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¿Existe algún estudio para encontrar la planta con la mínima necesidad de luz?

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¿Existe algún estudio para encontrar plantas con una necesidad de luz mínima absoluta?

Considere un baño sin ventanas que tenga luz artificial ocasional (por ejemplo, luz LED blanca).

Otra pregunta, ¿existe algún sistema numérico que asigne un número a cada planta que represente su tolerancia mínima y máxima a la luz?


Primero tomemos un conjunto de PLANTAS DE DÍA CORTO que se distinguen de las otras plantas usando los parámetros de fotoperiodismo. Tomar una planta a la vez y realizar la prueba de detección de almidón manteniendo la planta bajo la luz solar puede ser la única forma posible de determinar qué planta es la más eficiente para producir la máxima cantidad de alimento cuando se mantiene bajo la luz solar durante un tiempo determinado. Si profundizamos en el nivel molecular, tal vez una sección transversal de los cloroplastos podría proporcionarnos los datos de la cantidad de fotosistema 2 que están presentes y que se activan a 680 nm de luz y también la cantidad de electrones transportados como la ubiquinona. Su abundancia puede determinar la rapidez de realización de la fotosíntesis. Incluso hay una variedad separada de plantas C4 que se someten al metabolismo del ácido crasuláceo, también conocidas como plantas CAM que se encuentran en los desiertos que se someten a la fotosíntesis por la noche.

Por lo tanto, un experimento de este tipo requeriría plantas diversas con varios parámetros a tener en cuenta y es bastante difícil.


Dimensiones del éxito de las plantas invasoras

El bálsamo del Himalaya (Impatiens glandulifera) se encuentra entre los invasores más exitosos de Europa. Crédito: Trevor Fristoe y Mark van Kleunen

Las plantas exóticas invasoras son especies de plantas que crecen en un entorno fuera de su hábitat nativo. Si logran establecer poblaciones autosostenibles en estos nuevos entornos, un evento llamado "naturalización", pueden tener impactos negativos considerables en los ecosistemas, las economías y las sociedades locales. Pero no todas las especies de plantas exóticas son igualmente efectivas para invadir nuevos hábitats. Por lo tanto, un equipo internacional de científicos, encabezado por el biólogo profesor Mark van Kleunen, con sede en Konstanz, investigó diferentes tipos de "invasividad" y posibles factores que determinan el éxito de la invasión de plantas exóticas en Europa.

El nuevo estudio, publicado en PNAS, describe la invasión de especies de plantas utilizando tres dimensiones distintas: abundancia local, extensión geográfica y amplitud del hábitat. En el estudio actual, estas dimensiones se evaluaron a escala continental para grandes proporciones de floras europeas nativas y exóticas. Los valores altos en las variables caracterizan a los invasores más exitosos. Las historias de introducción juegan un papel importante en el desempeño a lo largo de las tres dimensiones, al igual que algunos rasgos biológicos: la introducción temprana a Europa, el origen no europeo y el crecimiento rápido son características comunes a muchos "superinvasores". Los hallazgos del estudio mejoran nuestra comprensión general de cómo las especies de plantas (invasoras y nativas) se distribuyen y pueden ayudar a predecir y manejar mejor las futuras invasiones de plantas.

¿Todas las plantas exóticas invasoras son iguales?

Los expertos en el campo de la ecología reconocen cada vez más que el término "invasivo" no describe una sola propiedad. En cambio, hay diferentes características en la distribución de una especie que pueden caracterizarla como invasora o no. Para obtener más información sobre las diferentes formas en que una planta puede volverse invasora, los autores del estudio reciente combinaron dos conjuntos de datos extensos, la base de datos Global Naturalized Alien Flora (GloNAF) y el Archivo Europeo de Vegetación (EVA). Para el análisis de los datos combinados, adoptaron un marco tridimensional que se había utilizado previamente para describir la "rareza" de las especies de plantas nativas.

La primera descripción de este marco por Deborah Rabinowitz se remonta a la década de 1980. Rabinowitz propuso la idea de que una especie vegetal "común" es aquella que es muy abundante a nivel local, se encuentra en un área grande y puebla muchos hábitats diferentes. Además de esta forma de "comunión" absoluta, hay siete formas de rareza como diferentes combinaciones de bajo rendimiento a lo largo de las tres dimensiones. Por ejemplo, una especie de planta "rara" puede tener una gran abundancia local, pero está restringida a un área pequeña y crece solo en un tipo de hábitat específico.

Así como el modelo de Rabinowitz permite diferentes formas de rareza en plantas nativas, abre la posibilidad de varios tipos de "invasividad" cuando se aplica a especies exóticas. Considerar esta posibilidad es importante porque los diferentes tipos de especies exóticas invasoras pueden requerir diferentes estrategias de gestión para hacerles frente. "Si una especie exótica comienza a dominar una comunidad vegetal local pero tiene poco potencial para expandir su extensión geográfica y se especializa en un cierto tipo de hábitat, los esfuerzos de conservación podrían enfocarse en controlar la especie localmente en lugar de prevenir una mayor propagación", dijo el Dr. Trevor Fristoe, autor principal del estudio actual, da un ejemplo.

Extraterrestre, pero no tan diferente

Para las especies de plantas nativas, los científicos han descubierto previamente que las tres dimensiones de lo común no son completamente independientes entre sí. En cambio, las especies que son abundantes a nivel local a menudo también tienden a estar geográficamente extendidas y ocupan una amplia gama de hábitats. "Para las especies de plantas exóticas, nuestra expectativa era que estas dimensiones deberían estar vinculadas como lo están en las distribuciones nativas. Después de todo, las plantas exóticas en un lugar son plantas nativas en otro lugar", describe Fristoe una suposición importante del estudio.

