Особенные свойства мха сфагнума

Предмет: мох сфагнум.

Цель работы: познакомиться с представителем отдела моховидных, семейства сфагновых - мхом сфагнумом и изучить его влагопоглощающие свойства.

Около 380 млн. лет назад на месте Райни было болото с мелкими растениями, среди которых сновали ногохвостки, многоножки и другие крошечные членистоногие.

Именно здесь появилась риния - дальний предок плаунов, хвощей и папоротников. Она относится к сосудистым растениям - снабженным системой трубочек, несущей воду к их надземным частям. Это новообразование позволило им завоевать сушу. В воде тело растения плавает и получает растворенные вещества всей поверхностью. Сосудистая система стала одновременно питающим трубопроводом и тугим, словно шланги под давлением, скелетом, поднявшим побеги над землей, по которой стелились мхи и лишайники.

Ветвящиеся цилиндрические стебли были еще безлистными. Чтобы не терять воду, они покрылись герметичным восковым слоем - кутикулой. Газообмен со средой стали обеспечивать особые мелкие отверстия в покровах - устьица. Риния и близкие к ней формы, словно тонкими пальцами, тянулись к свету, неся на их концах новые органы размножения - спорангии.

Анатомических изменений для броска с берегов болот в глубь суши было слишком мало. Наземные растения «не сходят с места», держась за влажный грунт, значит, им требовался новый способ расселения - без помощи воды. В спорангиях вырабатывались легкие одноклеточные споры, окруженные прочной защитной оболочкой. Они выдерживали долгие путешествия по воздуху, далеко разносились ветром и прорастали, попав во влажные условия. Проросшие споры давали гаметы, а оплодотворенная яйцеклетка развивалась в новое крупное растение - спорофит.

Итак, 380 млн. лет назад зеленая колонизация суши резко ускорилась. Растения все выше поднимали спорангии, чтобы успешнее рассеивать споры. Их стебли заполнялись проводящими тканями, становясь все прочнее. Требовалось все больше стройматериала, и появились новые плоские органы, специально приспособленные для улавливания света и СО2 - листья.

Их первый набросок - расширенные концы побегов у псилофита. Скоро листья приобрели привычные нам очертания, а стебли стали густо ветвиться. Это заметно увеличило тяжесть надземной части, и для ее укрепления длинные скелетно-проводящие клетки стали пропитываться особым веществом - лигнином. Начался процесс одревеснения тканей, который привел к появлению настоящих деревьев.

Первый известный их представитель - археоптерис высотой всего несколько метров. Такая форма была необходима для конкуренции за свет в густом растительном покрове и дала мощные каменноугольные леса. В эту эпоху сырой климат создал способствующие их развитию бескрайние болота, в верхнем ярусе которых доминировали «предголосеменные» типа археоптериса и плауновидные. Рядом с ними росли древовидные папоротники и гигантские хвощи.

Конец палеозоя стал временем тектонических потрясений. На Земле воцарился сухой и холодный климат. Южное полушарие пережило мощное оледенение. Влаголюбивые растения, прежде всего гигантские плауновидные и хвощи, вымерли, а папоротники измельчали. Началась эпоха расцвета семенных растений.

Моховидные являются наиболее обособленной группой высших растений, поскольку это единственная группа растительного мира в своей эволюции связанная с регрессивным развитием спорофита. Заселив многие влажные местообитания, они издавна прочно заняли свое особое место в природе и сохранили его до настоящего времени.

Мхи распространены на всех континентах мира, однако неравномерно. В тропических странах встречаются преимущественно в горах. Очень немногие виды растут в засушливых местообитаниях, например, в степях. Основное разнообразие видов сосредоточено в северном полушарии, в областях с умеренным и даже холодным климатом. В сложении некоторых типов растительных покровов, особенно болот и лесов, им принадлежит видная роль. В условиях холодного климата на сырых местах в сосновых и еловых лесах, в тундре они нередко образуют сплошной ковер. Обилие видов, почти повсеместное распространение, заселение обширных территорий - все свидетельствует о видной роли моховидных в природных растительных группировках. Моховой покров играет важную роль в регуляции испарения влаги из почвы.

Основной средой обитания сфагнума в России являются болота, занимающие примерно пятую часть ее территории.

