Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas?

Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Resumen del Proyecto: Los objetivos del proyecto son: 1. Introducir a los estudiantes al proceso de la ciencia a través de actividades de investigación. 2. Utilizar las herramientas de colaboración de CmapTools para construir una comunidad de estudiantes investigadores de las escuelas participantes en el Proyecto Conéctate. 3. Enseñar a los estudiantes conceptos científicos básicos a través de experimentos colaborativos en germinación de semillas. 4. Investigar de qué forma las características físicas y químicas del ambiente pueden influir en la germinación de semillas. 5. Preparar a los estudiantes en las habilidades básicas de investigación durante la primera etapa del proyecto cuando ellos colaborativamente llevan a cabo los mismos experimentos, luego realizan sus propias investigaciones en la segunda etapa del proyecto (investigación avanzada). Estructura del Proyecto El proyecto Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? está compuesto por dos etapas secuenciales y progresivas. En la primera etapa preparatoria, los estudiantes adquirirán las destrezas básicas necesarias para llevar a cabo verdaderas investigaciones. Ellos participarán en experimentos de colaboración coordinados, igual que los científicos profesionales, y compartirán, compararán y analizarán sus hallazgos a través de las herramientas de colaboración de CmapTools. Los estudiantes experimentarán que la ciencia es un esfuerzo cooperativo y gratificante unido por protocolos y estándares comunes. Para esta etapa colaborativa, todos usaremos la misma variedad de semillas de alfalfa, que serán distribuidas a todas las clases participantes. Utilizaremos las mismas herramientas y procedimientos para asegurar estandarización a través del proyecto, de la misma forma que trabajan los científicos profesionales. A pesar de ser un reto, ésta es la única forma de construir una confianza científica y asegurarnos de que nuestros datos son directamente comparables. Este acercamiento expande las oportunidades de los estudiantes de explorar durante cortos períodos de tiempo los efectos de los parámetros físicos y químicos sobre el crecimiento y desarrollo de las semillas de alfalfa, como la temperatura, intensidad de la luz, humedad y algunas sustancias químicas, incluyendo fertilizantes, pesticidas y algunos contaminantes ambientales.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Resumen del Proyecto

Una vez que hayan sido guiados a través de la primera etapa, los estudiantes participarán en la etapa avanzada de nuestra investigación. Usted y sus estudiantes decidirán qué investigar, como por ejemplo cuáles semillas y parámetros ambientales, y a través de las herramientas de colaboración de CmapTools, formará grupos de trabajo para que investiguen sobre la germinación y el crecimiento de las semillas de su escogencia. Esta secuencia asegurará que sus estudiantes sepan cómo trabajar colaborativamente y sean capaces de alcanzar las metas de sus investigaciones. Ellos aprenderán conceptos importantes de biología, física y química, al mismo tiempo que el proceso de la ciencia. Estructura del Proyecto ¿Cómo lo Saben las Semillas?

Actividades Iniciales:

Actividades Avanzadas :

Actividades preparatorias dirigidas. Todos los experimentos están estandarizados.

Las escuelas colaboran en proyectos determinados por los intereses de los estudiantes. Los proyectos pueden incluir : Actividad #1 Los estudiantes investigan las condiciones óptimas para la germinación de semillas locales específicas. Actividad #2 Los alumnos estudian los efectos de la temperatura, humedad, o intensidad de la luz en la germinación de semillas. Actividad #3 Los alumnos estudian el efecto de contaminantes en la germinación de semillas. Las anteriores son ideas para empezar. Los motivamos a desarrollar sus propios proyectos y encontrar colaboradores de otras escuelas.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Uno

Actividad 1. Introducción al Proyecto ¿Cómo lo Saben las Semillas? Metas de la Actividad: 1. Introducir a los estudiantes a comprender cómo los parámetros físicos y químicos del ambiente, incluyendo contaminantes, afectan la germinación y el crecimiento de las plantas. 2. Ayudar a los estudiantes a entender cómo las semillas germinan en condiciones ambientales favorables. 3. Ayudar a los estudiantes a entender el estado latente de las semillas durante condiciones desfavorables para el crecimiento.

Tiempo Requerido: De uno a tres períodos de clase (de 45-50 minutos cada uno).

Guía para el Maestro: Estimados Maestros de Conéctate, Durante el transcurso del proyecto, utilizaremos lo mejor de la tecnología para introducir a los estudiantes a la práctica de la ciencia auténtica. Queremos que los estudiantes aprendan que la ciencia no es una colección de hechos para memorizar, si no más bien un proceso dinámico y excitante, basado en estándares rigurosos, que está diseñado para aumentar el conocimiento y la comprensión. Queremos que los estudiantes lleven a cabo investigaciones en las que ellos participen activamente y colaboren con sus compañeros de Conéctate a través de todo el país. Mediante el uso de la Red Conéctate, nuestra aula de trabajo se convertirá en un laboratorio de ciencias en red. Desafiamos a los estudiantes a ver tanto el misterio como el significado científico de un tema al que ellos muy probablemente se han enfrentado cada año desde la edad preescolar - las plantas. Sus estudiantes pueden experimentar el entusiasmo de una investigación en el crecimiento y desarrollo controlado de las plantas mediante la construcción de su propia cámara ambiental de crecimiento y aprender a manipular las variables que son críticas para la vida de las plantas. Queremos que vayan más allá del estudio estándar de anatomía y fisiología vegetal a una experiencia activa de la cercana y algunas veces frágil relación entre una planta y su ambiente.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Uno

Nuestra Primera Actividad Primero queremos que los estudiantes que participan en este proyecto se conozcan y se presenten con sus compañeros en las diferentes zonas del país con los cuales estarán trabajando. Queremos que los estudiantes aprendan acerca de la cultura y el ambiente de sus colegas en el proyecto y recomendamos marcar los sitios de las aulas de innovación de Conéctate en un mapa regional en el aula. Esto lo pueden lograr haciendo mapas conceptuales sobre ellos mismos, por ejemplo con el tema de ¿Quién soy yo? Mapas conceptuales sobre su escuela, la ciudad o región donde viven, etc.

Procedimientos Recomendados: 1. Discuta con sus estudiantes lo que ellos saben sobre la ciencia y los científicos. Pregúnteles ¿qué es ciencia?. ¿Conocen a algún científico profesional? ¿Están conscientes de descubrimientos científicos y cómo se desarrollaron estos descubrimientos? ¿Consideran ellos que la germinación de semillas es un tema importante para estudiar? ¿Por qué es importante la investigación sobre semillas en su país y región? Investigue y comente sobre los temas en la sección “Foro de Discusión” más adelante.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Uno

Guía para el Estudiante: Estimados Estudiantes, Bienvenidos a Conéctate al Conocimiento, el Proyecto que utiliza Internet para unir escuelas de diferentes regiones del país entre sí y con el resto del mundo. La Red Conéctate nos permiten crear una comunidad virtual, “un barrio digital”, que le permita trabajar con sus compañeros y amigos en el aula de al lado o en otro continente. La Red Conéctate abre nuestras clases al mundo y nos permiten intercambiar ideas, cartas y datos, y participar en discusiones de grupo que gregan entusiasmo a nuestro aprendizaje. En este proyecto colaborativo hacemos investigaciones en ciencias. ¿Por qué decimos “investigaciones”? Normalmente usted estudia ciencias. Sin embargo la ciencia real es un proceso; es la búsqueda de conocimiento y comprensión. Con este proyecto, usted practicará ciencia. Nosotros le introduciremos a investigaciones científicas de una forma que creemos será interesante y relevante para usted. Así como los árboles más grandes comienzan de las semillas más pequeñas, creemos que su proyecto germinará en una ciencia auténtica. Y esto es lo que estudiaremos; uno de los fenómenos de la naturaleza más increíbles y que sin embargo se ha tomado como un hecho - los métodos utilizados por las semillas para germinar. Únase a nosotros conforme investigamos ¿Cómo lo Saben las Semillas? ¡¿Qué es lo que saben?! Para responder, debemos entender qué son las semillas. Las plantas utilizan las semillas para producir nuevas generaciones de plantas y por lo tanto transmitir sus genes. Cada semilla es el embrión de una nueva planta. Esta consiste del embrión en sí, alimento almacenado para que el embrión sobreviva y de una cubierta protectora. Las plantas sin embargo se enfrentan a un obstáculo único en su reproducción - ellas están enraizadas en la tierra. Las plantas no pueden simplemente dejar caer sus semillas al suelo. Las semillas germinarían y empezarían a competir con sus padres por el espacio, el agua y la luz solar. Las plantas vivirían en agrupaciones sobre pobladas y empezarían a morir. ¡Imagínese una generación tras otra de su familia y parientes viviendo en una sola habitación sin irse jamás! Para que las plantas puedan sobrevivir de una generación a otra, sus semillas deben ser transportadas a otro lugar. Plantas Productoras de Semilla

