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क्या पूर्ण न्यूनतम प्रकाश आवश्यकता वाले पौधे को खोजने के लिए कोई अध्ययन है?

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क्या पूर्ण न्यूनतम प्रकाश आवश्यकता वाले पौधों को खोजने के लिए कोई अध्ययन है?

खिड़कियों के बिना एक बाथरूम पर विचार करें जिसमें आपके पास कभी-कभी कृत्रिम प्रकाश होता है (उदाहरण के लिए सफेद एलईडी लाइट)।

एक और सवाल यह है कि क्या कोई संख्यात्मक प्रणाली है जो प्रत्येक पौधे को उसकी न्यूनतम और अधिकतम प्रकाश सहनशीलता का प्रतिनिधित्व करने के लिए एक संख्या प्रदान करती है?


आइए सबसे पहले शॉर्ट डे प्लांट्स का एक सेट लें, जो कि फोटोपेरियोडिज्म मापदंडों का उपयोग करके अन्य पौधों से अलग है। एक समय में एक पौधा लेना और पौधे को सूरज की रोशनी में रखकर स्टार्च डिटेक्शन टेस्ट करना ही यह निर्धारित करने का एकमात्र संभव तरीका हो सकता है कि कौन सा पौधा किसी विशेष समय के लिए धूप में रखने पर अधिकतम मात्रा में भोजन का उत्पादन करने में सबसे कुशल है। यदि हम आणविक स्तर में गहराई तक जाते हैं, तो शायद क्लोरोप्लास्ट का एक क्रॉस सेक्शन हमें फोटोसिस्टम 2 की संख्या का डेटा प्रदान कर सकता है जो मौजूद हैं जो 680nm प्रकाश पर सक्रिय हो जाते हैं और साथ ही यूबिकिनोन जैसे इलेक्ट्रॉन वहन करते हैं। इनकी प्रचुरता प्रकाश-संश्लेषण की गति को निर्धारित कर सकती है। C4 पौधों की एक अलग किस्म भी है जो Crassulacean Acid Metabolism से गुजरती हैं जिन्हें CAM पौधों के रूप में भी जाना जाता है जो रेगिस्तान में पाए जाते हैं जो रात में प्रकाश संश्लेषण से गुजरते हैं।

इस प्रकार इस तरह के एक प्रयोग को ध्यान में रखने के लिए कई मापदंडों वाले विविध पौधों की आवश्यकता होगी और यह काफी कठिन है।


आक्रामक पौधे की सफलता के आयाम

हिमालयन बालसम (इम्पेतिन्स ग्लैंडुलिफेरा) यूरोप में सबसे सफल आक्रमणकारियों में से एक है। श्रेय: ट्रेवर फ्रिस्टो और मार्क वैन क्लेनेन

आक्रामक विदेशी पौधे पौधों की प्रजातियां हैं जो अपने मूल आवास के बाहर के वातावरण में उगते हैं। यदि वे इन नए वातावरणों में आत्मनिर्भर आबादी को सफलतापूर्वक स्थापित करते हैं - "प्राकृतिककरण" नामक एक घटना - तो स्थानीय पारिस्थितिक तंत्र, अर्थव्यवस्थाओं और समाजों पर उनका काफी नकारात्मक प्रभाव पड़ सकता है। लेकिन सभी विदेशी पौधों की प्रजातियां नए आवासों पर आक्रमण करने में समान रूप से प्रभावी नहीं हैं। इसलिए, कॉन्स्टैंज स्थित जीवविज्ञानी प्रोफेसर मार्क वैन क्लेनेन की अध्यक्षता में वैज्ञानिकों की एक अंतरराष्ट्रीय टीम ने विभिन्न प्रकार के "आक्रामकता" और संभावित कारकों की जांच की जो यूरोप में विदेशी पौधों के आक्रमण की सफलता को निर्धारित करते हैं।

नया अध्ययन, में प्रकाशित हुआ पीएनएएस, तीन अलग-अलग आयामों का उपयोग करके पौधों की प्रजातियों के आक्रमण का वर्णन करता है: स्थानीय बहुतायत, भौगोलिक सीमा और निवास स्थान की चौड़ाई। वर्तमान अध्ययन में, इन आयामों का मूल्यांकन विदेशी और देशी यूरोपीय वनस्पतियों के बड़े अनुपात के लिए महाद्वीपीय पैमाने पर किया गया था। चर में उच्च मूल्य सबसे सफल आक्रमणकारियों की विशेषता है। परिचय इतिहास तीन आयामों के साथ प्रदर्शन में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, जैसा कि कुछ जैविक लक्षण करते हैं: यूरोप के लिए प्रारंभिक परिचय, गैर-यूरोपीय मूल, और तेजी से विकास कई "सुपर-आक्रमणकारियों" के लिए सामान्य विशेषताएं हैं। अध्ययन के निष्कर्ष हमारी सामान्य समझ में सुधार करते हैं कि कैसे पौधों की प्रजातियां-आक्रामक और देशी वाले-वितरित होती हैं और भविष्य के पौधों के आक्रमणों की बेहतर भविष्यवाणी और प्रबंधन करने में मदद कर सकती हैं।

क्या सभी आक्रामक विदेशी पौधे समान हैं?

पारिस्थितिकी के क्षेत्र में विशेषज्ञ तेजी से स्वीकार करते हैं कि "आक्रामक" शब्द किसी एक संपत्ति का वर्णन नहीं करता है। इसके बजाय, प्रजातियों के वितरण में अलग-अलग विशेषताएं हैं जो इसे आक्रामक या नहीं के रूप में चिह्नित कर सकती हैं। विभिन्न तरीकों के बारे में अधिक जानने के लिए कि एक पौधा आक्रामक हो सकता है, हाल के अध्ययन के लेखकों ने दो व्यापक डेटासेट, ग्लोबल नेचुरलाइज्ड एलियन फ्लोरा (ग्लोनाफ) डेटाबेस और यूरोपीय वनस्पति संग्रह (ईवीए) को संयुक्त किया। संयुक्त डेटा के विश्लेषण के लिए, उन्होंने एक त्रि-आयामी ढांचे को अपनाया जो पहले देशी पौधों की प्रजातियों की "दुर्लभता" का वर्णन करने के लिए इस्तेमाल किया गया था।

