Kiełkowanie to moment, w którym suche, uśpione nasiono staje się żywą rośliną. Woda pobrana w procesie imbibicji reaktywuje metabolizm nasiona, enzymy rozkładają skrobię i białka zgromadzone w liścieniach, korzeń zarodkowy przebija się na zewnątrz i zakotwicza siewkę, a pęd kieruje się ku powierzchni. Nic z tego nie wymaga światła: nasiono kiełkuje doskonale w ciemności, korzystając z nagromadzonych w nim zapasów. Tym, co wymaga światła, jest kolejny etap. Chlorofil nie może zostać wytworzony w ciemności, więc siewka, która dociera do powietrza bez światła, pozostaje blada, utrzymuje swoją łodygę wygiętą w ochronny haczyk i nigdy nie otwiera liści; żyje ze swoich zapasów, aż te się wyczerpią. W obecności światła haczyk prostuje się, liścienie i pierwsze liście rozwijają się i zielenieją, a roślina przechodzi ze zużywania swoich zapasów do wytwarzania własnego cukru w procesie fotosyntezy. Firmy nasienne, hodowcy i właściciele szklarni polegają na dokładnej wiedzy o tym, ile światła siewka potrzebuje, aby dokonać tej transformacji i jak szybko to następuje. W tym laboratorium zmiękczysz w wodzie trzy nasiona fasoli, zasadzisz je w trzech identycznych, ponumerowanych doniczkach, a następnie umieścisz każdą doniczkę w innym środowisku świetlnym: doniczkę 1 wewnątrz zamkniętego pudełka po butach, doniczkę 2 na blacie obok zlewów w zwykłym świetle pokojowym, a doniczkę 3 bezpośrednio pod włączoną lampą. Wszystkie trzy otrzymają tę samą glebę i to samo podlewanie. Następnie przesuniesz czas do przodu o 24 godziny na raz i będziesz podlewać rośliny każdego dnia przez odpowiednik dziesięciu dni, fotografując codziennie wszystkie trzy doniczki, tak aby światło było jedyną zmienną je różniącą.
Cele edukacyjne
Zapoznanie się ze środowiskiem laboratoryjnym
- Zlokalizuj i zidentyfikuj doniczki, zlewki o pojemności 50 ml, butelkę tryskawkową, lampę, pudełko po butach oraz zegar, a także określ rolę, jaką każdy z tych przedmiotów odgrywa w doświadczeniu.
- Znajdź tabelę zdjęć na tablecie i zrozum, że zawiera ona jedną fotografię każdej doniczki dla każdego dnia eksperymentu.
Projekt porównania kontrolowanego
- Zidentyfikuj światło jako zmienną niezależną i wymien to, co jest celowo utrzymywane jako stałe: ten sam rodzaj nasion, ta sama gleba, ta sama doniczka, ta sama objętość wody według tego samego harmonogramu oraz ta sama temperatura.
- Wyjaśnij, dlaczego trzy garnki muszą być traktowane identycznie pod każdym innym względem, aby jakakolwiek różnica między nimi miała jakiekolwiek znaczenie.
Przygotowanie nasion i sadzenie
- Zamocz jedno ziarno w każdej z trzech zlewek o pojemności 50 ml napełnionych do połowy wodą z kranu i wyjaśnij, dlaczego zmiękczenie łupiny nasiennej przyspiesza kiełkowanie.
- Zasiej namoczone nasiona w ponumerowanych doniczkach i śledź, które nasiono znajduje się w której doniczce przez całe dziesięć dni.
Codzienna konserwacja i kontrola czasu
- Codziennie podlej wszystkie trzy doniczki za pomocą butelki tryskawkowej, wlewając do każdej taką samą ilość wody.
- Przesuń zegar do przodu o 24 godziny i powtórz cykl, aby dziesięciodniowa sekwencja była kompletna i nieprzerwana.
Obserwacja i prowadzenie dokumentacji
- Zapisz dla każdej doniczki każdego dnia, czy pęd się pojawił, jego przybliżoną wysokość, kolor oraz czy haczyk się otworzył i liście się rozwinęły.