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Uno

Las plantas productoras de semilla, las angiospermas y las gimnospermas, son las plantas más elevadas en la escala de la evolución. Las plantas inferiores (musgos y helechos) se propagan por medio de esporas. Las semillas de las angiospermas, o plantas con flor, se diferencian de las gimnospermas, o coníferas, y plantas relacionadas, por estar encerradas dentro del ovario que más adelante forma la fruta; las semillas de las gimnospermas yacen expuestas en las escamas de los conos. La naturaleza ha desarrollado una solución ingeniosa - las semillas hacen “autostop” hacia nuevas localidades, acarreadas por el viento, flotando en el agua, o transportadas por animales. Generalmente, el animal se come la semilla, pero en lugar de ser destruidas en el medio ácido del tracto digestivo, éstas están protegidas por una envoltura. Más tarde, el animal excreta las semillas intactas en otro sitio. De esta forma las semillas pueden viajar a muchos kilómetros de distancia de sus padres. La gran decisión de todas las semillas ¿Germinar o no germinar? Esa es la pregunta... si usted fuera una semilla. Durante el período de dispersión, las semillas se encuentran en estado latente o durmiente. Ellas saben que no tienen que germinar hasta que se establezcan en algún sitio donde las condiciones sean favorables para su crecimiento. ¿Cómo lo saben? Las semillas utilizan receptores para evaluar una gran variedad de condiciones ambientales, como la temperatura, la humedad, la intensidad de la luz, el espectro de la luz y los agentes químicos de otras plantas de su misma especie. Cuando las condiciones ambientales son favorables para su crecimiento, las semillas germinarán. Entonces maravillosamente vuelven a la vida. Sus células absorben agua, se activan las enzimas, la respiración aumenta, se genera energía para la biosíntesis y empieza el crecimiento con elongación o división celular. Sin embargo las semillas son pacientes. Permanecen en estado latente, algunas veces por muchos años, hasta que se den las condiciones adecuadas, las cuales varían de especie a especie. Algunas semillas han esperado de ocho a diez mil años si no más, para germinar. Algunas veces las semillas terminan en ambientes inhóspitos y nunca germinan. Como en muchos casos, las plantas toman sus propias decisiones de crecimiento basándose en mensajes ambientales muy específicos, un pequeño cambio en el clima puede alterar drásticamente la distribución de las plantas que crecen en esa zona.

¿Son las Semillas Simplemente Semillas? No.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Uno

Las semillas varían más que las personas. De acuerdo con el Libro de Récords Guiness, las semillas más pequeñas son las de las orquídeas epifitas (plantas no parasíticas que crecen sobre otras plantas). Treinta y cinco millones de estas semillas pesan sólo 28 gramos (aproximadamente una onza). Por otro lado, las semillas más grandes son las del coco doble o coco de mar (Lodoicea maldivica), el cual crece sólo en las Seychelles (un archipiélago en el Océano Indico, a aproximadamente 1,450 Km. de la costa este de África) y produce una fruta de una sola semilla que pesa casi veinte kilogramos.

¿Por qué los animales quieren comer semillas que no pueden digerir? Las plantas esconden las semillas en la fruta. El propósito de la fruta es ayudar a dispersar las semillas. La planta envuelve sus semillas en sus frutas, luego anuncia el sabor de las frutas por medio del aroma y el color. Un pájaro, por ejemplo, detecta una cereza roja, se la come y luego sale volando. Más adelante, la semilla de cereza pasa a través del tracto digestivo del pájaro sin ser dañada y es depositada en el suelo a varios kilómetros de distancia.

Haciendo la Fruta Atractiva Durante el proceso de maduración la fruta se puede volver: • de un color atractivo, de manera que resalta de sus alrededores. Para hacer esto, la fruta forma pigmentos conspicuos. • olorosa, atrayendo animales cercanos inclusive durante la noche. Esto lo hacen produciendo compuestos gaseosos aromáticos. • dulce, para gustar al paladar de un animal. La fruta se vuelve dulce convirtiendo sus ácidos orgánicos y almidones en azúcar. • suave, para hacerse comestible. Esto último se logra por medio del rompimiento parcial de las paredes celulares con enzimas hidrolíticas.

Foro de Discusión Los estudiantes deben describir sus propias experiencias en la germinación y el crecimiento de las plantas fuera del aula. ¿Cuáles son las plantas favoritas de los estudiantes? ¿Por qué? ¿Cuáles son las plantas que menos les gusta? ¿Por qué?

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Uno

¿Qué información puede ser útil para una semilla? ¿Qué “preguntas” podría hacerse una semilla? Por ejemplo, “¿Estoy enterrada en el suelo a una profundidad adecuada para germinar?,” “¿Es ésta la estación correcta para germinar?” “¿He sido dispersada por un animal?” ¿Cuáles son algunas de las plantas y frutas con semillas que comen los estudiantes? ¿Qué le sucede a esas semillas? ¿Qué es la cadena alimenticia y qué lugar ocupan las plantas dentro de ella? ¿Cuál es el proceso mediante el cual las plantas convierten energía en alimento? ¿Cuál es el producto de este proceso? Enumere todos los usos beneficiosos de las plantas que le sea posible. ¿Cuáles plantas no son beneficiosas? ¿Cuáles son molestas o peligrosas? ¿De dónde provienen los combustibles fósiles?

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Dos

Actividad 2. Conociendo Su Comunidad de Conéctate Meta de la Actividad: 1. Los estudiantes preparan el mapa de ¿Quién soy yo? y lo colocan en el servidor de su escuela para que pueda ser visto por estudiantes de las otras escuelas participantes en el proyecto. 2. Introducir a los estudiantes a las técnicas propias del intercambio de datos (Ver ¿Qué son datos?) con otras escuelas a través de la Red Conéctate. ¿Qué son Datos? Los datos son todo tipo de información, pueden ser representados de múltiples formas – mapas conceptuales, texto, sonido, mapas, fotografías, gráficos, tablas, vídeo o animación. Algunos ejemplos de datos pueden ser el nombre de su escuela, una fotografía de su clase, y las plantas más comunes de su localidad. Los datos pueden ser organizados en un mapa conceptual para ser compartido con otros estudiantes.

Objetivos de la Actividad 1. Los estudiantes aprenderán a intercambiar datos a través de su computadora con otras escuelas en la Red Conéctate. 2. Los estudiantes prepararán y publicarán el mapa de ¿Quién soy yo? Y el mapa de su escuela y su clase y lo compartirán con otras escuelas participantes. 3. Los estudiantes empezarán a analizar datos.

Tiempo Requerido De dos a tres períodos de clase (de 45-50 minutos cada uno).

Materiales 1. Utilizaremos el software CmapTools instalado en el Aula de Innovación de la escuela.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Dos

Guía para el Maestro ¿Cómo Dirigir la Unidad? Hoy sus estudiantes se presentarán ellos mismos, por medio del mapa ¿Quién soy yo?, a sus compañeros en el proyecto. Recomendamos fuertemente que para la duración del Proyecto, al principio de cada actividad, usted divida la clase en equipos. Los equipos permiten realizar varias tareas concurrentemente, haciéndose un mejor uso del tiempo adjudicado al Proyecto cada semana. Los equipos también garantizan que todos los estudiantes tengan una asignación activa, motivando la responsabilidad individual mientras trabajan juntos en una organización de grupos. Durante cada actividad, recomendaremos los diferentes equipos y sus labores. Cómo dividir la clase en equipos depende de usted. Los estudiantes se pueden ofrecer como voluntarios o usted puede organizar los equipos basándose en sus habilidades y capacidades. Sin embargo, durante la primera actividad de esta unidad, el trabajo de los estudiantes es individual, ya que es importante que todos conozcan el manejo de las herramientas de comunicaciones y colaboración.

Fase 1 Durante la primera fase, cada uno de los estudiantes hará un mapa conceptual sobre ¿Quién soy yo? Y lo publicará en el servidor de su escuela para que pueda ser compartido con estudiantes de otras escuelas participando en el proyecto. En su mapa, deberá incluir su nombre, información sobre su familia, sus pasatiempos, mascotas, qué intereses tiene en ciencias, y cualquier otra información que quiera compartir.

Fase 2 Divida a los estudiantes en cuatro equipos. Cada equipo será responsable de investigar y recoger los datos, organizando la información en texto, tablas, gráficos, mapas o dibujos y hacerla disponible a las otras clases. Con la ayuda del maestro, los estudiantes en cada equipo se dividirán las labores de investigar, recoger, resumir y reportar su información. Equipo A: Su Escuela Los estudiantes trabajarán en pequeños grupos para describir y reportar el nombre de la escuela, el grado en que están, los temas que están estudiando, el número de estudiantes en su clase, su lengua materna y otros datos como por ejemplo qué medios de transporte utilizan los estudiantes

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Dos

para llegar a la escuela, cuánto tiempo tardan en llegar y a qué distancia viven de la escuela, y cualquier otra información que sus estudiantes quieran compartir. Equipo B: Su Región Geográfica Los estudiantes trabajarán en pequeños grupos para describir y reportar la latitud, longitud, tamaño, elevación, formaciones geográficas como valles y montañas, cuerpos de agua como ríos, lagos y océanos. Además los estudiantes podrían describir su pueblo o ciudad. Equipo C: Inventario Ecológico Los estudiantes trabajarán en pequeños grupos para describir y reportar la variedad de plantas y animales característicos de su región, lo mismo que el clima típico de la zona. Equipo D: Sus Preocupaciones Ambientales Los estudiantes trabajarán en pequeños grupos para describir y reportar los problemas ambientales más importantes que afectan su región, enfatizando aquellos que les interesan más. Publicación de los reportes Usted y su clase utilizarán las herramientas de colaboración de CmapTools para reportar los resultados de sus trabajos a las otras clases. Con el mismo software podrán revisar los resultados de las otras escuelas que participan en este proyecto colaborativo ¿Cómo lo Saben las Semillas?

