrovní, při které by rostl tak rychle, jak by mohl, zatímco květináč 3 je této úrovni blíže, což je důvod, proč za stejných deset dnů vytvoří větší plochu listů. Pořadí těchto tří květináčů odpovídá pořadí světla, které přijímají.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
- Zaměření rozdíl mezi klíčením a růstem a slovní zásoba pro řízené srovnání.
- Aktivity: připravte tři květináče a zalévejte je podle stejného harmonogramu; zaznamenávejte barvu, výšku a stav listů pro každý květináč každý den do tabulky, jako je tabulka 1; identifikujte jednu proměnnou, která byla změněna, a vyjmenujte tři, které byly udržovány konstantní; uveďte, kterému květináči se dařilo nejlépe a kterému nejhůře, a v jedné větě vysvětlete, proč je květináč v krabici bledý.
11. ročník
- Zaměření kvantitativní porovnání těchto tří ošetření a chemie zabývající se barvou.
- Aktivity: odečtěte výšky z denních fotografií a vyneste výšku v závislosti na dni pro všechny tři květináče do jedné sady os; vysvětlete, proč se chlorofyl nemůže tvořit ve tmě, a uveďte pigmentové stadium, které světlo odblokuje; vysvětlete háček a jeho rozevírání; vysvětlete, jak vůbec sejáček v krabici udržuje při životě, a předpovězte, co by se s ním stalo, kdyby byl 10. den přemístěn pod lampu; uspořádejte tři pozice podle osvětlení a dali to do souvislosti s pozorovaným růstem.
12. ročník / Úroveň college
- Zaměření experimentální design a co lze a nelze odvodit z jediné semenáčku na ošetření.
- Aktivity: Seznamte se se všemi proměnnými, které tento protokol ponechává nekontrolované, a určete replikaci, randomizaci pozice květináčů a zaslepené hodnocení, které by byly potřeba k přeměně demonstračního pokusu v měření; obhajte suchou hmotnost a plochu listů namísto výšky jako reakční proměnnou a popište, jak by se každá z nich měřila; vysvětlete etiolaci spíše jako adaptivní strategii než jako defekt a rozlišujte úlohy fytochromu a kryptochromu; navrhněte navazující experiment, který odděluje vliv kvantity světla od kvality světla, například ošetření pouze modrým a pouze červeným světlem při stejném fotonovém toku; a vysvětlete, proč každodenní otevírání krabice za účelem zalití květináče 1 oslabuje tmavou variantu a jak byste tomu zabránili.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Květináče (3, očíslované 1 až 3)
- Kádinky (50 ml, jedna na jedno semeno)
- Promývací láhev
- Krabička na boty
- Lampa
- Hodiny (posunou čas o 24 h)
Produkty
- Fazole (3)
- Půda
- Vodovodní voda