- Użyj codziennych zdjęć, aby ustalić dzień, w którym wystąpił każdy etap, zamiast polegać na pamięci pod koniec.
Interpretacja wyniku
- Rozróżnij kiełkowanie, które zachodzi we wszystkich trzech doniczkach, od późniejszego wzrostu i zazieleniania, które w nich nie zachodzą.
- Powiąż wygląd każdego siewki z dostępnym dla niej światłem i określ, co eksperyment może, a czego nie może udowodnić przy użyciu jednej rośliny na każdą próbę.
Protokół
Przygotowanie i obserwacja
- Umieść po jednym nasionku fasoli w każdym z trzech 50-mililitrowych zlewkokrućców.
- Napełnij każdy 50 ml zlewkę do połowy wodą z kranu, aby zmiękczyć nasiona fasoli.
- Posadź nasiona fasoli do doniczek oznaczonych numerami od 1 do 3 (aby je podnieść, umieść otwartą dłoń skierowaną ku górze u podstawy zlewki).
- Używając butelki z wodą, podlej rośliny fasoli ponumerowane od 1 do 3.
- Umieść fasolę roślinę 1 w pudełku po butach, fasolę roślinę 2 na blacie obok zlewu, a fasolę roślinę 3 umieść pod lampą oświetleniową.
- Włącz lampę.
- Musisz poczekać kilka dni, aby zaobserwować kiełkowanie fasoli, zależnie od warunków podlewania i oświetlenia.
- Kliknij czerwony przycisk zegara, aby przesunąć czas o 24 godziny.
- Podlej każdą z trzech roślin przy użyciu butelki z rozpylaczem.
- Powtórz krok przyspieszenia czasu o 24 godziny i podlania trzech roślin (kroki 8 i 9) i obserwuj ewolucję rośliny fasoli aż do upływu okresu odpowiadającego 10 dniom.
- Obserwuj ewolucję kiełkowania roślin fasoli w zależności od ekspozycji na światło w ciągu dni.
- Wyniki znajdują się w tabeli w tablecie.
Przewidywane wyniki
Wyniki można znaleźć pod tym linkiem (PDF)
Wszystkie trzy nasiona kiełkują. To, co je dzieli, to wszystko, co dzieje się po tym, jak pęd dotrze do powietrza. Tabela poniżej przedstawia stan każdej doniczki na koniec dziesięciodniowej sekwencji, odnotowany na codziennych fotografiach z symulacji.
| Garnek | Pozycja | Otrzymano światło | Stan w dniu 10 |
|---|---|---|---|
| 1 | W zamkniętym pudełku na buty | Żadne, poza momentami, gdy pudełko jest otwierane w celu podlewania | Kiełkowanie nastąpiło. Pęd jest kremowy do bladożółtego bez śladu zieleni, hipokotyl jest nadal zgięty w haczyk, a liście nie rozwinęły się. |
| 2 | Na blacie obok zlewki | Zwykłe oświetlenie pokoju, pośrednie | Wyszło i zpierzchło. Łodyga jest wyprostowana, szyjka się otworzyła, a wąskie zielone liście znajdują się ponad powierzchnią gleby; obumarły liścian jest widoczny na powierzchni |
| 3 | Bezpośrednio pod lampą, lampa włączona | Silne, ciągłe światło sztuczne z bliskiej odległości | Wypuściły kiełki, zazieleniły się i są najbardziej rozwinięte z całej trójki: grubsza, wyprostowana łodyga niesie największą i najszerszą powierzchnię liściową |
Codzienne fotografie pozwalają również na datowanie samej sekwencji kiełkowania. Fasola kiełkuje nadziemnie, więc poszczególne etapy następuje w stałej kolejności, a ta sama kolejność pojawia się we wszystkich trzech doniczkach, pomimo że tylko w dwóch z nich rozwijają się liście.
