Глава I. АКВАРИУМНЫЕ РАСТЕНИЯ:БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

СПОРОВЫЕ РАСТЕНИЯ

В настоящее время аквариумная гидрофлора в коллекциях ботанических садов и аквариумистов насчитывает более чем 300 видов. В школьном аквариуме необходимо иметь небольшой, но всесторонне используемый в курсе биологии набор водных растений. Растения этого набора должны прежде всего отвечать следующим требованиям: 1) принадлежать к различным систематическим группам – водорослям, мхам, папоротникам и покрытосеменным, т. е. к тем группам, которые изучаются в школьном курсе биологии; 2) отличаться интересными биологическими особенностями, ознакомление с которыми поможет учащимся лучше и с большим интересом изучать школьную программу; 3) быть наименее прихотливыми, что обеспечит их выживаемость в условиях школьного аквариума.

Среди растений аквариума первое место занимают покрытосеменные, на втором – водоросли, мхи и папоротники.

Водоросли отличаются от других растений тем, что у них нет листьев, стеблей, корней. Кроме того, они никогда не цветут. Пластиды водорослей по сравнению с пластидами высших растений, имеющих постоянную форму, очень разнообразны по форме. В хроматофорах водорослей находятся специфические образования – пиреноиды*, отсутствующие у высших растений.

* Пиреноиды – особые тельца белковой природы. Вокруг них откладывается запас питательных веществ.

Присутствие водорослей нежелательно в аквариумах. При недостатке света и в затемненных углах аквариума, на его стенках, на грунте образуется коричневый налет диатомовых водорослей. Они не украшают аквариум, но в условиях школы могут стать интересным объектом для внеклассной работы. При избытке света и обилии органических выделений животных и остатков корма вода становится мутно‑молочной, а затем ярко‑зеленой: развиваются планктонные сине‑зеленые и диатомовые водоросли. Они, как и водоросли, образующие иногда бархатисто‑зеленую пленку на поверхности воды, грунте и листьях высших растений, могут быть использованы на внеклассных занятиях.

Школьная программа по биологии предусматривает изучение двух групп водорослей: зеленые водоросли (с представителями учащиеся знакомятся при изучении курса ботаники в VI классе), и сине‑зеленые водоросли (обзорно учащиеся знакомятся с ними при изучении темы «Строение и функции клетки» в курсе общей биологии X класса).

Так как сине‑зеленые водоросли эволюционно более древние организмы, приведем их описание вначале.

Сине‑зеленые водоросли. Название этих микроскопических организмов связано с окраской. Сине‑зеленые водоросли никогда не бывают чисто‑зеленого цвета. Кроме хлорофилла, они имеют пигменты, окрашивающие их в сине‑зеленый, фиолетовый, розовый, желто‑зеленый цвет (фикоциан, фикоэритрин, каротин). Сине‑зеленые водоросли, как и бактерии, не имеют четко оформленного ядра. Отсутствуют у них и настоящие хроматофоры. Половой процесс отсутствует. Одноклеточные формы размножаются делением клетки пополам, колониальные и многоклеточные– распадом нити на участки (гормогонии).

Особенность сине‑зеленых водорослей – способность поглощать из окружающей среды свободный азот, тогда как другие растения усваивают этот необходимый элемент только в связанном виде. Эта особенность находит практическое применение в Социалистической Республике Вьетнам, Китае, Японии. Водоросль анабена используется там в качестве зеленого удобрения на рисовых полях, но добывают ее не в чистом виде, а вместе с водяным папоротником азоллой. Водоросль и папоротник образуют симбиоз. Анабена поселяется внутри полости папоротника. Нити водоросли бурно развиваются в этих полостях и выделяют особый секрет, который, в свою очередь, способствует усиленному росту папоротника. Возможно, что продукты выделения водорослей содержат необходимые папоротнику гормоны. Этот симбиотический организм очень быстро размножается. За 1 месяц на 1 га он образует до 50 т зеленой массы, которая содержит 120 – 140 кг азота, более 30 кг фосфора и 72 кг кальция. В итоге использования зеленой массы урожай риса повышается на 30 – 50 % по сравнению с урожаем на неудобренных полях.

