Téma: VODNÝ REŽIM RASTLÍN

Autor: Doc. RNDr. Katarína Ušáková, CSc.

Typ hodiny:

heuristický

Výchovno-vzdelávacie ciele:

Vzdelávacie ciele:

informatívne

• Vysvetliť:
  • fyzikálnu a biologickú podstatu vodného režimu rastlín
  • procesy príjmu vody rastlinou: koreňový - aktívny, pasívny, mimokoreňový
• Poukázať na
  • súvislosť morfologického rozlíšenia rastliny s fyziologickou funkciou jednotlivých častí
  • hydroponické pestovanie rastlín vo vodnom roztoku
  • význam vody pre rastlinu
  • schopnosť hospodárenia rastlín s vodou
  • mechanizmus príjmu vody (fyzikálno-chemické a biologické aspekty)
  • dôkaz osmoregulačných vlastností
  • stav vody v bunke
  • príčiny prúdenia vody v bunke
• Využiť východiskové poznatky:
  • anatomické - vodivé pletivá, pokožkové pletivá, prieduchy, vlastnosti biomembrán
  • morfologické - vegetatívne orgány rastlín, bunkové povrchy - bunková stena, cytoplazmatická membrána; membránové sústavy
  • fyziologické - osmotické javy na úrovni bunky
  • fyzikálno - chemické vlastnosti vody - roztok, rozpúšťadlo, hydratácia, disociácia, elektrolyt, koloid, difúzia, osmóza; osmotický, atmosferický, hydrostatický tlak
• Sprístupniť nové pojmy:
  • hydropónia, sukulentné rastliny, stav vody v bunke - voľná, viazaná voda, turgor, koreňový výtlak, aktívny, pasívny príjem vody, hydatódy - gutácia, fyziologické sucho

Výchovné ciele:

formatívne

1. Poukázať na príčinné vzťahy, napr. príjem vody, štruktúra rastlinnej bunky, zóna koreňa s koreňovými vláskami, zväčšenie sorpčnej plochy, koncentrácia bunkovej šťavy a pod.;
2. Rozvíjať u žiakov rozumové schopnosti tvorivou aplikáciou vedomostí, napr.: osmoregulačné vlastnosti bunky
   • podiel na príjme živín z pôdy alebo vodných roztokov
   • otváranie a zatváranie prieduchov

Poukázať na: vzťah medzi

• aktivitou vody v bunkách a aktivitou čistej vody,
• stupňom napučiavania bunkovej steny a stupňom nasýtenia cytoplazmy vodou ku koncentrácii bunkovej šťavy a pod..

Rozvíjajúce ciele:

prostredníctvom demonštračných pokusov rozvíjať pozorovaciu schopnosť žiakov,

• cestou uplatňovania myšlienkových operácií viesť žiakov k rozvíjaniu samostatného a logického myslenia,
• využívaním porovnávacích, úvahových a problémových otázok, aktivizovať žiakov a rozvíjať ich myslenie.

Vyučovacie metódy:

demonštračný pokus, heuristický rozhovor, pozorovanie, vysvetľovanie s využitím prvkov problémovosti, upevňovací a záverečný rozhovor.

Medzipredmetové vzťahy:

fyzika - osmotický, hydrostatický tlak, vodný, osmotický a tlakový potenciál

chémia - fyzikálne a chemické vlastnosti vody, difúzia, osmóza, štruktúra vody, koncentračný spád, koncentrácia živín v pôde, aktivita ionov, pH pôdneho roztoku

Vyučovacie prostriedky:

1. učebné pomôcky
   • originálny biologický materiál, listy rastliny Scindapsus,
   • laboratórny materiál a chemikálie, kadičky, destilovaná voda, pitná voda, piesok, koncentrovaný roztok minerálnych solí
2. didaktická technika - spätný projektor (meotar).

ŠTRUKTÚRA HODINY

I. Organizačná časť

1. prezencia, príprava demonštračného pokusu
2. Stručné oboznámenie žiakov s obsahom nového tématického celku a zdôvodnenie prechodu z bunkovej úrovne na úroveň organizmovú

II. Sprístupňovanie a osvojovanie nového učiva

l. MOTIVÁCIA

pokus č.l - predvedenie demonštračného pokusu s karafiátom (biely, ružový), ponoreným do roztoku atramentovej vody.

• Pokúste sa vysvetliť, ako sa atramentový roztok dostane z vonkajšieho prostredia do kvetu karafiátu!

pokus č.2 - hydroponické pestovanie rastlín vo vodnom roztoku.

