Edukacja środowiskowa - Wydział Biologii UW

Studia Podyplomowe dla nauczycieli drugiego przedmiotu – Biologia
Uniwersytet Warszawski, Wydział Biologii
Edukacja środowiskowa
ĆWICZENIE II
Opracował: dr Marcin Zych
W
Materiały: suszone lub świeże liście różnych
roślin (5-15 gatunków), woda, zlewki lub
naczynia do gotowania, szalki Petriego (szklane
lub plastikowe – po 5 na gatunek plus 5 na
zestaw kontrolny), bibuła lub lignina, nasiona
łatwo kiełkującej rośliny (np. rzodkiewka,
rzerzucha lub gorczyca), sitko, papierowe
torebki (koperty).
iększość roślin wytwarza związki
chemiczne, które wpływają na wzrost,
rozwój i stan innych organizmów. Najprostszym
przykładem jest nektar, produkowany w
kwiatach roślin okrytonasiennych, służący do
zwabiania owadów i pozostałych zapylaczy,
które chętnie się nim żywią. W przypadku
innych związków chemicznych sytuacja może
być zgoła odmienna – czynią one roślinę
niesmaczną lub wręcz niejadalną – co ma
chronić jej pędy przed zjedzeniem przez owady
lub inne zwierzęta roślinożerne. Odmienne
substancje stosowane są do spowalniania lub
hamowania kiełkowania i wzrostu sąsiadów –
czyli konkurentów o światło, wilgoć i
substancje mineralne. Ten ostatni przypadek –
określany jako allelopatia – będzie
perzedmiotem dzisiejszych badań.
• Dzielimy grupę na pięć zespołów, które
dostają zadanie znalezienia naturalnego
herbicydu roślinnego.
• W terenie wyszukujemy i zbieramy do
oddzielnych papierowych torebek liście
różnych gatunków roślin – zastanawiając się
przy tym, co może świadczyć o ich
ewentualnych allelopatycznych własnościach
– zawartość soku mlecznego, silny zapach
etc.? Możemy oddzielnie zbierać liście tej
samej rośliny będące w różnej fazie wzrostu
– np. młode, świeżo rozwinięte i stare, już
zamierające. W czasie zimy posiłkujemy się
ziołami zakupionymi w aptece lub zielarni.
• W pracowni odważamy równe porcje
rozdrobnionych świeżych lub suszonych liści
– 10 g w przypadku liści suchcych, 20 g w
przypadku świeżych.
• Następnie umieszczamy rozdrobniony
materiał roślinny w naczyniu (zlewce) z 200
ml wody (1 szklanka) i całość
doprowadzamy do wrzenia. Gotujemy ok. 10
min.
• Odstawiamy zagotowane wywary do
wystudzenia (jeżeli nie wykorzystujemy
wywarów tego samego dnia, po wystudzeniu
należy przechowywać je w lodówce).
• Do każdego wywaru przygotowujemy po
pięć szalek (plus dodatkowe pięć na zestaw
Badania laboratoryjne
„Oddziaływania allelopatyczne roślin”
Chęć ochrony różnorodności biologicznej może
mieć rożną motywację. Niekiedy możemy
odkryć, że dla niektórych osób najprostsze do
przyjęcia są pobudki wynikające z czynników
ekonomicznych. Jeżeli przyjmiemy, że niszcząc
różne gatunki, niszczymy także gatunki
potencjalnie dla nas użyteczne, z których w
przyszłości uzyskamy np. ważne leki lub środki
ochrony roślin uprawnych, łatwiej będzie nam
umotywować chęć ochrony wszystkich żyjących
organizmów.
Spróbujmy zabawić się w
przedstawicieli wielkiej kompanii chemicznej,
którzy zostali zatrudnieni do poszukiwania
gatunków roślin nadających się do
komercjalnego wykorzystania.
1
•
•
•
•
•
•
wych jest sposób przystosowania się do,
zdawałoby się, prostej czynności przeniesienia
pyłku na znamię słupka. Wiatropylność to
domena nagozalążkowych (choć niektóre
okrytonasienne są także wtórnie wiatropylne),
okrytozalążkowe znalazły sobie pewniejsze
przenośniki pyłku (a może to przenośniki
znalazły okrytozalążkowe?). Mowa oczywiście
o owadach. Pierwotnie zależności miedzy
owadami i roślinami były znacznie bardziej
jednostronne. Pierwsze owady – podobne do
chrząszczy – żerowały po prosu na zalążkach i
pyłku. Dla roślin była to droga i niezbyt
opłacalna forma współpracy. W trakcie ewolucji
zaczęła nabierać jednak kształtów wzajemnie
korzystnych powiązań. Obecne bogactwo
kształtów owadów i kwiatów to właśnie wynik
owych wzajemnych ewolucyjnych dostrojeń.