Некоторые сине‑зеленые водоросли, например носток сливовидный, в связи с широким содержанием протеинов употребляются в пищу народами Востока (Япония, Ява, Боливия). В народной медицине прошлых столетий успешно применялись при ушибах примочки из ностока.

Вместе с тем в период интенсивного размножения сине‑зеленые водоросли выделяют в воду ядовитое вещество, вызывая ухудшение качества воды и гибель рыб. Некоторые виды водорослей показывают степень загрязненности воды при ее биологическом анализе.

При очистке аквариума с помощью шланга никогда не следует всасывать в него воду ртом, как это иногда делают аквариумисты‑любители. Вода, насыщенная сине‑зелеными водорослями, может вызвать отравление.

В уголке живой природы учащиеся могут наблюдать условия, при которых сине‑зеленые водоросли лучше развиваются. Для этого нужно собрать в отдельные сосуды колонии сине‑зеленых водорослей, которые поселяются в виде пленок на поверхности воды или стенках аквариума. Сосуды содержат в условиях разного режима температуры и освещения. Роль органических веществ для развития сине‑зеленых водорослей можно установить, используя воду из разных аквариумов, более и менее загрязненных.

Интерес для учащихся представляет рассматривание сине‑зеленых водорослей под микроскопом. При этом можно видеть, что цитоплазма их клеток разделена как бы на два слоя. Наружный слой насыщен зернистым пигментным веществом, за счет которого он окрашен в различные оттенки сине‑зеленого цвета. Внутренний слой не содержит пигментов. В нем сосредоточено ядерное вещество.

В качестве демонстрационного материала сине‑зеленые водоросли могут быть представлены (под 2 – 3 микроскопами) на соответствующем уроке в X классе. В результате их просмотра учащиеся убедятся в том, что у этих растений, стоящих на низком уровне организации, отсутствует ядро.

Зеленые водоросли. Зеленые водоросли окрашены в чисто‑зеленый цвет. В их хроматофорах, кроме хлорофилла, содержатся каротин и ксантофилл, но хлорофилл преобладает. Клетки всех водорослей (одноклеточных, колониальных и нитчатых) имеют одно или несколько ядер. Зеленые водоросли запасают в клетках в основном крахмал. Размножение вегетативное, бесполое и половое.

Значение зеленых водорослей в природе и жизни человека огромно. Прежде всего они производят кислород и очищают воду в природных водоемах. Колоссальна роль зеленых водорослей в переработке углекислоты и биогенных элементов, растворенных в воде, а также в синтезе органических веществ. В последнее время пытаются получать из зеленых водорослей питательные продукты. Сухая масса хлореллы содержит большой набор незаменимых аминокислот и ценных витаминов. В настоящее время в ряде стран, в том числе и в СССР, ведутся работы по совершенствованию установок, снижающих себестоимость производства биомассы из планктонных водорослей. Это позволит широко использовать водоросли в качестве кормов сельскохозяйственных животных.

Зелеными водорослями, особенно харовыми, питаются некоторые промысловые животные: птицы, рыбы, раки. Было установлено, что хара встречается в желудке широкопалого рака в 40 % случаев, а в желудке длиннопалого – в 70 %. В период частых линек (первый год жизни) раки потребляют харовые водоросли в 2 – 6 раз чаще, чем в последующие годы. Благодаря содержанию в харах большого количества кальция они способствуют более быстрому накоплению этого элемента в гастролитах рака. Гастролиты участвуют в процессе линьки и роста рака. Используют зеленые водоросли и в медицине. Из хлореллы выделяют вещество хлореллин, подавляющий развитие ряда болезнетворных бактерий. В народной медицине пользовались компрессами из нитчатых водорослей в качестве болеутоляющего средства. В годы Великой Отечественной войны успешно применялась вата из кладофоры. Последняя хорошо переносит стерилизацию и отбелку. Имеются сведения, что харовые водоросли подавляют развитие личинок малярийного комара.

Зеленые водоросли используют в сельском хозяйстве в качестве удобрений. В ряде мест харовые водоросли применяют для известкования полей.

Крупные клетки нителлы (рис. 1) используют как модель для изучения внутриклеточных процессов в научных исследованиях, так как многие процессы в клетке нителлы типичны для всех клеток живых существ. На клетках нителлы изучают распределение внутриклеточного электрического потенциала, проницаемость оболочки для разных питательных веществ и избирательность оболочки к этим веществам.