• Poznáte z praxe príklady využitia hydropónie?
• Ako sa voda pohybuje v rastline?
• Ako sa môžeme presvedčiť o cestách vody v rastline? (rádioizotopmi).

Fyziologickým procesom - príjem, vedenie, výdaj vody, zodpovedá morfologické rozlíšenie rastlín na koreň, stonku a listy.

pokus č.3 - vopred pripravený demonštračný pokus, kde žiaci pozorujú mladé rastliny Scindapsu, ponorené do kadičiek

• s pitnou vodou
• pieskom
• destilovanou vodou
• koncentrovaným roztokom minerálnych solí vo vode

Nastolenie problémovej situácie: Prečo sa rastlina Scindapsu nechová vo všetkých demonštrovaných živných médiách rovnako? Vysvetlite a zdôvodnite!

Otázky:

• V ktorom živnom médiu zvädla rastlina najskôr?
• Akú úlohu má živné prostredie v živote rastliny?
• V ktorom živnom médiu sa rastline Scindapsu najlepšie darí?

Zhrnutie: Živné prostredie rastlín, najmä jeho koncentrácia podstatne vplýva na fyziológiu rastlinného organizmu. Medzi rastlinou a prostredím dochádza neprestajne k výmene látok a energie. Z posledného pokusu vyplynuli nasledovné úlohy:

• Vysvetlite, aký význam má voda pre život rastliny!
• Ako rastlina využíva vodu?
• Na základe poznatkov z fyziky a chémie sa pokúste vysvetliť, ktoré vlastnosti robia vodu pre život tak dôležitou?
• Mohla by nejaká iná kvapalina nahradiť vodu? Je vôbec nahraditeľná?

2. OBSAHOVÁ A DIDAKTICKÁ POSTUPNOSŤ

Význam vody v rastline

• zdroj kyslíka a vodíka
• zložka rastlinného prostredia
• substrát pre životné deje

1. Mechanizmus príjmu vody
Využitím atlasu, herbára, prípadne spätným projektorom, demonštrujeme žiakom: semená fazule, akvárijnú rastlinu (vodomor), list brezy, riasu žabí vlas, konárik brezy (pokiaľ to možnosti dovoľujú, demonštrujeme živý materiál).


Problémová úloha:

Demonštrované rastliny a ich časti sa navzájom líšia svojím vodným režimom. Vymenujte z tohto hľadiska rozdiely medzi nimi!
- Vodomor aj žabí vlas žijú ponorené vo vode. List brezy obsahuje viac vody ako jej konárik. Semeno fazule obsahuje málo vody, vydrží bez nej dlhšie, pričom neodumrie, lebo ked! ho dáme napučať do vody, vyklíči. Vodomor aj riasa bez vody rýchlo vyschnú.
Ktorý rastlinný orgán je orgánom príjmu vody:

1. suchozemských
2. vodných rastlín

Vysvetlite!
(a) koreň, k. vlásky; b) celý povrch tela)


Problémová úloha:

Vysvetlite, ako sa dostáva voda do koreňa rastliny?
- Odvolávame sa na t.c. Životné funkcie na úrovni bunky, kde sa žiaci stretli s procesmi príjmu a výdaja vody bunkou.

• Akú funkciu majú koreňové vlásky v procese príjmu vody rastlinou?
Mimokoreňový príjem vody
MOTIVÁCIA: Názorná ukážka, prípadne myšlienkový experiment. Rastlina tulipánu pod skleneným zvonom v suchom a vlhkom prostredí.


Problémová úloha:

Ktorá z rastlín zahynie skôr? Vysvetlite!


• vo vlhkom prostredí vydrží rastlina tulipánu dlhšie, lebo bude mať vodu, ktorú môže prijímať listami a stonkou;
• malé množstvo vody rastliny prijímajú aj inými časťami tela, nielen koreňmi (odvodený nový pojem - mimokoreňový príjem vody).



• Ktoré fyzikálne procesy sa podieľajú na príjme vody koreňovými vláskami?
- difúzia, osmóza;


2. Fyzikálno-chemické a biologické aspekty príjmu vody
Ako je zrejmé zo zväčšenej bunky koreňového vláska, bunková stena prepúšťa molekuly rozpúšťadla a roztoku difúziou (dvojsmerný dej), kým plazmatickou membránou prenikajú molekuly rozpúšťadla do roztoku, nikdy nie naopak osmózou (jednosmerný dej).