Conectando Disciplinas (Opcional) Idiomas Extranjeros. Los estudiantes pueden tratar de comunicarse con estudiantes de otro país en su idioma (por ejemplo, mandar un mensaje a Brasil en portugués, o en inglés a una escuela en Estados Unidos). Si están recibiendo clases de otro idioma en la escuela, pueden pedir ayuda durante esas clases, a sus padres y amigos para traducir sus mensajes. Escritura y Composición. Los estudiantes pueden escribir una historia de ciencia ficción sobre las los medios de comunicación del futuro. Estudios Sociales. Los estudiantes pueden preguntar a sus maestros de estudios sociales sobre los países que estudiarán durante el año. Comunicarse con escuelas de otras regiones y preguntarles sobre temas relacionados con las clases de estudios sociales. Música. Los estudiantes pueden preparar una grabación de la música característica de la cultura de su región e intercambiarla con otra localidad de Conéctate que sea muy diferente a la propia. O con escuelas en otros países que quieran colaborar. Incluya alguna música tradicional y alguna contemporánea.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Dos

Guía para el Estudiante: Comunicaciones en las Ciencias La comunicación es crítica dentro de la comunidad científica. Ésta le permite a los científicos utilizar los resultados de otros en su propia investigación y permite el uso más efectivo de los recursos y el tiempo. Aún más, cuando los científicos hacen públicos sus datos, sus hallazgos son sujetos a evaluación por otros científicos, lo cual asegura estándares altos y precisión. Para apreciar la comunicación dentro de las ciencias, considere el papel que ha jugado las revistas científicas. Su aparición hace varios cientos de años revolucionó las comunicaciones científicas y consecuentemente la ciencia en sí. Antes de que existieran estas revistas, los científicos se comunicaban por cartas escritas a mano y usualmente sólo con unos pocos colegas. Era difícil establecer una comunidad de científicos unida por intereses comunes. Un científico haciendo investigación podría no saber que otro científico en otro lugar había realizado una investigación similar. La aparición de revistas facilitó a los científicos un foro accesible, parecido a una cartelera en la cual ellos podían intercambiar ideas, compartir y criticar los descubrimientos de cada uno y construir sobre el trabajo de otros. Las revistas científicas, sin embargo, tienen algunos inconvenientes. Su impresión y distribución por correo es costosa y algunas veces se requiere de uno o dos años para publicar los resultados de una investigación. Por esto es que los foros, conferencias y simposios se han vuelto tan importantes. Todos los años, los científicos viajan a este tipo de reuniones para comunicarse con sus colegas. La comunicación electrónica combina muchas de las ventajas tanto de las revistas como de las reuniones científicas, y hoy ejercen un gran impacto en la comunidad científica, tal vez un impacto mayor que el que las revistas tuvieron en las ciencias durante los siglos 17 y 18. En estos momentos, las redes de telecomunicaciones están conectando a casi todos los científicos en una comunidad científica global. Los participantes de este proyecto colaborativo podrán intercambiar los resultados de sus investigaciones y construir sobre los resultados de otros, tanto de escuelas lejanas como vecinas, aprovechando las ventajas que ofrece la comunicación electrónica, y de la misma forma que lo hacen los científicos

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Tres

Actividad 3. Control Ambiental en el Crecimiento de las Plantas Metas de la Unidad: 1.

Introducir a los estudiantes la necesidad de un ambiente controlado para el crecimiento y desarrollo experimental de las plantas.

2. Enfatizar el papel de los factores ambientales como mensajes, controlando la distribución y el desarrollo de las plantas. 3. Enseñar a los estudiantes los métodos y procedimientos para la experimentación colaborativa.

Objetivos de la Unidad: 1. Mejorar las habilidades experimentales de los estudiantes y enseñarles a controlar variables y enterarse de la interacción de esas variables en un experimento científico. 2. Ayudarles a pensar sobre mecanismos de control ambiental en el crecimiento y desarrollo de las plantas. 3. Estimularlos a pensar sobre los posibles efectos del cambio climático global en la distribución, crecimiento y desarrollo de las plantas. 4. Motivarlos a trabajar en forma cooperativa y mantener interés en los resultados experimentales de otros estudiantes. 5. Capacitar a los estudiantes para que diseñen sus propios experimentos. 6. Enseñar a los estudiantes cómo tomar e interpretar datos experimentales.

Tiempo Requerido Aproximadamente cinco períodos de clase (de 45-50 minutos cada uno) Materiales 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

una bolsa de 500 semillas de alfalfa (Mendicago sativa) quince cajas de Petri quince discos de papel de filtro de celulosa sesenta hojas de papel de cromatografía cincuenta bolsas plásticas con cierre hermético (Ziploc) etiquetas adhesivas para bolsas escalas adhesivas en centímetros

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Tres

8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

una hoja de Parafilm una grapadora (escuela) un par de pinzas cinco pipetas un cargador de pipeta cuarenta tubos de ensayo calibrados y con tapa de rosca agua destilada (escuela) diez frascos, cada uno con un gramo de nitrato de potasio (KNO3) diferentes compuestos químicos para probar (escuela) un sensor de temperatura (incluido con el proyecto) un sensor de luz (incluido con el proyecto) Tablas de Crecimiento y Desarrollo para el Bioensayo

Guía para el Maestro Estimados Maestros Esta Actividad introduce a los estudiantes al control experimental del desarrollo y crecimiento de las plantas. Para realizar esta actividad recomendamos dividir a los estudiantes en equipos de 4 5 personas cada uno. Cada equipo construirá y mantendrá una cámara sencilla para el crecimiento de las plantas, aprenderá a controlar variables, anotar las condiciones experimentales y reportarlas de acuerdo a un riguroso protocolo científico. Estas habilidades les permitirá a los estudiantes de muchas escuelas a unir sus datos y esfuerzos a través de la Red de Conéctate, formando un equipo regional de estudiantes-científicos.

Experimentos en Ambientes Controlados 1. Las Semillas: Desde el Estado Latente hasta la Germinación “La formación de la semilla es un proceso extraño. Empieza su nueva vida con tal promesa: los núcleos masculinos y femeninos se unen para formar el cigoto, otros tres núcleos están inspirados para unirse a la danza, empieza la división celular, se desarrolla el suspensor, las moléculas de azúcar vienen en torrente y los polímeros se depositan, todo parece listo para una explosión de crecimiento vigoroso - y luego inexplicablemente toda la actuación se detiene. El agua se evapora o es drenada, la respiración se reduce prácticamente a nada, y muchas de las células recientemente formadas fuera del embrión mueren. El embrión, a pesar de sus bodegas generosas de alimento almacenado en el endosperma o los cotiledones, es detenido exactamente en el día de su desarrollo. Ninguna catástrofe similar a ésta, sucede en el reino animal e incluso dentro de los insectos, los cuales algunas veces muestran similitudes tenues con las plantas, cuando ocurre el estado de reposo, se da en una etapa más tardía de su desarrollo, cuando el organismo está en un estado mu10/26/2006 12:07:23 – VERSION PRELIMINAR

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Tres

cho más definido. Incluso las algas y los musgos no muestran un paralelismo obvio; el proceso es simplemente característico de las plantas superiores. No es necesario agregar que las semillas formadas así , han servido a través de los siglos, como alimento para el crecimiento de muchísimos animales, especialmente las aves, y por supuesto para nosotros. Con el cultivo y recolección de los cereales se inició la agricultura del hombre, y las semillas de plantas superiores han jugado un papel central en toda la evolución, especialmente en lo que conocemos como civilización un papel más difícil de alcanzar de lo que se puede apreciar plenamente.”(Kenneth Thimann) La semilla encerrada dentro de la fruta comienza de nuevo el ciclo de vida, pero no sin una pausa fascinante (una pausa tan larga de hasta 10,000 años) única de las plantas. Generalmente se piensa que hacer germinar semillas es algo sencillo; todo lo que se tiene que hacer es ponerlas en un ambiente tibio y húmedo y el proceso de germinación se desencadenará: la célula absorbe agua, las enzimas son activadas, la respiración aumenta, se genera energía para la síntesis biológica, y el crecimiento comienza con elongación o división celular. Algunas semillas germinarán bajo estas condiciones simples, particularmente las semillas que se utilizan en la agricultura, las cuales han sido seleccionadas parcialmente basándose en ciertas características. K. V. Thimann describe esto de la siguiente manera: “Cualquiera que haya visto un otoño realmente húmedo en Inglaterra, cuando los granos de trigo cosechados comienzan a germinar en el tallo, sabrá que en algunas plantas, el control del proceso de germinación es casi cero. Simplemente el acceso a agua es suficiente para empezar todo el síndrome, y no hasta que el período de maduración intervenga. Sin embargo, para la mayoría de las semillas el paso para germinar contiene un gran número de barreras que previenen “malas decisiones”, protegiéndolas para que no germinen cuando las condiciones no son las adecuadas. Estas barreras sólo pueden ser atravesadas en presencia de factores ambientales específicos, los cuales a menudo deben de estar presentes en conjunto o darse en una cierta secuencia.

