Germinarea este momentul în care o sămânță uscată și latentă devine o plantă vie. Apa absorbită prin imbibiție reactivează metabolismul seminței, enzimele descompun amidonul și proteinele stocate în cotiledoane, radicula iese și ancorează plăntuța, iar tulpina urcă spre suprafață. Nimic din toate acestea nu necesită lumină: o sămânță germinează perfect în întuneric, bazându-se pe rezervele acumulate în ea. Ceea ce necesită lumină este pasul următor. Clorofila nu poate fi sintetizată în întuneric, așa că o plăntuță care ajunge la suprafață fără lumină rămâne palidă, își menține tulpina îndoită într-un cârlig protector și nu își deschide niciodată frunzele; ea trăiește din rezervele sale până când acestea se epuizează. În prezența luminii, cârligul se îndreaptă, cotiledoanele și primele frunze se extind și devin verzi, iar planta trece de la consumul rezervelor la producerea propriei sale hrane prin fotosinteză. Companiile de semințe, agricultorii și operatorii de sere depind de cunoașterea exactă a cantității de lumină de care are nevoie o plăntuță pentru a face această tranziție și a vitezei cu care o realizează. În acest laborator, veți înmuia trei semințe de fasole în apă, le veți planta în trei ghivece identice numerotate și apoi veți plasa fiecare ghivece într-un mediu luminos diferit: ghiveciul 1 în interiorul unei cutii de pantofi închise, ghiveciul 2 pe tejghea, lângă chiuvetă, în llumina obișnuită a camerei, și ghiveciul 3 direct sub o lampă aprinsă. Toate cele trei primesc același sol și aceeași cantitate de apă. Veți avansa apoi ceasul cu câte 24 de ore și veți uda plantele în fiecare zi timp de echivalentul a zece zile, fotografiind toate cele trei ghivece zilnic, astfel încât lumina să fie singura variabilă care le separă.
Obiective educaționale
Familiarizarea cu mediul de laborator
- Localizați și identificați ghivecele de flori, paharele Berzelius de 50 mL, sticla de spălare, lampa, cutia de pantofi și ceasul și menționați rolul pe care îl joacă fiecare în experiment.
- Găsește tabelul cu imagini de pe tabletă și înțelege că acesta conține o fotografie a fiecărui ghiveci pentru fiecare zi a experimentului.
Proiectarea unei comparații controlate
- Identificați lumina ca variabilă independentă și numiți ceea ce este menținut în mod deliberat constant: același tip de semințe, același sol, același ghiveci, același volum de apă după același program și aceeași temperatură.
- Explicați de ce cele trei oale trebuie tratate identic în toate celelalte privințe pentru ca orice diferență dintre ele să însemne ceva.
Pregătirea semințelor și plantarea
- Înmoaie câte o boabă în fiecare dintre cele trei pahare Berzelius de 50 mL umplute pe jumătate cu apă de la robinet și explică de ce înmuierea tegumentului seminței accelerează germinarea.
- Plantați semințele înmuiate în ghivecele numerotate și țineți evidența cărei semințe îi aparține fiecare ghiveci pe parcursul întregilor zece zile.
Întreținerea zilnică și controlul timpului
- Udă toate cele trei ghivece cu sticla de spălare în fiecare zi, dând fiecăruia aceeași cantitate.
- Dați ceasul înainte cu 24 de ore și repetați ciclul, astfel încât secvența de zece zile să fie completă și neîntreruptă.
Observare și evidență
- Înregistrează, pentru fiecare ghiveci și în fiecare zi, dacă lăstarul a răsărit, înălțimea sa aproximativă, culoarea și dacă cârligul s-a deschis și frunzele s-au extins.
- Folosește fotografiile zilnice pentru a stabili ziua exactă în care a avut loc fiecare etapă, în loc să te bazezi pe memorie la sfârșit.
Interpretarea rezultatului
- Faceți distincția între germinare, care are loc în toate cele trei ghivece, și creșterea și înverzirea ulterioare, care nu se produc.
- Corelează aspectul fiecărei răsaduri cu lumina de care a dispus și precizează ce poate și ce nu poate dovedi experimentul cu o singură plantă per condiție.
Protocol
Pregătirea și observația
- Pune câte o sămânță de fasole în fiecare dintre cele trei pahare Berzelius de 50 mL.
- Umpleți fiecare eprubetă de 50 mL pe jumătate cu apă de la robinet pentru a înmuia semințele de fasole.
- Plantați semințele de fasole în ghivecele numerotate de la 1 la 3 (pentru a le colecta, plasați mâna deschisă cu palma în sus la baza paharului).
- Folosind sticla de stropit, udați plantele de fasole numerotate de la 1 la 3.
- Pune planta de fasole 1 în cutia de pantofi, planta de fasole 2 pe tejghea lângă chiuvetă, iar planta de fasole 3 ar trebui să fie sub lampa de iluminat.
- Aprinde veioza.