Drogie zalążki zastąpił tańszy pyłek, nektar czy
też inne korzyści (nie tylko pożywienie)
oferowane przez rośliny okrytozalążkowe.
Zwiększenie efektywności przenoszenia pyłku
przyniosły także zmiany morfologiczne
pozwalające ograniczyć liczbę taksonów
zwierzęcych zapylających konkretny gatunek
rośliny.
Analizując budowę kwiatów roślin okrytozalążkowych można prześledzić kilka tendencji
ewolucyjnych dotyczących przekształceń
kwiatu (większość z nich jest obserwowana
zarówno u jedno- jak i dwuliściennych):
• kwiat wielodziałkowy, częsci ułożone
spiralnie Æ kwiat o mniejszej liczbie
działek, części kwiatu w okółkach.
• Okwiat niezróżnicowany Æ okwiat
zróżnicowany na kielich i koronę
• Kwiat wolnodziałkowy Æ kwiat
zrosłodziałkowy
• Kwiat promienisty Æ kwiat grzbiecisty
• Kolejna, ciekawa tendencja ewolucyjna
dotyczy kwiatostanów, które w niektórych
rodzinach zaczynają się upodabniać do
pojedynczych kwiatów, kwiatostany takie
noszą nazwę pseudanthium.
kontrolny), które wykładamy grubą warstwą
bibuły.
Wszystkie zestawy szalek opisujemy nazwą
rośliny, z której wywar wylejemy na bibułę.
Do opisanych szalek wlewany po 10 ml (2
łyżeczki do herbaty) wywaru z odpowiedniej
rośliny. Do szalek kontrolnych wlewamy po
10 ml przegotowanej wody.
Na bibule umieszczamy po 10 nasion. Należy
pamiętać, że w eksperymencie dla
wszystkich szalek musimy zastosować tylko
jeden gatunek rośliny (np. tylko rzodkiewkę)
– w dodatku wszystkie nasiona muszą
należeć do tej samej odmiany i pochodzić z
tej samej partii. W ten sposób
minimalizujemy różnice wynikające np. z
różnej siły kiełkowania nasion różnych
odmian czy w różnym wieku.
Przykrywamy szalki przykrywkami i
wszystkie umieszczamy w jednakowych
warunkach świetlnych i termicznych. W
naszym przypadku zostaną one umieszczone
w szklarni.
Po trzech i pięciu dniach sprawdzamy siłę
kiełkowania, wpisując liczbę skiełkowanych
nasion do przygotowanej wcześniej tabeli.
Alternatywnie lub dodatkowo możemy
mierzyć długość pędu rozwijających się
siewek.
Po zakończeniu eksperymentu obliczny
średnie dla poszczególnych wariantów
eksperymentu i dyskutujemy wyniki.
Które z roślin mają właściwości
allelopatyczne? Które wywary najsilniej
hamowały kiełkowanie i wzrost nasion?
Które z podejrzeń wysnuwanych np. na
podstwie obecności soku mlecznego, zapachu
się potwierdziły?
Czy były rónice w kiełkowaniu nasion z
róznych szalek lecz traktowanych tym
samym wyciągiem?
Jak dalej można prowadzić takie badania?
„Przystosowania do zapylania”
Nie należy jednak zapominać, że często
obserwować można tendencje odwrotne – np. u
kaktusowatych zwiększenie liczby działek
okwiatu, czy zredukowanie okwiatu traw
związane z wtórną wiatropylnością.
Analiza budowy morfologicznej kwiatów
Jedną z niewątpliwych przyczyn
ogromnej różnorodności roślin okrytozalążko2
dla punktu, otrzymamy sumę kwadratów
odchyleń
Przekształcenia te doprowadziły do większej
wydajności i efektywności zapylania. Wiązało
się to oczywiście z ewolucją efektywniejszych
przenośników pyłku – początkowo były to
chrząszcze, potem owady z innych rzędów:
dwuskrzydłe, błonkówki, motyle. Jako
zapylacze występują oczywiście nie tylko
owady – wiele roślin, szczególnie w rejonach
tropikalnych, zapylanych bywa przez ptaki, a
nawet ssaki (marginalnie występuje także
hydrogamia). Analiza cech kwiatu może nam
wiele powiedzieć o potencjalnych zapylaczach –
możemy mówić o kwiatach błonkówkowych,
motylowych czy ptasich.