2. ¿Por qué una Cámara Ambiental? Está muy claro que hay un gran número de factores ambientales que controlan el desarrollo de las plantas, actuando cada uno en su tiempo específico. Podemos pensar que cada uno de estos factores es un “mensaje” recibido por la planta, el cual integra continuamente la información en estos mensajes para “decidir” qué se hace después: si se germina o no, si abre sus capullos, si alarga su tallo, desenrolla sus hojas, abre sus flores, libera el polen, o produce la fruta. La planta juzga el tiempo apropiado para todos estos eventos por medio de un sistema de receptores específicos, asegurando que la planta responderá apropiadamente a cualquier grupo de condiciones ambientales.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Tres

Las semillas, por ejemplo, van a germinar o quedarse en estado latente dependiendo de una combinación de la temperatura, humedad, intensidad de luz, espectro de luz, y también señales químicas de otros miembros de la comunidad. Más adelante la semilla debe determinar la dirección de la gravedad, de manera que las raíces crezcan dentro del suelo mientras que el tallo salga hacia arriba. La reacción de una planta a cambios en el ambiente es por lo general un resultado de la integración de respuestas a varios factores. Una planta que se haya adaptado a un tipo de clima, espera las condiciones específicas antes de comenzar una etapa de desarrollo en particular. Si el clima de una región cambia, puede que esta combinación de condiciones no ocurra nunca. Una planta que era capaz de crecer en esa zona puede que nunca más vuelva a estar sincronizada con el ambiente local. En su lugar, otras semillas que han sido llevadas por el viento o han estado durmientes en el suelo y cuyos genes llevan la información necesaria para reaccionar exitosamente a las nuevas condiciones ambientales, pueden ahora ser capaces de prosperar. Ya que en muchos casos, las plantas toman sus propias decisiones de desarrollo basándose en mensajes ambientales muy específicos, un pequeño cambio en el clima puede alterar drásticamente la distribución de las plantas que crecen en esa zona. El método ideal para estudiar el impacto de varias condiciones ambientales en el crecimiento de las plantas sería hacer germinar y cultivar suficientes plantas de manera que cada combinación de factores ambientales pueda ser probado experimentalmente como un grupo separado. Este esfuerzo es complicado porque cada etapa de la vida de una planta debe de estar sujeta a diferentes combinaciones de condiciones. Las plantas son incluso sensibles a la duración de temperaturas en particular; por ejemplo, la temperatura de la noche es un factor muy importante para el crecimiento de las plantas. ¡Todo esto implica la necesidad de un número enorme de experimentos, requiriendo cada uno un grupo diferente de condiciones ambientales controladas!

3. Los Usos Científicos de Ambientes Controlados Los científicos inicialmente utilizaron ambientes controlados para: •

Explorar una distribución de valores. Es importante aprender cómo una distribución de valores diferentes para un factor ambiental en particular afecta el crecimiento y desarrollo de las plantas. También es importante estudiar la interacción de factores distintos. Las cámaras ambientales pueden utilizarse para controlar el valor de estos factores.

•

Posibilidad de Reproducir los Experimentos. La investigación en bioquímica en el crecimiento y desarrollo de las plantas se debe de conducir bajo condiciones reproducibles. Solamente si las condiciones están bajo un control riguroso los científicos pueden repetir confiablemente sus experimentos o los de los demás.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Tres

•

Estudios de Bioensayo. Algunas plantas pueden ser indicadores biológicos de contaminantes dañinos, como la contaminación ambiental. Antes de que una planta pueda ser utilizada en monitoreo de campo, debe hacerse investigación especial de la planta en un ambiente controlado con niveles conocidos del contaminante. En estos experimentos los investigadores pueden explorar la sensibilidad y selectividad de la planta hacia un contaminante en particular, y estudiar la relación respuesta-dosis, o sea la dosis exacta de un contaminante en particular a la que la planta respondió.

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Efecto del Cambio Climático Global. Los científicos actualmente utilizan medios ambientales controlados para estimular y predecir los posibles efectos del cambio climático global en la vegetación.

Crecimiento de Plántulas de Alfalfa en Cámaras de Desarrollo Sencillas Antes de experimentar con diferentes sustancias químicas, usted debe de aprender cómo diseñar una cámara de desarrollo sencilla y cultivar plántulas de alfalfa en condiciones controladas. Repita este proceso varias veces para asegurarse que tiene un sistema de prueba confiable antes de adelantarse a probar soluciones. Después, cuando empiece a experimentar con diferentes sustancias químicas, prepare siempre varios controles porque usted los utilizará para comparar. Para nuestros estudios de bioensayo, los controles siempre van a ser semillas germinadas al mismo tiempo y bajo las mismas condiciones ambientales (luz, temperatura, cantidad de agua, cámaras de desarrollo iguales, etc.) que las semillas prueba, con una excepción - las semillas control no deben de ser expuestas a las soluciones a probar. Por el contrario, los controles deben de germinar y crecer en agua destilada. De esta manera, los estudiantes pueden aislar los efectos de las diferentes sustancias químicas en las semillas probadas y comparar con las semillas control. Procedimientos Germinación: 1. Lávese las manos cuidadosamente para impedir que se introduzca cualquier contaminante en su experimento. 2. Abra las cajas de Petri y coloque un disco de papel de filtro de celulosa en cada uno. 3. Utilizando las pipetas, humedezca los discos de papel de filtro con varias gotas de agua destilada (Figura 1). Importante: Asegúrese que el papel esté húmedo, pero no permita que se formen pozos.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Tres

4. Utilizando las pinzas, coloque diez semillas en cada disco (Figura 2), coloque de nuevo las tapas de las cajas de Petri, y deje que las semillas se hinchen durante la noche. Una vez crecidas, las semillas estarán pegajosas. Preparación de las Cámaras de Crecimiento: 5. Las bolsas Ziploc van a servir como cámaras de crecimiento para sus pruebas. Coloque una etiqueta adhesiva en la parte de afuera de la bolsa. Puede ver el lugar correcto de la etiqueta en la Figura 3. 6. Coloque una hoja de papel de cromatografía dentro de cada bolsa, asegurándose de dejar 0.5 centímetros de espacio entre el papel y el fondo de la bolsa. Ver Figura 3 y Figura 5. 7. Pegue el papel de cromatografía con grapas a la bolsa plástica de manera que el papel no se resbale hacia arriba o hacia abajo. Nosotros recomendamos usar dos grapas en cualquiera de los lados de la bolsa para que pueda abrir la bolsa más adelante (ver Figura 4). No pegue el papel con goma o cualquier otro material hecho de sustancias químicas que podrían contaminar el experimento. 8. Coloque verticalmente una escala adhesiva en centímetros en la parte de afuera de cada bolsa plástica (Figura 5). Después, cuando coloque las semillas dentro de la bolsa, usted utilizará esta escala como una regla para medir diariamente la longitud de las raíces y los tallos. 9. Usando tinta a prueba de agua, escriba en cada etiqueta de las bolsas, la fecha, su nombre, y las condiciones experimentales para las semillas (Figura 6). 10. Sosteniendo cada bolsa desde la parte de arriba, utilice una pipeta para poner suficiente agua destilada adentro para cubrir el fondo de la bolsa y un centímetro de la parte inferior del papel de cromatografía (Figura 7). Anote la cantidad de agua que utilizó. Cierre la bolsa herméticamente e inclínela hasta que el agua humedezca toda la superficie del papel. Sostenga la bolsa verticalmente, ábrala, y si es necesario, agregue más agua hasta cubrir un centímetro de la parte inferior del papel cromatográfico. De nuevo anote la cantidad de agua que utilizó, y escriba sobre la etiqueta de la bolsa la cantidad total de agua que puso dentro de la bolsa. Importante: La parte inferior de este papel debe de estar siempre en contacto con agua. Con el tiempo agréguele más agua si es necesario. Anote siempre en la etiqueta de la bolsa la cantidad adicional de agua que agrega. 11. Abra cada bolsa (Figura 8) y utilice las pinzas para colocar de 6-12 semillas adentro, a lo largo de la Línea de Inicio “0” en la escala de centímetros (Figura 9). Estas semillas deben de estar a una distancia de un centímetro una de la otra y se deben adherir al papel cromatográ-