डेबोरा राबिनोविट्ज़ द्वारा इस ढांचे का पहला विवरण 1980 के दशक का है। रैबिनोविट्ज़ ने इस विचार को आगे रखा कि एक "सामान्य" पौधों की प्रजाति वह है जो स्थानीय रूप से बहुत प्रचुर मात्रा में होती है, एक बड़े क्षेत्र में होती है, और कई अलग-अलग आवासों को आबाद करती है। निरपेक्ष "सामान्यता" के इस रूप के अलावा, तीन आयामों के साथ कम प्रदर्शन के विभिन्न संयोजनों के रूप में दुर्लभता के सात रूप हैं। उदाहरण के लिए, एक "दुर्लभ" पौधों की प्रजातियों में एक उच्च स्थानीय बहुतायत हो सकती है, लेकिन यह एक छोटे से क्षेत्र तक ही सीमित है और केवल एक विशिष्ट आवास प्रकार में ही बढ़ती है।

जिस तरह रैबिनोविट्ज़ का मॉडल देशी पौधों में दुर्लभता के विभिन्न रूपों की अनुमति देता है, यह विदेशी प्रजातियों पर लागू होने पर विभिन्न प्रकार की "आक्रामकता" की संभावना को खोलता है। इस संभावना पर विचार करना महत्वपूर्ण है क्योंकि विभिन्न प्रकार की विदेशी आक्रामक प्रजातियों से निपटने के लिए विभिन्न प्रबंधन रणनीतियों की आवश्यकता हो सकती है। "यदि एक विदेशी प्रजाति एक स्थानीय पौधे समुदाय पर हावी होना शुरू कर देती है, लेकिन इसकी भौगोलिक सीमा का विस्तार करने की कम क्षमता है और एक निश्चित प्रकार के निवास स्थान के लिए विशिष्ट है, तो संरक्षण के प्रयासों को आगे फैलने से रोकने के बजाय स्थानीय स्तर पर प्रजातियों को नियंत्रित करने पर ध्यान केंद्रित किया जा सकता है," डॉ। वर्तमान अध्ययन के प्रमुख लेखक ट्रेवर फ्रिस्टो एक उदाहरण देते हैं।

एलियन, लेकिन इतना अलग नहीं

देशी पौधों की प्रजातियों के लिए, वैज्ञानिकों ने पहले पाया है कि समानता के तीन आयाम एक दूसरे से पूरी तरह से स्वतंत्र नहीं हैं। इसके बजाय, जो प्रजातियां स्थानीय रूप से प्रचुर मात्रा में होती हैं, वे अक्सर भौगोलिक रूप से व्यापक होती हैं और आवासों की एक विस्तृत श्रृंखला पर कब्जा कर लेती हैं। "विदेशी पौधों की प्रजातियों के लिए, हमारी अपेक्षा थी कि इन आयामों को उसी तरह जोड़ा जाना चाहिए जैसे वे मूल वितरण में हैं। आखिरकार, एक स्थान पर विदेशी पौधे कहीं और देशी पौधे हैं," फ्रिस्टो अध्ययन की एक महत्वपूर्ण धारणा का वर्णन करता है।

वास्तव में, वैज्ञानिकों ने तीन आयामों-स्थानीय बहुतायत, भौगोलिक सीमा, और निवास स्थान की चौड़ाई- के बीच के संबंध को उन विदेशी प्रजातियों में पाया, जिन्होंने यूरोप पर आक्रमण किया है, वे मूल यूरोपीय वनस्पतियों में पाए जाने वाले संघों के पैटर्न के समान हैं: पौधे जो हैं एक आयाम में सफल होने की प्रवृत्ति दूसरे आयाम में भी सफल होने की होती है। "ये समानताएं बताती हैं कि एक ही जैव-भौगोलिक और पारिस्थितिक तंत्र देशी और विदेशी पौधों की प्रजातियों में वितरण को आकार दे रहे हैं," फ्रिस्टो ने निष्कर्ष निकाला।

आक्रमण सफलता के चालक

देशी और आक्रामक पौधों के बीच संबंध पैटर्न में समानता के बावजूद, दो समूहों के बीच एक निर्णायक अंतर भी है: देशी पौधों की प्रजातियों से अलग, आक्रामक प्रजातियां आक्रमण किए गए आवासों में विकसित नहीं हुईं, जिसमें उन्हें हाल ही में पेश किया गया है। इसके बजाय, वे यूरोप के अन्य हिस्सों में या अन्य महाद्वीपों पर भी विकसित हुए। "भले ही आक्रमण के आयामों के बीच सामान्य संबंध मौजूद हों, हम प्रत्येक आयाम में सफलता के चालकों की पहचान करना चाहते थे। पौधों का परिचय इतिहास एक पहलू था जिसे हमने अधिक पारिस्थितिक या जैविक कारकों के साथ माना था," फ्रिस्टो बताते हैं अध्ययन का दूसरा उद्देश्य।

वैज्ञानिकों ने पाया कि जो पौधे तीनों आयामों में उत्कृष्ट हैं, वे एशिया या अमेरिका जैसे अन्य महाद्वीपों से आते हैं, जबकि यूरोप के अन्य हिस्सों से लाए गए पौधे आम तौर पर खराब आक्रमणकारी होते हैं। इसके अलावा, यूरोप के बाहर के सुपर-आक्रमणकारियों में अक्सर जैविक गुण होते हैं जो उन्हें कमजोर रक्षा तंत्र की कीमत पर तेजी से बढ़ने में मदद करते हैं। एक साथ लिया गया, यह "दुश्मन रिहाई परिकल्पना" नामक एक परिकल्पना के लिए समर्थन प्रदान करता है। "'दुश्मन रिलीज परिकल्पना' का सामान्य विचार यह है कि आक्रामक प्रजातियां कई रोगजनकों, जड़ी-बूटियों और प्रतिस्पर्धी प्रजातियों को पीछे छोड़ देती हैं, जब वे नए वातावरण पर आक्रमण करते समय अपने मूल आवास में सह-विकसित होते हैं। इससे उन्हें 'नियंत्रण से बाहर निकलने' की अनुमति मिलती है। ' और प्रभाव तब अधिक स्पष्ट हो सकता है जब महाद्वीपीय सीमाएं, जैसे कि महासागरों या पर्वत श्रृंखलाओं को आक्रमण के लिए पार कर लिया गया हो, "फ्रिस्टो ने विस्तार से बताया।