Поверхность моховой дернины очень живописна: на ней видны лишь головки сфагнума всевозможных оттенков, напоминающие узоры персидского ковра.

У сфагнума одновременно протекают процессы роста и разложения. Верхушка растет, вытягиваясь вверх на 1-3 см в год, а нижняя подводная часть отмирает и со временем превращается в торф, поэтому стебель постепенно опускается вниз. Однако, из-за постоянного накопления торфа поверхность болота медленно поднимается - формируются так называемые верховые болота, в которых обычно нет трясин, а уровень воды находится на 10-20 см ниже поверхности сфагновой дернины.

Отдельные растения мха вместе образуют могучую дернину.

В вытянутом из дернины пучке мха можно различить три зоны. В верхней зоне толщиной до пяти сантиметров сфагнум живой и зеленый, хотя может иметь множество оттенков, от желтоватого до красного. Сфагнум никогда не бывает темно-зеленым. Далее, на глубине 5 - 10 см, живые клетки с хлорофиллом постепенно отмирают, но пустые клетки сохраняются. Эта зона имеет плавный переход от светло-зеленого к светло-желтому цвету. Еще глубже, обычно ниже уровня воды, сфагнум начинает разлагаться и его цвет переходит в светло-коричневый. Отмирающие нижние части сфагновых мхов формируют многометровые отложения торфа. В верхних слоях идет постепенное разложение органических веществ, нижние под давлением верхних слоев уплотняются - на глубине несколько метров одному году соответствует уже слой толщиной несколько миллиметров, а возраст глубинных слоев составляет несколько тысячелетий. В результате процесса постепенного уплотнения и модификации торфа за этот период образовались месторождения бурого угля.

Сфагнум - многолетнее растение с сильно ветвящимся стеблем, который может быть довольно плотным у одних видов сфагнума, и мягким, пористым у других. Ветви располагаются на стебле по спирали кластерами, расстояние между которыми ближе к верхушке уменьшается, и они образуют косматую головку. Листья сфагнума мелкие светло-зеленые, покрывающие стебель и ветви и выглядят как крошечные чешуйки. Под микроскопом видно, что они представляют собой ланцетные пластинки, состоящие из одного слоя клеток. Сами клетки двух хорошо различимых под микроскопом типов. Узкие зеленые клетки, в которых происходит фотосинтез, соединены концами и образуют сетчатую структуру, в которой происходит движение органических веществ. Между ними находятся крупные прозрачные мертвые клетки, от которых остались только оболочки. Стебель также покрыт снаружи этими клетками. Именно обилие мертвых клеток-резервуаров позволяет сфагнуму долго сохранять запас воды и питать ей живые клетки. Более того, этот запас пополняется: клетки-резервуары, имеющие отверстия, втягивают и конденсируют пары воды из окружающего воздуха.

Сфагнум - необычное растение. У него нет не только корней, но и ризоидов, которыми другие мхи укрепляются в почве и поглощают из нее воду и минеральные вещества. Сверху побег нарастает, а снизу постепенно отмирает. Поскольку растения сфагнума тесно прижаты друг к другу, они друг друга и поддерживают, не давая упасть. Он впитывает воду всей своей поверхностью.

Вегетативное размножение осуществляется участками растений и специализированными образованиями - выводковыми почками. Бесполое размножение осуществляется при помощи спор. Половое размножение осуществляется с помощью гамет, оплодотворение только в водной среде. В цикле развития наблюдается чередование бесполого и полового поколений; преобладает в жизненном цикле гаметофит. Рассмотрим развитие мхов на примере кукушкина льна. Кукушкин лен - двудомное растение. На верхушках мужских особей развиваются антеридии - мужские половые органы, в которых образуются в большом количестве сперматозоиды. Антеридии имеют мешковидную форму и окружены красно-бурыми листьями. На верхушках женских особей развиваются женские половые органы - архегонии. Архегонии имеют колбовидную форму, на дне архегония образуется одна яйцеклетка. Оплодотворение осуществляется в присутствии воды. Двужгутиковые сперматозоиды проникают в архегоний и оплодотворяют яйцеклетку. Образуется зигота. Из нее на верхушке женского гаметофита вырастает спорофит, имеющий вид коробочки на ножке. Коробочка сверху прикрыта колпачком. Внутри коробочки образуется спорангий, в нем после мейотического деления формируются споры. После созревания спор колпачок, а затем крышечка отпадают, и споры рассеиваются и разносятся ветром. В благоприятных условиях из них вырастают тонкие зеленые ветвящиеся нити - протонемы. На нити образуются «почки», которые дают начало новым растениям гаметофитов.