Из водорослей изготовляют войлок, теплоизоляционный и водонепроницаемый материалы, картон, низшие сорта бумаги. Из кладофоры биохимически можно получать спирт и ацетон.

В школьном аквариуме хорошо живут с лета до весны спирогира, кладофора, нителла, улотрикс, мужоция, зигнема. Их можно использовать в учебном процессе. Найти в природе эти водоросли не трудно.

Спирогира – одна из самых распространенных нитчатых водорослей. Растет в стоячих и медленно текущих водах. Ведет неприкрепленный образ жизни. Длинные неветвящиеся и скользкие нити ее таллома переплетены в клубки ярко‑зеленого цвета, образуя так называемую тину. В тине вместе со спирогирой встречаются зигнема и мужоция.

Кладофора – широко распространенная водоросль. Ее таллом состоит из многоразветвленных жестких нитей в виде подводного кустика. На нитях нет слизи.

Нителла и другой близкий ей вид – хара – по форме напоминают высшие растения (хвощ или роголистник). Их таллом разрастается в виде стебелька и мутовчато отходящих от него веточек, которые, в свою очередь, тоже ветвятся. Стебелек харовых достигает нескольких десятков сантиметров и разделен узлами на междоузлия. Обитают харовые в виде хрупких дернинок на дне спокойных чистых вод. Хара плохо адаптируется в аквариумах, так как предпочитает сильно известкованную воду. Изучение ее строения затруднено тем, что таллом этой водоросли покрыт корочкой извести. Соли кальция в составе минеральной золы хары составляют до 55 % по массе. Поэтому для школьного аквариума больше подходит нителла. Ее узнают по нежно‑зеленым зарослям (рис. 1).

Рис. 1. Блестянка гибкая (нителла)

Улотрикс обитает в быстро текущей воде, представляет собой длинные (в Неве до 30 см), неразветвленные нити, состоящие из коротких цилиндрических клеток. Нити образуют дернинки, которые прикрепляются к различным подводным предметам чуть ниже уровня воды.

Мужоция живет в реках, прудах, озерах, канавах. Ее нити меняют цвет от бледно‑серого до ярко‑зеленого. Объясняется эта особенность движением хроматофора внутри клеток. Он пластинчатый, протянут во всю длину клетки и свободно передвигается в ней. При ярком освещении хроматофор поворачивается к источнику света ребром, его почти не видно и нить становится бледно‑серой с чуть заметным зеленоватым оттенком. При недостаточном освещении хроматофор поворачивается широкой стороной к источнику света и нити наливаются интенсивным зеленым цветом.

Зигнема обитает в стоячих и проточных водоемах. Нити ее иногда развиваются в больших количествах.

Каждый вид водорослей собирают обычно летом или в начале сентября в отдельные банки с небольшим количеством воды. Воду из водоема для подлива к культурам водорослей наливают также в отдельную большую банку. Водоросли в виде дернинок, клубков нельзя оставлять надолго неразобранными, так как они могут погибнуть. Не позже чем через сутки нужно все разобрать, освободить от представителей фауны и разложить в приготовленные заранее сосуды.

Водоросли лучше живут и развиваются в стеклянных невысоких сосудах с широким дном (кристаллизаторы, чашки Коха, для небольших количеств водорослей – чашки Петри), особенно если их в сосудах значительно меньше, чем воды. Большинство водорослей предпочитают нейтральную или слабощелочную среду (рН 7,0 – 7,6). Если среда кислая, в нее для нейтрализации можно по каплям внести раствор соды (Na2CO3).

Прямой солнечный свет недопустим при содержании водорослей в искусственных условиях. Их помещают на северо‑восточном, северном или в крайнем случае на восточном окне. Зимой благоприятна температура не выше 10 – 12 °С, летом – 16 – 18 °С. Зимой водоросли подсвечивают, используя люминесцентные лампы на расстоянии 6–7 см от сосудов. Можно использовать лампы накаливания, но их следует опускать в отдельный (без водорослей) сосуд с водой, иначе может быть перегрев, вызывающий гибель культур. Оптимальный вариант светового режима водорослей в зимний период – это сочетание естественного и искусственного освещения. Водоросли лучше выживают при добавлении в воду питательного раствора Кнопа*.