- Trebuie să așteptați câteva zile pentru a observa germinarea plantei de fasole, în funcție de condițiile de udare și lumină.
- Apăsați butonul roșu al ceasului pentru a avansa timpul cu 24 de ore.
- Udă fiecare dintre cele trei plante folosind sticla de stropit.
- Repetați pasul de avansare a timpului cu 24 de ore și de udat cele trei plante (pașii 8 și 9) și observați evoluția plantei de fasole până la scurgerea echivalentului unei perioade de 10 zile.
- Observați evoluția germinării plantei de fasole în raport cu expunerea la lumină pe parcursul zilelor.
- Rezultatele se găsesc în tabelul din tabletă.
Rezultate anticipate
Rezultatele pot fi găsite accesând acest link (PDF)
Toate cele trei semințe germinează. Ceea ce le separă este tot ceea ce se întâmplă după ce lăstarul ajunge la aer. Tabelul de mai jos prezintă starea fiecărui ghiveci la sfârșitul secvenței de zece zile, așa cum a fost înregistrată în fotografiile zilnice ale simulării.
| Pot | Poziție | Lumină primită | Statul în ziua 10 |
|---|---|---|---|
| 1 | În cutia de pantofi închisă | Niciunul, în afară de momentele în care cutia este deschisă pentru udat | Germinat. Lăstarul este de culoare crem până la galben pal, fără nicio urmă de verde, hipocotilul este încă îndoit în formă de cârlig și nicio frunză nu s-a dezvoltat |
| 2 | Pe blatul de lângă chiuvetă | Iluminat obișnuit de cameră, indirect | Germinat și înverzit. Tulpina este dreaptă, cârligul s-a deschis și frunzele verzi și înguste sunt ținute deasupra solului; cotiledonul epuizat este vizibil la suprafață. |
| 3 | Direct sub lampă, cu lampa aprinsă | Lumină artificială puternică și continuă la distanță mică | Germinat, înverzit și cel mai dezvoltat dintre cei trei: o tulpină verticală mai groasă, purtând cea mai mare și mai lată suprafață foliară |
Fotografiile zilnice permit, de asemenea, ca însăși secvența germinării să fie datată. O fasole este un germinator epigeic, așa că etapele se succed într-o ordine fixă, iar aceeași ordine apare în toate cele trei ghivece, chiar dacă doar două dintre ele ajung să dezvolte frunze.
| Scenă | Ce este vizibil | Ce se întâmplă înăuntru |
|---|---|---|
| Imbibiție | Sămânța înmuiată este vizibil umflată, iar învelișul ei este încrețit sau crăpat | Apa pătrunde în sămânță, țesuturile se rehidratează și metabolismul repornește; enzimele încep să descompună amidonul stocat în zaharuri |
| Apariția radiculei | Nimic deasupra solului încă | Rădăcina principală crește în jos mai întâi, ancorând răsadul și absorbind apa înainte ca lăstarul să se angajeze |
| Arcul hipocotil | O buclă palidă și curbată a tulpinii străpunge suprafața, cu vârful îndreptat în jos | Tulpina se alungește sub formă de cârlig, astfel încât vârful în creștere și cotiledoanele sunt trase prin sol, mai degrabă decât împinse prin acesta |
| Cotiledoane deasupra solului | Două frunze semințiale groase și palide sunt ridicate deasupra solului | Rezervele sunt transportate acum prin aer; răsadul trăiește încă în întregime pe seama lor |
| De-etiolare | Numai în ghivecele 2 și 3: cârligul se îndreaptă și tot ce se află deasupra solului devine verde | Lumina declanșează ultimul pas al sintezei clorofilei și comută plantula de la programul său de creștere în întuneric la programul său de creștere în lumină. |
| Primele frunze adevărate | Numai în ghivecele 2 și 3: frunzele se dezvoltă deasupra cotiledoanelor, care se ofilesc | Fotosinteza preia rolul rezervelor; planta devine independentă și face acest lucru cel mai repede în ghivecelul cel mai luminos. |
De ce lumina nu este necesară pentru germinare, dar este necesară pentru supraviețuire. Germinarea necesită apă, oxigen și o temperatură adecvată, iar energia pentru aceasta provine din sămânță, nu de la soare: cotiledoanele unei fasole sunt o rezervă de amidon, proteine și lipide, iar amilazele hidrolizează acel amidon în zucuri pe care embrionul în creștere le respiră. Acesta este motivul pentru care ghiveciul 1 germinează în întuneric total în același ritm cu celelalte două. Rezervele sunt însă finite. O plantulă devine autosuficientă abia când poate efectua fotosinteza, 6 CO2 + 6 ORE2O + energie luminoasă → C6H12O6 + 6 O2, iar acest lucru necesită țesut verde. Pasul final în construirea clorofilei, conversia protofilorofilidei în clorofilidă, este el însuși condus de lumină la plantele cu flori, astfel încât o plantă tânără aflată în întuneric nu poate produce fizic pigmentul. Prin urmare, Ghiveciul 1 nu moare de foame în a 10-a zi — încă mai are rezerve — dar nu are nicio cale de a deveni autotrof și, lăsat în cutie, și-ar epuiza cotiledoanele și ar muri.
