Изучение растительных пигментов в рамках школьной программы изучения биологии

Введение

Природа обладает удивительным многоцветием. Мы не устаем восхищаться красотой окружающего растительного мира. Весной мы с надеждой смотрим на нежно-зеленые молодые листочки деревьев, а желто-оранжевая цветовая гамма осеннего леса навевает грусть и печаль по ушедшему лету. Кто не восхищался красками цветущего луга, лесной опушки, осенней листвы, даров сада и огорода? Я думаю, что каждый ребенок, как только он начинает изучать окружающий мир, задает себе вопросы: «Почему листья зеленые? Почему они осенью желтеют или краснеют? Почему лепестки ромашки белые, а розы - красные? Почему окружающие растения окрашены именно так, а не иначе, как возникает такое богатство цветов и оттенков? Что для природы значат эти цвета?». Меня заинтересовали эти вопросы, надеюсь, что моя работа поможет на них ответить.

Цель моей работы – выяснить, от чего зависит цвет растения.

Задачи, которые я перед собой поставила:

Изучить литературу с целью выяснить, какие вещества придают органам растения различную окраску.

Провести несколько практических опытов с целью выявления особенностей этих веществ.

 

Что такое «пигмент»? Какие бывают пигменты?

Изучив специальную литературу, я выяснила, что окраску различным органам растений придают особые вещества – пигменты.  Это органические соединения, присутствующие в клетках и тканях растений и окрашивающие их.Многие из них важны для фотосинтеза. Расположены пигменты в пластидах клетки – хлоропластах и хромопластах, некоторые находятся в клеточном соке растений.

 

Существует несколько основных групп растительных пигментов:

Самыми распространенным растительным пигментом является хлорофилл. Это одно из самых важных на Земле красящих веществ. Название хлорофилла идет от греческих слов «хлорос» - зеленый и «филлон» - лист. Хлорофилловые пластиды зеленые. Зеленый цвет – цвет жизни. Зеленые «фабрики» вокруг нас поддерживают жизнь. Хлорофилл обладает жизненно важной функций: перехват солнечных лучей и преобразование полученной энергии в питательные вещества — простые сахара, которые получаются из воды и углекислого газа. Эти сахара являются основой питания растений — источниками углеводов, необходимых для роста и развития. Во время процесса производства питательных веществ хлорофилл разрушается, так как непрерывно используется. Несмотря на это, в течение сезона роста, растения снова и снова восстанавливают запасы хлорофилла. Большой запас хлорофилла позволяет листьям оставаться зелёными.Возрастные изменения хлоропластов сопровождаются изменением окраски – от салатно-зеленого, разной интенсивности зеленого, до желто-зеленого. Когда он в большом количестве содержится в клетках, что происходит во время периода роста, зелёный цвет хлорофилла преобладает, затмевая цвета любых других пигментов, которые могут содержаться в листе. Поэтому листья летом имеют характерный зелёный цвет.

Флавоны и флавонолы – одни из самых распространенных растительных пигментов. Нет растения, где бы они ни были обнаружены. Долгое время считалось, что эти пигменты характерны только для растительного царства, однако в 90-х годах прошлого века некоторые флавоны были обнаружены и в грибах. На латинском языке «flavus» означает «желтый». В природе флавоны и флавонолы являются основными пигментами, обеспечивающими желтую цветовую гамму плодов и цветов. Много этих красителей и в других органах растений, хотя там желтая окраска маскируется другими пигментами. Разнообразие оттенков желтого цвета достигается как изменением концентрации флавонов и флавонолов, так и присутствием в соке растений солей кальция и магния, увеличивающих интенсивность окраски.

Близки к флавонам по строению другие красители желтого цвета – халконы и ауроны. Встречаются они значительно реже. Среди известных нам растений эти пигменты можно обнаружить в листьях и цветах кислицы, кореопсиса и львиного зева. Как и некоторые люди, эти красители совершенно не переносят курильщиков и краснеют, если их окуривать сигаретным дымом. Отдельного упоминания заслуживают халконы еще и потому, что во многих случаях именно из них в процессе биосинтеза в растениях образуются флавоны, флавонолы и ауроны. Подражая природе, химики применяют халконы для получения разнообразных растительных и искусственных пигментов в лабораторных условиях.

Еще одна группа пигментов, родственная флавонам и флавонолам, носит название антоцианов. Антоцианы, которые ответственны за красные цвета в листьях, не присутствуют в листьях до тех пор, пока в листьях не начнёт снижаться уровень хлорофиллов. Раньше предполагали, что антоцианы просто результат разрушения зелёного хлорофилла, но эта теория уже не считается общепризнанной. Антоциановые пигменты, вызывающие розовую, красную и пурпурную осеннюю окраску листьев, связаны с веществом - углевод (или сахара, крахмала). Так накопление углеводов способствует образованию клеточного сока с пигментами антацина. Антоцианы растворимы в воде и обычно встречаются в клеточном соке.

