ЗАВИСИМОСТЬ ОКРАСКИ ЦВЕТКОВ ОТ ВЫСОТЫ РАСТЕНИЙ

Авторы: Кагирова Зульфия Абдулхаевна, шк.112, кл. 10;
Савельева Наталья Антоновна, шк. 48, кл. 10.

Научный руководитель: Зайцева Валентина Васильевна,
педагог Челябинского Дворца пионеров
и школьников им.Н.К.Крупской

г. Челябинск

Зависимость окраски цветка от жизненной формы растения замечена еще в VI в. до н.э. Феофрастом (1). Однако в настоящий момент единственным исследованием, в котором сделана попытка выявления связи окраски цветка с жизненной формой и высотой растения, является работа Насимовича Ю.А. (2). Поскольку такое исследование в России не проводилось нигде, кроме Подмосковья мы решили обратиться к этой теме, избрав объектом своих исследований луговой сообщество в Еткульском районе нашей области. Кроме того, исследования Насимовича выполнены пока в самом общем виде и один из основных выводов звучит так: «Возможно построение логической схемы, объясняющей связь окраски цветка с высотой растения» (Насимович Ю.А. 1995 стр. 68). Мы взяли на себя смелость попытаться построить такие схемы. При этом мы сузили круг исследований, остановившись только на травянистых растениях, и поставив перед собой вопрос: «Есть ли связь между гаммой оттенков окраски венчика и высотой растения?».

Задачи в своей работе мы обозначили так:

1. Описать видовой состав исследованного травянистого сообщества.

2. Освоить методику исследований и математической обработки результатов.

3. Попытаться найти связь окраски цветка с высотой растения.

Обзор литературы по теме исследования

Отметим изначально, что исследований, посвященных связи окраски цветка с какими-либо параметрами растений, нами обнаружено крайне мало. Конкретно данным вопросам занимался в течение ряда лет Насимович Ю.А. И ряд статей этого автора изданы, в частности, в Ботаническом журнале, начиная с 1986 г. Знакомство с результатами работ Насимовича Ю.А. И породило наш интерес к данной теме. Для понимания процессов восприятия цвета и света человеком и животными, мы обратились к литературе по физике. Так основные теоретические положения взяты нами из курса физики Н.М.Ливенцева, предназначенного для медицинских институтов и рассматривающего указанные выше явления, в связи с особенностями живого организма. «При относительно невысоких температурах окружающих тел тепловое излучение представляет невидимое, наиболее длинноволновое излучение в инфракрасной части спектра. Тепловое излучение свойственно всем телам без исключения и происходит при любых температурах, отличных от абсолютного нуля» (Н.М.Ливенцев, 1978, с. 57). Сложный механизм восприятия света и цвета человеческим глазом подробно рассматривается в работе Толанского А. В его книге «Удивительные свойства света» мы нашли следующие теоретические посылы, исходя из которых, старались объяснить обнаруженные нами явления.

«Природа цвета бесспорно двойственна. Цвет, несомненно, складывается из чего-то присущего окрашенному объекту и в равной степени из определенных форм восприятия света человеческим глазом и мозгом… Цвет является субъективным ощущением в нескольких смыслах этого слова – даже глаз, великолепно различающий отдельные цвета ведет себя очень странно по отношению к свету, состоящему из нескольких цветов… Наблюдатель никогда не сможет с уверенностью сказать, видит ли он единственный чистый цвет (свет чистого тона) или субъективно интерпретирует цвет, принимая его за чистый, тогда как на самом деле то, что он видит представляет собой некоторую смесь света различных цветов» (Толанский А., 1969, с. 40-41).

«Известно, что белый свет состоит из целой гаммы – спектра цветов (мы называем свет белым, потому что наш глаз не в состоянии разложить его на цвета). Можно считать в первом приближении, что окрашенный объект, например, красный тюльпан, имеет такую окраску потому, что отражает красный цвет. Так рассуждать можно, но бывает на самом деле редко. По большей части цвет не связан с избирательным (селективным) отражением цветов… В данном случае, когда свет входит в окрашенные лепестки и возвращается обратно происходит поглощение всех цветов, за исключением красного. В конечном счете, свет, который выходит из окрашенных лепестков и попадает в глаз, оказывается красным». (Толанский А., 1996, с. 42-47).