De hecho, los científicos encontraron que las asociaciones entre las tres dimensiones (abundancia local, extensión geográfica y amplitud del hábitat) en las especies exóticas que han invadido Europa son muy similares al patrón de asociaciones que encontraron en la flora nativa europea: Plantas que son Los exitosos en una dimensión también tienden a tener éxito en las otras. "Estos paralelos sugieren que los mismos mecanismos biogeográficos y ecológicos están dando forma a la distribución en especies de plantas nativas y exóticas", concluye Fristoe.

Motores del éxito de la invasión

A pesar de las similitudes en los patrones de asociación entre plantas nativas e invasoras, también existe una diferencia decisiva entre los dos grupos: a diferencia de las especies de plantas nativas, las especies invasoras no evolucionaron en los hábitats invadidos en los que se han introducido recientemente. En cambio, evolucionaron en otras partes de Europa o incluso en otros continentes. "Independientemente de si existen asociaciones generales entre las dimensiones de la invasividad, queríamos identificar los impulsores del éxito en cada una de las dimensiones. Las historias de introducción de las plantas fueron un aspecto que consideramos, junto con factores más ecológicos o biológicos", explica Fristoe. segundo objetivo del estudio.

Los científicos encontraron que las plantas que sobresalen en las tres dimensiones tienden a provenir de otros continentes, como Asia o América, mientras que las plantas introducidas desde otras partes de Europa son generalmente invasores pobres. Además, los superinvasores de fuera de Europa suelen tener propiedades biológicas que les ayudan a crecer rápidamente, al precio de mecanismos de defensa más débiles. En conjunto, esto proporciona apoyo a una hipótesis llamada "hipótesis de liberación del enemigo". "La idea general de la 'hipótesis de liberación del enemigo' es que las especies invasoras dejan atrás a muchos de los patógenos, herbívoros y especies competidoras con las que coevolucionaron en sus hábitats nativos cuando invaden nuevos entornos. Esto les permite 'crecer sin control' "y el efecto puede ser más pronunciado cuando los límites continentales, como océanos o cadenas montañosas, se han cruzado para la invasión", explica Fristoe.

Excepciones a la regla

Los científicos también encontraron excepciones al patrón de que las plantas que tienen éxito en una dimensión también tienen éxito en las otras e identificaron las posibles razones de estas excepciones. Por ejemplo, cuanto más reciente sea su fecha de introducción a sus nuevos entornos, es más probable que una planta invasora se desvíe de la regla. "Son nuevas. Todavía necesitan tiempo para equilibrar las condiciones", proporciona Fristoe como explicación de esta observación, y continúa: "Esto es bastante importante. Si encuentra una planta invasora que tiene éxito en solo una de las dimensiones, pero también es nuevo, hay motivos para preocuparse: podría tener éxito en las otras dimensiones más adelante ". Por lo tanto, el marco de las "dimensiones de la invasividad" no es solo una herramienta valiosa para explicar los patrones actuales de naturalización y mejorar nuestra comprensión de la dinámica de la distribución de especies en general. También puede ayudar a anticipar futuras invasiones y desarrollar estrategias de gestión personalizadas para controlar mejor las especies de plantas exóticas invasoras.


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Actividad práctica Experimento con plantas burbujeantes para cuantificar la fotosíntesis

Las unidades sirven como guías para un contenido o área temática en particular. Anidadas debajo de las unidades hay lecciones (en violeta) y actividades prácticas (en azul).

Tenga en cuenta que no todas las lecciones y actividades existirán bajo una unidad, sino que pueden existir como un plan de estudios "independiente".

Boletín TE

Resumen

Muchas cosas pueden producir burbujas, incluso plantas.

Conexión de ingeniería

Los estudiantes realizan análisis de datos e ingeniería inversa para comprender cómo funciona la fotosíntesis. Ambos son aspectos importantes de ser ingeniero.

Objetivos de aprendizaje

Después de esta actividad, los estudiantes deberían poder:

  • Explique que la fotosíntesis es un proceso que utilizan las plantas para convertir la energía luminosa en glucosa, una fuente de energía química almacenada para la planta.
  • Describe la fotosíntesis como un conjunto de reacciones químicas en las que la planta usa dióxido de carbono y agua para formar glucosa y oxígeno.
  • Describe un experimento simple que proporcione evidencia indirecta de que se está produciendo la fotosíntesis.
  • Describe los efectos de la variación de la intensidad de la luz sobre la cantidad de fotosíntesis que se produce.

Estándares educativos

Cada EnseñarIngeniería la lección o actividad está correlacionada con uno o más estándares educativos de ciencia, tecnología, ingeniería o matemáticas (STEM) de K-12.

Todos los 100,000+ estándares STEM K-12 cubiertos en EnseñarIngeniería son recolectados, mantenidos y empaquetados por el Red de estándares de logros (ASN), un proyecto de D2L (www.achievementstandards.org).

En la ASN, los estándares están estructurados jerárquicamente: primero por fuente p.ej., por estado dentro de la fuente por tipo p.ej., ciencia o matemáticas dentro del tipo por subtipo, luego por grado, etc.

NGSS: Estándares de ciencia de próxima generación - Ciencia

5-LS1-1. Apoye el argumento de que las plantas obtienen los materiales que necesitan para crecer principalmente del aire y el agua. (Grado 5)

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MS-LS1-6. Construya una explicación científica basada en la evidencia del papel de la fotosíntesis en el ciclo de la materia y el flujo de energía dentro y fuera de los organismos. (Grados 6 - 8)

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El conocimiento científico se basa en conexiones lógicas entre evidencia y explicaciones.

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La reacción química por la cual las plantas producen moléculas complejas de alimentos (azúcares) requiere un aporte de energía (es decir, de la luz solar) para que ocurra. En esta reacción, el dióxido de carbono y el agua se combinan para formar moléculas orgánicas basadas en carbono y liberar oxígeno.

