Міністерство освіти і науки України Харківський національний педагогічний університет імені Г. С. Сковороди Природничий факультет Кафедра ботаніки Виявлення пігментів в рослинах Харківської області

Індивідуально – дослідна робота Студентки IІ курсу 21 БХ-Б групи Рибалка Аліни Олександрівни Наук. Керівник: К. б. н., доц. Гончаренко Я. В.

Харків, 2015

Зміст

Вступ

Розділ 1. Огляд літератури

Розділ 2. Район, об’єкт та методи досліджень

2.1. Загальна географічна характеристика Коротичанського району

2.2. Опис рельєфу

2.3. Характеристика ґрунтів

2.4. Характеристика клімату

2.5. Рослинність

Розділ 3. Морфолого – екологічна характеристика

Розділ 4. Представленість

4.1. Можливості використання результатів досліджень в роботі вчителя біології

Висновки

Список використаних джерел

Додаток А – гербарій

Вступ

Тема науково-дослідної роботи: Виявлення пігментів в рослинах Харківської області.

Об’єкт дослідження: Флора Коротичанського району, зокрема група квіткових рослин.

Мета: Дослідити різноманіття рослинних пігментів.

Актуальність та доцільність теми: Я вважаю,що обрана мною тема є актуальною, тому що дуже цікаво і корисно дізнатися про різноманіття рослинних пігментів та їх роль в життєдіяльності рослин.

Завдання: Опрацювати наукову та методичну літературу з теми індивідуальної роботи; виявити різноманіття рослинних пігментів; проаналізувати морфологічні та екологічні властивості обраних рослин, їх господарське значення та місце зростання; провести геоботанічні дослідження та аналіз рослинності ……. угруповань; проаналізувати як матеріали індивідуальної роботи можна використовувати при вивченні шкільного курсу біології; проаналізувати та узагальнити отриманні данні.

Розділ 1. Огляд літератури

Поглинанням квантів світла у видимій частині спектра (400-700 нм), які мають достатню енергію для здійснення фотосинтезу, мають органічні сполуки (пігменти), що містять системи сполучених зв'язків. У клітинах еволюційно більш давніх фотосинтезуючих організмів (бактерії, водорості) присутні різноманітні сполуки (хлорофіли, бактеріохлорофіли, бактеріородопсин, каротиноїди, фікобіліни), здатні при певному їх поєднанні забезпечити акцептування сонячного випромінювання у всій видимій (і навіть в ближній інфрачервоній) частині спектра. Їх набір і співвідношення специфічні для різних груп і багато в чому залежать від умов, в яких мешкають організми. Пігменти фотосинтезу у вищих рослин значно менш різноманітні [1].

В листках (хлоропластах) вищих рослин присутні два види хлорофілу (a і b), що представляють собою Mg-вмісні порфірини. Основна їх частина включена до складу світлозбиральних комплексів, забезпечує поглинання і передачу світлової енергії на так звані реакційні центри. У цих центрах, які містять не велику частину загального хлорофілу а, і здійснюються первинні фотосинтетичні реакції. Крім хлорофілів в фотосинтетичних мембранах завжди присутні жовті пігменти - каротиноїди (як правило, п'ять типів). Каротиноїди виступають також у ролі світлозбиральників і поряд з цим відіграють важливу роль у захисті фотосинтетичного апарату від фотопошкоджень.

Пігменти. Які вони бувають!

Рослинні пігменти є предметом дослідження багатьох наукових дисциплін. Предмет фізичної хімії - виділення пігментів з рослин і визначення їх хімічної будови. Біохімія досліджує процеси, що призводять до утворення забарвлених речовин. Фізіологія вивчає їх локалізацію та міграцію в органах рослин. Хемотаксономія використовує наявність різних пігментів для класифікації рослин.

Колір визначається здатністю пігменту до поглинання світла. Електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 400-700 нм складають видиму частину сонячного випромінювання. Хвилі довжиною 400-424 нм - це фіолетовий колір, 424-491 нм - синій, 491-550 нм - зелений, 550-585 нм - жовтий, 585-647 нм - помаранчевий, 647-740 нм - червоний. Випромінювання з довжиною хвилі менше 400 нм - ультрафіолетова, а з довжиною хвилі більше 740 нм - інфрачервона область спектра.

Якщо світло, що падає на яку-небудь поверхню, повністю від неї відбивається, ця поверхня виглядає білою. Якщо всі промені поглинаються, поверхня сприймається як чорна. Якщо ж поглинаються лише промені певної довжини, то відбивання інших створює відчуття кольору. Наприклад, шкірка апельсина поглинає промені синьої частини спектра. І ми бачимо апельсин помаранчевим.