* Раствор Кнопа был составлен для высших растений, но позже его с успехом стали применять для культур водорослей. Состав раствора на 1 л воды: Са(NО3)2 – 0,25 г; MgSO4 – 0,06 г; КН2РО4 – 0,06 г; КСl – 0,08 г; Fe2Cl6 – 1 капля 1‑процентного раствора.

Зеленые водоросли используют на уроках. Например, изучал клетку в натуре и последовательно на таких объектах, как водоросли, папоротники, высшие растения, простейшие животные, учащиеся с большой степенью самостоятельности и интереса приходят к выводу о единстве строения, о родственных связях, о единстве происхождения различных организмов.

Использование аквариумных водорослей поможет также в изучении понятия ароморфоза (переход от одноклеточности к многоклеточности). При изучении в VI классе одноклеточных зеленых водорослей учитель обычно демонстрирует наземную водоросль плеврококк, у которой одиночные клетки иногда на некоторое время соединяются между собой. При изучении нитчатых водорослей и рассматривании под микроскопом спирогиры учащиеся наблюдают многоклеточность, но в самой примитивной форме – нить из одного ряда клеток; при демонстрации кладофоры наблюдают дальнейшее усложнение морфологии – кустики из однородных нитей.

Рассматривая под микроскопом при изучении темы «Клетка» клетки кожицы лука, учащиеся V класса, конечно, испытывают эмоциональный подъем, так как впервые в жизни самостоятельно готовят препарат, работают с микроскопом. Но впечатление, возникающее при знакомстве с нителлой, незабываемо. Клетки ее очень красивы, окрашены в изумрудный цвет. Так как они достаточно крупные (отчетливо видны при увеличении в 30 – 40 раз), их легко рассмотреть под лупой. Расстояние между узлами стебелька – это одна клетка. Иногда длина этих клеток достигает 15 – 20 мм при толщине до 0,5 мм (обычно клетки растений имеют 50 мкм в поперечнике).

Учащиеся приходят в восторг от наблюдения за движением цитоплазмы*. Это для них открытие. Причем

учитель может организовать урок так, что открытие станет самостоятельным, и это принесет особую радость учащимся. Движение – один из признаков живого. Школьники наглядно убеждаются в том, что клетки, а следовательно все растения,– это живые организмы.

* Для того, чтобы хорошо было видно движение цитоплазмы, нителлу нужно предварительно выдержать 1 – 2 ч в теплой воде с температурой 30 – 35 °С. За 15 мин до приготовления препарата в воду добавить спирт из расчета 8 – 10 капель на 100 см3.

Рассмотрение строения клеток спирогиры в VI классе при изучении нитчатых водорослей позволяет развить понятие о многообразии растительных клеток.

Для приготовления препарата спирогиры ее выдерживают в течение 2 – 3 сут. в дистиллированной воде. При этом хроматофоры раздвигаются, что облегчает их рассмотрение, и ядро становится доступным для обозрения. Крахмальные зерна хорошо видны при окрашивании препарата слабым раствором йода.

Другие нитчатые водоросли – улотрикс, зигнема, мужоция – сохраняют общие признаки, а именно нитчатый тип строения, но отличаются друг от друга разнообразием форм хроматофоров. Так, у улотрикса он похож на незамкнутый поясок, у зигнемы – звездчатый (2 хроматофора), у мужоции – в виде пластинки.

Изучение этих водорослей возможно только во внеклассной работе, результаты которой используются на уроке при изучении соответствующего материала. В уголке живой природы могут быть поставлены различные опыты с водорослями: выяснение оптимальных условий их содержания, образование запаса питательных веществ, дыхание и т. п. Составленные учителем задания, особенно для учащихся средних классов, помогут им более четко и правильно выполнить эти наблюдения.

Моховидные – представители высших растений. Тело большинства из них состоит из побега, разделенного на стебель, и листьев (фонтиналис). У некоторых представителей, стоящих на более низкой ступени организации, тело – это таллом, слоевище (риччия). Это доказывает сходство слоевищных мхов и низших растений и наряду с другими признаками (неразрывная связь с водной средой, невозможность размножения без нее, сам процесс размножения и развития) указывает на их родственные связи и общность происхождения.