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Estándares Estatales Básicos Comunes - Matemáticas

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Asociación Internacional de Educadores de Tecnología e Ingeniería - Tecnología
  • El proceso de diseño de ingeniería implica definir un problema, generar ideas, seleccionar una solución, probar la (s) solución (es), hacer el artículo, evaluarlo y presentar los resultados. (Grados 3-5) Más detalles

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Estándares estatales
Carolina del Norte - Matemáticas

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Carolina del Norte - Ciencia
  • Explicar la importancia de los procesos de fotosíntesis, respiración y transpiración para la supervivencia de las plantas verdes y otros organismos. (Grado 6) Más detalles

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Lista de materiales

  • 5 litros (aproximadamente 1¼ galones) de agua del grifo envejecida (agua del grifo en un recipiente abierto que se ha dejado reposar durante 36 a 48 horas para eliminar el cloro utilizado en los suministros de agua municipales)
  • 15-20 plantas de Elodea en total, estas son plantas de acuario de agua dulce resistentes que se venden en racimos en tiendas de mascotas y proveedores como Carolina Biological Supply Company (www.carolina.com)
  • cuerdas, hilos o ataduras para atar plantas de Elodea en racimos
  • pequeñas rocas u objetos similares que sirvan como pesas para sostener las plantas de Elodea bajo el agua
  • Vasos de 500 ml, 1 por equipo
  • bicarbonato de sodio, unas cucharadas (bicarbonato de sodio)
  • temporizadores o relojes con segundero, 1 por equipo
  • pequeñas lámparas de escritorio ajustables que se pueden configurar de modo que sus bombillas estén unas pulgadas por encima de los vasos de precipitados y brillen verticalmente hacia abajo sobre ellos linternas con haces fuertes que se montan en soportes de anillo también funcionan 1 fuente de luz por equipo

Más currículo como este

A través de una discusión dirigida por el maestro, los estudiantes se dan cuenta de que la energía alimentaria que obtienen las plantas proviene de la luz solar a través del proceso de fotosíntesis de las plantas. Contando el número de burbujas que suben a la superficie en un período de cinco minutos, los estudiantes pueden comparar la actividad fotosintética de Elodea en el pre.

Los estudiantes aprenden sobre la fotosíntesis y la respiración celular a nivel atómico y estudian los principios básicos de la electromicrobiología, un nuevo campo de investigación que puede permitir a los ingenieros aprovechar la energía a nivel molecular.

Conocimientos previos

Comprensión de la fotosíntesis, como se presenta en la lección asociada, ¿Comen las plantas?

Introducción / Motivación

(Llame la atención de la clase y pídales que hagan lo que usted dice). Con una mano, apriete la nariz para cerrarla. Levanta la otra mano en el aire. Ahora respire hondo y manténgalo así todo el tiempo que pueda. Cuando ya no pueda contener la respiración, baje la mano levantada y afloje la nariz. (Una vez que todas las manos estén hacia abajo y nadie se quede conteniendo la respiración, continúe.) ¿Por qué tuvo que comenzar a respirar de nuevo? (De sus estudios de la escuela primaria, espere que los estudiantes puedan decirle que sus cuerpos necesitan aire para sobrevivir).

¿Qué hay exactamente en el aire? (Es posible que los estudiantes no sepan que el aire contiene más que oxígeno). La mayor parte del aire que respiramos, la atmósfera, consiste en gas nitrógeno (aproximadamente el 78%). El oxígeno es el siguiente componente más grande (alrededor del 21%) y una pequeña parte (1%) está formada por argón (un gas inerte), vapor de agua y dióxido de carbono.

Entonces, específicamente, ¿qué componente (s) del aire necesita nuestro cuerpo? (Espere que puedan responder que es oxígeno). ¿Y qué hacen nuestros cuerpos con el oxígeno? Así es, la sangre recoge el oxígeno del aire en los pulmones y lo transporta a todas las partes del cuerpo, donde lo utilizan los músculos, el cerebro y todos los demás órganos y tejidos del cuerpo. No podemos vivir sin él.

¿De dónde vino el oxígeno de la atmósfera? (Es posible que sepan o puedan razonar que es el resultado de todas las plantas que han vivido en la Tierra y han estado haciendo fotosíntesis durante muchos millones de años). Hoy, trabajarán en equipos para realizar un experimento para ver si la cantidad de luz que reciben las plantas puede afectar esta producción de oxígeno.

Procedimiento

  1. En un formato de discusión en clase, los estudiantes establecen una hipótesis para ser probada por la clase en el experimento.
  2. Trabajando en equipos, los estudiantes configuran y realizan el experimento. Cada equipo realiza dos pruebas: una con las plantas iluminadas solo por la luz ambiental disponible en el aula cuando algunas o todas las luces de la sala están apagadas, y otra con las plantas que reciben luz brillante de las lámparas del escritorio. Los datos recopilados son la cantidad de burbujas de oxígeno que emiten las plantas en un período de cinco minutos, primero a niveles de poca luz y luego a niveles de luz alta.
  3. Luego, los grupos se reúnen para combinar sus datos de cada uno de los dos ensayos. A partir de estos datos, los estudiantes determinan individualmente la media, la mediana y los modos de la cantidad de burbujas producidas durante las dos condiciones de luz diferentes.
  4. Luego, los estudiantes grafican individualmente los datos, usando gráficos de barras que muestran el número medio de burbujas y los rangos para cada condición de prueba.

Parte 1: Generar una hipótesis

Explique a la clase que antes de que los investigadores comiencen los experimentos, primero crean una predicción sobre el resultado esperado del experimento. Esta predicción se conoce como hipótesis. Sin embargo, una hipótesis no es simplemente una suposición. En cambio, es una predicción basada en el conocimiento previo o la experiencia con el tema. Por ejemplo, si un jardinero quisiera saber si era realmente necesario fertilizar plantas de calabacín, podría cultivar 12 plantas de calabacín, pero fertilizar solo la mitad de ellas. En este caso, la hipótesis que se está probando podría ser: las plantas de calabacín fertilizadas producen más calabacines que las plantas de calabacín no fertilizadas. Los datos recopilados para apoyar o refutar la hipótesis serían el número total de calabacines producidos por las plantas fertilizadas, en comparación con el número total producido por las plantas no fertilizadas.