Каротиноиды – пигменты, которые имеют преимущественно жёлтый или оранжевый цвет. Они всегда присутствуют в листьях, но перекрываются зелёным цветом хлорофилла. Название пигментам этого типа дал ученый М. С. Цвет. В честь одного из пигментов, содержащегося в оранжевых корнях моркови, он назвал весь этот класс красителей каротиноидами («carotte» – морковь).Каротиноиды придают желтый цвет цветам и листьям растений. Желтая, оранжевая и красная окраска кукурузы, тыквы, кабачков и перезрелых огурцов, баклажанов, паслена, помидора, дыни, а также многих цитрусовых обусловлена присутствием в них разнообразных каротиноидных пигментов. Рекордсменом по числу каротиноидных пигментов является стручковый красный перец.

 

Какие пигменты составляют окраску листа?

Первый опыт проведем с целью выяснить, какие пигменты обеспечивают листьям растения зеленую окраску.Оборудование, необходимое для проведения опыта: свежие листья комнатных растений, 95% -ый этиловый спирт, бензин, ступка фарфоровая, пробирка, воронка, ножницы, фильтровальная бумага. 

Ход опыта. Прежде всего, получим вытяжку пигментов. Лучше, если вытяжка будет концентрированной, темно-зеленой. Можно использовать листья любых травянистых растений, а лучше всего теневыносливых комнатных растений - они мяче, легче растираются, содержат больше хлорофилла. К измельченным листьям добавим 5-10 мл этилового спирта, на кончике ножа мел для нейтрализации кислот клеточного сока и разотрем их в фарфоровой ступке до однородной зеленой массы. Подольем еще этилового спирта и осторожно продолжаем растирание, пока спирт не окрасится в интенсивный зеленый цвет. Полученную спиртовую вытяжку отфильтруем в чистую сухую пробирку или колбу.
Убедимся в том, что спиртовая вытяжка пигментов помимо зеленых содержит еще и желтые пигменты. Для этого на фильтровальную бумагу нанесем стеклянной палочкой каплю спиртовой вытяжки пигментов листа. Через 3-5 мин на бумаге образуются цветные концентрические круги: в центре зеленый (хлорофилл), снаружи - желтый (каротиноиды) (Приложение 1).

Вывод. Разделение пигментов обусловлено их различной адсорбцией (поглощением в поверхностном слое) на фильтровальной бумаге и неодинаковой растворимостью в растворителе, в данном случае - этиловом спирте. Каротиноиды хуже, по сравнению с хлорофиллом, адсорбируются на бумаге, больше растворимы в спирте, поэтому передвигаются по фильтровальной бумаге дольше хлорофилла.
Таким образом, в создании цвета листа участвуют две группы пигментов - зеленые и желтые. Содержание хлорофилла в сформировавшихся листьях примерно в 3 раза выше, чем каротиноидов, поэтому желтый цвет каротиноидов маскируется зеленым цветом хлорофилла. Количественное соотношение хлорофилла и каротиноидов не постоянно, оно зависит от возраста листа, физиологического состояния растения. Если содержание хлорофилла уменьшается, листья приобретают желто-зеленый или желтый цвет.

При каком освещении желтеют листья?

Различные факторы внешней среды (освещенность растений, температура воздуха, водоснабжение) оказывают влияние на окраску листьев. Например, в зависимости от погодных условий цвет листьев клена меняется от желтого до пурпурно-красного.

Цель этого опыта –установить устойчивость хлорофилла в листьях растений без освещения.

Оборудование: для опыта нужны листья любого растения, которые уже закончили рост, но еще не имеют внешних признаков старения, стакан, черный лист бумаги.

Ход опыта. Половину листовой пластинки закрываем с двух сторон черной бумагой. Лист помещаем в стакан с водой и ставим в хорошо освещенное место. Спустя 4-5 дней снимем бумагу, сравним цвет половинок листа. Хорошо заметны различия в окраске: освещенная часть зеленая, а затемненная - желтая.

Вывод: Результаты опыта свидетельствуют, что снижение интенсивности и продолжительности освещения листьев ускоряет распад молекул хлорофилла в хлоропластах. Мы сравнили устойчивость хлорофилла в листьях бадана и традесканции. Самый неустойчивый пигмент в листьях традесканции, он разрушается за 20 дней, а самый устойчивый у фикуса, разрушается через 40 - 50 дней.(Приложение 1)

Необходимость кислорода для разрушения хлорофилла.

Для разрушения хлорофилла необходимо еще одно условие – кислород. Проводимый опыт ставит своей целью доказать, что без кислорода хлорофилл не разрушается или разрушается медленнее.

Оборудование: стакан c водой, лист плотной бумаги, зеленые листья растения.

Ход опыта: Стареющий, но еще сохранивший зеленый цвет лист любого светолюбивого растения опустим в стакан с водой так, чтобы только половина листа его находилась под водой. Для этого закрепим лист в прорези укрывающей стакан плотной бумаги. Стакан поставим в темное место.