नियम के अपवाद

वैज्ञानिकों ने इस पैटर्न के अपवाद भी पाए कि एक आयाम में सफल पौधे दूसरे में भी सफल होते हैं और इन अपवादों के संभावित कारणों की पहचान की जाती है। उदाहरण के लिए, हाल ही में अपने नए वातावरण के परिचय की तारीख जितनी अधिक होगी, उतनी ही अधिक संभावना है कि एक आक्रामक पौधा नियम से विचलित हो जाए। "वे नए हैं। उन्हें अभी भी परिस्थितियों को संतुलित करने के लिए समय चाहिए," फ्रिस्टो इस अवलोकन के लिए एक स्पष्टीकरण के रूप में प्रदान करता है, और जारी रखता है, "यह काफी महत्वपूर्ण है। यदि आपको एक आक्रामक पौधा मिलता है जो केवल एक आयाम में सफल होता है, लेकिन यह भी नया है, चिंता का कारण है: यह बाद में अन्य आयामों में सफल हो सकता है।" इस प्रकार, "आक्रामकता के आयाम" ढांचा न केवल प्राकृतिककरण के वर्तमान पैटर्न को समझाने और सामान्य रूप से प्रजातियों के वितरण की गतिशीलता की हमारी समझ में सुधार के लिए एक मूल्यवान उपकरण है। यह भविष्य के आक्रमणों का अनुमान लगाने और आक्रामक विदेशी पौधों की प्रजातियों को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने के लिए अनुरूप प्रबंधन रणनीतियों को विकसित करने में भी मदद कर सकता है।


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व्यावहारिक गतिविधि बुदबुदाती पौधे प्रकाश संश्लेषण की मात्रा निर्धारित करने के लिए प्रयोग

इकाइयाँ किसी विशेष सामग्री या विषय क्षेत्र के लिए मार्गदर्शक के रूप में कार्य करती हैं। इकाइयों के नीचे नेस्टेड पाठ (बैंगनी रंग में) और व्यावहारिक गतिविधियां (नीले रंग में) हैं।

ध्यान दें कि सभी पाठ और गतिविधियाँ एक इकाई के तहत मौजूद नहीं होंगी, और इसके बजाय "स्टैंडअलोन" पाठ्यक्रम के रूप में मौजूद हो सकती हैं।

टीई न्यूज़लेटर

सारांश

बुलबुले कई चीजों से पैदा हो सकते हैं, यहां तक ​​कि पौधे भी।

इंजीनियरिंग कनेक्शन

प्रकाश संश्लेषण कैसे काम करता है, यह समझने के लिए छात्र डेटा विश्लेषण और रिवर्स इंजीनियरिंग करते हैं। दोनों एक इंजीनियर होने के महत्वपूर्ण पहलू हैं।

सीखने के मकसद

इस गतिविधि के बाद, छात्रों को सक्षम होना चाहिए:

  • बता दें कि प्रकाश संश्लेषण एक ऐसी प्रक्रिया है जिसका उपयोग पौधे प्रकाश ऊर्जा को ग्लूकोज में बदलने के लिए करते हैं, जो पौधे के लिए संग्रहीत रासायनिक ऊर्जा का स्रोत है।
  • प्रकाश संश्लेषण का वर्णन रासायनिक प्रतिक्रियाओं के एक समूह के रूप में करें जिसमें पौधा ग्लूकोज और ऑक्सीजन बनाने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड और पानी का उपयोग करता है।
  • एक ऐसे सरल प्रयोग का वर्णन कीजिए जो प्रकाश-संश्लेषण के होने का अप्रत्यक्ष प्रमाण देता है।
  • प्रकाश संश्लेषण की मात्रा पर होने वाले प्रकाश की तीव्रता में परिवर्तन के प्रभावों का वर्णन करें।

शैक्षिक मानक

प्रत्येक इंजीनियरिंग सिखाएं पाठ या गतिविधि एक या अधिक K-12 विज्ञान, प्रौद्योगिकी, इंजीनियरिंग या गणित (STEM) शैक्षिक मानकों से संबंधित है।

सभी 100,000+ K-12 STEM मानक . में शामिल हैं इंजीनियरिंग सिखाएं द्वारा एकत्रित, अनुरक्षित और पैक किया जाता है उपलब्धि मानक नेटवर्क (ASN), की एक परियोजना डी२एल (www.achievementstandards.org)।

एएसएन में, मानकों को श्रेणीबद्ध रूप से संरचित किया जाता है: पहले स्रोत द्वारा जैसे, राज्य द्वारा स्रोत के भीतर प्रकार द्वारा जैसे, विज्ञान या गणित उपप्रकार के अनुसार, फिर ग्रेड के अनुसार, आदि.

एनजीएसएस: अगली पीढ़ी के विज्ञान मानक - विज्ञान

5-LS1-1। इस तर्क का समर्थन करें कि पौधों को विकास के लिए आवश्यक सामग्री मुख्य रूप से हवा और पानी से मिलती है। (ग्रेड 5)

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एमएस-LS1-6। पदार्थों के चक्रण और जीवों में और बाहर ऊर्जा के प्रवाह में प्रकाश संश्लेषण की भूमिका के लिए साक्ष्य के आधार पर एक वैज्ञानिक व्याख्या का निर्माण करें। (ग्रेड 6 - 8)

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विज्ञान का ज्ञान साक्ष्य और स्पष्टीकरण के बीच तार्किक संबंध पर आधारित है।

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रासायनिक प्रतिक्रिया जिसके द्वारा पौधे जटिल खाद्य अणुओं (शर्करा) का उत्पादन करते हैं, होने के लिए एक ऊर्जा इनपुट (अर्थात, सूर्य के प्रकाश से) की आवश्यकता होती है। इस प्रतिक्रिया में, कार्बन डाइऑक्साइड और पानी मिलकर कार्बन-आधारित कार्बनिक अणु बनाते हैं और ऑक्सीजन छोड़ते हैं।

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सामान्य कोर राज्य मानक - Math

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अंतर्राष्ट्रीय प्रौद्योगिकी और इंजीनियरिंग शिक्षक संघ - प्रौद्योगिकी
  • इंजीनियरिंग डिजाइन प्रक्रिया में एक समस्या को परिभाषित करना, विचार उत्पन्न करना, समाधान का चयन करना, समाधान का परीक्षण करना, आइटम बनाना, उसका मूल्यांकन करना और परिणाम प्रस्तुत करना शामिल है। (ग्रेड 3 - 5) अधिक जानकारी