Señale que en el experimento del calabacín, el jardinero recopiló datos que incluían números. En la ciencia, este suele ser el caso, porque los números se pueden comparar fácilmente y son acumulativos para muchas cosas que realmente suceden, a diferencia de las cosas que el experimentador pensó que podrían suceder.

Luego, explique brevemente cómo se configurará el experimento de fotosíntesis y pida a la clase que determine una hipótesis para ser probada. No debería tomarles mucho tiempo para llegar a una declaración como: Las plantas que reciben más luz producen más burbujas que las plantas que reciben menos luz.

Parte 2: Configuración del experimento

Realice los siguientes pasos con algunas o todas las luces del salón apagadas. Idealmente, la habitación no debe estar muy iluminada, ni debe estar oscuro, debe haber una luz adecuada para que los estudiantes la vean fácilmente.

  1. Cada equipo llena un vaso de precipitados con unos 500 ml de agua envejecida para la Elodea. A esta agua, agregue un cuarto de cucharadita de bicarbonato de sodio (bicarbonato de sodio) para proporcionar una fuente de dióxido de carbono para las plantas, ya que no pueden obtenerlo de la atmósfera como lo hacen las plantas terrestres. Revuelva el agua hasta que el bicarbonato de sodio se disuelva y el agua se vea clara.
  2. Cada equipo obtiene suficientes secciones de plantas de Elodea para que tenga aproximadamente 18-24 pulgadas de longitud total de la planta. Colóquelas de modo que todas las plantas queden al menos 1½ "debajo del agua en el vaso de precipitados. Use cuerdas o bridas para unirlas y luego agregue una pequeña piedra para evitar que las plantas floten hacia la superficie. Señale que el Más área expuesta a la luz sobre la planta, más fotosíntesis puede ocurrir dentro de las hojas. Si los estudiantes forman grupos de Elodea, muchas de las hojas estarán sombreadas por las de arriba y, por lo tanto, es posible que no puedan realizar tanta fotosíntesis. es mejor formar las plantas en bucles que cubran todo el fondo de un vaso de precipitados, en lugar de un solo grupo en el medio del vaso de precipitados.

Parte 3: Ejecución del experimento

  1. Tan pronto como las plantas estén colocadas en los vasos, haga que el equipo comience a cronometrar durante cinco minutos. Indique a dos miembros del equipo que mantengan los ojos pegados al vaso durante esos cinco minutos, observando si las burbujas suben a la superficie del agua. Anuncie al tercer miembro del equipo que ve cualquier burbuja que se eleve, para que pueda llevar la cuenta (es útil usar marcas de conteo) y controlar el tiempo, indicando cuándo han transcurrido los cinco minutos. Las burbujas son bastante grandes, de unos 2 mm de diámetro, por lo que se ven fácilmente cuando suben a la superficie.
  2. Cuando todos los equipos hayan contado las burbujas durante cinco minutos (es muy posible que algunos equipos no vean ninguna burbuja), encienda las luces de la sala y pida a los estudiantes que coloquen las lámparas del escritorio directamente sobre los vasos de precipitados con las bombillas a solo unos centímetros por encima. los vasos de precipitados. Una vez que las luces estén en su lugar, haga que los equipos comiencen nuevamente a cronometrar y contar / registrar burbujas durante cinco minutos.

Parte 4: Agrupar y analizar los datos

  1. Haga una tabla grande en la pizarra del aula en la que los equipos puedan completar la cantidad de burbujas que contaron durante cada una de las dos condiciones de luz.
  2. Una vez que se complete la tabla, haga que los estudiantes trabajen individualmente para determinar la media, la mediana, la moda y el rango de cada uno de los dos conjuntos de datos. Deje suficiente tiempo para que todos los estudiantes lleguen a las mismas respuestas.
  3. Proporcione a los estudiantes papel cuadriculado y pídales que hagan gráficos de barras verticales que comparen el número medio de burbujas en las dos condiciones de luz. Asegúrese de que los estudiantes incluyan títulos, etiquetas de ejes y leyendas si se utilizan colores diferentes para las dos barras. Luego, muéstreles cómo pueden indicar los rangos de los datos agregando un segmento de línea vertical en la parte superior central de cada barra, con el extremo inferior del segmento de línea situado en el número más bajo de burbujas observado por un equipo, y el extremo superior del segmento de línea en el mayor número de burbujas observado.

Parte 5: Interpretación de los datos

  1. Como clase, examinen todos los datos y gráficos y revisen la hipótesis. ¿Qué nos dicen estos números sobre la cantidad de fotosíntesis que ocurrió en cada una de las dos condiciones de luz? En otras palabras, ¿se apoyó o no la hipótesis de la clase probada?
  2. Continúe con una discusión en clase para analizar los datos. ¿Cómo sabe que las burbujas que vio subir a la superficie eran burbujas de oxígeno? Los estudiantes pueden responder que saben que la fotosíntesis produce oxígeno, por lo que las burbujas deben haber sido oxígeno. Sin embargo, sin una forma de determinar la composición química de las burbujas, es solo una suposición de que las burbujas contienen oxígeno. Bien podrían haber sido burbujas de nitrógeno o dióxido de carbono, o algún otro gas de algún otro proceso que estaba ocurriendo en las plantas en lugar de la fotosíntesis. Sin embargo, dado que las plantas estuvieron expuestas a la luz, lo más probable es que las burbujas estuvieran hechas de oxígeno. Señale que es importante que los investigadores se aseguren de reconocer la diferencia entre lo que saben sobre un experimento y lo que suponen al respecto.