Вывод: Через 3 - 5 дней станут заметны различия в окраске листа: находившаяся в воде часть сохранит зеленый цвет, другая - пожелтеет. Уменьшение скорости распада хлорофилла в той части листа, которая находилась в воде, свидетельствует, что в разрушении хлорофилла важную роль играет процесс дыхания. Содержание кислорода в воде намного ниже, чем в воздухе.(Приложение 2)

Влияние на хлорофилл химических веществ.

Как органическое вещество, пигмент хлорофилл должен разрушаться от воздействия различных химических веществ. Цель этого опыта – проверить, как воздействует на хлорофилл соляная кислота.

Оборудование: Для опыта нужны "чернила" - 10%-ая соляная кислота, листья растений, палочка.

Ход опыта: Заостренный конец палочки смочим в соляной кислоте и нанесем на лист рисунок (в нашем случае это смайлик и звездочка). На зеленом фоне листа бегонии постепенно появляется рисунок звездочки бурого цвета. На листе монстеры был нарисован смайлик, но картинка не появилась, бурое пятно было маленьким, размером с копеечную монету. Значит, скорость изменения цвета в месте нанесения кислоты зависит от плотности покровов листа. Появление бурой окраски обусловлено проникновением кислоты внутрь клеток и образованием в них особого вещества - феофитина.

Вывод: Хлорофилл разрушается при воздействии на него соляной кислоты, а значит, и других кислот. Следовательно, газообразные выделения промышленных предприятий, которые часто содержат в себе химические вещества (например, сернистый ангидрит), которые, проникая через устьица в листья, растворяются в цитоплазме клеток и образуют кислоту. Накопление ее в больших количествах в цитоплазме вызывает разнообразные нарушения обмена веществ в клетках, в том числе и разрушение хлорофилла. Внешне такие повреждения могут выражаться в появлении на листьях бурых пятен.(Приложение 3)

Воздействие на пигмент хлорофилл высокой температуры.

Образование феофитина в листьях многих растений может происходить также и при нагревании листа выше 70 - 80 С. Цель данного опыта –показать, что разрушение хлорофилла и образование феофитина в листьях растений возможно и при воздействии на клетки листьев высокой температуры.

Оборудование: Для опыта нужны зеленые листья различных растений, спиртовка, стеклянная палочка.

Ход опыта: Прикоснемся к листу концом сильно нагретой стеклянной палочки или проколем его раскаленной препаровальной иглой. Во всех случаях возникают своеобразные изменения окраски листа: зеленые круги с неровными бурыми кольцами.

Вывод: Появление бурых колец обусловлено поступлением кислот клеточного сока из вакуолей в цитоплазму, а затем в хлоропласты. Под действием температуры раскаленной стеклянной палочки происходит разрушение молекул хлорофилла, образование феофитина и появление бурого окрашивания. Поскольку химический состав листьев различных растений имеет свои особенности, можно получить различные картины колец отмирания. Желтые, коричневые пятна отмирания появляются на листьях и в природных условиях под влиянием сильного перегрева, засухи.(Приложение 5)

Выводы.

Исследовав вопрос о растительных пигментах, я узнала, что пигменты играют очень значительную роль в природе и имеют огромное значение для жизни на Земле. Многие природные пигменты принимают участие в важных метаболических или физиологических процессах. Особенно детально изучено значение хлорофилла и других пигментов в фотосинтезе. Во многих случаях, однако, единственной известной функцией пигмента является то, что он придает окраску организму или той его части, которая содержит данный пигмент. В растительном царстве ярко окрашенные цветки и плоды, контрастно выделяющиеся на общем фоне зеленой окраски листвы, привлекают внимание насекомых и других животных. Благодаря этому растения извлекают для себя пользу при опылении и распространении семян. По итогам работы были установлены следующие выводы:

В создании цвета листа участвуют различные группы пигментов.

Снижение интенсивности и продолжительности освещения листьев ускоряет распад молекул хлорофилла в хлоропластах.

Уменьшение скорости распада хлорофилла в той части листа, которая находилась в воде, свидетельствует, что в разрушении хлорофилла важную роль играет процесс дыхания.

Хлорофилл разрушается при воздействии на него кислоты

Под действием температуры происходит разрушение молекул хлорофилла и появление бурого окрашивания.

Список литературы и Интернет-ресурсов.

Энциклопедия для детей. Биология; "Аванта +", М., 1993.

Биология. Первое сентября. № 44, 45, 46, 1999.

http://ru.wikipedia.org – Википедия.

http://lib.e- science.ru – Портал Естественных наук.

 

Приложения.

Приложение 1. Какие пигменты составляют окраску листа?

 

Приложение 2.При каком освещении желтеют листья?

 

Приложение 3. Необходимость кислорода для разрушения хлорофилла.

 

Приложение 4. Письмо на зеленом листе.

 

Приложение 5. Образование колец отмирания на листьях.