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividad Tres

fico. El número de semillas que usted coloque estará determinado por el tamaño de su cámara y del papel adentro. 12. Cierre las bolsas herméticamente y péguelas a una pared con tachuelas para mantenerlas en posición vertical (Figura 10). Anote en la etiqueta de cada bolsa y en su diario, la temperatura e intensidad de luz (puede usar IBM Personal Science Lab, PSL®). Cuando compare sus resultados con los de otras escuelas, será importante saber la temperatura actual y la intensidad de luz de sus condiciones de crecimiento. ¿Por qué? 13. Asegúrese siempre de que las condiciones de crecimiento sean lo más uniforme posible para todas las bolsas. Las bolsas que estén cerca de una ventana pueden recibir más luz y aquellas que estén cerca de un radiador pueden recibir más calor, afectando así las condiciones de crecimiento. 14. Todos los días a la misma hora durante una semana, observe el crecimiento y desarrollo de todas las raíces y tallos de alfalfa. Anote el crecimiento durante una semana en una copia de la tabla de Crecimiento Diario (ver Figura 11). Introduzca sus datos dentro de la plantilla que recibirá electrónicamente y compártalo con otras clases a través de la red. Una vez que usted haya entendido los principios del bioensayo, podrá diseñar sus propios experimentos. Por ejemplo, una actividad emprendedora sería utilizar cálculo para calcular la tasa de crecimiento de las semillas control y de prueba. Los diferentes equipos podrán probar el efecto de sus soluciones en la germinación de semillas cuando están en las cajas de Petri, o podrán probar otras sustancias químicas además de nitratos. Debido a que estas pruebas requieren mucho tiempo, trate de desarrollar experimentos en conjunto con otras escuelas. Por medio de la colaboración, usted puede mejorar la seguridad de la estadística de sus resultados, lo mismo que probar más compuestos químicos.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Introducción

Actividades Avanzadas Guía para el Maestro: Estimados Maestros, Sus estudiantes han completado las Actividades Iniciales, de la Uno a la Tres del proyecto ¿Cómo lo Saben las Semillas? (refiérase a la tabla en la página dos de sus materiales). Ellos aprendieron a comunicarse y luego a colaborar con sus compañeros para poder llevar a cabo experimentos estandarizados reproducibles. Todos los estudiantes construyeron cámaras ambientales similares. Estudiaron la germinación de las mismas semillas de alfalfa, midieron la dinámica de la germinación y el crecimiento. Comunicaron sus datos a través de la red de trabajo e hicieron comparaciones y llegaron a conclusiones. Ahora tienen las habilidades necesarias para realizar los estudios de las Actividades Avanzadas. Como mencionamos en la página dos, sus estudiantes pueden proceder en una variedad de direcciones. Ellos pueden utilizar los mismos objetos con los que ya están familiarizados - las semillas de alfalfa - como un objeto de prueba estandarizado para los llamados estudios de bioensayo. La idea es probar cómo varias sustancias químicas afectan el crecimiento y la diferenciación celular, los dos procesos que ocurren tan claramente en la geminación de las semillas. Además, sus estudiantes pueden estudiar las condiciones ambientales necesarias para hacer germinar otras semillas que no sean de alfalfa. Ellos pueden escoger semillas poco comunes, semillas exóticas de las cuales hay muy poca información. Pueden utilizar semillas que son importantes para su región, de este modo sus estudios tendrían un verdadero valor. O podrían usar semillas que les interesa para cultivarlas artificialmente dentro de un ambiente de invernadero. Aquí ellos tendrían que identificar las condiciones de crecimiento que necesitan para reproducirse en un ambiente cubierto

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Estudios de Bioensayo

Estudios de Bioensayo Introducción Cada año, los países industrializados crean decenas de miles de nuevos compuestos químicos, tales como medicinas, productos industriales y sus derivados, fertilizantes, pesticidas, pinturas, colorantes, aditivos para alimentos, champú, detergentes, limpiadores, etc. Ya sea por diseño (como fertilizantes y pesticidas) o como deshecho, todos estos compuestos eventualmente terminan en nuestro ambiente donde pueden llegar a formar parte de la cadena alimenticia. Por ejemplo, un compuesto que se use en el suelo puede llegar a penetrar cuerpos de agua y ser absorbido por las algas. Las algas son comidas por los peces, los cuales son comidos por otros animales, que a su vez, son finalmente comidos por los humanos. Por eso es que el probar nuevos compuestos químicos es un reto importante al cuál nos enfrentamos para poder determinar sus efectos dañinos potenciales. En todo el mundo, los laboratorios de investigación están probando compuestos químicos sintetizados recientemente. ¿Causan estos compuestos cáncer, alergias, o influyen el crecimiento y desarrollo de diferentes organismos? Una parte importante de este esfuerzo es, primero probar las sustancias químicas en organismos biológicos relativamente simples como bacterias, protozoos y plantas, para determinar rápidamente si estos compuestos influyen en los procesos biológicos básicos como la división celular. En esta actividad vamos a evaluar los efectos que los nitratos y otros compuestos químicos tienen en el crecimiento y desarrollo de las semillas de alfalfa. Vamos a hacer que las semillas germinen en soluciones que contengan varias sustancias químicas para determinar sus efectos en el crecimiento de las plantas, y vamos a variar las concentraciones de estas sustancias químicas para poder detectar su toxicidad, si es que existe. Para medir el efecto de las sustancias químicas, vamos a comparar las semillas probadas con un grupo control - las cuales germinarán en agua destilada que no contiene las sustancias químicas que se van a probar.

Plántulas de Alfalfa Como Prueba Modelo de un Bioensayo Por muchos años, los científicos han probado los efectos biológicos de sustancias químicas en plantas jóvenes (plántulas, plantas de semillero) y han demostrado el fuerte efecto que tiene la colchidina en retardar la mitosis 1 en las raíces de cebolla. Cuando las plantas crecen en determinados compuestos, cambios en sus raíces - ambos macroscópicos (e.g. promedio en la longitud de la raíz, peso de la raíz y endurecimiento) y microscópicos (e.g. cambio en tamaño y forma de los cromosomas) - pueden advertirle que la solución prueba podría ser peligrosa, y sugerir la necesidad de más pruebas en otros organismos, incluyendo, talvez, mamíferos. 1

El proceso en la división celular mediante el cual el núcleo se divide, consiste típicamente de cuatro etapas, profase, metafase, anafase y telofase, y normalmente resulta en dos nuevos núcleos, conteniendo cada uno una copia completa de los cromosomas paternos. También llamada cariokinesis. 10/26/2006 12:07:23 – VERSION PRELIMINAR

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Estudios de Bioensayo

Las semillas de alfalfa han sido utilizadas de forma efectiva por los científicos para probar los efectos biológicos de los metales pesados 2 . Los científicos encuentran las semillas de alfalfa convenientes para utilizar en experimentos porque sus raíces crecen rápidamente y rectas cuando la solución en que está creciendo es saludable. ¿Por Qué Nos Debe Importar? ¿Por qué nos debe importar si una nueva sustancia química, un champú, o un fertilizante inhibe el crecimiento de alfalfa? Primero que todo, el alfalfa y plantas similares al alfalfa son componentes importantes de nuestro ambiente y son considerados por muchos como un alimento muy sano. Talvez aún más importante, los científicos han encontrado que muchas sustancias químicas que afectan el crecimiento y desarrollo de las plantas, pueden de forma similar afectar a los animales y a los humanos. Esto es cierto a pesar de que hay muchas diferencias estructurales y funcionales entre plantas, animales, hongos y bacterias, ellos también tienen muchos procesos biológicos básicos en común. Por ejemplo, todos los organismos vivientes están formados de los mismos componentes, como ADN, ARN, proteínas, lípidos, y carbohidratos. Además, el crecimiento de todos los organismos está basado en el mismo proceso - mitosis - en el cual una célula se divide para formar dos células. La mitosis está ocurriendo en su cuerpo mientras usted lee esto. Por lo tanto, los compuestos químicos que inhiben la mitosis en alfalfa, muy posiblemente, podrían hacer lo mismo en otros organismos, incluyendo animales y humanos. El alfalfa es un organismo biológico sencillo y de bajo costo con el cual se pueden llevar a cabo pruebas preliminares. Calificamos esta afirmación con la palabra “preliminar” porque incluso si observamos el efecto de una sustancia química en alfalfa, no podemos concluir que ésta afectará a los seres humanos de forma similar. Se debe llevar a cabo más investigación adicional. Para llevar a cabo estudios de bioensayo, el alfalfa es un organismo de prueba muy conveniente: 1. El organismo en el cual probamos las sustancias químicas debe de ser de bajo costo. Por ejemplo, es mucho más barato germinar cien plantas de alfalfa que cien árboles de Secoya. Una sola semilla de alfalfa, la cual es un organismo, es de bajo costo y fácil de conseguir. 2. El organismo que se va a utilizar como organismo prueba no debe de ser muy grande. Mil plantas de alfalfa se pueden cultivar en su escritorio. Mil árboles de Secoya requieren un laboratorio del tamaño del norte de California. 3. El efecto de una sustancia química en el organismo seleccionado debería ser muy fácil de cuantificar. Las raíces y los tallos de alfalfa crecen en forma rectilínea y su alargamiento puede medirse y compararse muy fácilmente.

2

Un metal con una gravedad específica mayor que aproximadamente 5.0, especialmente uno que sea venenoso, como el plomo o mercurio.

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4. Los organismos prueba deben crecer rápidamente para poder obtener resultados a corto plazo. En dos o tres días, usted puede ver si una sustancia química afecta el crecimiento y desarrollo del alfalfa. Por el contrario, cualquier efecto en árboles tendría que ser evaluado por sus nietos dentro de cincuenta años. Además de determinar los efectos dañinos de varias sustancias químicas, este tipo de pruebas también puede ayudar a revelar el efecto beneficioso de sustancias químicas. Por ejemplo, una sustancia química que inhiba la división celular podría ser útil contra el cáncer, el cual se caracteriza por una división celular descontrolada.