В нашем исследовании важным является момент сопоставления физических законов оптики и тепловых процессов с биологическим функциями пигментов цветка. Исследований такого плана очень мало. В частности, мы обратились к статье Н.П.Малютина «О биологическом значении пигментов цветка» (6). Автор оспаривает давно утвердившееся убеждение, что окраска цветков выработана растениями для привлечения насекомых. Ссылаясь на исследования (Lерр, к, 1964 г.) автор считает безусловной тесную коррелятивную связь эволюцию цветков энтомофильных растений с эволюцией насекомых опылителей. Однако, эта связь в большей степени затрагивает форму и расположение органов цветка, а не его окраску. В своей статье Н.П.Малютин пишет, что окраска цветков не обеспечивает правильной информации о запасах нектара. А принимая во внимание полиморфозм многих видов окраска цветков не может считаться прочно закрепленным признаком. Наибольшим постоянством в этом отношении отличается запах.

Какова же в таком случае роль пигмента цветка?

«Пигменты могут выполнять и роль отражателей солнечных лучей, предохраняя цветки от чрезмерного перегрева и завядания», - пишет Н.П.Малютин в своей работе. Автор считает, что функции пигмента зависят от его химической структуры, которая регулирует интенсивность поглощения солнечного света. Автор не исключает также участие пигментов цветка «при содействии света» в образовании веществ, которые необходимы для развития тычинок и пестиков. Основываясь на анализе физических и химических свойств пигментов, Н.П.Малютин высказывает предположение, что окраска цветков является приспособлением к особенностям климата и солнечной радиации. Околоцветник в этом случае представляет собой солнечную батарею, в которой пигменты перерабатывают солнечный свет в необходимую для цветков тепловую энергию.

Методика работы

Наши исследования проводились в Еткульском районе нашей области в период с 14-24 июня 1999 г. Обращаем внимание на погодные условия: весна 1999 г. была затяжной и холодной, что отодвинуло наступление лета (последние заморозки зафиксированы в Еткульском районе 19 июня) поэтому затянулось цветение раннецветущих видов. Благодаря этому, мы обнаружили четыре цветущих популяции довольно редкого для Челябинской области растения – первоцвета длиннострелочного. Для своих исследований мы выбрали участок травостоя на опушке березового леса в двух километрах на северо-запад от деревни Шибаево, ограниченный с восточной и южной стороны двумя проселочными дорогами. Растительное сообщество, изученное группами ботаников в предыдущих экспедициях летом 1999 г., определено нами как остепененный луг. Нами был описан видовой состав данного сообщества и выбраны популяции растений для подробного исследования. Растения выбирались так, чтобы вполне была представлена цветовая гамма окраски цветков (в нашем случае от белой до темно-бурой). Всего нами подробно исследовано 13 видов представляющих именно эту цветовую гамму венчика. Для измерения высоты растения было отобрано по 50 экземпляров каждого вида. При математической обработке данных за размер растения принято среднее арифметическое из двух величин, характеризующих крайние размеры. Так рекомендует Насимович Ю.А. Однако, мы решили перепроверить свои результаты, складывая все 50 значений высоты растений и деля полученную сумму на 50. В работе Насимовича окраска цветков формализована: выделяется невзрачная окраска (зеленоватая или буровато-зеленоватая) и яркая, в том числе: белая, желтая, розовая, пурпурная, синяя. Мы, оставив основные значения. Подразделили окраски более подробно.

Белая: чисто белая, белая с зеленым оттенком, белая с чуть желтым оттенком, белая с желтым оттенком.

Желтая: ярко желтая, желтая, бледно-желтая, желто-зеленая.