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राज्य मानक
उत्तरी कैरोलिना - मठ

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उत्तरी कैरोलिना - विज्ञान
  • हरे पौधों और अन्य जीवों के अस्तित्व के लिए प्रकाश संश्लेषण, श्वसन और वाष्पोत्सर्जन की प्रक्रियाओं के महत्व की व्याख्या करें। (ग्रेड 6) अधिक जानकारी

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सामग्री सूची

  • 5 लीटर (लगभग 1¼ गैलन) पुराना नल का पानी (एक खुले कंटेनर में नल का पानी जिसे 36-48 घंटे तक बैठने की अनुमति दी गई है ताकि नगरपालिका के पानी की आपूर्ति में इस्तेमाल क्लोरीन को खत्म किया जा सके)
  • 15-20 कुल एलोडिया पौधे ये हार्डी मीठे पानी के एक्वैरियम पौधे हैं जो पालतू जानवरों की दुकानों और आपूर्तिकर्ताओं जैसे कैरोलिना बायोलॉजिकल सप्लाई कंपनी (www.carolina.com) पर गुच्छों में बेचे जाते हैं।
  • एलोडिया के पौधों को गुच्छों में बांधने के लिए तार, सूत या ट्विस्ट टाई
  • एलोडिया के पौधों को पानी के भीतर रखने के लिए वजन के रूप में काम करने के लिए छोटी चट्टानें या इसी तरह की वस्तुएं
  • ५००-एमएल बीकर, १ प्रति टीम
  • बेकिंग सोडा, कुछ बड़े चम्मच (सोडियम बाइकार्बोनेट)
  • दूसरे हाथों से टाइमर या घड़ियाँ, 1 प्रति टीम
  • छोटे समायोज्य डेस्क लैंप जिन्हें स्थापित किया जा सकता है ताकि उनके प्रकाश बल्ब बीकर से कुछ इंच ऊपर हों और उन पर लंबवत रूप से चमकें, मजबूत बीम के साथ फ्लैशलाइट जो रिंग स्टैंड पर लगे होते हैं, प्रति टीम 1 प्रकाश स्रोत भी काम करते हैं।

इस तरह के और पाठ्यक्रम

एक शिक्षक के नेतृत्व वाली चर्चा के माध्यम से, छात्रों को पता चलता है कि पौधों को प्राप्त खाद्य ऊर्जा प्रकाश संश्लेषण की पौधों की प्रक्रिया के माध्यम से सूर्य के प्रकाश से आती है। पांच मिनट की अवधि में सतह पर उठने वाले बुलबुलों की संख्या की गणना करके, छात्र पूर्व में एलोडिया की प्रकाश संश्लेषक गतिविधि की तुलना कर सकते हैं।

छात्र परमाणु स्तर पर प्रकाश संश्लेषण और सेलुलर श्वसन के बारे में सीखते हैं और इलेक्ट्रोमाइक्रोबायोलॉजी के बुनियादी सिद्धांतों का अध्ययन करते हैं-अनुसंधान का एक नया क्षेत्र जो इंजीनियरों को आणविक स्तर पर ऊर्जा का उपयोग करने में सक्षम बनाता है।

प्री-रिक नॉलेज

प्रकाश संश्लेषण की समझ, जैसा कि संबंधित पाठ में प्रस्तुत किया गया है, क्या पौधे खाते हैं?

परिचय/प्रेरणा

(कक्षा का ध्यान आकर्षित करें और जैसा आप कहें वैसा करने को कहें।) एक हाथ से अपनी नाक बंद करके चुटकी लें। अपने दूसरे हाथ को हवा में ऊंचा उठाएं। अब एक गहरी सांस लें और इसे जितनी देर हो सके रोक कर रखें। जब आप अपनी सांस को और अधिक समय तक रोक नहीं सकते हैं, तो अपने उठे हुए हाथ को नीचे करें और अपनी नाक को खोल दें। (एक बार जब सभी हाथ नीचे हो जाएं और कोई भी सांस रोककर न रह जाए, तो आगे बढ़ें।) आपको फिर से सांस लेने की आवश्यकता क्यों पड़ी? (अपने प्राथमिक विद्यालय के अध्ययन से, छात्रों से अपेक्षा करें कि वे आपको बता सकें कि उनके शरीर को जीवित रहने के लिए हवा की आवश्यकता है।)

वास्तव में, हवा में क्या है? (छात्रों को यह नहीं पता हो सकता है कि हवा में ऑक्सीजन से अधिक है।) हम जिस हवा में सांस लेते हैं, उसमें अधिकांश नाइट्रोजन गैस (लगभग 78%) होती है। ऑक्सीजन अगला सबसे बड़ा घटक (लगभग 21%) है और एक छोटा हिस्सा (1%) आर्गन (एक अक्रिय गैस), जल वाष्प और कार्बन डाइऑक्साइड से बना है।

तो, विशेष रूप से हमारे शरीर को हवा के किस घटक की आवश्यकता है? (उम्मीद है कि वे जवाब देने में सक्षम होंगे कि यह ऑक्सीजन है।) और हमारे शरीर ऑक्सीजन के साथ क्या करते हैं? यह सही है, हवा से ऑक्सीजन को रक्त द्वारा फेफड़ों में उठाया जाता है और शरीर के सभी हिस्सों में ले जाया जाता है, जहां इसका उपयोग मांसपेशियों और मस्तिष्क और शरीर के अन्य सभी अंगों और ऊतकों द्वारा किया जाता है। हम इसके बिना नहीं रह सकते।

वायुमण्डल में ऑक्सीजन कहाँ से आई? (वे जानते हैं या तर्क करने में सक्षम हो सकते हैं कि यह उन सभी पौधों का परिणाम है जो पृथ्वी पर रहते हैं और कई लाखों वर्षों से प्रकाश संश्लेषण कर रहे हैं।) आज, आप यह देखने के लिए प्रयोग करने के लिए टीमों में काम करेंगे कि क्या प्राप्त प्रकाश पौधों की मात्रा ऑक्सीजन के इस उत्पादन को प्रभावित कर सकती है।