Planeando Su Primer Experimento de Bioensayo: ¿Cuánto es Suficiente? El propósito de este experimento es probar cómo diferentes concentraciones de nitrato de potasio (KNO3) influyen en el crecimiento y desarrollo del alfalfa. En otras palabras, conduciremos un bioensayo con fertilizantes comunes en un sistema de prueba con alfalfa. A simple vista, parece ser que entre más fertilicemos nuestras plantas, ellas deberían crecer mejor. ¿Es ésto cierto? Haga sus propios experimentos con alfalfa para encontrarlo. Pruebe los efectos de diferentes concentraciones de KNO3 en semillas de alfalfa, variando desde 10 ppm hasta 10,000 ppm. Comparando cómo crecen las semillas en varias concentraciones, usted puede encontrar cuánto nitrato es suficiente. Usted puede diseñar su propio experimento, pero permítanos recomendarle una estrategia. Para poder determinar cómo el nitrato afecta el crecimiento y desarrollo normal del alfalfa, usted debe de poner a germinar un conjunto de semillas que no estén expuestas a ningún nitrato. A este conjunto se le conoce como el control. Las semillas control crecerán solamente con agua destilada, mientras que las semillas de prueba crecerán con soluciones que contienen diferentes concentraciones de nitrato. Refiérase a la Actividad 3: Control Experimental en el crecimiento de las plantas. El control y las semillas de prueba deben crecer bajo condiciones idénticas excepto por una las semillas prueba son expuestas a diferentes concentraciones de nitrato de potasio. Prepare seis diferentes concentraciones de nitrato con el nitrato de potasio en polvo. Pruebe 10,000 partes por millón (ppm), 1000 ppm, 500 ppm, 50 ppm, y 10 ppm. Recuerde que si disuelve el contenido de un frasco de nitrato de potasio (un gramo) en un litro de agua, la concentración de la solución será 1000 ppm. Realice diferentes experimentos. Por ejemplo, divida la clase en cinco equipos y que cada equipo pruebe una concentración de nitrato. De esta forma la clase puede probar cinco diferentes concentraciones al mismo tiempo. En este caso, cada equipo debe poner a germinar tres bolsas con semillas para su control y tres bolsas con semillas que crecen en la concentración de la sustancia 10/26/2006 12:07:23 – VERSION PRELIMINAR

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Estudios de Bioensayo

química que se está probando. Recuerde: cultive el control y las bolsas de prueba bajo condiciones ambientales idénticas. No las separe colocando el control y las pruebas en paredes diferentes.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Germinación y Luz

Germinación y Luz La luz induce a muchas semillas a germinar. La cantidad de luz ambiental le puede indicar a las semillas a qué profundidad están plantadas, un factor importante que ayuda a determinar la oportunidad que tendrán de crecer en una planta joven exitosa. Debido a que las semillas requieren luz para la germinación, muchas semillas yacen durmientes en el suelo esperando las condiciones apropiadas. Estas germinarán más tarde cuando sean traídas a la superficie por disturbios del suelo o labranza. Algunas semillas pueden pasar durmientes por cientos de años. Se ha encontrado que la luz con una longitud de onda de aproximadamente 660 nanómetros induce la germinación en algunas semillas. La reacción de las semillas a la luz es arbitrada por el fitocromo 3 , un pigmento ubicuo encontrado en todas las plantas superiores y en helechos, musgos, y algas. La molécula de fitocromo tiene dos formas que son excitadas por luz. La forma roja, Fr, absorbe luz roja (660 nm) y es luego convertida a la forma roja lejana, Frl. El Frl a su vez absorbe luz roja (730 nm) lo cual lo convierte de vuelta a Fr. El Frl también se convierte a Fr pasivamente en la oscuridad. Luz Roja

Fr

Frl

Luz roja lejana o encim áticam ente en la oscurid ad

Frl usualmente es considerada como la forma biológicamente activa del fitocromo. Un ejemplo clásico es el de las semillas de lechuga. Si estas semillas son expuestas a luz blanca o roja, empujando la mayoría de los fitocromos a la forma Frl, entonces las semillas germinarán. Pero si son expuestas a la luz roja lejana antes de que comience la germinación, la luz roja lejana invierte el efecto convirtiendo los fitocromos a la forma Fr promoviendo la germinación. Una semilla que es sensible a la longitud de onda de la luz que la toca puede ser capaz de determinar si está totalmente expuesta a la luz solar o bajo un toldo de hojas verdes que absorben la luz roja y reirradian luz roja lejana.

3Un

pigmento citoplasmático de las plantas verdes que absorbe luz y regula la etapa durmiente, la germinación de las semillas y la etapa de floración.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Germinación y Luz

Experimentos Sugeridos: Estas son algunas sugerencias: •

Respuesta de germinación a la luz roja y luz roja lejana. Utilizando luz de un espectrógrafo, exponga semillas de lechuga a diferentes longitudes de onda. ¿Cuántas de las semillas germinaron en la luz roja lejana? ¿Cuántas en la luz roja?

•

La respuesta de crecimiento de las plantas jóvenes a diferentes longitudes de onda de la luz. Exponga plantas jóvenes del árbol de Catalpa (Catalpa bignoniones) a un régimen de luz de días cortos, noches largas a diferentes bandas de luz de un espectrógrafo a media noche. Compare el crecimiento de aquellas expuestas a luz roja con las plántulas que recibieron luz roja lejana o cualquier otro tipo de luz.

•

Hojas como filtro. Los fitocromos, además de indicar a la semilla a qué profundidad se encuentra en el suelo, también le puede indicar si está debajo o encima de un toldo de hojas sobrepuestas. La luz que llega a una semilla que no está a la sombra será diferente en longitud de onda que la luz que alcanza una semilla que está creciendo en la sombra bajo un toldo grueso de hojas verdes; como el experimento pasado demostró que el crecimiento de una semilla está influenciado por la longitud de onda que ésta recibe. Utilice hojas de Catalpa como filtro de luz y explore el efecto de este toldo en la germinación de semillas de lechuga.

Control Foto-Reversible De La Germinación De Semillas Por Luz Roja y Roja Lejana Propósito: Investigar los efectos de la luz roja y roja lejana en la germinación de semillas de lechuga Lactuca sativa (Asteraceae). Materiales: Semillas de lechuga, y semillas de rábano de la especies: Raphanus sativus, Brassicaceae; una cámara ambiental hermética a la luz, cajas de Petri, papel de filtro circular, papel celofán rojo y azul. Procedimiento: 1. Preparación de Tubos para Cultivo. Coloque dos o tres papeles de filtro en el número requerido de cajas de Petri. Humedezca bien el papel con agua destilada o agua del tubo, y esterilícelo en la autoclave. 4 2. Preparación de Filtros de Luz. Papel celofán de colores o plásticos transparentes hacen filtros de luz satisfactorios. Dos capas de papel celofán rojo son suficientes para filtrar la luz roja. Una combinación de una capa de rojo y una capa de azul creará un filtro para la luz roja lejana.

4Un

recipiente fuerte, a presión, calentado al vapor, para uso de laboratorio, esterilización, o cocina.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Germinación y Luz

3. Esterilización de la Superficie de las Semillas. Las semillas deben de ser esterilizadas para prevenir contaminación por hongos y bacterias lo cual podría oscurecer los resultados o matar las semillas. Para la esterilización remoje las semillas en Cloro 5% por 15-20 minutos. 4. Preparación de los Cultivos. Distribuya uniformemente en cada tubo 100 semillas con la superficie esterilizada y colóquelos inmediatamente en completa oscuridad. Permita que estas semillas absorban agua en la oscuridad por 16-24 horas, y luego comience el tratamiento de luz. La temperatura en la cámara debe mantenerse entre 20° y 25°C durante todo el experimento. 5. Tratamiento de Luz. Bajo una luz verde, que sea segura, y en total oscuridad o la luz más baja posible, envuelva unas cajas de Petri en cada una de las siguientes maneras: Se deben agregar capas adicionales del color apropiado de papel celofán conforme se necesiten para obtener la calidad de luz indicada bajo “Exposición de luz”. Ilumine las cajas de Petri como se indica, y colóquelas de nuevo en la oscuridad inmediatamente por la duración del experimento (3-4 días). Cada tratamiento debe de repetirse tres veces. Resultados: Observación y Reporte. El porcentaje de germinación de cada especie debe de ser determinado 3-4 días después del tratamiento. Anote los resultados en la tabla y en un histograma.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Temperatura y Humedad