Vocabulario / Definiciones

media: La suma de todos los valores de un conjunto de datos, dividida por el número de valores del conjunto de datos, también conocido como promedio. Por ejemplo, en un conjunto de cinco medidas de temperatura que constan de 22 ° C 186, 25 ° C 186 ° C, 18 ° C 186 ° C, 22 ° C 186 ° C y 19 ° C 186 ° C, la temperatura media es 106 ° C 186 ° C dividida por 5, o 21,2 y # 186C.

mediana: El valor medio en un conjunto de datos, obtenido al organizar los valores de los datos en una lista ordenada de menor a mayor, y luego encontrar el valor que se encuentra en el punto medio de la lista. Por ejemplo, en un conjunto de cinco mediciones de temperatura que constan de 22 & # 186 C, 25 & # 186 C, 18 & # 186 C, 22 & # 186 C y 19 & # 186 C, la lista ordenada de temperaturas sería 18 & # 186 C , 19 & # 186 C, 22 & # 186 C, 22 & # 186 C, y 25 & # 186 C. El valor medio es el tercer valor, 22 & # 186 C. Si el conjunto de datos consta de un número par de valores, la mediana es determinado promediando los dos valores medios. Por ejemplo, en un conjunto de seis mediciones de temperatura que constan de 20 & # 186C, 22 & # 186C, 25 & # 186C, 18 & # 186C, 24 & # 186C y 19 & # 186C, los valores medios son 20 & # 186C y 22 & # 186C. Por lo tanto, el valor mediano es el promedio de 20 & # 186C y 22 & # 186C, que es 21 & # 186C.

modo: el valor en un conjunto de datos que ocurre con mayor frecuencia. Por ejemplo, en un conjunto de cinco mediciones de temperatura que constan de 22 & # 186C, 25 & # 186C, 18 & # 186C, 22 & # 186C y 19 & # 186C, la medición de 22 & # 186C ocurre con mayor frecuencia, por lo que es el modo. Es posible tener dos o más modos en un conjunto de datos, si dos o más valores ocurren con la misma frecuencia.

Evaluación

Preguntas: Evalúe la comprensión de los estudiantes haciéndoles preguntas como:

  • ¿Qué "cosas" se necesitan para que ocurra la fotosíntesis?
  • ¿Cuáles son los productos de la fotosíntesis?
  • ¿En qué parte de la planta se produce la fotosíntesis?
  • ¿Por qué las plantas necesitan agua para sobrevivir?

Análisis gráfico: Proporcione una gráfica de datos de un experimento similar al que acaban de realizar los estudiantes y pídales que saquen conclusiones de él. Por ejemplo, los datos podrían representar las alturas de las plantas de maíz, la mitad de las cuales se cultivaron a la sombra de un bosque y la otra mitad en un campo abierto.

Preguntas de investigación

  • ¿Qué crees que pasaría si dejaras algunas plantas en un armario completamente oscuro durante dos o tres semanas? ¿Por qué piensas eso?
  • ¿Por qué es importante que las plantas de cultivo reciban suficiente lluvia?
  • La atmósfera de la Tierra no siempre contenía tanto oxígeno como ahora. De hecho, en algún momento probablemente no contenía oxígeno en absoluto. ¿Cómo crees que llegó allí el oxígeno de la atmósfera terrestre? ¿Por qué piensas eso?

Extensiones de actividad

La luz que proviene del sol consiste en ondas de luz de muchas longitudes de onda diferentes. En el espectro de luz visible, estos van desde el rojo con la longitud de onda más larga hasta el violeta con la longitud de onda más corta. La clorofila no responde por igual a todas las longitudes de onda o colores de luz. Haga que los estudiantes utilicen la misma configuración experimental para determinar qué color o colores de luz resultan en la mayor actividad fotosintética. La única modificación que necesitan hacer es cubrir sin apretar el vaso con una envoltura de plástico de colores o celofán durante los cinco minutos de recuento de burbujas. Dado que las longitudes de onda azules son las mejores para la mayoría de las plantas, asegúrese de que este sea uno de los colores disponibles. Si es posible, tenga rojo y otro color disponible también.

Derechos de autor

Colaboradores

Programa de apoyo

Agradecimientos

Este contenido fue desarrollado por el programa MUSIC (comprensión matemática a través de la ciencia integrada con el plan de estudios) en la Escuela de Ingeniería Pratt de la Universidad de Duke bajo la beca GK-12 de la Fundación Nacional de Ciencias no. DGE 0338262. Sin embargo, estos contenidos no representan necesariamente las políticas de la NSF y no debe asumir el respaldo del gobierno federal.


El nuevo invento mantiene los qubits de luz estables a temperatura ambiente

Crédito: Unsplash / CC0 Public Domain

Investigadores de la Universidad de Copenhague han desarrollado una nueva técnica que mantiene estables los bits cuánticos de luz a temperatura ambiente en lugar de trabajar solo a -270 grados. Su descubrimiento ahorra energía y dinero y es un gran avance en la investigación cuántica.

Como casi toda nuestra información privada está digitalizada, es cada vez más importante que encontremos formas de proteger nuestros datos y a nosotros mismos de ser pirateados.

La criptografía cuántica es la respuesta de los investigadores a este problema, y ​​más específicamente un cierto tipo de qubit, que consiste en fotones individuales: partículas de luz.

Los fotones individuales o qubits de luz, como también se les llama, son extremadamente difíciles de piratear. Sin embargo, para que estos qubits de luz sean estables y funcionen correctamente, deben almacenarse a temperaturas cercanas al cero absoluto, es decir, menos 270 C, algo que requiere enormes cantidades de energía y recursos.

En un estudio publicado recientemente, investigadores de la Universidad de Copenhague demuestran una nueva forma de almacenar estos qubits a temperatura ambiente durante cien veces más de lo que se había mostrado antes. Eugene Simon Polzik, profesor de óptica cuántica en el Instituto Niels Bohr, dice: "Hemos desarrollado un recubrimiento especial para nuestros chips de memoria que ayuda a que los bits cuánticos de luz sean idénticos y estables mientras están a temperatura ambiente. Además, nuestro nuevo El método nos permite almacenar los qubits durante mucho más tiempo, que son milisegundos en lugar de microsegundos, algo que no había sido posible antes. Estamos realmente entusiasmados con eso ".