Na drodze ewolucji powstały także
pewne „wynalazki” promujące obcopylność (nie
zawsze ich pierwotną rolą było zapewnienie
obcopylności – niemniej jednak obecnie taką
rolę pełnią). Należą do nich dichogamia
(protoandria\protogynia), samopłoność, czy inne
ciekawe systemy pozwalające na precyzyjne
ulokowanie pyłku w innym kwiecie (np. u
storczyków).
Σxi2 =(X1- x)2+(X2- x)2+(X3- x)2
Wariancję (s2) obliczymy dzieląc sumę
kwadratów przez (N-1):
(s2) = Σxi2/(N-1)
Natomiast odchylenie standardowe (s)
oznaczane często jako SD (od ang. standard
deviation) wyniesie
s = √ Σxi /(N-1) = √
2
s2
Proste liczenie gatunków (czyli pomiar
bogactwa gatunkowego) nie jest jednak zwykle
dobrą miarą różnorodności biologicznej. Jako
przykład weźmy dwa zbiorowiska liczące po 10
gatunków każde – ich bogactwo gatunkowe jest
jednakowe – jeżeli jednak w jednym z nich
dominuje tylko jeden gatunek (np. 90%
wszystkich osobników w zbiorowisku), a w
drugim liczebnośc osobników każdego gatunku
jest podobna (powiedzmy po 10%),
różnorodnośc biologiczna tego drugiego będzie
znacznie wyższa.
Dość prostym wskaźnikiem mówiącym
o różnorodności danego zbiorowiska jest tzw.
wskaźnik dominacji Simpsona λ (wartości od
0 do 1 – niska do wysokiej dominacji), który
najogólniej mówi jakie jest prawdopodobieństwo, że dwa osobniki wybrane losowo z
badanego zbiorowiska będą należały do tego
samego gatunku. Do jego obliczenia, poza
oznaczeniem liczby gatunków w intersującym
nas zbiorowisku, niezbędne jest także
stwierdzenie liczebności każdego z nich.
Bogactwo gatunkowe i różnorodność
biologiczna zbiorowisk roślinnych
Opracowanie wyników
Na którym z transektów występowało
najwięcej gatunków?
Czy po obliczeniu średnich z każdego punktu
widać jakieś różnice? Przedstaw je graficznie.
Użytecznymi miarami, wskazującymi
zróżnicowanie wewnątrzgrupowe dla każdego
punktu są wariancja i odchylenie standardowe.
Obliczamy je w sposób następujący (większość
kalkulatorów, wyposażonych w funkcje
statystyczne, liczy te parametru automatycznie):
Jeżeli N to liczba pomiarów, a X1 X2 i X3 to
kolejne pomiary dla punktu w transekcie,
średnia arytmetyczna dla tego punktu
wyniesie:
λ = [Σni(ni-1)]/[N(N-1)]
gdzie: N = całkowita liczba osobników
wszystkich gatunków w zbiorowisku, ni = liczba
osobników gatunku i-tego.
Modyfikacją tego wskaźnika jest
wskaźnik różnorodności Simpsona liczony
jako odwrotność wskaźnika dominacji (1/λ),
który w przybliżeniu określa ‘odczuwalną’
liczbę gatunków.
x = (X1+X2+X3)/3
Jeżeli teraz od każdego z trzech pomiarów
odejmiemy średnią i wynik (czyli odchylenie
od średniej) podniesiemy do kwadratu, a
następnie zsumujemy z pozostałymi wynikami
3
PRZYKŁAD
Oba poniższe zbiorowiska zawierają po 12 gatunków.
wskaźnik
Bogactwo gatunkowe
Wskaźnik dominacji Simpsona λ
Wskaźnik różnorodności Simpsona 1/λ
‘odczuwalna’ liczba gatunków
Zbiorowisko A
12
0,757
Zbiorowisko B
12
0,083
1,32
12
Przykład zaczerpnięty z WEINER J., 1999. Życie i ewolucja biosfery. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa, str. 416-417.
Literatura
• BRAMBLE J.E., 1995. Field methods in ecological investigations for secondary science teachers.
Missouri Botanical Garden.
• ŁOMNICKI A., 1995. Wprowadzenie do statystyki dla przyrodników. Wydawnictwo Naukowe PWN
Warszawa.
• WEINER J., 1999. Życie i ewolucja biosfery. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa
4