Germinación: Temperatura y Humedad La temperatura afecta todos los procesos bioquímicos, e interactúa con todos los otros factores ambientales que regulan los diversos procesos de crecimiento en las plantas. La mayoría de las semillas necesitan ciertas temperaturas críticas y requisitos de humedad para poder germinar. Estos requisitos de temperatura varían de especie a especie y algunas veces entre poblaciones individuales dentro de una misma especie. Es importante conocer estas temperaturas para determinar qué parte del ciclo estacional de temperatura causará la aparición de especies salvajes o malas hierbas, y cuál le permitirá a las plantas de una cosecha en particular crecer sin ser perturbadas; estas temperaturas mínimas y máximas para germinación también ayudan a definir la localidad geográfica y el clima en el que aparecerá y será excitosa una especie. La Temperatura, en conjunto con otros mensajes ambientales, puede proveer a las semillas con información acerca de su posición temporal y espacial; las semillas pueden utilizar esta información para decidir si están en el lugar y en el tiempo correcto para germinar. Las condiciones específicas de temperatura necesarias para inducir la germinación varían de especie a especie. Algunas semillas permanecen en estado durmiente bajo condiciones normalmente favorables y requieren de un tratamiento previo de humedad a temperaturas cerca del punto de congelación, seguido por un período tibio y húmedo antes de que germinen. Este tratamiento, llamado estratificación, pudo haber evolucionado para permitir a las semillas distinguir la primavera tibia y húmeda del otoño tibio y húmedo, cuando les sería muy difícil a las semillas establecerse antes de que las condiciones desfavorables se arraiguen. Otras semillas germinan mejor en respuesta a temperaturas fluctuantes. Una hipótesis es que esta característica evolucionó para promover la germinación de semillas cerca de la superficie del suelo y reprimir la germinación de aquellas que están enterradas a mayor profundidad en el suelo. Esta adaptación puede tomar ventaja del aumento en la estabilidad de la temperatura con la profundidad en el suelo. Experimentos Sugeridos: •

Estratificación Fría y Semillas de Manzana

Las semillas de manzana necesitan estar expuestas a dos temperaturas antes de germinar. Primero deben de pasar un período de tiempo en el frío. Después de esta estratificación fría, una temperatura más tibia puede inducir la germinación. Almacene 200 semillas de manzana en cajas de Petri en el refrigerador. Anote la temperatura a la que se están almacenando. Saque 50 semillas después de 30 días, 50 semillas después de 45 días, 50 semillas después de 60 días y 50 semillas después de 75 días. Cuando saque las semillas del refrigerador colóquelas sobre una almohadilla húmeda dentro de una caja de Petri y déjelas a

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Temperatura y Humedad

temperatura ambiente (mida y anote la temperatura). Anote el porcentaje de semillas que germinan de cada grupo. •

Absorción de Agua como un Mensaje Ambiental

Todas las semillas necesitan agua para poder germinar; para algunas semillas, el agua también cumple el papel de un mensaje ambiental. Por ejemplo, algunas semillas de desierto han mostrado tener un inhibidor de la germinación que sólo puede ser lavado por lluvia fuerte. Una lluvia leve, conteniendo talvez suficiente humedad para el proceso de germinación en si, no será capaz de lavar el inhibidor; si la semilla germina después de esta lluvia leve, la plántula posiblemente morirá por falta de humedad. Aún más, muchas lluvias livianas no serán tan exitosas en remover este inhibidor como una lluvia fuerte que contenga la misma cantidad de agua total. •

Lluvia y germinación de semillas de desierto.

Podemos simular lluvia fuerte colocando algunas semillas de desierto en un colador de hueco pequeño bajo el agua del tubo (grifo). Divida las semillas en grupos de veinte. Asegurándose de que cada grupo sea expuesto a la misma intensidad del flujo de agua, exponga algunos grupos a 10 minutos de “lluvia”, otros a 1/2 hora, otros a 5 horas, etc. ¿Cuál grupo de semillas tiene la tasa de germinación más alta? Calcule la cantidad de agua a la que estuvieron expuestas (¿Cuánto tiempo toma en llenarse un recipiente de leche de un galón con ese flujo de agua?) Trate de disminuir el flujo del agua una cuarta parte de lo que estaba utilizando anteriormente y exponga un grupo de semillas a éste por un período 4 veces más largo que el período al que expuso al grupo de semillas más exitoso. Si usted tiene amigos en Africa o Israel, pídales (talvez a través de telecomunicación) que experimenten con la planta israelí del desierto del Sahara Anastatica hierochuntica. Talvez ellos también le puedan mandar semillas para experimentación, si ese tipo de importaciones son legales en su país. También puede experimentar con las plantas de desierto de California Pectacarya, Eriophyllum y Filago, o con semillas de plantas de las zonas más secas de su país y explorar el efecto de la lluvia artificial en el número de semillas que germinan.

Fotoperíodo Una planta necesita coordinar las etapas de su desarrollo con las estaciones. En los países de zonas templadas donde tienen las cuatro estaciones bien marcadas, la mayoría de las semillas germinan en la primavera, de manera que puedan crecer en el verano y que no las mate una helada de invierno; las plantas necesitan florecer cuando sus polinizadores (abejas, aves, etc.) están activos. Los horticulturistas se aprovechan de la dependencia de las plantas al fotoperíodo para inducirlas a florecer cuando ellos quieren, controlando artificialmente el fotoperíodo al que las plantas están expuestas.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Temperatura y Humedad

El fotoperíodo es la relación de horas luz a horas de oscuridad, o día y noche, en un día de 24 horas. Esta relación de día y noche cambia con la estación del año. En los años 1920, W. Garner y H. Aller demostraron por primera vez que “algunas plantas pueden ser inducidas a florecer exponiéndolas a un ciclo de ‘días cortos’ donde otras florecerán sólo si se exponen a un ciclo de ‘días largos’. Esta fue la primera observación de que las plantas pueden responder a las longitudes relativas del día y la noche.

Experimento Sugerido: Los Efectos del Fotoperíodo en la Floración Materiales: • • • •

Cultivo de la especie Lemna perpusilla (Lemnceae); existen ambas variedades de Lemnaceae, día largo y día corto, usted puede utilizar cualquiera o las dos si están disponibles. Tubos de ensayo de 20-25 ml con tapones de algodón. Medio de cultivo Hutner’s para cultivos de Lemna. Filtro Rojo (2 pedazos de papel celofán rojo); filtro Azul (2 pedazos de papel celofán azul); filtro de luz roja lejana (un pedazo rojo y uno azul de papel celofán).

Preparación de los Cultivos: 1. Coloque 15 ml del medio de cultivo Hutner’s en cada uno de los tubos de ensayo pequeños y tápelo con un tapón de algodón. 2. Esterilícelos en la autoclave por 15 minutos, luego deje que el tubo vuelva a la temperatura ambiente. En lugar de la autoclave podría usar un horno de microondas. 3. Bajo condiciones asépticas coloque en el tubo de 1-3 plantas de los cultivos preparados. 4. Mantenga los cultivos a 25-27°C bajo bombillos gro-lux (los que se utilizan para el cultivo de plantas) o una combinación de luz fluorescente e incandescente. Procedimiento: 1. Prepare tres cultivos para cada uno de los regímenes de luz que se muestran en la figura.

Claro

Oscu ro

,

24 hrs ,

2. Mantenga los cultivos en su régimen por 6-15 días . 3. Examine los cultivos en sus tubos con un microscopio para observar si aparecen las flores. 4. Anote el porcentaje de las plantas floreciendo bajo cada uno de los regímenes en los días 6, 9, 12, 15.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Control Químico

Las Semillas y sus Vecinos en la Comunidad Vegetal: “Guerra Química” La germinación puede ser controlada químicamente por la presencia de otras plantas. Muchas plantas producen sustancias inhibidoras o tóxicas como taninos y otros compuestos fenólicos, terpenos, o drogas alcaloides. Estas son liberadas dentro del suelo por las raíces, las hojas, o por las hojas caídas, donde pueden prevenir la germinación de semillas de la misma especie o de diferentes especies. Algunos ecólogos creen que este tipo de “guerra química” entre las plantas juega un papel importante en la composición y densidad de las comunidades naturales. Experimentos Sugeridos: Investigar el efecto del extracto de hoja de manzana en semillas de rábano. Coloque dos círculos de papel de filtro en dos cajas de Petri, y coloque 50 semillas de rábano en cada caja. Agregue 1 ml de agua fría, previamente hervida, a una de las cajas de Petri, y 1 ml de extracto de hoja de manzana a la otra. Para hacer el extracto use una licuadora y una tela de gasa de la que se utiliza para hacer queso. Coloque las cajas de Petri en la cámara ambiental, y cuente cuántas semillas germinan durante los siguientes días. Repita este experimento usando extractos de raíz de árbol de manzana, manzanas que se han caído, tomate, tabaco y hojas de roble, agujas de pino, y hojas, corteza o basura de diferentes plantas que crecen cerca de su escuela o su casa. Investigue si otras semillas son sensibles a los extractos de estas plantas. Invente un método para suprimir las malas hierbas con extractos de restos de plantas.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Frutas y Semillas

Frutas y Semillas Regulación del Desarrollo de la Fruta La función de una fruta es proteger y promover la dispersión amplia de la semilla (s) que se encuentra adentro. En el proceso de maduración, la fruta cambia de acuerdo con el proceso de diseminación. Por ejemplo, una fruta comestible se volverá atractiva para los animales de manera que el animal se comerá la fruta, las semillas pasan intactas a través del sistema digestivo y las deposita en un lugar diferente con un poco de “fertilizante natural”. Durante la maduración una fruta comestible se puede volver: • • • •

De un color atractivo, de manera que se destaca de sus alrededores. Para hacer esto, la fruta forma pigmentos conspicuos. Olorosas, atrayendo animales incluso durante la noche. Esto lo hacen produciendo compuestos gaseosos aromáticos. Dulces, para ser atractiva al paladar de un animal. La fruta se vuelve dulce convirtiendo sus ácidos orgánicos y almidón en azúcar. Suave, para hacerse comestible. Esto último lo hace rompiendo parcialmente las paredes celulares con enzimas hidrolíticas.