El recubrimiento especial de los chips de memoria hace que sea mucho más fácil almacenar los qubits de luz sin grandes congeladores, que son difíciles de operar y requieren mucha energía. Por tanto, la nueva invención será más barata y más compatible con las demandas de la industria en el futuro.

"La ventaja de almacenar estos qubits a temperatura ambiente es que no requiere helio líquido o sistemas láser complejos para su enfriamiento. Además, es una tecnología mucho más simple que se puede implementar más fácilmente en una futura Internet cuántica", dice Karsten Dideriksen. , un UCPH-Ph.D. sobre el proyecto.

Normalmente, las temperaturas cálidas perturban la energía de cada bit cuántico de luz. "En nuestros chips de memoria, miles de átomos vuelan emitiendo fotones, también conocidos como qubits de luz. Cuando los átomos se exponen al calor, comienzan a moverse más rápido y chocan entre sí y con las paredes del chip. Esto los lleva emitir fotones que son muy diferentes entre sí. Pero necesitamos que sean exactamente iguales para poder utilizarlos para una comunicación segura en el futuro ", explica Eugene Polzik. “Por eso hemos desarrollado un método que protege la memoria atómica con el recubrimiento especial para el interior de los chips de memoria. El recubrimiento consiste en parafina que tiene una estructura similar a la cera y funciona suavizando la colisión de los átomos, haciendo que el emitió fotones o qubits idénticos y estables. Además, utilizamos filtros especiales para asegurarnos de que sólo se extrajeron fotones idénticos de los chips de memoria ".

Aunque el nuevo descubrimiento es un gran avance en la investigación cuántica, todavía necesita más trabajo.

"En este momento, producimos los qubits de luz a una velocidad baja, un fotón por segundo, mientras que los sistemas refrigerados pueden producir millones en la misma cantidad de tiempo. Pero creemos que esta nueva tecnología tiene ventajas importantes y que podemos superar esto desafío en el tiempo ", concluye Eugene.


Los científicos mejoran la fotosíntesis mediante la ingeniería genética de plantas

Desde que Thomas Malthus emitió su terrible predicción en 1789 de que el crecimiento de la población siempre superaría el suministro de alimentos, los científicos han trabajado para demostrar que estaba equivocado. Hasta ahora, han ayudado a los agricultores a mantener el ritmo mediante el desarrollo de variedades mejores y más grandes de cultivos y otras innovaciones agrícolas.

Ahora los investigadores están dando un paso aún más audaz: reprogramar plantas para hacer la fotosíntesis más eficiente. Y parece estar dando sus frutos.

Las plantas de tabaco que fueron modificadas genéticamente para optimizar la fotosíntesis superaron a sus parientes convencionales hasta en un 40%, según un estudio de la edición del viernes de la revista Science.

"Es realmente hermoso en su elegancia", dijo Christine Foyer, bióloga de plantas de la Universidad de Leeds en Inglaterra que no participó en el trabajo.

Los científicos se han centrado en la fotosíntesis porque ofrece una de las pocas opciones que quedan para aumentar drásticamente los rendimientos de los cultivos. Los fitomejoradores ya han seleccionado variedades vigorosas que producen más de lo que queremos comer, ya sean hojas, frutos, raíces o semillas, cuando se cultivan en condiciones ideales.

"Realmente necesitamos poder manipular la fotosíntesis, porque realmente es todo lo que queda", dijo el biólogo vegetal Don Ort de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, autor principal del estudio.

Afortunadamente, hay mucho margen de mejora, al menos en teoría.

Despite its ability to build towering redwoods and vast coral reefs, photosynthesis is a fairly inefficient process. Only a tiny fraction of available light gets used to produce sugars and other carbohydrates.

“The photosynthetic system has evolved to be very flexible, rather than fully optimal,” Foyer said. “There was a compromise.”

Part of the problem is that plants spend a lot of energy compensating for a bug in their operating system.

It involves an enzyme called RuBisCO whose job is to grab carbon dioxide molecules and send them down the assembly line.

The process worked great when photosynthesis first evolved billions of years ago, because there was no oxygen in the atmosphere. But once it built up — thanks, of course, to photosynthetic plankton — RuBisCO began latching on to the wrong gas by accident.

The resulting compound was not just useless, but toxic. So plants had to find a way to convert it into something safe and functional.

Unfortunately, Ort said, “the way that plants picked to do turned out to be both very complex and very energy-intensive.”

Their solution involves shuttling the undesirable molecule outside the chloroplast, where photosynthesis occurs, and into another organelle called a peroxisome. From there, it goes into the mitochondria before retracing its path to the chloroplast in a more tolerable state.

This cumbersome process, known as photorespiration, eats up some of the energy the plant has already stored as sugar and reduces crop yields by 20% to 50%.

“That fixing of an oxygen is really like anti-photosynthesis,” Ort said.

So his team decided to update the photorespiration algorithm.

They took tobacco plants — which are easy to work with — and inserted new genes into their DNA that created a shortcut for processing the unwanted compound. They tried three alternatives, two of which had been developed by other scientists. The researchers also silenced a gene to keep the molecule from leaving the chloroplast in the first place.

“It’s really a very, very complex piece of engineering,” Foyer said.

The modification worked wonders. In greenhouse experiments, the engineered plants put on almost 25% more biomass than their unaltered counterparts. Field trials — the gold standard for testing new crops — had even better results, with some plants outproducing their relatives by 40%.

“Some of that, we think, was due to compound interest,” Ort said. Young plants grew faster and increased their leaf area, which allowed them to photosynthesize even more.

The researchers have started making the same changes in food crops such as soybeans, cowpeas and potatoes.