प्रक्रिया

  1. कक्षा चर्चा प्रारूप में, छात्र प्रयोग में कक्षा द्वारा परीक्षण किए जाने के लिए एक परिकल्पना स्थापित करते हैं।
  2. टीमों में काम करते हुए, छात्र प्रयोग की स्थापना और संचालन करते हैं। प्रत्येक टीम दो परीक्षण करती है: एक पौधों के साथ केवल कक्षा में उपलब्ध परिवेश प्रकाश द्वारा जलाया जाता है जब कमरे की कुछ या सभी रोशनी बंद हो जाती है, और एक डेस्क लैंप से उज्ज्वल प्रकाश प्राप्त करने वाले पौधों के साथ। एकत्र किए गए डेटा ऑक्सीजन के बुलबुले की संख्या है जो पौधों द्वारा पांच मिनट की अवधि में, पहले कम रोशनी के स्तर पर, और फिर उच्च-प्रकाश स्तर पर छोड़े जाते हैं।
  3. फिर समूह दो परीक्षणों में से प्रत्येक से अपना डेटा एकत्र करने के लिए एक साथ आते हैं। इन आंकड़ों से, छात्र व्यक्तिगत रूप से दो अलग-अलग प्रकाश स्थितियों के दौरान उत्पन्न बुलबुले की संख्या के लिए माध्य, माध्यिका और मोड निर्धारित करते हैं।
  4. फिर छात्र व्यक्तिगत रूप से डेटा को ग्राफ़ करते हैं, बार ग्राफ़ का उपयोग करते हुए जो बुलबुले की औसत संख्या और प्रत्येक परीक्षण स्थिति के लिए श्रेणियों को दिखाते हैं।

भाग 1: एक परिकल्पना उत्पन्न करना

कक्षा को समझाएं कि शोधकर्ता प्रयोग शुरू करने से पहले, वे पहले प्रयोग के अपेक्षित परिणाम के बारे में भविष्यवाणी करते हैं। इस भविष्यवाणी को एक परिकल्पना के रूप में जाना जाता है। हालाँकि, एक परिकल्पना केवल एक अनुमान नहीं है। इसके बजाय, यह विषय के पूर्व ज्ञान या अनुभव के आधार पर एक भविष्यवाणी है। उदाहरण के लिए, यदि कोई माली यह पता लगाना चाहता है कि क्या वास्तव में तोरी के पौधों को निषेचित करना आवश्यक है, तो वे तोरी के 12 पौधे उगा सकते हैं, लेकिन उनमें से केवल आधे में ही खाद डाल सकते हैं। इस मामले में, परीक्षण की जा रही परिकल्पना हो सकती है: उर्वरित तोरी के पौधे बिना उबचिनी के पौधों की तुलना में अधिक तोरी का उत्पादन करते हैं। परिकल्पना का समर्थन या खंडन करने के लिए एकत्र किया गया डेटा, उर्वरित पौधों द्वारा उत्पादित कुल संख्या की तुलना में, उर्वरित पौधों द्वारा उत्पादित तोरी की कुल संख्या होगी।

बता दें कि तोरी प्रयोग में माली ने आंकड़े एकत्र किए जिसमें संख्याएं शामिल थीं। विज्ञान में, आमतौर पर ऐसा होता है, क्योंकि संख्याओं की तुलना आसानी से की जा सकती है और कई चीजों के लिए संचयी होती है जो वास्तव में होती हैं, उन चीजों के विपरीत जो प्रयोगकर्ता ने सोचा हो सकता है।

फिर, संक्षेप में बताएं कि प्रकाश संश्लेषण प्रयोग कैसे स्थापित किया जाएगा और कक्षा से परीक्षण के लिए एक परिकल्पना निर्धारित करने के लिए कहें। उन्हें इस तरह के कथन के साथ आने में देर नहीं लगानी चाहिए: जिन पौधों को अधिक प्रकाश प्राप्त होता है, वे कम प्रकाश प्राप्त करने वाले पौधों की तुलना में अधिक बुलबुले उत्पन्न करते हैं।

भाग 2: प्रयोग की स्थापना

कुछ या सभी कक्षा की बत्तियाँ बंद करके निम्न चरणों का पालन करें। आदर्श रूप से, कमरे में तेज रोशनी नहीं होनी चाहिए, न ही अंधेरा होना चाहिए, छात्रों को आसानी से देखने के लिए पर्याप्त रोशनी होनी चाहिए।

  1. प्रत्येक टीम एलोडिया के लिए एक बीकर में लगभग 500 मिली पुराना पानी भरती है। इस पानी में, पौधों के लिए कार्बन डाइऑक्साइड का एक स्रोत प्रदान करने के लिए सोडियम बाइकार्बोनेट (बेकिंग सोडा) का एक चौथाई छोटा चम्मच जोड़ें, क्योंकि वे इसे स्थलीय पौधों की तरह वातावरण से प्राप्त नहीं कर सकते हैं। पानी को तब तक हिलाएं जब तक कि सोडियम बाइकार्बोनेट घुल न जाए और पानी साफ दिखने लगे।
  2. प्रत्येक टीम एलोडिया के पौधों के पर्याप्त खंड प्राप्त करती है ताकि इसकी कुल लंबाई का लगभग 18-24 इंच हो। उन्हें व्यवस्थित करें ताकि सभी पौधे बीकर में पानी के नीचे कम से कम 1½" रहें। उन्हें एक साथ पकड़ने के लिए स्ट्रिंग या ट्विस्ट टाई का उपयोग करें, और फिर पौधों को सतह पर तैरने से रोकने के लिए एक छोटी सी चट्टान जोड़ें। इंगित करें कि पौधे के ऊपर प्रकाश के संपर्क में अधिक क्षेत्र, अधिक प्रकाश संश्लेषण पत्तियों के भीतर हो सकता है। यदि छात्र एलोडिया के गुच्छों का निर्माण करते हैं, तो कई पत्तियों को ऊपर वाले लोगों द्वारा छायांकित किया जाएगा, और इस प्रकार उतना प्रकाश संश्लेषण करने में सक्षम नहीं हो सकता है। यह है पौधों को लूप में बनाना सबसे अच्छा है जो बीकर के बीच में एक झुरमुट के बजाय बीकर के पूरे तल को कवर करता है।