Problémová úloha:

Prečo sa bunková stena a plazmatická membrána pri prenikaní rozpúšťadla nechovajú rovnako?
Pomocné otázky

• Prečo je bunková stena permeabilná a plazmatická membrána semipermeabilná?
• Ktoré membrány v bunke podieľajúce sa na príjme vody, vystupujú ako semipermeabilné?

Riešenie: je dané štruktúrou, bunková stena má micelárnu stavbu, preto prepúšťa veľké molekuly; - plazmatická membrána má lipoproteínovú membránu,preto prepúšťa preto len molekuly rozpúšťadla, vody.




Problémová úloha:

Môžeme osmózu pozorovať priamo v prírode? Vysvetlite a konkretizujte na príkladoch!
- napr. popraskané čerešne a slivky po daždi, posolená uhorka - plazmolýza a následné "vyťahovanie" vody z bunkových štiav a vakuol uhorky.



• Ktoré látky v bunkovej šťave cytoplazmy a vakuol, udržiavajú osmotickú aktivitu bunky?
- cukry, organické a anorganické kyseliny.


• Ktoré sú osmoticky inaktívne?
- hydrofóbne,koloidné roztoky, suspenzie, obsahujú málo rozpustených častíc.

Žiakom modelujeme situáciu prijímania vody plazmatickou membránou a vakuolou, teda demonštráciu fyzikálno-chemických aspektov príjmu vody, na klasickom príklade koncentrovaného roztoku cukru oddeleného semipermeabilnou membránou (celofánom) od vody. Týmto postupom odvodíme pojmy:

Osmotický tlak - tlak, ktorým roztok nasáva čistú vodu.
Osmotický potenciál - tlak, ktorý zabraňuje prenikaniu rozpúšťadla do roztoku (osmóze), pričom ich absolútne hodnoty sú rovnaké.

3. Dôkaz osmoregulačných vlastností



Problémová úloha:

Vysvetlite, čo sa stane, ked čerešňu s prerezanou dužinou, ponoríte do kadičky s pitnou vodou?
- žiaci sa demonštračným pokusom presvedčia, že roztok zostane nesfarbený (mŕtve bunky strácajú osmoregulačné vlastnosti)




Problémová úloha: na vyriešenie doma:

Aký význam majú osmoregulačné vlastnosti, pre rastliny?


4. Stav vody v bunke
   • Môžeme presne zistiť, aké množstvo vody je v jednotlivých orgánoch rastliny?
   • Môžeme povedať, že v koreni je napríklad 0,5 l vody a v stonke 1 liter atd!?
   Riešenie: Stupeň hydratácie bunky, či pletiva, nemožno určiť stanovením "absolútneho" obsahu vody. Voda v bunke
   • má rozmanité vlastnosti v závislosti od toho, či je to voda voľná (vakuoly,medzibunkové priestory) alebo viazaná (hydratačný obal koloidov);
   • má rôznu fyziologickú aktivitu, ktorá nie je určená jej množstvom, ale jej stavom. Vyjadrením tohto stavu je vodný potenciál (Pa), t.j. sacia sila rastlinných pletív.
   Def: vodný potenciál určuje, o koľko je aktivita vody v bunke nižšia, ako je aktivita čistej vody.
   

   Problémová úloha:

   Vysvetlite, na základe vašich poznatkov z fyziky a chémie, prečo je aktivita vody v bunke nižšia, ako aktivita čistej vody?
   - molekuly vody sa pohybujú podľa difúznych zákonov, na základe voľnej kinetickej energie. Táto je najväčšia v čistej vode. V každom inom systéme je energia molekúl vody v porovnaní s čistou vodou nižšia. Najvyšší vodný potenciál má čistá voda.

5. Príčina prúdenia vody v bunke
   

   Problémová úloha:

   Vysvetlite, čo je príčinou pohybu vody v rastline!
   - miesta, ktoré nie sú dostatočne nasýtené vodou, vykazujú znížený vodný potenciál, vzniknutý rozdiel (gradient) je príčinou pohybu vody v bunke a v celej rastline. Práca, ktorú treba vynaložiť na premiestnenie tejto vody z jedného miesta na iné je voľná energia.

   
   Vodný potenciál môžeme vyjadriť aj pomocou voľnej energie:
   Def: Vodný potenciál vyjadruje celkovú voľnú energiu v systéme v porovnaní s celkovou voľnou energiou čistej vody.
   • Ktorá zložka bunkového systému je osmoticky najúčinnejšia?
   - bunková šťava cytoplazmy a vakuol.
   