“There’s no reason to suspect that you wouldn’t have a similar result,” Foyer said.

However, it won’t work on crops such corn and sugarcane, which have a different way of fixing carbon.

Ort’s team is also collaborating with another group at the University of Illinois that engineered tobacco plants to utilize more light, resulting in a 15% increase in productivity.

“We’re now in the process of what we call stacking those two traits,” Ort said. Models suggest that the benefits will add up, boosting productivity by more than 50%. But, Ort cautioned, “until you do the experiments, you don’t know.”

Both efforts are the fruit of the RIPE project, which stands for Realizing Increased Photosynthetic Efficiency. Its motivation is simple: to increase crop yields and combat food insecurity. (The $70-million initiative has gotten much of its funding from the Bill and Melinda Gates Foundation, which requires that any crops developed through the program be made accessible to farmers around the world).

Today, growers still manage to squeeze more food out of every acre of land by using more productive crops and supplying them with plenty of nutrients and water. But gains have slowed to just 1% to 2% per year, and some scientists expect the trend could reverse as a result of climate change.

That will make it difficult to tackle the challenges facing humanity in coming decades: growing enough food to feed an estimated 9.7 billion people by 2050, and doing so without destroying the planet. While the first Green Revolution succeeded in dramatically increasing food production, it also brought a host of environmental problems, including increased use of fertilizer and pesticides, water pollution, soil degradation and erosion.

“It really isn’t possible to continue the way that we are going,” Foyer said.

In the future, scientists say, we must find ways to produce more food on the same amount of land and using fewer resources. One solution is to ensure plants make the most of what they have, as Ort’s team has done with their tobacco plants, Foyer said: “That’s why this is important.”

The new results are a great start, said Heike Sederoff, a plant biologist at North Carolina State University in Raleigh. But she said researchers will still have to assess whether the new photosynthetic trait persists across generations, and whether it makes plants more or less susceptible to environmental stressors such as drought.

“Those things are all stuff that needs to be tested,” she said.

Genetically modified crops also remain controversial, especially in Europe and Africa, where many countries have banned them, Sederoff noted. So the potential of these crops will depend partly on how attitudes and regulations evolve.

But Ort said the clock is ticking. It takes 12 to 15 years for a new crop to go from the lab to farmers’ fields, which means that if his team or others do manage to develop more efficient varieties, they won’t be on our plates until the mid-2030s.

By the middle of the century, food production will have to increase by 25% to 70% to meet demand, according to one recent estimate.


Quantum Breakthrough: New Invention Keeps Qubits of Light Stable at Room Temperature

Researchers from University of Copenhagen have developed a new technique that keeps quantum bits of light stable at room temperature instead of only working at -270 degrees. Their discovery saves power and money and is a breakthrough in quantum research.

As almost all our private information is digitalized, it is increasingly important that we find ways to protect our data and ourselves from being hacked.

Quantum Cryptography is the researchers’ answer to this problem, and more specifically a certain kind of qubit — consisting of single photons: particles of light.

Single photons or qubits of light, as they are also called, are extremely difficult to hack.

However, in order for these qubits of light to be stable and work properly they need to be stored at temperatures close to absolute zero — that is minus 270 C — something that requires huge amounts of power and resources.

Yet in a recently published study, researchers from University of Copenhagen, demonstrate a new way to store these qubits at room temperature for a hundred times longer than ever shown before.

“We have developed a special coating for our memory chips that helps the quantum bits of light to be identical and stable while being in room temperature. In addition, our new method enables us to store the qubits for a much longer time, which is milliseconds instead of microseconds — something that has not been possible before. We are really excited about it,” says Eugene Simon Polzik, professor in quantum optics at the Niels Bohr Institute.

The special coating of the memory chips makes it much easier to store the qubits of light without big freezers, which are troublesome to operate and require a lot of power.

Therefore, the new invention will be cheaper and more compatible with the demands of the industry in the future.

“The advantage of storing these qubits at room temperature is that it does not require liquid helium or complex laser-systems for cooling. Also it is a much more simple technology that can be implemented more easily in a future quantum internet,” says Karsten Dideriksen, a UCPH-PhD on the project.

A special coating keeps the qubits stable

Normally warm temperatures disturb the energy of each quantum bit of light.

“In our memory chips, thousands of atoms are flying around emitting photons also known as qubits of light. When the atoms are exposed to heat, they start moving faster and collide with one another and with the walls of the chip. This leads them to emit photons that are very different from each other. But we need them to be exactly the same in order to use them for safe communication in the future,” explains Eugene Polzik and adds:

“That is why we have developed a method that protects the atomic memory with the special coating for the inside of the memory chips. The coating consists of paraffin that has a wax like structure and it works by softening the collision of the atoms, making the emitted photons or qubits identical and stable. Also we used special filters to make sure that only identical photons were extracted from the memory chips”.

Even though the new discovery is a breakthrough in quantum research, it stills needs more work.

“Right now we produce the qubits of light at a low rate — one photon per second, while cooled systems can produce millions in the same amount of time. But we believe there are important advantages to this new technology and that we can overcome this challenge in time,” Eugene concludes.

Reference: “Room-temperature single-photon source with near-millisecond built-in memory” by Karsten B. Dideriksen, Rebecca Schmieg, Michael Zugenmaier and Eugene S. Polzik, 17 June 2021, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-021-24033-8


Probiotics - for plants

Recent research (and commercials) tell us probiotic products are good for our health, with benefits ranging from improved digestion to managing allergies and colds, Just as humans can benefit from the good bacteria of probiotics, plants can benefit from certain microbes. And that benefit is also good for the environment.

In plants, beneficial bacteria and fungi are endophytes. Scientists have known for decades that plants like legumes (peas, beans, and lentils) have beneficial bacteria in nodules attached to their roots. These bacteria "fix" vital nitrogen, turning it into a form the plant can easily use. However, researchers have recently found some nitrogen-fixing bacteria actually live inside plant tissue--in the leaves, stems, and roots -- with impressive results.