El desarrollo de una fruta está regulado por hormonas. Las hormonas clave de este proceso son las auxinas, producidas por el polen, y las giberelinas, producidas por los embriones en desarrollo o endospermas. Las auxinas aparecen cuando el huevo de una planta es fertilizado por el polen, este evento provoca el crecimiento de la fruta. Las giberelinas mantienen el crecimiento de la fruta mientras la semilla se está desarrollando. El gas etileno regula la velocidad a la que este proceso se lleva a cabo de manera que el desarrollo de la semilla está correlacionado con el de la fruta. Una fruta comestible no cumpliría su función si se volviera atractiva a los animales antes de que la semilla esté lista para dejar a la planta madre. Experimentos de Maduración de la Fruta: Hormonas en Acción ¿De qué manera la ventilación y la luz afectan la maduración de la fruta? Si una fruta está ventilada, no estará expuesta continuamente al etileno. Si se encuentra en un lugar hermético, será más afectada. Nosotros podríamos encontrar la diferencia entre la maduración de frutas colocadas en lugares ventilados y no ventilados si las dejamos por varios días. La luz solar también es importante en el proceso de maduración, particularmente en la activación del color de la fruta. Por lo tanto debemos de esperar una diferencia entre las frutas que maduraron a la luz o en la oscuridad.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Frutas y Semillas

¿Cómo podemos aprovechar lo que sabemos sobre la maduración de las frutas para influir en la manera en que éstas se desarrollan? Los agricultores de alimentos comerciales tienen un interés particular en tales alteraciones del proceso natural. Frutas sin semilla. Mediante experimentos, las flores pueden ser inducidas a desarrollar sin fertilización fruta sin semilla. Esto se hace aplicando artificialmente auxinas y giberelinas. Tal experimento prueba que los mecanismos hormonales están involucrados cercanamente con el desarrollo de la fruta. Almacenando la fruta. Nosotros podemos almacenar fruta verde por un período largo de tiempo, mientras se encuentren en un lugar oscuro y bien ventilado. Después podemos estimular las frutas para que maduren tratándolas con etileno,. Este proceso de maduración inducido por gas no produce la misma calidad que el producido en forma natural, porque muchos procesos bioquímicos involucrados en la maduración de la fruta requieren una gran cantidad de luz. Así como el etileno induce las frutas a madurar, también hay sustancias químicas inhibidoras que previenen a la semilla de germinar mientras se encuentre en el árbol. Después de caer, los procesos metabólicos desactivan el inhibidor en la fruta. Este fenómeno se llama “maduración-después”. Experimento de Laboratorio: Luz, ventilación y maduración de la fruta. Materiales 1. Por lo menos 6 cajas de zapatos con sus tapas, bolsas de papel, u otros recipientes que se puedan cerrar. 2. Dos bolsas de basura negras. 3. Por lo menos 36 frutas no-maduras o verdes (tomates, manzanas, ciruelas, peras, etc.) 4. Dos cámaras ambientales, una oscura, una equipada con luz. Procedimientos: Divida las frutas verdes en 4 grupos de madurez promedio comparable, 9 frutas en cada uno. Esto significa que si usted tiene frutas en diferentes etapas de madurez, distribúyalas igualmente entre los cuatro grupos. 2 de los grupos deben de colocarse en bolsas Ziploc (plásticas de cierre hermético), 3 frutas por bolsa. Coloque un grupo en una bolsa (hermético) y otro sin bolsa (ventilado) ambos en cámaras ambientales oscura e iluminada, ventile las dos cámaras usando ventiladores. Deje las frutas en las cámaras por varios días. Grupo #1 - Frutas en bolsas plásticas herméticas (Ziploc), en la cámara oscura ventilada. Grupo #2 - En bolsas abiertas en la cámara oscura ventilada. Grupo #3 - En bolsas herméticas en cámara ventilada e iluminada, 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad.

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Actividades Avanzadas: Frutas y Semillas

Grupo #4 - En bolsas abiertas en cámara ventilada con luz bajo las mismas condiciones 12/12 régimen luz/oscuridad. En el tercero, sexto y décimo día del experimento, pruebe una fruta de cada grupo. Compare la dulzura, suavidad, color y aroma de cada grupo. Escriba los resultados en una tabla, y diseñe una escala para las frutas, basada en el siguiente modelo:

+1 +2 +3 +4

DULZURA ácido ácido-semidulce dulce muy dulce

COLOR verde ....... ....... color maduro

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SUAVIDAD duro ligeramente suave semi-suave suave

AROMA sin olor ....... ....... aromático

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Apéndice: Zonas Climáticas y Vegetación

Apéndice: Zonas Climáticas y Vegetación Analice esta tabla. Esta muestra cómo las diferentes plantas se han adaptado a las zonas climáticas. Ya que las semillas germinan bajo ciertas condiciones ambientales, sus plantas pueden encontrarse en ciertas zonas. Utilice esta tablas para ayudar a identificar las condiciones necesarias para la germinación de diferentes semillas. Determine la zona climática a la cual la planta está acostumbrada y trate de imitar esos patrones climáticos.

Zona Sub-Polar (Groenlandia, Islandia) Continental Fría (Canadá, norte de Rusia) Semi-Continental (Europa norte y central) Marítimo Oeste (Bordes marítimos del oeste de Europa y Estados Unidos) Marítimo Este (Borde marítimo del este de Estados Unidos y Canadá) Estepa y Pradera (Estados Unidos central y Rusia) Manchuriano (Manchuria)

Templado-Húmedo (Sudeste de Asia, Brasil) Mediterráneo Semiárido (Medio Oriente, partes de África, Estados Unidos, Australia) Desierto (Norte de Africa, parte de Australia) Tropical Seco (India, América del Sur central)

Condiciones Invierno muy frío, verano corto, frío y seco Invierno muy frío; verano cálido; precipitación baja Invierno frío; verano caliente; lluvia o nieve a través del año Invierno frío; verano cálido; lluvia a través del año Invierno frío; verano cálido; lluvia y nieve más fuerte en invierno Invierno frío y seco; verano cálido; lluvia principalmente en primavera Invierno frío y seco; verano caliente y generalmente húmedo Invierno cálido y húmedo; verano caliente y húmedo Invierno suave con lluvia moderada; verano tibio y seco Invierno fresco o cálido, usualmente seco; verano caliente con lluvia variable Distribución considerable de la temperatura a través del año; precipitación irregular Invierno caliente y seco; verano caliente y húmedo

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Vegetación tundra bosque boreal (‘talgo’) bosque mixto bosque de hoja ancha

bosque mixto

zacate corto (estepa)

bosque subtropical vegetación baja desiertos en los lugares más secos desierto

sabana, bosque monzón

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Germina: ¿Cómo lo Saben las Semillas? Apéndice: Zonas Climáticas y Vegetación

Tropical Húmedo Montañoso (Los Andes, Himalayas, etc.)

Caliente con lluvia fuerte a través del año Predominan temperaturas bajas

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bosque tropical lluvioso montaña

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¿Cómo lo Saben las Semillas? Referencias

REFERENCIAS: Ardetti, J., A. Dunn (1969) Experimental Plant Physiology. Holt, Rinehart and Winston, New York. Downs, R.J. (1975) Controlled Environments for Plant Research. Columbia University Press, New York. Downs, R.J. and H. Hellmers (1975) Environment and the Experimental Control of Plant Growth. Academic Press, London. Hellmers, H. and R.J. Downs (1967) “Control environment for plant -life research.” American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Journal 9.37-42 Khan, A. A., Editor. (1977) The Physiology and Biochemistry of Seed Dormancy and Germination. Elsiver/NorthHolland Biomedical Press Langhans, R. W., Editor. (1978) A Growth Chamber Manual. Ithaca: Comstock Publishing Associates, Cornell University Press. Meidner, H. (1984) Class Experiments in Plant Physiology. London: George Allen & Unwin (Publishers) Ltd. Meister, M., L. Eisman, and A. Joseph (1934) General Science and Biology. Washington: Smithsonian Institution Series, Inc. Ray, P.M. (1972) The Living Plant (2nd edition) Holt, Rinehardt and Winston, Inc., New York. Eckardt, F.E., ed. (1965) Methodology of Plant Eco-physiology: Proceedings of the Montpelier Symposium. New York: UNESCO. Went, F. W. (1957) The Experimental Control of Plant Growth. Waltham, MA: Cronica Botanica Company. Worf, D. L., editor (1980) Biological Monitoring for Environmental Effects. Toronto: D.C. Health, Lexington Books.

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