Розовая и пурпурная: бледно-розовая, ярко-розовая, пурпурная, фиолетовая, темно-фиолетовая.

Синяя: синяя ближе к сиреневому; ярко-сиреневая, фиолетовая в сторону коричневого.

Полученные результаты мы попытались выставить по схеме «измения окраски – изменение высоты растения».

Результаты работы

1. Схемы изменения окраски и высоты растения.

1.Ветреница любка тмин лабазник

дубравная двулистная обыкновенный шестилепестный

(чисто-белый) (бело-зеленый) (бело-желтый) (бело-желтый)

34,78 см. 38,02 см. 46,04 см. 53,67 см.

2. Лютик мытник подмаринник молочай

едкий болотный настоящий острый

(ярко-желтый) (желтый) (бледно-желтый) (желто-зеленый)

49,24 см. 46,05 см. 45,40 см. 41,93 см.

3. Тимьян первоцвет астрагал колокольчик коровяк

губерлинский длиннострелочный датский раскидистый фиолетовый

(бледно-розовый) (ярко-лиловый) (пурпурный) (фиолетовый) (темно-фиол.)

19,11 см. 34,40 см. 39,34 см. 44,00 см. 55,78 см.

2. Все представленные схемы заставляют нас высказать гипотезу: чем сложнее цветовая композиция окраски лепестков у травянистых растений, тем выше само растение. В случае первой схемы (белые цветы) нами выявленная закономерность соответствует выводу, сделанному в работах Насимовича в том, что доля белоцветковых видов преобладает у низких трав по сравнению с высокими. Предположительно это объясняется соответствием функции цветков удерживать тепло их белоцветковыми, т.к. белые тела в меньшей степени способны к теплоизлучению, чем темные.

Следующим предположением может служить связь между окраской цветка и механизмом опыления. Здесь очень сложно установить закономерность, т.к. цветовосприятие у насекомых отлично от такового же человека и не для всех насекомых изучено. Описано, например, цветовосприятие у пчел и шмелей. Эти насекомые присутствуют среди опылителей технического и тылового обеспечения растений, которые нами изучены. Известно, в частности, что наиболее привлекательным для пчел является ультрафиолетово-синий. Человек такой свет не воспринимает. Далее по привлекательности следует чистый синий и фиолетовые цвета. Желтый пчелами почти не замечается, а красный их отпугивает. Следует принять во внимание, что кроме цвета цветки могут быть привлекательными для насекомых другими характеристиками, например, запахом. Поскольку мы не располагаем полными и точными данными о цветовосприятии насекомых опылителей, а также о том, какую долю среди прочих свойств цветка составляет цвет в привлечении насекомых, то мы можем только лишь предполагать связь окраски цветка и высоты растения с механизмом привлечения насекомых для опыления.

3. По данным Насимовича, доля белоцветковых видов от низких трав к высоким несколько уменьшается. Приняв в своем исследовании следующую градацию: низкие травы – средняя высота до 20-50 см, средние от 20-50 см, высокие – от 50-100 см и выше. Мы вычислили долю белоцветковых растений в каждой группе. У нас получилась следующая картина. Доля белоцветковых видов среди низкорослых трав составляет 30,76%, среди средних – 7,85%, среди высоких – 23%. Таким образом, и в наших исследованиях мы обнаруживаем уменьшение доли белоцветковых растений от низких трав к высоким, хотя о постепенном уменьшении доли или о какой-либо другой закономерности говорить мы не можем.