| Scena | Co jest widoczne | Co się dzieje w środku |
|---|---|---|
| Imbibicja | Nasiono namoczone jest widocznie powiększone, a jego łupina jest pomarszczona lub pęknięta | Woda wnika do nasion, tkanki ulegają rehydratacji i metabolizm zostaje wznowiony; enzymy zaczynają rozkładać zmagazynowaną skrobię na cukry |
| Pojawienie się korzonka | Nic jeszcze nad ziemią | Główny korzeń rośnie najpierw w dół, zakotwiczając siewkę i pobierając wodę, zanim pęd podejmie dalszy wzrost |
| Łuk hipokotylowy | Blada, zgięta pętla łodygi przebija powierzchnię, a jej czubek skierowany jest w dół | Łodyga wydłuża się w postaci haka, tak że wierzchołek wzrostu i liścienie są wyciągane przez glebę, a nie przez nią przepychane |
| Liścienie nad ziemią | Dwa grube, jasne liścienie są unoszone ponad ziemię | Rezerwy są teraz unoszone w powietrzu; siewka nadal żyje całkowicie z nich |
| Deetiolacja | Tylko w doniczkach 2 i 3: haczyk prostuje się, a wszystko nad ziemią staje się zielone | Światło uruchamia ostatni etap syntezy chlorofilu i przełącza siewkę z programu wzrostu w ciemności na program wzrostu na świetle. |
| Pierwsze liście właściwe | Tylko w doniczkach 2 i 3: liście rozwijają się nad liścieniami, które obumierają | Fotosynteza przejmuje rolę rezerw; roślina staje się samowystarczalna i dzieje się to najszybciej w najjaśniejszej doniczce |
Dlaczego światło nie jest potrzebne do kiełkowania, ale jest niezbędne do przeżycia. Kiełkowanie wymaga wody, tlenu i odpowiedniej temperatury, a energia do tego procesu pochodzi z nasiona, a nie ze słońca: liścienie fasoli są magazynem skrobi, białka i lipidów, a amylazy hydrolizują tę skrocz do cukrów, którymi oddycha rosnący zarodek. Właśnie dlatego doniczka 1 kiełkuje w całkowitej ciemności w takim samym tempie jak pozostałe dwie. Zapasy są jednak ograniczone. Siewka staje się samowystarczalna dopiero wtedy, gdy jest w stanie przeprowadzić fotosyntezę, 6 CO2 + 6 godz.2O + energia świetlna → C6H12O6 + 6 O2, a do tego potrzeba zielonej tkanki. Ostatni krok w budowie chlorofilu, czyli konwersja protochloroflidu do chloroflidu, jest u roślin kwitnących napędzany przez światło, więc siewka w ciemności fizycznie nie jest w stanie wytworzyć tego pigmentu. Doniczka nr 1 nie umiera więc z głodu dziesiątego dnia – ma jeszcze rezerwy – ale nie ma drogi do stażenia się autotroficzną i pozostawiona w pudełku wyczerpałaby liścienie i umarła.
Dwa programy wzrostu, jedna sadzonka. Nasiono w ciemności nie po prostu nie rośnie – realizuje ono inny i całkowicie sensowny program, zwany skotomorfogenezą. Wydłużenie łodygi jest preferowane nad rozwijaniem liści, chlorofil nie jest produkowany, a wierzchołek jest chroniony wewnątrz haka, ponieważ w naturze ciemność oznacza, że siewka znajduje się jeszcze pod ziemią i jej jedynym użytecznym krokiem jest dotarcie do powierzchni. Pierwsze światło, jakie otrzymuje, jest wykrywane przez fotoreceptory – fitochromy dla światła czerwonego i dalekiej czerwoni, kryptochromy dla niebieskiego – i przełącza roślinę w fotomorfogenezę: hak się otwiera, wydłużanie łodygi zwalnia, liścienie i liście rozwijają się, a chlorofil gromadzi się. Doniczka 1 pokazuje program ciemni, doniczki 2 i 3 pokazują program świetlny, a różnica między doniczkami 2 i 3 pokazuje, że program świetlny nadal reaguje na ilość światła.