Sharon Doty, an associate professor at the University of Washington, was one of the first to discover these bacteria, and their successful transfer between plants.

Doty and her team isolated endophytes from poplar and willow trees. These trees thrived despite a rocky, forbidding surround. "All I have to do is look at these trees in their native habitat to see that we are clearly on the right path simple nitrogen use efficiency cannot explain the continued biomass accumulation of these amazing trees," Doty says.

Doty then transferred the endophytes to rice plants. The result? Larger and taller plants with fuller root systems--despite limited nitrogen conditions in the greenhouse.

This endophyte-plant relationship is partly a matter of speed in adaptation. "Plants have a limited ability to genetically adapt to rapid environmental changes (heat, drought, toxins, or limited nutrients) and so they may use microbes that do have this capacity to rapidly evolve due to their vastly shorter life cycles," she explained. "By having the right microbes for the conditions, the plants are healthier. That is how it is similar to humans taking probiotics to improve their health."

And the environmental payoff? Thanks to these bacteria fixing nitrogen for the plant, farmers could use less chemical fertilizers to give plants the nitrogen they need. Because runoff from these fertilizers can be harmful to surrounding ecosystems, being able to use less is great news and can even decrease greenhouse gas emissions, added Doty. "This research offers the potential alternative for chemical fertilizers in crop production, thus aiding sustainable agriculture with minimum impacts on the environment."

This benefit is not limited to rice. "Research on endophytic nitrogen-fixation has enormous potential benefits since endophytes have a very broad host range," she said. "Unlike root nodules that are limited to [just a few plants], endophytic nitrogen-fixation could be used for any plant species."

The endophytes of poplar and willow can also provide growth benefits for such diverse species as corn, rice, ryegrasses, tomato, pepper, squash, Douglas fir, and western red cedar. "This suggests that the plant-microbe communication is ancient," Doty noted.

The way these bacteria get inside the plant and then live there is still being studied. It most likely differs by the type of bacteria, Doty said. Some may transfer through seeds and others through the environment. Once inside a plant, the bacteria can migrate throughout -- unlike those found in root nodules -- and are often found in the spaces between plant cells and in areas that transport water or sugars.

Doty's work is also a study in long-term commitment. "When I began as an assistant professor in 2003, I always had side projects on nitrogen-fixation but it was impossible to get funding to study it since [this idea] goes against the established dogma that symbiotic nitrogen-fixation can only occur in root nodules," she said. "I continue to fight that battle even now, over a dozen years later."

Other researchers may study how the endophytes interact with the soil, but Doty's research centers on the internal interactions. This, in turn, has external results. "Many of the endophytes produce plant hormones that (help them grow more roots), so they are impacting how the plants interact with soil in that way as well," she added. "It is essential to find environmentally sustainable crop production methods that reduce the demand for nitrogen fertilizers in cultivation."

The next steps in this work have practical applications. Doty's lab is collaborating with an agricultural company to take advantage of these bacteria on a large scale. This could include seed coating or spraying.

Doty's research, funded by the United States Department of Agriculture (NIFA grant # 2012-00931), was published in Ciencia de cultivos.


Green light: Is it important for plant growth?

Green light is considered the least efficient wavelength in the visible spectrum for photosynthesis, but it is still useful in photosynthesis and regulates plant architecture.

Sometimes one may hear that plants don&rsquot use green light for photosynthesis, they reflect it. However, this is only partly true. While most plants reflect more green than any other in the visible spectrum, a relatively small percentage of green light is transmitted through or reflected by the leaves. The majority of green light is useful in photosynthesis. The relative quantum efficiency curve (Photo 1) shows how efficiently plants use wavelengths between 300 and 800 nm. Green light is the least efficiently used color of light in the visible spectrum.

Photo 1. Relative quantum efficiency curve. (Adapted by Erik Runkle from McCree, 1972. Agric. Meteorology 9:191-216.)

As a part of a series of experiments performed in enclosed environments, Michigan State University Extension investigated how different wavebands of light (blue, green and red) from LEDs influenced growth of seedlings. We grew tomato &lsquoEarly Girl,&rsquo salvia &lsquoVista Red,&rsquo petunia &lsquoWave Pink,&rsquo and impatiens &lsquoSuperElfin XP Red&rsquo in growth chambers for four to five weeks at 68 degrees Fahrenheit under 160 µmol∙m -2 ∙s -1 of LED or fluorescent light. The percentages from each LED color were: B25+G25+R50 (25 percent of light from blue and green LEDs and 50 percent from red LEDs) B50+G50 B50+R50 GRAMO50+R50 R100 y B100.

Plants grown with 50 percent green and 50 percent red light were approximately 25 percent shorter than those grown under only red light, but approximately 50 percent taller than all plants grown under more than 25 percent blue light (Photo 2). Therefore, blue light suppressed extension growth more than green light in an enclosed environment. Twenty-five percent green light could substitute for the same percentage of blue light without affecting fresh weight. However, the electrical efficiency of the green LEDs was much lower than that of blue LEDs. To read more about this experiment, please read &ldquoGrowing Plants under LEDs: Part Two&rdquo in Greenhouse Grower.

Photo 2. Salvia grown for four weeks under the same intensity of blue (B), green (G) and red (R) LEDs or fluorescent lamps (FL). The number after each color represents the percentage of that color, e.g., B50+R50 means that plants were grown under 50 percent blue light and 50 percent red light.

One potential advantage of including green in a light spectrum is to reduce eye strain of employees. Under monochromatic, or sometimes two colors of light such as blue and red, plants may not appear their typical color, which could make noticing nutritional, disease or insect pest issues difficult. Another potential advantage of green light is that it can penetrate a canopy better than other wavebands of light. It&rsquos possible that with better canopy penetration, lower leaves will continue to photosynthesize, leading to less loss of the lower leaves.


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