Сведения о физиологии растений, получаемые учениками в курсе ботаники средней школы, предельно кратки. А предлагаемые эксперименты не всегда отличаются простотой проведения в сочетании со строгостью доказательств и однозначностью выводов. Например, в одном широко используемом учебнике предлагается поставить растение в цветочном горшке в замкнутый объем. Весь углекислый газ из объема автор эксперимента рассчитывает удалить раствором щелочи, стоящей в том же объеме. А то, что почва продолжает его продуцировать, более того, что растение может получать карбонат-ионы прямо из почвенного раствора, как-то забывает.
Не располагая хорошим аналитическим оборудованием, опыты по газообмену вообще ставить довольно рискованно. Углекислый газ тяжелее воздуха, но не настолько, чтобы при неоднократном открывании емкости не было риска вытеснить его волной воздуха, вызванной движением руки экспериментатора. А если лучинка все-таки не погаснет сразу, то эффект будет «смазан». Можно, конечно, провести серию тренировочных опытов, но все ли учителя располагают для этого временем и достаточным энтузиазмом?
Предлагаемые нами опыты просты в подготовке и исполнении. А самое главное, они всегда ставятся в сравнении. Сущность параллельных экспериментов состоит в том, что мы изменяем какой-то один значимый фактор (во всяком случае стремимся к этому!). Остальные действуют параллельно, и, следовательно, их влиянием можно пренебречь. Наблюдение за контрольным растением позволяет сделать однозначный вывод.
Для экспериментов потребуется: чистая вода (можно кипяченая водопроводная), а также валлиснерия, саггитария (стрелолист), элодея или любое другое неприхотливое аквариумное растение, два одинаковых аквариума, глина, песок, два термометра, небольшие пластмассовые прозрачные емкости в качестве горшочков для растений, лампа накаливания и лампа дневного света с рефлекторами.
Растения наверняка найдутся дома хотя бы у одного из учеников, у которого есть аквариум. Можно добыть их и из любого более-менее крупного природного водоема (даже зимой – из проруби). Элодея и роголистник практически не имеют периода покоя и, попав в комнатные условия, начинают быстро расти. Автор этой статьи несколько лет назад принес домой роголистник в январе. Из нескольких зимних почек на свету и в тепле за полтора месяца образовались цветущие (в буквальном смысле) заросли, заполнившие аквариум объемом 70 л! Нежелательно только сразу помещать растения из проруби в теплую воду – 20о? перепада температур может оказаться многовато.
Вода... Даже если та, что течет из школьного крана, ржавая, жесткая и дурно пахнет, после кипячения, отстаивания и процеживания через чистую тряпочку вполне пригодна. В конце концов можно принести десяток литров из того источника, которым все пользуются для питья.
В качестве аквариумов вполне подойдут пластиковые бутылки объемом 5 л и даже двухлитровые. Важно, чтобы они были одинаковыми! (Например, одной фирмы.) И максимально бесцветными. Глину легко добыть даже зимой: в погребе, на раскопанной теплотрассе и т.п. Ее нужно немного – комок с кулак величиной. То же и песок. Но его нужно промыть водой и прокипятить. Термометры есть у коллеги – учителя химии или на любом развале. Нам не нужна точность как абсолютного значения температуры, так и цены деления. Вполне достаточно оконного спиртового термометра (ртутные лучше не использовать). Рефлектором для лампы накаливания может служить большая жестяная консервная банка, для трубки дневного света – несколько, уложенных черепицей. Прозрачными горшочками чудесно могут стать одноразовые стаканчики или емкости из-под повидла.
Конечно, кое-что из перечисленного у вас найдется вполне «нормальное». Может быть даже всё вплоть до дистиллятора. Но мы намеренно предполагаем предельно сложную ситуацию.
Опыт № 1. «Наличие субстрата»
Для этого опыта достаточно одной емкости-аквариума. Берем два визульно одинаковых некрупных экземпляра растения, например валлиснерии, желательно одного клона. Различия в длине в несколько миллиметров несущественно, а вот количество листьев и примерное количество корней должны быть одинаковыми. Если одно из растений несколько (ненамного!) крупнее, именно его выбираем в качестве контрольного, Так будет заметнее влияние исследуемого фактора.
Берем порцию песка объемом с пластмассовый стаканчик, добавляем в емкость и тщательно перемешиваем с водой. При использовании бутылок это сделать особенно легко – достаточно несколько раз их интенсивно встряхнуть. Воду сливаем в запасную емкость. Песок перекладываем в стаканчик, в который сажаем растение валлиснерии. Аккуратно (чтобы не размыть песок в стаканчике и растение не всплыло) заполняем аквариум той водой, в которой промывали песок. Второе растение пускаем свободно плавать. Ставим емкость на окно.
Возможное наличие в песке некоторого количества питательных веществ (адсорбционная способность песка не очень велика) компенсируется предварительной промывкой и тщательным перемешиванием, в ходе которого эти вещества переходят и в воду аквариума. Таким образом, единственным фактором, различающимся для опытного и контрольного растения, является наличие субстрата. В смысле газообмена растение, плавающее на поверхности воды (контрольное), находится даже в более выгодном положении. По окончании опыта (от двух недель до месяца) сравниваем растения. Какое крупнее? (Наличие субстрата обеспечивает правильное положение растения в среде и соответственно, нормальное протекание обменных процессов.)