भाग 3: प्रयोग चलाना

  1. जैसे ही पौधों को बीकरों में व्यवस्थित किया जाता है, टीम को पांच मिनट के लिए समय देना शुरू करें। टीम के दो सदस्यों को उन पांच मिनट के लिए अपनी आंखों को बीकर से चिपकाने के लिए निर्देशित करें, ताकि पानी की सतह पर बुलबुले उठें। तीसरे टीम के सदस्य को किसी भी बुलबुले को देखने की घोषणा करें, ताकि वह गिनती रख सके (टैली मार्क्स का उपयोग करना सहायक होता है) और समय की निगरानी कर सकता है, यह दर्शाता है कि पांच मिनट कब खत्म हो गए हैं। बुलबुले काफी बड़े होते हैं, लगभग 2 मिमी व्यास के होते हैं, और इसलिए जब वे सतह पर उठते हैं तो आसानी से देखे जा सकते हैं।
  2. जब सभी टीमों ने पांच मिनट के लिए बुलबुले गिन लिए (यह बहुत संभव है कि कुछ टीमों को बिल्कुल भी बुलबुले न दिखें), कमरे की रोशनी चालू करें और छात्रों को सीधे बीकर के ऊपर डेस्क लैंप की स्थिति दें, जिसमें प्रकाश बल्ब केवल कुछ इंच ऊपर हों बीकर। एक बार रोशनी होने के बाद, टीमों को फिर से पांच मिनट के लिए समय और बुलबुलों की गिनती/रिकॉर्डिंग शुरू करने के लिए कहें।

भाग 4: डेटा का पूलिंग और विश्लेषण

  1. कक्षा बोर्ड पर एक बड़ा चार्ट बनाएं जिसमें टीमें प्रत्येक दो प्रकाश स्थितियों के दौरान गिने गए बुलबुलों की संख्या भर सकें।
  2. एक बार चार्ट भर जाने के बाद, छात्रों को दो डेटा सेटों में से प्रत्येक के माध्य, माध्यिका, मोड और रेंज को निर्धारित करने के लिए व्यक्तिगत रूप से काम करने के लिए कहें। पर्याप्त समय दें ताकि सभी छात्र एक ही उत्तर पर पहुंचें।
  3. छात्रों को ग्रिड पेपर प्रदान करें और उन्हें लंबवत बार ग्राफ बनाने के लिए निर्देशित करें जो दो प्रकाश स्थितियों में बुलबुले की औसत संख्या की तुलना करते हैं। सुनिश्चित करें कि यदि दो बार के लिए अलग-अलग रंगों का उपयोग किया जाता है तो छात्रों में शीर्षक, कुल्हाड़ियों के लेबल और किंवदंतियां शामिल हैं। फिर उन्हें दिखाएं कि वे प्रत्येक बार के केंद्र शीर्ष पर एक लंबवत रेखा खंड जोड़कर डेटा की श्रेणियों को कैसे इंगित कर सकते हैं, एक टीम द्वारा देखे गए बुलबुले की सबसे कम संख्या पर स्थित रेखा खंड के निचले सिरे के साथ, और ऊपरी छोर देखे गए बुलबुले की उच्चतम संख्या पर रेखा खंड का।

भाग 5: डेटा की व्याख्या करना

  1. एक कक्षा के रूप में, सभी डेटा और ग्राफ़ की जांच करें और परिकल्पना पर दोबारा गौर करें। ये संख्याएँ हमें प्रकाश संश्लेषण की मात्रा के बारे में क्या बताती हैं जो दो प्रकाश स्थितियों में से प्रत्येक में हुई थी। दूसरे शब्दों में, जिस परिकल्पना का परीक्षण किया गया वह वर्ग समर्थित था या नहीं?
  2. डेटा का विश्लेषण करने के लिए कक्षा चर्चा जारी रखें। आप कैसे जानते हैं कि आपने जो बुलबुले सतह पर उठते हुए देखे, वे ऑक्सीजन के बुलबुले थे? छात्र उत्तर दे सकते हैं कि वे जानते हैं कि प्रकाश संश्लेषण ऑक्सीजन का उत्पादन करता है, इसलिए बुलबुले ऑक्सीजन रहे होंगे। हालांकि, बुलबुले की रासायनिक संरचना को निर्धारित करने के तरीके के बिना, यह केवल एक धारणा है कि बुलबुले में ऑक्सीजन होता है। हो सकता है कि वे नाइट्रोजन या कार्बन डाइऑक्साइड के बुलबुले हों, या किसी अन्य प्रक्रिया से कुछ अन्य गैस जो प्रकाश संश्लेषण के बजाय पौधों में हो रही थी। फिर भी, चूंकि पौधे प्रकाश के संपर्क में थे, बुलबुले सबसे अधिक संभावना ऑक्सीजन से बने थे। इंगित करें कि शोधकर्ताओं के लिए यह सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है कि वे एक प्रयोग के बारे में जो कुछ जानते हैं और उसके बारे में वे क्या मानते हैं, के बीच अंतर को पहचानते हैं।

शब्दावली/परिभाषाएं

माध्य: डेटा के एक सेट में सभी मानों का योग, डेटा सेट में मानों की संख्या से विभाजित, जिसे औसत के रूप में भी जाना जाता है। उदाहरण के लिए, 22 ºC, 25 ºC, 18 ºC, 22 ºC और 19 ºC से मिलकर पांच तापमान मापों के एक सेट में, औसत तापमान 106 ºC को 5 से विभाजित किया जाता है, या 21.2 ºसी.

माध्यिका: टीडेटा के एक सेट में मध्य मान, एक क्रमबद्ध सूची में डेटा मानों को सबसे छोटी से सबसे बड़ी तक व्यवस्थित करके प्राप्त किया जाता है, और फिर सूची में आधे-अधूरे बिंदु पर मान का पता लगाया जाता है। उदाहरण के लिए, २२&#१८६ सी, २५&#१८६ सी, १८&#१८६ सी, २२ &#१८६ सी, और १९&#१८६ सी से मिलकर पांच तापमान मापों के एक सेट में, तापमान की क्रमित सूची १८&#१८६ सी होगी , 19º C, 22º C, 22º C, और 25º C. मध्य मान तीसरा मान है, 22º C. यदि डेटा सेट में मानों की एक सम संख्या होती है, तो माध्यिका है दो मध्य मानों के औसत द्वारा निर्धारित किया जाता है। उदाहरण के लिए, 20 ºC, 22 ºC, 25 ºC, 18 ºC, 24 ºC और 19 ºC से मिलकर छह तापमान मापों के एक सेट में, मध्य मान 20 ºC हैं और 22 ºसी. इस प्रकार, माध्यिका मान 20 ºC और 22 ºC का औसत है, जो 21 ºC है।