Забарвлення не завжди обумовлене ​​виборчим поглинанням світла. Так металевий колір листя деяких рослин пояснюється заломленням світла і розсіюванням його з поверхні особливих «оптичних» лусочок або клітин. Але в більшості випадків відповідальними за забарвлення є пігменти.

Рослинні пігменти - це великі органічні молекули, які поглинають світло певної довжини хвилі. У більшості випадків «відповідальними» за появу забарвлення є певні ділянки цих молекул, звані хромофорами. Зазвичай хромофорний фрагмент складається з групи атомів, об'єднаних в ланцюги або кільця з чергуючими одинарними і подвійними зв'язками (-С = С-С = С-). Чим більше таких зв'язків, тим глибше забарвлення. Крім того, поглинання світла посилюється при наявності в молекулі кільцевих структур.

У рослинних клітинах найчастіше зустрічаються зелені пігменти хлорофіли, червоні і сині антоціани, жовті флавони і флавоноли, жовто-оранжеві каротиноїди і темні меланіни. Кожна з цих груп представлена ​​кількома відмінними за хімічною будовою, а отже, за поглинанням світла і забарвленням пігментами.

А ще колір пігменту може мінятися при зміні кислотності середовища, температури, при взаємодії з різними речовинами. Тому важливе значення має хімічний склад клітин, особливо вакуолярного соку. Нарешті, забарвлення рослини залежить і від будови тканини, в якій містяться пігменти: її товщини, кількості міжклітинників, щільності воскового нальоту, який знаходиться на поверхні клітин.

У рослинному світі широко поширений білий колір: білі квіти, білі стебла, білі плями на листках. Білий фарбувальний пігмент називається бетулін. Накопичуючись в клітинах кори молодих дерев, бетулін забарвлює стовбур берези в той прекрасний білий колір, яким ми всі захоплюємося. Але у інших рослин причиною білого забарвлення, наприклад віночків, є великі міжклітинники в поєднанні з клітинами, позбавленими пігментів. Білий колір їм додає повітря. А що визначає забарвлення рожевих, бузкових, синіх і фіолетових квіток? Як це не дивно, але ці кольори визначає одна група пігментів - антоціани, вперше виділені з квіток волошки синьої.

Яскраво-червоні троянди, блакитні волошки містять розчинені в клітинному соці антоціани. Яблука, вишні, виноград, чорниця, сік листя червонокачанної капусти, листя і коренеплодів столового буряка, молода червона кора евкаліпта, червоне осіннє листя своїм кольором теж зобов'язані антоціанам. Якщо орган рослини має блакитний, синій, фіолетовий колір, то немає ніякого сумніву в тому, що його забарвлення обумовлена ​​антоціанами.

Антоціани - це глікозиди, що виникають при з'єднанні різних цукрів з циклічними сполуками, званими антоціанідинами. Містяться антоціани в клітинному соку (вакуолях), значно рідше - в клітинних оболонках.

У присутності лугу в молекулах антоціанів відбувається перегрупування подвійних і ординарних зв'язків між атомами вуглецю, що призводить до утворення нового хромофора - в лужному середовищі антоціани набувають синій або синьо-зелений колір. Тому їх можна використовувати як кислотно-лужні індикатори. При дії мінеральних та органічних кислот антоціани утворюють солі червоного, при дії лугів - синього кольору. На колір антоціанів впливає також здатність цих пігментів утворювати комплексні сполуки з металами.

Розглянемо тепер жовті пігменти, які широко поширені в світі рослин, але в деяких випадках маскуються антоціанами, хлорофілом і тому менш помітні.

Група пігментів, здатних надати клітці жовтий або жовто-оранжевий колір, найбільш численна - це каротиноїди, флавони, флавоноли і деякі інші. Флавони і флавоноли - досить стійкі з'єднання, причому деякі з них добре розчинні в гарячій воді. Саме тому флавонові пігменти були першими барвниками, які наші предки використовували для фарбування тканин. Близькі до флавонів за будовою інші барвники жовтого кольору - халкони і аурони. У рослинах вони містяться в квітках (пелюстки, рильця маточок), листі, плодах. Серед відомих нам рослин ці пігменти можна виявити в листі і квітках кислиці, кореопсису. Зосереджені вони в вакуолях епідермальних клітин. Назви цих пігментів зазвичай походять від назв рослин, з яких вони були вперше виділені. Наприклад, кверцетин - пігмент кори і плодів дуба.

У деяких, нечисленних у порівнянні з «антоціановою» групою, видів рослин помаранчеве і червоно-коричневе забарвлення квіток ( настурція велика) або плодів (томати, шипшина, конвалія травнева) обумовлене ​​не розчиненими в клітинному соці антоціанами, а пігментами групи каротиноїдів, які знаходяться в жовтих і помаранчевих пластидах (хромопластах). Назву цієї групи запропонував біохімік рослин М.С.Цвєт. Каротиноїди містяться практично у всіх органах рослин: у квітках, листі, плодах і насінні. У листі і зелених плодах каротиноїди знаходяться в хлоропластах, де маскуються хлорофілом, і в хромопластах.