Опыт № 2. «Состав субстрата»
В этом эксперименте высаживаются оба растения, но второе вместо стаканчика с песком сажают в стаканчик с глиной. Природная глина, обладая значительной адсорбционной способностью, содержит большое количество минеральных питательных веществ, необходимых для роста и развития растения. Даже если оба растения оказываются в одной емкости, растворение веществ из глины в общем объеме аквариумной воды оказывается довольно медленным. Еще большая разница в скорости роста будет наблюдаться, если растения окажутся в разных аквариумах.
Опыт № 3. «Интенсивность освещения»
Оба растения высаживаются в глину. Но один из аквариумов загораживается от света из окна, например, плотным картоном. В каком аквариуме растение вырастет более крупным?
Если окно чистое и светлое, весной при попадании на растение прямых солнечных лучей можно наблюдать выделение кислорода в виде более-менее интенсивной цепочки пузырьков от некоторых листьев. Процесс быстро прекращается, если растение затенить. Кислород можно собрать в небольшую емкость методом вытеснения воды. Проще всего в пластиковый пузырек, имеющий чуть меньшую, чем вода, плотность. Он плавает, даже будучи полностью заполненным водой, и всплывает все выше по мере заполнения снизу газом. Можно собрать кислород и в стеклянную пробирку. Далее газ можно определить любым традиционным способом (лучинка и пр.).
Опыт № 4. «Характер освещения»
Для этого опыта лучше всего подходят растения рода стрелолист (Sagittaria). Несколько тропических видов этого рода, выходцы из Америки, – обычные аквариумные растения. Называют их при этом почему-то по латыни – сагиттариями. В водах Средней полосы России растет другой вид этого же рода – стрелолист обыкновенный, с моей точки зрения значительно более декоративный.
Если стрелолист-сагиттарию освещать сбоку (лампа накаливания с рефлектором), листья у него образуются только ремневидные, подводные. Если источник света поместить сверху и он будет достаточной мощности (80–100 Вт), то довольно скоро кроме свободно плавающих ремневидных листьев появятся такие же по внешнему виду, но выступающие из воды. Затем появятся настоящие надводные листья, с расширенной надводной листовой пластинкой, округлой (у многих тропических видов) или стреловидной (у нашего – обыкновенного и некоторых других – чилийского, уругвайского). А затем растение порадует вас цветочной стрелкой с раздельнополыми, но однодомными цветами. Цветки с тремя лепестками раскрываются не одновременно, но мужские, как правило, успевают раскрыться до того, как женские потеряют способность к опылению, и вы можете получить вполне всхожие семена. Но опылять придется «вручную».
Можно попробовать освещать два аквариума разными источниками света – лампой накаливания и люминесцентной, с равным общим световым потоком. Легко убедиться, что многие растения лучше растут под лампой накаливания (здесь уместно вспомнить кривую поглощения света хлорофиллом), но в то же время цветения ряски без мощной ультрафиолетовой лампы вам добиться не удастся… Кстати, опыты с ряской эффектны, и их легко поставить. Ряска легко поддается учету, но в декоративный аквариум ее селить не стоит – истребить тяжело, и отмершие особи очень портят вид стекол.
Опыт № 5. «Влияние температуры»
Этот опыт проще всего ставить зимой, если под одним подоконником есть батарея отопления, а под другим (у окна, выходящего на ту же сторону) – нет, или ее можно как-то изолировать. Еще проще, если есть аквариумный нагреватель для воды. Ваша задача – добиться (при прочих равных условиях) разницы в температуре воды в аквариумах в 10–15 оC – и убедиться, что при более высокой температуре растения растут очевидно быстрее. Необходимо учесть только, что при температуре ниже +10 оC некоторые тропические виды чувствуют себя уже совсем плохо, что для наших целей не подходит. Лучше использовать элодею, валлиснерию, стрелолист. С другой стороны, выше +30 оC воду в аквариуме с любыми растениями нагревать не стоит.
Опыт № 6. «Влияние питательных веществ»
Для опыта потребуется какое-либо удобрение для комнатных растений. Водные растения усваивают минеральные вещества всей поверхностью. Попробуйте в два аквариума посадить валлиснерию в песок, но в один добавить раствор удобрений из расчета, например, 1 г минеральных солей (суммарное количество веществ) на литр воды. Можно повысить и понизить концентрацию, но существенно повышать ее не стоит: растения могут погибнуть. Умеренная же подкормка заметно ускорит их развитие.
Опыты можно ставить и с отдельными химическими веществами. Если опыты ставятся с природной водой, а не с дистиллированной, вы можете обнаружить, что особенно активно растения реагируют на добавления фосфатов. Во многих природных водоемах, исключая те, которые соприкасаются с фосфоритами, наблюдается дефицит именно этого элемента, он является лимитирующим фактором развития растений (в том числе при «цветении» водоема). Возможно, в ваших опытах вы получите хороший отклик и на какое-то другое вещество. Это может оказаться важным результатом, который следует учесть при поливе этой водой сухопутных растений.
Я сознательно обхожу молчанием опыты по внедрению в аквариум водных животных, например рыб. Безусловно, растения в присутствии многих рыб (кроме тех, которые растения едят или выкапывают из грунта) будут чувствовать себя лучше. Но вычленить ведущий фактор влияния в этом случае очень трудно. С кормом для рыб мы привносим множество минеральных и органических веществ. В процессе дыхания рыбы выделяют много углекислого газа. Физиологические выделения рыб богаты азотистыми и другими веществами. И, наконец, плавая, рыбы интенсивно перемешивают воду, способствуя доставке питательных веществ к растениям и отведению от них растительных выделений. А при длительной совместной жизни (примерно от одного месяца) продукты жизнедеятельности рыб, разлагаясь, заражают придонный слой воды сероводородом.