   

   Problémová úloha:

   Príjímaním vody do bunky osmózou, nastáva pohyb redšej kvapaliny (hypotonický roztok) do hustejšej (hypertonický). Kedy sa tento proces príjmu vody zastaví?
   - Bunková šťava vakuol odoberá vodu cytoplazme, bunkovej stene, okoliu bunky. Príjímaním vody do bunky sa zväčšuje najprv tlak v bunke, ktorý sa prenáša na bunkovú stenu a tá sa začne zväčšovať. Elastická bunková stena sa rozťahuje tak dlho, kým jej spätný tlak, tlak bunkovej steny, nedosiahne hodnotu osmotického potenciálu roztoku. Rozdiel osmotických potenciálov je príčinou prúdenia vody.

   
   
   • Ako sa volá tlak vyvolaný osmotickým príjmom vody?
   Je to tzv. "vnútorný tlak",turgor alebo tlakový potenciál. Bunka osmoticky napnutá je turgescentná (čerstvé ovocie, zelenina).
   
   

   Problémová úloha:

   Ako možno vyjadriť stupeň hydratácie bunky?
   - osmotickým tlakom
   - osmotickým potenciálom

   
   
   • Od čoho závisí vodný potenciál?
   - od podmienok prostredia, čím je suchšie stanovište, tým je nižší, čím je vyššia koncentrácia šťavy vakuol, tým má vakuola väčšiu saciu schopnosť.
   
   
6. Význam vodného potenciálu
(sacia sila) vytláčanie vody z koreňových buniek do cievnych zväzkov. Tlak, ktorý tento proces podmieňuje sa volá koreňový vztlak
Dôkaz: jarné krvácanie - dreviny pred pučaním listov, napríklad vinič alebo získavanie cukru z Kanadského javora,
gutácia: vytláčanie vody listami (rosa - vzduch je nasýtený vodnými parami v dôsledku zníženia teplôt nad ránom).
7. Aktívny a pasívny príjem

Problémová úloha:

Je mechanizmus príjmu vody rastlinou rovnaký na jar a v lete?
- v lete má rastlina vyvinuté listy čo umožňuje zvýšenie koncentračného spádu spôsobeného transpiráciou, bez nárokov na využitie voľnej energie, tzv. pasívny príjem (95 % príjmu),

na jar, ked ešte nie sú vyvinuté listy sa realizuje príjem vody s využitím energie (osmóza, napučiavanie - imbibícia).




Problémová úloha:

Odkiaľ získava rastlina energiu na aktívny príjem?
- oxidáciou substrátu v procese dýchania.

III. Zhrnutie a upevnenie nových poznatkov:

pomocou poznámok na tabuli, vyvolaní žiaci vysvetlia podstatu príjmu vody rastlinou a obsah oporných pojmov.

OBRAZ TABULE

Téma: Príjem vody - koreň
hydropónia:
Význam vody

• zdroj kyslíka a vodíka
• zložka rastlinného tela
• substrát pre životné deje

Príjem vody a minerálnych látok:

• celým povrchom tela, vodné : difúzia, osmóza
• koreňovými vláskami

Osmoregulačné vlastnosti bunky:

• osmotická hodnota bunky
• aktivita vody
• osmotický tlak
• osmotický potenciál

Stav vody v bunke:

• vodný potenciál
• voda: voľná, viazaná

vodný potenciál = osmotický p. + tlakový p. (sacia sila)
osmotický potenciál - záporná hodnota osmotického tlaku
tlakový potenciál - turgor, hydrostatický tlak, tlak okolitých buniek
sacia sila - koreňový výtlak
príjem vody:

• pasívny 95 %, leto (transpirácia)
• aktívny 5 %, jar (voľná energia)

IV. Zadanie domácej úlohy

- osvojenie sprístupnených poznatkov doplnením informácií z ucebnice a vyriešenie nasledovných problémových úloh:

1. Doplniť si sprístupnené poznatky z učebnice. Pre lepšie pochopenie významu vody pre život vôbec je vhodné upozorniť žiakov na časopis Elektrón, v ktorom si môžu nájsť odpovede na tieto otázky v článku autorov Forgáč, P., Lux, A., Rotchein, J.: Voda sa rovná voda, rovná sa život. Elektrón,6, č. 3, s. 8-l5, 32-33.
2. Vyriešiť problémovú úlohu: Na základe sprístupnených faktov, vymenujte faktory ovplyvňujúce príjem vody rastlinou!

(koncentrácia: osmotická aktivita pôdneho roztoku, teplota pôdy, veľkosť pôdnych čiastočiek, obsah kyslíka).