Каротиноїди нерозчинні у воді. Їх колір, на відміну від антоціанів, не залежить від кислотності середовища. У каротиноїдів неможливо виділити який-небудь один характерний хромофорний фрагмент, тому що їх молекули містять ланцюги атомів з почерговими одинарними і подвійними зв'язками різної довжини, - ланцюгу кожного типу відповідає свій індивідуальний хромофор. У міру подовження ланцюга забарвлення пігментів змінюється від жовтого до червоного і навіть червоно-фіолетового. У молекулах помаранчевих і оранжево-червоних пігментів β-каротину (пігмент моркви і солодкого перцю), рубіксантіна (пігмент шипшини) і лікопіна (пігмент помідорів) є 11 подвійних зв'язків, що чергуються з одинарними, а в молекулах червоного віолоксантіна (пігмент деяких червоних фруктів) - 13.

Каротиноїди разом з флавоновими пігментами надають жовтий колір листю і віночкам квіток огірка, гарбуза, кульбаби, жовтеців, калюжниці, чистотілу, соняшнику, плодам кукурудзи, гарбуза, кабачків, баклажанів, пасльону, помідора, дині, а також багатьох цитрусових. Рекордсменом за кількістю каротиноїдних пігментів є стручковий червоний перець. А ось по концентрації каротиноїдів чемпіонами є плоди абрикоса, коренеплоди моркви і листя петрушки.

А як справи з чорними пігментами? Абсолютно чорного пігменту у рослин немає. У шкірці червоних сортів винограду, пелюстках деяких квіток містяться чорно-коричневі пігменти групи меланінів. Але в більшості випадків, коли мова йде про чорні квітки або плоди, ми маємо справу з накопиченням темно-синіх антоціанів. Плоди чорниці, бузини чорної виглядають чорними, оскільки товстий шар забарвлених клітин м'якоті повністю поглинає сонячне світло.

Коричневий колір обумовлений накопиченням в клітинах великої кількості жовтих пігментів, часто в поєднанні з пофарбованими в червоно-коричневий колір дубильними речовинами. Наприклад, в плодах кінського каштана звичайного, дуба черешчатого міститься дуже багато жовтого пігменту кверцетину.

Причиною появи коричневого і чорного забарвлення, крім того, можуть бути безбарвні речовини з групи катехінів. При окисленні особливими ферментами вони полімеризуються і дають «харчові» дубильні речовини, забарвлені в червоний і коричневий кольори. Катехіни добре розчинні в гарячій воді, накопичуються в вакуолях і у великій кількості містяться в листі багатьох рослин, деревині, плодах, листі (чай).

Найголовнішим пігментом рослин, який обумовлює їх належність до окремого зеленого царства, є, звичайно ж, хлорофіл. Він міститься в зелених частинах рослин (від 0,6 до 1,2% від маси сухого листка).

До складу молекули хлорофілу входить йон магнію. На відміну від великих груп антоціанів, каротиноїдів, флавонів і флавонолів, в клітинах всіх вищих рослин є тільки дві форми хлорофілу - зелений з синюватим відтінком, хлорофіл а і зелений з жовтуватим відтінком, хлорофіл b. Хлорофіл a характерний для всіх видів фотосинтезуючих рослин. Хлорофіл b присутній в листках вищих рослин і в більшості водоростей. Бурі водорості, крім того, містять хлорофіл с, а червоні - хлорофіл d.

Значно рідше зустрічаються в природі протохлорофіли і хлорофіліди. Зелений колір всіх перерахованих пігментів обумовлений наявністю в їх молекулах порфіринового циклу, пов'язаного з йоном магнію.

Колір хлорофілу обумовлений поєднанням тих променів, які пігмент не поглинає. Для розчинів хлорофілу максимуми поглинання розташовані в синьо-фіолетовій (430 нм у хлорофілу а і 450 нм у хлорофілу b) і червоній (660 нм у хлорофілу а і 650 нм у хлорофілу b) областях спектра. Ці промені поглинаються хлорофілом повністю. Блакитні, жовті, помаранчеві промені поглинаються в меншому ступені, і їх сумарне поглинання визначається загальною кількістю хлорофілу. Мінімум поглинання лежить в зоні зелених променів. Зовсім не поглинається хлорофілом тільки невелика частина червоних променів, які в спектрі розташовані на кордоні з інфрачервоною областю. Це так звані далекі червоні промені.

Для листя різного віку, різних видів рослин характерне різноманіття відтінків зеленого кольору. Пояснюється це тим, що у формуванні забарвлення листка бере участь не тільки хлорофіл, але й інші пігменти: жовті каротиноїди, червоні антоціани.