मोड: डेटा के एक सेट में मान जो सबसे अधिक बार होता है। उदाहरण के लिए, 22 ºC, 25 ºC, 18 ºC, 22 ºC और 19 ºC से मिलकर पांच तापमान मापों के एक सेट में, 22 ºC का माप सबसे अधिक बार होता है, इसलिए यह विधा है। डेटा के एक सेट में दो या दो से अधिक मोड होना संभव है, यदि दो या दो से अधिक मान समान आवृत्ति के साथ होते हैं।

मूल्यांकन

प्रशन: छात्रों से इस तरह के प्रश्न पूछकर उनकी समझ का मूल्यांकन करें:

  • प्रकाश संश्लेषण होने के लिए किन "चीजों" की आवश्यकता होती है?
  • प्रकाश संश्लेषण के उत्पाद क्या हैं?
  • पौधे में प्रकाश संश्लेषण कहाँ होता है?
  • पौधों को जीवित रहने के लिए पानी की आवश्यकता क्यों होती है?

ग्राफ विश्लेषण: एक प्रयोग से डेटा का एक ग्राफ़ प्रदान करें जो अभी-अभी किए गए एक छात्र के समान है, और उनसे निष्कर्ष निकालने के लिए कहें। उदाहरण के लिए, डेटा मकई के पौधों की ऊंचाई का प्रतिनिधित्व कर सकता है, जिनमें से आधे जंगल की छाया में उगाए गए थे और आधे खुले मैदान में उगाए गए थे।

जांच संबंधी प्रश्न

  • आपको क्या लगता है कि अगर आप कुछ पौधों को दो या तीन सप्ताह के लिए पूरी तरह से अंधेरे कोठरी में छोड़ दें तो क्या होगा? आप ऐसा क्यों सोचते हैं?
  • फसल पौधों के लिए पर्याप्त वर्षा प्राप्त करना क्यों महत्वपूर्ण है?
  • पृथ्वी के वायुमंडल में हमेशा उतनी ऑक्सीजन नहीं थी जितनी अब है। वास्तव में, एक समय में शायद इसमें बिल्कुल भी ऑक्सीजन नहीं थी। आपको क्या लगता है कि पृथ्वी के वायुमंडल में ऑक्सीजन वहां कैसे पहुंची? आप ऐसा क्यों सोचते हैं?

गतिविधि एक्सटेंशन

सूर्य से आने वाले प्रकाश में कई अलग-अलग तरंग दैर्ध्य की प्रकाश तरंगें होती हैं। प्रकाश के दृश्य स्पेक्ट्रम में, ये सबसे लंबी तरंग दैर्ध्य के साथ लाल से लेकर सबसे छोटी तरंग दैर्ध्य के साथ बैंगनी तक होते हैं। क्लोरोफिल सभी तरंग दैर्ध्य, या प्रकाश के रंगों के लिए समान रूप से प्रतिक्रिया नहीं करता है। क्या छात्रों ने एक ही प्रयोगात्मक सेटअप का उपयोग यह निर्धारित करने के लिए किया है कि प्रकाश का कौन सा रंग या रंग सबसे अधिक प्रकाश संश्लेषक गतिविधि में परिणाम देता है। उन्हें केवल एक ही संशोधन करने की आवश्यकता है कि बुलबुले की गिनती के पांच मिनट के दौरान बीकर को रंगीन प्लास्टिक रैप या सिलोफ़न से ढक दें। चूंकि अधिकांश पौधों के लिए नीली तरंग दैर्ध्य सबसे अच्छी होती है, इसलिए सुनिश्चित करें कि यह उपलब्ध रंगों में से एक है। हो सके तो लाल और एक अन्य रंग भी उपलब्ध कराएं।

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स्वीकृतियाँ

इस सामग्री को नेशनल साइंस फाउंडेशन GK-12 ग्रांट नंबर के तहत ड्यूक यूनिवर्सिटी के प्रैट स्कूल ऑफ इंजीनियरिंग में MUSIC (मैथ अंडरस्टैंडिंग थ्रू साइंस इंटीग्रेटेड विद करिकुलम) प्रोग्राम द्वारा विकसित किया गया था। डीजीई 0338262। हालांकि, ये सामग्री आवश्यक रूप से एनएसएफ की नीतियों का प्रतिनिधित्व नहीं करती हैं, और आपको संघीय सरकार द्वारा समर्थन नहीं मानना ​​​​चाहिए।


नया आविष्कार कमरे के तापमान पर प्रकाश की मात्रा को स्थिर रखता है

क्रेडिट: अनस्प्लैश/सीसी0 पब्लिक डोमेन

कोपेनहेगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नई तकनीक विकसित की है जो कमरे के तापमान पर प्रकाश के क्वांटम बिट्स को केवल -270 डिग्री पर काम करने के बजाय स्थिर रखती है। उनकी खोज शक्ति और धन बचाती है और क्वांटम अनुसंधान में एक सफलता है।

चूंकि हमारी लगभग सभी निजी जानकारी डिजिटल हो गई है, इसलिए यह महत्वपूर्ण हो गया है कि हम अपने डेटा और खुद को हैक होने से बचाने के तरीके खोजें।

क्वांटम क्रिप्टोग्राफी इस समस्या का शोधकर्ताओं का जवाब है, और अधिक विशेष रूप से एक निश्चित प्रकार की कक्षा-एकल फोटॉन से मिलकर: प्रकाश के कण।

सिंगल फोटॉन या क्विबिट ऑफ लाइट, जैसा कि उन्हें भी कहा जाता है, हैक करना बेहद मुश्किल है। हालाँकि, प्रकाश की इन मात्राओं को स्थिर रखने और ठीक से काम करने के लिए उन्हें पूर्ण शून्य के करीब तापमान पर संग्रहीत करने की आवश्यकता होती है - जो कि शून्य से 270 C है - ऐसा कुछ जिसके लिए भारी मात्रा में बिजली और संसाधनों की आवश्यकता होती है।

हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में, कोपेनहेगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इन qubits को कमरे के तापमान पर पहले से सौ गुना अधिक समय तक स्टोर करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया। नील्स बोहर इंस्टीट्यूट में क्वांटम ऑप्टिक्स के प्रोफेसर यूजीन साइमन पोल्ज़िक कहते हैं, "हमने अपनी मेमोरी चिप्स के लिए एक विशेष कोटिंग विकसित की है जो कमरे के तापमान में रहने के दौरान प्रकाश की क्वांटम बिट्स को समान और स्थिर होने में मदद करती है। इसके अलावा, हमारा नया विधि हमें qubits को अधिक लंबे समय तक संग्रहीत करने में सक्षम बनाती है, जो कि माइक्रोसेकंड के बजाय मिलीसेकंड है - ऐसा कुछ जो पहले संभव नहीं था। हम वास्तव में इसके बारे में उत्साहित हैं।"

मेमोरी चिप्स की विशेष कोटिंग बड़े फ्रीजर के बिना प्रकाश की क्वैबिट को स्टोर करना बहुत आसान बनाती है, जो संचालित करने में परेशानी होती है और इसके लिए बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है। इसलिए, नया आविष्कार भविष्य में उद्योग की मांगों के साथ सस्ता और अधिक संगत होगा।

"इन qubits को कमरे के तापमान पर संग्रहीत करने का लाभ यह है कि इसे ठंडा करने के लिए तरल हीलियम या जटिल लेजर-सिस्टम की आवश्यकता नहीं होती है। साथ ही यह एक बहुत अधिक सरल तकनीक है जिसे भविष्य के क्वांटम इंटरनेट में अधिक आसानी से लागू किया जा सकता है," कार्स्टन डिडेरिक्सन कहते हैं , एक यूसीपीएच-पीएचडी। परियोजना पर।

आम तौर पर, गर्म तापमान प्रत्येक क्वांटम बिट प्रकाश की ऊर्जा को परेशान करते हैं। "हमारी मेमोरी चिप्स में, हजारों परमाणु फोटॉन उत्सर्जित करने वाले चारों ओर उड़ रहे हैं, जिन्हें प्रकाश की qubits भी कहा जाता है। जब परमाणु गर्मी के संपर्क में आते हैं, तो वे तेजी से आगे बढ़ने लगते हैं और एक दूसरे के साथ और चिप की दीवारों से टकराते हैं। यह उन्हें ले जाता है यूजीन पोल्ज़िक बताते हैं कि फोटॉन उत्सर्जित करने के लिए जो एक दूसरे से बहुत अलग हैं। लेकिन हमें भविष्य में सुरक्षित संचार के लिए उनका उपयोग करने के लिए बिल्कुल वैसा ही होना चाहिए।" "यही कारण है कि हमने एक ऐसी विधि विकसित की है जो मेमोरी चिप्स के अंदर के लिए विशेष कोटिंग के साथ परमाणु स्मृति की रक्षा करती है। कोटिंग में पैराफिन होता है जिसमें मोम जैसी संरचना होती है और यह परमाणुओं की टक्कर को नरम करके काम करती है, जिससे उत्सर्जित फोटॉन या समान और स्थिर। इसके अलावा, हमने यह सुनिश्चित करने के लिए विशेष फिल्टर का उपयोग किया कि मेमोरी चिप्स से केवल समान फोटॉन निकाले गए थे।"

भले ही नई खोज क्वांटम अनुसंधान में एक सफलता है, फिर भी इसे और अधिक काम करने की आवश्यकता है।

"अभी, हम कम दर पर प्रकाश की क्वैबिट का उत्पादन करते हैं, एक फोटॉन प्रति सेकंड, जबकि कूल्ड सिस्टम एक ही समय में लाखों का उत्पादन कर सकते हैं। लेकिन हमारा मानना ​​​​है कि इस नई तकनीक के महत्वपूर्ण फायदे हैं और हम इसे दूर कर सकते हैं। समय में चुनौती, "यूजीन ने निष्कर्ष निकाला।


वैज्ञानिक आनुवंशिक रूप से इंजीनियरिंग संयंत्रों द्वारा प्रकाश संश्लेषण में सुधार करते हैं

जब से थॉमस माल्थस ने 1789 में अपनी भयानक भविष्यवाणी जारी की कि जनसंख्या वृद्धि हमेशा खाद्य आपूर्ति से अधिक होगी, वैज्ञानिकों ने उसे गलत साबित करने के लिए काम किया है। अब तक, उन्होंने फसलों की बड़ी और बेहतर किस्मों और अन्य कृषि नवाचारों को विकसित करके किसानों को गति बनाए रखने में मदद की है।

अब शोधकर्ता और भी दुस्साहसी कदम उठा रहे हैं: प्रकाश संश्लेषण को और अधिक कुशल बनाने के लिए पौधों को फिर से तैयार करना। और ऐसा लगता है कि यह भुगतान कर रहा है।

जर्नल साइंस के शुक्रवार के संस्करण में एक अध्ययन के अनुसार, तंबाकू के पौधे जिन्हें प्रकाश संश्लेषण को अनुकूलित करने के लिए आनुवंशिक रूप से इंजीनियर किया गया था, ने अपने पारंपरिक रिश्तेदारों को 40% तक बढ़ा दिया।

"यह सुंदर है, वास्तव में, इसकी भव्यता में," इंग्लैंड में लीड्स विश्वविद्यालय के एक पौधे जीवविज्ञानी क्रिस्टीन फ़ोयर ने कहा, जो काम में शामिल नहीं थे।

वैज्ञानिकों ने प्रकाश संश्लेषण पर ध्यान दिया है क्योंकि यह फसल की पैदावार को बढ़ाने के लिए कुछ शेष विकल्पों में से एक प्रदान करता है। पौधों के प्रजनकों ने पहले से ही जोरदार किस्मों के लिए चयन किया है जो कि हम जो कुछ भी खाना चाहते हैं उससे अधिक उत्पादन करते हैं - चाहे वह पत्ते, फल, जड़ या बीज हो - जब आदर्श परिस्थितियों में उगाया जाता है।

"हमें वास्तव में प्रकाश संश्लेषण में हेरफेर करने में सक्षम होने की आवश्यकता है, क्योंकि यह वास्तव में सब कुछ बचा है," अध्ययन के वरिष्ठ लेखक अर्बाना-शैंपेन में इलिनोइस विश्वविद्यालय के पौधे जीवविज्ञानी डॉन ओर्ट ने कहा।

सौभाग्य से, सुधार के लिए बहुत जगह है - सैद्धांतिक रूप से, कम से कम।

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, प्रकृति संचार.
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. परिणाम? 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 फसल विज्ञान.


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 बी50+R50 जी50+R50 आर100 and 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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