Сфагнум может размножаться как спорами, так и вегетативно.
Количество спор в спорофите может быть от 20 000 до 200 000 в зависимости от вида мха, а на квадратном метре болота - примерно 15 млн. Спорофит выбрасывает споры в июле. Коробочка как бы взрывается при сухой теплой погоде, и споры разносятся ветром на различные расстояния, так как имеют разный размер, 20-50 мкм. Еще один механизм переноса спор - потоком воды или брызгами от капель дождя. В последнем случае расстояние переноса не превышает десятка сантиметров. Крупные споры имеют больший запас питательных веществ и, следовательно, лучшие шансы дождаться подходящих условий. По результатам экспериментов, 15-30% спор сфагнума сохраняли способность к развитию через 13 лет хранения в холодильнике, и именно способностью формирования банка спор в окружающей среде объясняют то, что сфагнум колонизировал практически все болотистые, бедные питательными веществами пространства северных лесов.

Размножение спорами является основным при расселении сфагнума на большие расстояния - новые или пострадавшие от пожара или хозяйственной деятельности участки. Для образования растения из споры необходимо, чтобы она попала на подходящую почву - влажный торф. Лучше, если эта почва будет богата фосфором. В целом вероятность благоприятного стечения обстоятельств мала, но у сфагнума много времени.

Другой механизм распространения сфагнума - вегетативный, участками стебля или ветвей. Этот механизм эффективен на малых расстояниях. На болотах максимальную продуктивность по биомассе имеют sphagnum papillosum и sphagnum magellanicum, однако, наиболее распространенными являются другие, менее требовательные, виды сфагнума.

2.4 Свойства мхов

Мхи и лишайники - растения, не имеющие циркуляторной системы. Они получают влагу из осадков или атмосферы, используя осмотическое давление. Это означает также, что они одновременно поглощают все содержащиеся в окружающей среде вещества, в том числе вредные, не обладая механизмами освобождения от них. Поэтому мхи и лишайники являются прекрасными индикаторами состояния окружающей среды. В Европе имеются обширные пространства, на которых однажды испытавшие загрязнение мхи исчезли полностью. Накапливая поступающие с осадками минеральные вещества, бриофиты, разлагаясь по завершении жизненного цикла, отдают их подстилающей почве вместе со своей биомассой. Поэтому они жизненно важны для здоровья леса.

Сфагновые мхи способны повышать кислотность окружающей их среды, выделяя в воду ионы водорода. Наиболее важной особенностью сфагнума, приобретенной в ходе миллионов лет эволюции, является его способность впитывать и сохранять от 12 до 20 весовых частей воды на часть сухого веса, а также его бактерицидные свойства.

Исследователи с кафедры аналитической химии Белорусского государственного университета изучили химический состав и абсорбционные свойства белого мха - сфагнума. Они выделили из него большой набор веществ с бактерицидными и противогрибковыми свойствами и подтвердили его высокую впитывающую способность.

Биологически активные вещества извлекали из растения с помощью различных растворителей: дистиллированной воды, этанола, бутанола, эфира и хлороформа. Самым лучшим растворителем для экстрагирования веществ оказалась дистиллированная вода. Исследователи выделили из сфагнума шесть фенокислот и шесть веществ из класса кумаринов. Эти вещества обладали ярко выраженным бактерицидным действием, особенно сильно они действовали на культуры стафилококка и стрептококка. Экстракты из сфагнума оказались также губительными для грибковых инфекций. Ученые предположили, что противогрибковым действием сфагнум обязан, прежде всего, кумаринам