Două programe de creștere, o singură răsadnică. O sămânță în întuneric nu eșuează pur și simplu să crească; ea urmează un program diferit și perfect logic, numit scotomorfogeneză. Alungirea tulpinii este favorizată în detrimentul extinderii frunzelor, nu se produce clorofilă, iar vârful este protejat în interiorul unui cârlig, deoarece în natură întunericul înseamnă că răsadul este încă în subteran și singura lui mișcare utilă este să ajungă la suprafață. Prima lumină pe care o primește este detectată de fotoreceptori — fitocromi pentru lumina roșie și roșie-îndepărtată, criptocromi pentru cea albastră — și comută planta pe fotomorfogeneză: cârligul se deschide, alungirea tulpinii încetinește, cotiledoanele și frunzele se extind, iar clorofila se acumulează. Ghiveciul 1 arată programul de întuneric, ghiveceele 2 și 3 arată programul de lumină, iar diferența dintre ghivecele 2 și 3 arată că programul de lumină încă reacționează la cantitatea de lumină existentă.
De ce lampa bate contorul. Cele trei poziții diferă mai mult decât s-ar putea bănui. Iluminatul interior indirect de pe o tejghea este de obicei de ordinul a 100 până la 500 de lucși, o lampă de birou de mică distanță oferă câteva mii de lucși, iar lumina naturală exterioară completă variază de la aproximativ 10 000 de lucși la mai mult de 100 000 de lucși. O frunză de fasole își atinge punctul de compensare – unde fotosinteza echilibrează exact respirația – la câteva zeci de µmol de fotoni pe m2 pe secundă, și se satură abia mult deasupra acestui nivel. Ghiveciul 2 este, prin urmare, deasupra pragului la care poate supraviețui și se poate înverzi, dar mult sub nivelul la care crește atât de repede pe cât ar putea, în timp ce ghiveciul 3 este mai aproape de acel nivel, motiv pentru care acumulează suprafața foliară mai mare în aceleași zece zile. Ierarhia celor trei ghiveciuri este ierarhia luminii pe care o primesc.
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
- Concentrare: diferența dintre germinare și creștere, și vocabularul unei comparații controlate.
- Activități: aranjați cele trei ghivece și udați-le după același program; înregistrați culoarea, înălțimea și starea frunzelor pentru fiecare ghiveci în fiecare zi într-un tabel cum este Tabelul 1; identificați singura variabilă care a fost modificată și enumerați trei care au fost menținute constante; menționați care ghiveci s-a descurcat cel mai bine și care cel mai rău și explicați într-o propoziție de ce ghiveciul din cutie este palid.
Clasa a XI-a
- Concentrare: comparația cantitativă a celor trei tratamente și chimia din spatele culorii.
- Activități: citește înălțimile din fotografiile zilnice și reprezintă grafic înălțimea în funcție de zi pentru toate cele trei ghivece pe un singur set de axe; explică de ce clorofila nu poate fi produsă în întuneric și denumește stadiul pigmentar pe care lumina îl deblochează; explică cârligul și deschiderea acestuia; explică cum reușește răsadul din cutie să rămână în viață și prezice ce s-ar întâmpla cu acesta dacă ar fi mutat sub lampă în ziua 10; clasifica cele trei poziții în funcție de iluminare și corelează clasamentul cu creșterea observată.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
- Concentrare: proiectarea experimentală și ce poate și ce nu poate stabili o singură răsadură per tratament.
- Activități: listați fiecare variabilă lăsată necontrolată de acest protocol și specificați replicarea, randomizarea poziției ghivecelor și evaluarea orb (blind scoring) care ar fi necesare pentru a transforma demonstrația într-o măsurătoare; argumentați în favoarea biomasei uscate și a suprafeței foliare în detrimentul înălțimii ca variabilă de răspuns și descrieți modul în care ar fi măsurată fiecare; explicați etiolarea ca strategie adaptativă și nu ca pe un defect și distingeți rolurile fitocromului și criptocromului; concepeți un experiment de urmărire care separă efectul cantității de lumină de cel al calității luminii, de exemplu un tratament exclusiv albastru și unul exclusiv roșu la un flux de fotoni egal; și explicați de ce deschiderea cutiei în fiecare zi pentru a uda ghiveciul 1 slăbește tratamentul la întuneric și cum ați evita acest lucru.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Ghivece de flori (3, numerotate de la 1 la 3)
- Pahare Berzelius (50 mL, câte unul pentru fiecare sămânță)
- Sticlă de spălare
- Cutie de pantofi
- Lampă
- Ceas (avansează timpul cu 24 h)
Produse
- Semințe de fasole (3)
- Sol
- Apă de la robinet