Корней у мохообразных нет, но есть у ряда видов ризоиды – одноядерные, многоклеточные волоски, отчасти заменяющие корни.

Водяные мхи играют значительную роль в жизни пресных водоемов, участвуя в процессах зарастания и

заболачивания. Общее число водяных мхов достигает в некоторых водоемах 15 и более видов. Обычно это видоизмененные прибрежные растения, но при развитии в погруженном состоянии они так видоизменяются, что их трудно определить даже специалистам.

Из отечественных мхов в аквариумах можно успешно выращивать следующие: риччию плавающую, фонтиналис противопожарный.

Рис. 2. Риччия плавающая

Риччия плавающая распространена в теплых районах европейской части СССР, на Кавказе, в Средней Азии, Сибири и на Дальнем Востоке. Принадлежность ее к классу печеночников характеризуется отсутствием побегов. Тело ее состоит из вильчато разветвленного слоевища, образующего плотные подушки на поверхности воды. При хорошем освещении риччия сохраняется в аквариуме всю зиму, и в лабораторных условиях можно наблюдать особенности ее строения, размножения, значение для животного населения аквариума (рис. 2). Демонстрация риччии на уроках ботаники и общей биологии при сравнении с низшими растениями и листостебельными мхами может быть направлена на развитие эволюционного понятия о постепенном усложнении организации растительного мира. Учащиеся на наглядном материале наблюдают это усложнение: одноклеточные → многоклеточные нитчатые → слоевищные → листостебельные растения.

Таким образом, растения аквариума могут быть представлены в учебном процессе как своеобразная модель развития растительного мира.

Рис. 3. Водяной мох обыкновенный

Фонтиналис противопожарный по сравнению с риччией в эволюционном отношении более совершенный организм, обладает ветвящимся стеблем и трехрядно расположенными на нем листьями. Растение прикрепляется к камням и грунту подушкообразным сплетением ризоидов. В СССР фонтиналис распространен повсеместно, но предпочитает чистую воду. Во взмученной воде быстро покрывается грязью и начинает деградировать. В аквариумах фонтиналис успешно растет при хорошем освещении, но не под прямыми солнечными лучами, под которыми он быстро покрывается нитчатыми зелеными водорослями и погибает. Температура воды должна быть не выше 18 – 20 °С. Лучше фонтиналис приживается, если взять его из природного водоема вместе с тем субстратом, к которому он там был прикреплен, например с камнем (рис. 3).

Свое видовое название фонтиналис противопожарный получил в связи с тем, что стебли мха даже в сухом виде не горят, поэтому его используют иногда для законопачивания деревянных построек. Листья фонтиналиса состоят из одного слоя клеток, поэтому их легко рассмотреть под микроскопом. В результате делается вывод о единстве строения клеток различных организмов, что в свою очередь, способствует развитию понятия о единстве происхождения живой природы. Такой вывод формируется на основании уже накопленных учащимися соответствующих наблюдений: рассматривание клеток кожицы лука и других высших растений, водорослей, мха. Кроме того, учащиеся могут проследить эволюцию важнейшего органа растения – листа. У мха учащиеся наблюдают самое примитивное строение листа (один слой клеток), далее у папоротников и последующих в эволюционном отношении растительных организмов они увидят усложнение этого органа.

Наконец, знакомство учащихся с водяными мхами обогащает их знания о многообразии растительного мира и приспособленности его представителей к различным условиям жизни.

Папоротниковидные. Папоротниковидные, так же как и мохообразные,– представители высших споровых растений. Папоротниковидные более сложны по строению (настоящие корни и хорошо развитые листья). В процессе эволюции эти растения приспособились к различным условиям среды, в том числе и к водной среде. В условиях школьного аквариума из папоротниковидных можно содержать представителей следующих родов: цератоптерис, марсилея, сальвиния (рис. 4, 5).

Рис. 4. Водяной папоротник капустовидный

Рис. 5. Марсилея четырехлистная

Представители рода цератоптерис широко представлены в тропических пресных водах повсеместно, в природе это однолетние растения, обитающие как в воде, так и по берегам водоемов, на сильно увлажненных низменностях. Стебель у них короткий, толстый, вертикальный, листья мелко рассеченные и располагаются розеткой. Корневая система хорошо развита. Цвет листьев светло‑зеленый, нижняя, сторона плавающих листьев за счет обширных аэрокамер приобретает серебристый оттенок. Черешки листьев толстые, мясистые, и в них тоже много аэрокамер.