1. Очень важным моментом нашей работы, на котором мы останавливаемся подробно является обнаружение популяции редкого для нашей области растения первоцвета длиннострелочного (Primula lougus capa Ledeв). Эта популяция была обнаружена нами на той же самой поляне примыкающей к юго-восточной опушке березового леса, где мы проводили все наши исследования. Любопытно, что экспедиция Дворца пионеров выезжала в этот район уже 3-ий летний сезон, однако популяция была обнаружена только летом 1999 г. Это связано с необычными погодными условиями весны и лета 1999 г. Весна была холодной, затяжной, начало лета как бы отодвинулось (последний заморозок отмечен нами в районе экспедиции в ночь с 18 на 19 июня). Вследствие этого начало цветения луговых растений сместилось во времени. Видимо, в прошлые годы, приезжая на это место, мы заставали первоцветы уже отцветшими, а самым ярким признаком, отличающим первоцвет длиннострелочный от достаточно обычного для нашей области первоцвета весеннего, является окраска венчика. Ярко-лиловый насыщенный цвет лепестков и привлек наше внимание. Растение было загербарезировано и определено на кафедре ботаники ЧГПУ преподавателем Козловой Анны Яковленной. Выборка из 50 растений была замерена нами по общей методике. Данные были включены в общие результаты.

2. Исходя из утверждения Малютина Н.П. о том, что пигменты цветка служат главным образом для усвоения тепловой энергии солнца, попробуем рассмотреть полученные нами результаты. Преобладание белоцветковых видов у низких трав может быть объявлено следующим образом, низкие травы, находясь ближе к земле могут быть окружены более высокими и потому более теплоемким воздухом. Кроме того, в силу конвенции цветки их в большей степени нагреваются от земли. Белый же цвет, как известно в большей степени отражает солнечные лучи, чем другие цвета спектра, поэтому в данных условиях удержание цветка теплом становится менее актуальным, чем для более высоких растений и белоцветковость оказывается лучшим в данных условиях приспособлением, чем какая-либо иная окраска.

Как же выглядит с этой точки зрения высказанная нами гипотеза о том, что увеличение высоты растений связано с усложнением цветовой гаммы их цветков? Возможно, с увеличением высоты растения в более актуальной становится функция пигментов цветка переработки солнечного света в необходимую для цветков тепловую энергию. В таком случае, чем сложнее цветовая композиция, тем сложнее химическая структура пигментов, позволяющая поглощать лучи света с определенной длиной волны, и, в конечном счете, обеспечивающая больший тепловой эффект.

В подтверждение наших рассуждений сошлемся на исследования Дорогоневской (6), которая исследовала изменение окраски у растений одного вида и обнаружила, например, что чем выше в горах встречаются тот или иной вид (понижается температура окружающего воздуха), тем ярче становится окраска его цветков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В наших исследованиях обнаружена связь окраски цветка с высотой растения: с увеличением высоты растения усложняется цветовая гамма окраски цветков.

2. Преобладание белоцветковых растений среди низких трав может быть связано с тем, что они в меньшей степени способны к удержанию тепла, чем темные, но в большей степени нагреваются от почвы.

3. Усложнение цветовой гаммы окраски цветков с увеличением высоты растений может быть связано с большей приспособленностью к удержанию солнечных лучей и преобразованием их в тепловую энергию, необходимую для развития генеративных органов растений.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Феофраст «Исследование о растениях». М. Издательство академии наук СССР. 1951, с. 44.

2. Насимович Ю.А. «Окраска цветка в связи с высотой и жизненной формой растения на примере подмосковной флоры». Деп. в ВИНИТИ АН СССР, М. 1991, № 4380-В91, с. 17.

3. Насимович «Связь окраски цветка с высотой и жизненной формой растения». Ботанический журнал, 1995, т. 80 «Прибыль и убытки», № 11.

4. Ливенцев Н.М. «Курс физики», М., 1978, том 1, с. 336.

5. Толанский А. «Удивительные свойства света», М., 1969, с. 40-47.

6. Ботанический журнал, 1969, том 54, № 7.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Всего в пределах растительного сообщества, изучаемого нами, обнаружено 69 растений, принадлежащих к 20 семействам. Преобладают растения семейства злаковых. Список растений приведен в полном варианте работы. Здесь же помещаем фото популяции следующих растений:

Ветреница дубравная

Любка двулистная

Колокольчик раскидистый, астрагал датский, коровяк фиолетовый

Лабазник шестилепестный, лютик едкий

Первоцвет длиннострелочный