Лабораторные работы по физиологии растений

Хлорофилл а отличается по строению от хлорофилла б тем, что у него во втором пиррольном кольце находится метильная группа – СН3, а у хлорофилла б

– альдегидная –

Хлорофиллы обладают высоко выраженной способностью к флуоресценции. Весьма интенсивна красная флуоресценция у растворов хлорофиллов.

Хлорофилл поглощает свет избирательно. Главные максимумы поглощения находятся в красной и синей частях спектра.

Наличие в молекуле хлорофилла высокомолекулярного спирта фитола придает ему липоидные свойства, поэтому хлорофилл, как и другие пигменты листа, извлекается органическими растворителями.

Каротиноиды включают каротины и ксантофиллы, которые представляют собой ненасыщенные соединения и состоят из остатков изопрена. Ксантофиллы в отличие от каротинов содержат кислород. В растениях встречается в основном В-каротин – спутник хлорофилла, который является провитамином А.

Каротиноиды участвуют в процессе фотосинтеза, передавая энергию возбуждения на хлорофилл. Каротиноиды защищают хлорофилл от разрушения.

Классическое определение фотосинтеза – это образование зелеными растениями органических соединений из углекислого газа и воды с помощью энергии света. В настоящее время следует говорить о фототрофной функции высших растений, подчеркивая этим сложность и многообразие процессов,

которые осуществляются с помощью энергии света, поглощенного пигментами.

Фототрофная функция – это совокупность процессов поглощения, превращения и использования в различных эндергонических реакциях энергии световых квантов. Фотосинтез – основной, но все же частный случай потребления энергии света.

41

Значения фотосинтеза:

1.Образование органических соединений, постоянное пополнение их

убыли.

2.Накопление в продуктах фотосинтеза грандиозных количеств химической энергии.

3.Выделение кислорода, сохранение уровня его в атмосфере,

необходимого для существования подавляющей части организмов населяющих

планету.

4.Устранение возможности накопления в атмосфере избытка СО2.

Уникальна неповторима роль фотосинтеза как процесса, в ходе которого СО2 –

конечный продукт распада органической материи – вновь возвращается в круговорот веществ природы.

В процессе фотосинтеза происходит поглощение световой энергии и ее превращение в энергию химическую. Механизм фотосинтеза можно разделить

(условно) на три этапа.

1.Фотофизический – поглощение света пигментами и образование возбужденных молекул.

2.Первичные фотохимические реакции, в которых принимают участие возбужденные молекул.

2.1.Процесс фотохимического разложения воды (фотолиз),

сопровождающийся выделением молекулярного кислорода.

2.2.Перенос водорода воды на НАДФ по ЭТЦ фотосинтеза.

2.3.Образование АТФ за счет световой энергии (фотосинтетическое фосфорилирование).

3. Химические, темновые реакции, в которых принимают участие продукты фотохимических реакций – восстановление СО2 до углеводов водородом воды, перенесенным на НАДФ, и с участием энергии АТФ. Первые два этапа происходят с участием света, поэтому называются световыми реакциями фотосинтеза, для третьего этапа свет не нужен – реакции называются темновыми.

42

Работа 1. Изучение оптических и химических свойств пигментов листа.

Задание.

1.Получить спиртовую вытяжку пигментов листа.

2.Разделить смесь пигментов, содержащихся в спиртовой вытяжке, на две части. Определить и зарисовать зону поглощения в световом спектре выделенных пигментов. Сравнить зону поглощения каждой из них с зоной поглощения хлорофилла.

3.Получить каротин в чистом виде. Определить и зарисовать его спектр поглощения. Сравнить со спектром поглощения хлорофиллов.

4.Установить факторы, определяющие окраску хлорофиллов.

Определить спектр поглощения феофитина и сравнить со спектром поглощения хлорофиллов. Опыт зарисовать.

Оборудование и материалы. Весы, ступка с пестиком, ножницы,

спектроскоп, водяная баня, градуированная пипетка, воронка с фильтрами,

пробирки, пробка к пробирке, капельница с водой, этиловый спирт,

кристаллическая щелочь (NaOH), дымящаяся HCI в капельнице.

1.1.Извлечь пигментов листа.

Ход работы. Сухие листья (0,5г) мелко нарезать ножницами и тщательно растереть в фарфоровой ступке. Удалить жилки, затем прилить 15 мл 96%

этилового спирта, перемешать и дать возможность настоять в течение 10 минут.

Полученную спиртовую вытяжку отфильтровать через сухой фильтр в чистую сухую пробирку. Фильтрат содержит два зеленых хлорофилла – а и б и два желтых пигмента – каротин и ксантофилл.

1.2. Разделение пигментов листа по методу Крауса. Метод разделения пигментов по Краусу основан на их различной растворимости в несмешивающихся растворителях, в спирте и бензине.