Dlaczego lampa pokonuje licznik. Te trzy pozycje różnią się bardziej, niż można by przypuszczać. Pośrednie oświetlenie wnętrza na blacie ma zazwyczaj rzędu 100 do 500 luksów, lampka biurkowa z bliskiej odległości daje kilka tysięcy luksów, a pełne światło dzienne na zewnątrz wynosi od około 10 000 luksów do ponad 100 000 luksów. Liść fasoli osiąga swój punkt kompensacji – w którym fotosynteza dokładnie równoważy oddychanie – przy kilkudziesięciu µmolach fotonów na m2 na sekundę i nasyca się dopiero znacznie powyżej tej wartości. Doniczka 2 znajduje się zatem powyżej progu, przy którym może przeżyć i zazielenić się, ale znacznie poniżej poziomu, na którym rośnie tak szybko, jak to możliwe, podczas gdy doniczka 3 jest bliżej tego poziomu, dlatego gromadzi większą powierzchnię liści w ciągu tych samych dziesięciu dni. Kolejność trzech doniczek jest odzwierciedleniem ilości światła, które otrzymują.
Podsumowanie zadania według zakresu ocen
Klasy 9–10
- Skupienie: różnica między kiełkowaniem a wzrostem oraz słownictwo dotyczące kontrolowanego porównania.
- Aktywności: przygotuj trzy doniczki i podlewaj je według tego samego harmonogramu; zapisuj kolor, wysokość i stan liści dla każdej doniczki każdego dnia w tabeli takiej jak Tabela 1; wskaż jedną zmienną, która została zmieniona, i wymien trzy, które utrzymano jako stałe; określ, która doniczka poradziła sobie najlepiej, a która najgorzej, i wyjaśnij w jednym zdaniu, dlaczego doniczka w pudełku jest blada.
Klasa 11
- Skupienie: ilościowe porównanie trzech sposobów leczenia oraz chemia stojąca za tym kolorem.
- Aktywności: odczytaj wysokość z codziennych fotografii i wykresz wysokość w funkcji dnia dla wszystkich trzech doniczek na jednym układzie współrzędnych; wyjaśnij, dlaczego chlorofil nie może być wytwarzany w ciemności, i podaj nazwę etapu barwnikowego, który światło odblokowuje; wyjaśnij obecność haku oraz jego prostowanie się; wyjaśnij, w jaki sposób siewka w pudełku w ogóle utrzymuje się przy życiu, i przewidź, co by się z nią stało, gdyby została przeniesiona pod lampę dziesiątego dnia; ułóż trzy stanowiska według natężenia oświetlenia i powiąż to uporządkowanie z zaobserwowanym wzrostem.
Klasa 12 / Poziom akademicki
- Skupienie: projekt doświadczenia oraz to, co pojedyncza siewka w ramach traktowania może, a czego nie może wykazać.
- Aktywności: Wymień każdą zmienną, którą ten protokół pozostawia niekontrolowaną, i określ replikację, randomizację pozycji doniczek oraz ślepą próbę punktacji, które byłyby potrzebne, aby przekształcić pokaz w pomiar; argumentuj na rzecz suchej masy i powierzchni liści zamiast wysokości jako zmiennej reakcji i opisz, jak każda z nich byłaby mierzona; wyjaśnij etiolację jako strategię adaptacyjną, a nie defekt, oraz odróżnij role fitochromu i kryptochromu; zaprojektuj eksperyment uzupełniający, który oddziela efekt ilości światła od jakości światła, na przykład traktowanie wyłącznie światłem niebieskim i wyłącznie czerwonym przy dopasowanym strumieniu fotonów; oraz wyjaśnij, dlaczego codzienne otwieranie pudełka w celu podlania doniczki 1 osłabia traktowanie ciemnością i jak byś tego uniknął.
Podstawowe wyposażenie laboratorium
Instrumenty
- Doniczki (3, o numerach od 1 do 3)
- Zlewiki (50 ml, po jednej na nasiono)
- Tryskawka
- Pudełko na buty
- Lampa
- Zegar (przesuwa czas o 24 godz.)
Produkty
- Nasiona faszy (3)
- Gleba
- Woda z kranu