Малозаметные и непривлекательные на первый взгляд мохообразные играют большую и важную роль в жизни, природы. Улавливая энергию Солнца, выделяя кислород, участвуя в круговороте вещества и энергии на Земле, мохообразные, как и другие растения, представляют собой незаменимый компонент биосферы Земли, неотъемлемой частью которой является и человек. Способные переносить резкие колебания температуры, избыточное увлажнение или жестокие засухи, приспособленные к жизни на бедных субстратах, мохообразные образуют сообщества в таких местах, где высшие сосудистые растения угнетены или вовсе не могут существовать. Мохообразные обычно входят в состав первичных растительных группировок на поверхности скал и камней, они часто являются пионерами зарастания углублений, заполненных водой, и обнаженных почв. Постепенно отмирая, пионерные виды мохообразных подготавливают субстрат для поселения других видов мохообразных или сосудистых растений. Иногда роль мохообразных в сообществе сильно возрастает в связи с резким изменением условий местообитания, вызванным воздействием животных, человека и факторов, обусловленных жизнедеятельностью самого сообщества растений. Например, уничтожение леса этого мощного насоса, выкачивающего влагу из почвы, в бессточных местах или в местах со слабым стоком и близким к поверхности уровнем грунтовых вод приводит к появлению в почве избыточной влаги. Начинается процесс заболачивания. На почве, покрытой до вырубки, например, черникой, лесными травами и некоторыми лесными мхами, появляется сплошной покров из мха политриха обыкновенного. Затем появляются сфагны, роль, которых в растительном покрове постепенно возрастает, и, наконец, образуется моховое болото. При возобновлении леса нарушенный баланс влаги в почве восстанавливается, сфагновые и политриховые мхи уступают место другим, характерным для леса мхам и цветковым растениям. Заболачивание лесов может иметь и необратимый характер. Обычно такой процесс наблюдается по периферии крупных сфагновых болот, которые увеличиваются и распространяются в связи с общеклиматическими изменениями. На севере таежной зоны, там, где количество выпадающих осадков достаточно велико, нередко происходит заболачивание лугов. Накапливающееся при отмирании трав органическое вещество в условиях влажного и прохладного климата не успевает разлагаться и превращается в торфяной слой, на котором поселяются мхи, впоследствии образующие сплошной ковер. Если человек не вмешается в жизнь луга, не улучшит аэрацию и питательный режим почвы, луг может превратиться в болото. Широко известна роль мохообразных в сложении растительного покрова гипновых и сфагновых болот. Но роль болот не сводится лишь к тому, что на них добывают торф, который используется в качестве топлива, сырья для химической промышленности, материала, употребляемого в строительстве и в сельском хозяйстве. Болота это и место обитания многих, в том числе промысловых животных, и неиспользуемые пока в должной мере ягодные угодья. Особенно велика роль болот как резервуаров пресной воды и регуляторов гидрологического режима территории. Впитывая в себя, как губка, летние и зимние осадки, болота постепенно отдают их в течение года почве и вытекающим из них ручейкам источникам великих рек. Нередко осушение даже небольших болот, продиктованное сиюминутной хозяйственной пользой оборачивается большими потерями не только для живой природы, но и для народного хозяйства обмелением и заилением рек, понижением уровня грунтовых вод на уже существовавших угодьях. Велика роль мохообразных в сохранении природного равновесия в районах распространения вечной мерзлоты в тундре, лесотундре, редкостойной тайге, особенно на участках, вложенных рыхлыми льдистыми грунтами. В таких местах сплошной мохово-лишайниковый покров и небольшой торфянистый слой защищают льдистые грунты от нагревания солнечными лучами. Нарушение целостности мохового покрова ведет к увеличению глубины протаивания, к усилению мерзлотных процессов в грунтах. Часто при этом происходят катастрофические, а главное, необратимые изменения ландшафта. На месте устойчивых форм рельефа образуются овраги, термокарстовые озерно-болотные котловины, возникают оползни, оплывины. Сокращаются площади лесов, ценных пастбищных и охотничьих угодий, разрушаются сооружения. Все это необходимо учитывать при хозяйственном освоении территории Крайнего Севера и Восточной Сибири. Непосредственно используются человеком лишь немногие мохообразные.