Ход работы. В пробирку налить 2мл спиртовой вытяжки, прилить к ней

3мл бензина и добавить 3-5 капель воды. Закрыть пробирку и энергично взбалтывать в течение 3-5 минут и затем дать отстояться до разведения жидкости

43

на два слоя. Бензин, как более легкий, подчиняется вверх, а спирт останется внизу.

Спиртовой слой будет окрашен в желтый цвет от присутствия в нем ксантофилла, а верхний бензиновый слой останется зеленым от хлорофиллов.

Второй желтый пигмент (каротин) также перейдет в бензиновый слой. Если разделение пигментов идет плохо, то нужно в пробирку добавить 1-2 капли воды и хорошо взболтать. От избытка же воды нижний спиртовой слой может помутнеть, тогда следует прибавить немного спирта, вновь взболтать и дать отстояться.

Работа 2. Определение фотосинтеза. Образование первичного крахмала на свету (проба Сакса).

Задание. Установить влияние света на интенсивность фотосинтеза по накоплению первичного крахмала в листьях растений. Прибор и проявленные на листьях результаты опыта зарисовать.

Оборудование и материалы. Обескрахмаленные растения, стеклянные колпаки с подставками, черная бумага, скрепки, стакан, два кристаллизатора на

50мл, вата, мел, 10%-ная HCI, освещение рабочих мест различной интенсивности.

Ход работы. Для того, чтобы убедиться в образовании крахмала на свету,

необходимо удалить крахмал, уже имеющийся в листьях. С этой целью растения предварительно выдерживают в темноте до полного обескрахмаливания листьев.

В нашем опыте срезают лист растения и опускают черешком в стакан с водой

(срез возобновляют под водой).

Лист растения заключают в непрозрачный экран из черной бумаги в экране с двух сторон вырезают какую-нибудь фигуру, цифру или слово. После закрепления экрана прибор устанавливают под колпак и выставляют на свет.

Продолжительность экспозиции 2-3 часа.

С целью повышения содержания углекислоты и влажности под колпак вносят чашечку с увлаженной ватой и кусочек мела, залитый 10%-ной HCI.

44

При окончании опыта листа освобождают от экрана и, свернув, помещают в пробирку с водой, которую кипятят на спиртовке с целью разрушения плазматических образований. Затем лист кладут в спирт и выдерживают до обесцвечения, которое может быть ускорено нагреванием на водяной бане.

После этого, лист осторожно расправив, помещают в чашку Петри и заливают раствором йода.

В местах освещения за счет цветной реакции с йодом проявляется ассимиляционный крахмал. По интенсивности окрашивания проявленного рисунка судят о влиянии освещения или цветных экранов на ход фотосинтеза.

45

Лабораторное занятие 8.

Дыхание растений

Все живые организмы, включая растения, получают энергию,

необходимую для их выживания, в результате цепи химических реакций,

называемых дыханием.

Дыханием называется окислительный процесс распада органических соединений в живых тканях всех организмов. Распад этих соединений при дыхании происходит постепенно, с образованием нестойких промежуточных веществ и выделением энергии. Некоторое количество промежуточных продуктов растения используют для синтеза более сложных органических веществ, для осуществления которого требуется энергия. Кроме того, растению необходима энергия для других жизненных процессов. Неиспользованные для вторичного синтеза промежуточные соединения распадаются до конечных продуктов - углекислого газа и воды, которые выделяются в атмосферу. В

окружающую атмосферу выделяется также в виде тепла часть не использованной энергии.

При дыхании между различными частями растений происходит небольшой газообмен. Поэтому каждая часть заботится о своих энергетических потребностях.

Корни, стебли и листья растений обмениваются газами для дыхания по отдельности. Как мы все знаем, листья имеют крошечные поры, называемые устьицами, которые используются для газообмена. Кислород, поступающий через устьица, используется клетками листьев для расщепления глюкозы на углекислый газ и воду.

Дыхание в корнях

Корни, подземная часть растений, поглощают воздух из воздушных пространств, находящихся между частицами почвы. Таким образом, кислород,

поглощаемый корнями, используется для высвобождения энергии, которая затем используется для транспортировки минералов и солей из почвы.

46

Мы знаем о том, что растения обладают уникальной способностью к фотосинтезу. Фотосинтез – это процесс, при котором растения готовят себе пищу. Происходит только в тех частях растений, которые содержат хлорофилл,

т. е. только в зеленых частях растений. Процесс фотосинтеза настолько выражен,

что иногда маскирует процесс дыхания у растений. Однако мы должны знать,

что дыхание у растений происходит в течение всего дня, а процесс фотосинтеза происходит только при наличии света. Поэтому ночью у растений усиливается дыхание.

Дыхание в стеблях

В случае стебля воздух рассеивается в устьицах и проходит через различные части клетки для дыхания. Углекислый газ, образующийся на этом этапе, также диффундирует через устьица. У высших растений или древесных растений газообмен осуществляется чечевицы.