В погруженном положении цератоптерис достигает в высоту 70 – 80 см. Надводные его листья в хороших условиях развиваются в длину до 120 см при ширине 60 см (замеры произведены в оранжереях ленинградского Ботанического сада Академии наук СССР).

У молодых листьев верхушка спирально закручена. Погруженные растения спор не образуют, но хорошо и быстро размножаются вегетативно с помощью выводковых почек, появляющихся по краям листьев. Из этих почек развиваются дочерние растения. Иногда крупные кусты буквально усыпаны вполне развитыми, с листьями и густыми корнями, молодыми растениями. Освобождаются они от материнского растения только после загнивания или обламывания его листьев. Интересно, что старые, побуревшие листья часто сохраняют эти почки и в благоприятных условиях вскоре скрываются под светло‑зеленой зарослью молодых растений. Части листа длиной до 0,5 см2 имеют такую же способность к развитию. Условия развития – клетки листового края на этих кусочках.

Листья папоротника и их части легко прилипают к любому опущенному в воду предмету, к телу животных и перьям водоплавающих птиц. Не удивительно, что цератоптерис распространился по всей тропической зоне.

На некоторых листьях папоротника, возвышающихся над поверхностью воды, с нижней их стороны можно видеть сорусы, в спорангиях которых созревают споры. Надводные и плавающие листья цератоптериса, в отличие от погруженных, имеют развитые механические ткани и устьица на верхней стороне. Они обладают способностью не смачиваться, капли воды скатываются с них серебристыми шариками. У форм, существующих на границе сред воды и воздуха, проходит мощный восходящий ток воды от корней к листьям, в связи с чем появились хорошо развитые трахеиды. У этих растений корневая система особенно развита. Погруженные листья ассимилируют всей поверхностью листьев, и корки служат им в основном для закрепления на субстрате. Цератоптерисы обитают в районах с периодически меняющимся уровнем воды и хорошо приспособились к этим колебаниям.

Благодаря своей декоративности и быстрому вегетативному размножению разновидности папоротника – цератоптериса – василистниковидного, суматранского и плавающего – приобрели большую популярность у многих школьных аквариумистов. Их используют как декоративные растения и как объекты наблюдений и исследований. Условия содержания: обилие света, температура воды 22 – 28 °С, мягкая вода (при жесткости выше 5 % листья покрываются беловатой корочкой солей кальция, поры их закупориваются и растения разрушаются). Плавающая форма папоротника требует и влажного теплого воздуха над водой, но большое содержание паров воды приводит к тому, что капли ее перестают скатываться с поверхности листьев и они загнивают. Листья чувствительны и к воде, конденсирующейся на покровном стекле. Стекло рекомендуется устанавливать над аквариумом под наклоном, чтобы вода могла с него стекать по стенкам.

Несмотря на то, что цератоптерисы – однолетние растения, в аквариуме при хороших условиях они могут прожить и более одного года. Известны случаи их жизни в аквариумных условиях до трех лет. Молодые растения легко перезимовывают при подсветке электролампами.

Водные папоротники используются как на уроках, так и во внеклассной работе.

При изучении клетки в курсе ботаники можно показать учащимся через микроскоп клетки молодого листа цератоптериса. Под микроскопом хорошо видны хлорофилловые зерна, движение цитоплазмы, сходство со строением клеток других растений. Клетки цератоптериса окрашены в изумрудный цвет, и впечатление от наблюдения эмоционально обогащает учащихся.

Папоротники – интересный объект для опытов по вегетативному размножению. В частности, цератоптерис размножается листом и кусочками листа.

На примере водных папоротников при сравнении их с фонтиналисом можно убедиться в эволюционном усложнении этих организмов. Это усложнение проявляется прежде всего в развитии корневой системы и в усложнении главного ассимилирующего аппарата – листа. Если у фонтиналиса учащиеся наблюдали упрощенное строение листа (один слой клеток), то у папоротников ясно выражено многослойное клеточное строение листа с проводящими путями.