Сфагны, обладающие антибиотическими свойствами, большой влагоемкостью и хорошими теплоизоляционными качествами, употреблялись в медицине для перевязок и поныне используются некоторыми народностями вместо пеленок при уходе за младенцами. Используются сфагны в качестве теплоизоляционного материала в строительстве. Риччия плывущая и некоторые мхи выращиваются в аквариумах. Маршанция изменчивая и фунария гигрометрическая излюбленные объекты экспериментальной ботаники в опытах по изучению воздействия различных факторов внешней среды на растения. Мохообразные используются также как индикаторы загрязнения атмосферы, глубины протаивания грунта и нарушения условий жизни в биоценозах. В таких случаях, обследуя флору мохообразных какого-либо района, обращают внимание на наличие или отсутствие в ней видов, характеризующихся уже известной степенью чувствительности к примеси в воздухе сернистого газа, к заболачиванию территории и т.п.

Мох, как и песок, не имеет питательных веществ, но он придает земле необходимую рыхлость, лёгкость и гигроскопичность, благодаря чему нежные корешки глубже проникают в почву и закрепляются там. Мох сфагнум легко впитывает влагу, имеет способность удерживать воды во много раз больше своего объема, этим он способствует равномерному увлажнению земляного кома. Сфагновые мхи - это также эффективное средство для лечения корневой системы, так как содержат в себе противогнилостное вещество «сфагнол». Обладает бактерицидным свойством, предупреждает загнивание корней. Очень хорош в применении для проращивания листьев и приживания молодых растений. Применение мха благотворно влияет на состояние цветов, так как они не выносят пересушивания. Мох-сфагнум - идеальное средство для укоренения листовых черенков. Розеточки аккуратно отделяются от материнского листа и рассаживаются в отдельные горшочки. В этом случае обычную посадочную смесь и мох сфагнум смешивают в соотношении 1:1. Когда деточки рассажены, их составляют в поддон, на дно которого ровным слоем кладется мох. Излишняя вода, которая вытекает из горшочков, впитывается мхом, что дает повышенную влажность. В таких условиях детки хорошо укореняются, образуя мощную корневую систему. Когда детки заметно подрастают, их пересаживают в горшочек побольше и оптимальная посадочная смесь в этом случае смешивается со мхом в соотношении 1:3. В жаркое время года земляной ком быстро высыхает. При поливе под листья земля вымывается, оголяются корни. Корни нужно обязательно присыпать, для этого также используется мох. Ровным слоем закрывают мхом поверхность почвы, прикрывая оголившиеся корни и предохраняя земляной ком от пересушивания. Мох очень удобен и эффективен для размножения растений воздушными отводками. Также мох-сфагнум применяют для выгонки орхидей, для проращивания крупных семян и укоренения стеблевых черенков. Мох также используют для обкладки стволов растений, образующих воздушные корни.

Таким образом, мы можем выделить значение мохообразных в природе и в деятельности человека.

3.1 В природе

1. Выступают в роли пионеров заселения необжитого субстрата.

2. Участвуют в создании особых биоценозов, особенно там, где почти сплошь покрывают почву.

2. Некоторые сфагновые мхи обладают антибиотическими свойствами и применяются в медицине. Мох сфагнум содержит целлюлозу, белковые вещества, минеральные соли и особое фенолоподобное вещество сфагнол, обладающее сильным противомикробным свойством. Сфагновые мхи обладают всасывающей способностью и хорошим противогнилостным, антисептическим свойством. Поэтому растение применяют как перевязочный материал при гнойных ранах. В стерилизованном виде сфагнум действует в три раза интенсивнее, чем гигроскопическая вата. Мох широко используется в народной медицине.

3. Сфагновые мхи - источник образования торфа, который широко используется в промышленности. Торфяные болота занимают у нас в стране свыше 150 миллионов гектаров - больше, чем в любой другой стране мира.

Торф используется как топливо и в качестве ценного химического сырья, из него получают воск, парафин, фенолы, уксусную кислоту и др. вещества. Также торф используется как удобрение, при этом не только повышается урожай сельскохозяйственных культур, но и улучшается структура почвы. Важное значение имеет торф в качестве строительного термоизоляционного материала для трубопроводов и жилых зданий. Из торфа изготовляют бумагу и картон.

Из торфа и сфагнума можно получить древесный спирт. Спирт - перспективное горючее с октановым числом более 100 для двигателей внутреннего сгорания.

3.3 Интересные факты использования сфагнума

В мировых запасах сфагнума и сфагнового торфа аккумулировано больше углерода, чем в любом другом виде растений.