Дыхание в листьях

Листья состоят из крошечных пор, называемых устьицами. Обмен газов происходит через устьица посредством процесса диффузии. Каждая стома контролируется. Открытие и закрытие устьиц способствует газообмену между атмосферой и внутренней частью листьев.

Типы дыхания

У растений различают дыхание аэробное, или нормальное, при котором на окисление органических соединений используется кислород котором атмосферы и дыхание анаэробное или безкислородное (брожение).

Аэробное дыхание

Этот тип дыхания происходит в митохондрии. Молекулы пищи полностью окисляются до углекислого газа, воды, а в присутствии кислорода выделяется энергия. Этот тип дыхания наблюдается у всех высших организмов и требует наличия атмосферного кислорода.

Анаэробное дыхание

Этот тип дыхания происходит в цитоплазме. Здесь выделяется меньше энергии в результате неполного окисления пищи в отсутствие

47

кислорода. Этиловый спирт и углекислый газ образуются при анаэробном дыхании.

Под окислением понимают не только присоединение к окисляемому веществу кислорода, но и отнятие от него водорода и электронов. Названные типы окисления имеют место при процессе дыхания.

Дыхательным материалом растениям служат разные органические соединения из которых в первую очередь используются углеводы. Первые стадии как аэробного, так анаэробного дыхания являются общими сущность их состоит в активировании моносахаров путем присоединения к ним под действием соответствующих ферментов фосфорной кислоты. Активированные моносахара легко распадаются на триозы с образованием пировиноградной кислоты.

Дальнейшее окисление пировиноградной кислоты в зависимости от аэробных и анаэробных условий протекает по - разному. В анаэробных условиях пировиноградная кислота в зависимости от вида брожения превращается в этиловый спирт, молочную или масляную кислоту. Конечными продуктами аэробного дыхания являются углекислый газ и вода, с выделением при окислении одной молекулы гексозы в 86 ккал энергии.

C6H12О6 + 6CО2 + 6H2О + 686 ккал.

Приведенное уравнение положено в основу наиболее распространенных методов изучения дыхания и определения его интенсивности. Сущность этих методов заключается в учете изменения газового состава окружающей растение атмосферы. Эти изменения можно наблюдать с учетом количества выделяемого при дыхании углекислого газа, и поглощенного кислорода.

Работа 1. Определение интенсивности дыхания по количеству выделенной углекислоты.

Задание. Определить интенсивность дыхания по CO2 различных растительных образцов. Составить таблицу.

Материалы и оборудование. Растительный материал, 0,1N раствор Ва(ОН)2, 0,1 N раствор НСl, бюретка, фенолфталеин (в капельнице), весы,

48

разновесы, одинаковые – конические колбы (2 шт) и резиновые пробки к ним

(одна пробка с металлическим крючком), куски марли (10x10).

Принцип метода. Интенсивность дыхания определяется по количеству выделяемой углекислоты и выражается в мг CO2, выделено за 1 час в расчете на

1 г массы растения.

Для определения, интенсивности дыхания в замкнутый сосуд помещают навеску исследуемого материала, и определенное количество раствора щелочи.

Выделяемая в процессе дыхания углекислота реагирует со щелочью, в

результате чего концентрация раствора уменьшается:

Ba(OH)2+CO2=BaCO3+H2O

Через определенное время оставшуюся в сосуде щелочь титруют:

Ba(ОH)2+2HCl= BaCl2 +2H2О.

Cравнивают полученную величину с результатом титрования такого же количества исходного раствора щелочи. Последнее необходимо для определения исходной концентрации щелочи и одновременно для учета того небольшого количества СО2, которое содержалось в сосуде до опыты, а также поглощенного щелочью во время открывания сосуда. Разность между результатами титрования содержимого контрольного и опытного сосудов прямо пропорциональна количеству выделенного при дыхании СО2.

Продолжительность экспозиции зависит от размера навески и интенсивности дыхания исследуемого объекта. При очень короткой, экспозиции разность между результатами титрования контрольной и опытной колбой будет недостоверной. Для анализа берут различные растительные образцы.

Ход работы. Поместить навеску исследуемого материала (0,5г) в

марлевый мешочек и прикрепить его к пробке при помощи крючка, вставленного в пробку.

Провести пробную сборку установки, проверив, свободно ли проходит мешочек с материалом через горло колбы и, не опускается ли он слишком низко.

Внести в колбу две капли фенолфталеина и налить 10 мл 0,1 раствора Ва(ОН)2.

49

Быстро опустить в колбу материал плотно (вращательным движением) закрыть колбу пробкой, и записать время начала опыта.

В контрольную (пустую) колбу также налить 10 мл барита и 2 капли фенолфталеина и плотно закрыть пробкой. Время от времени колбы следует осторожно покачивать, чтобы разрушить пленку. BaCO2, препятствующую полноте поглощения СО2, не допуская попадания ни одной капли раствора на мешочек с материалом.

Через 1-2ч вынуть материал, быстро закрыть колбу пробкой и отметить время окончания опыта. Провести титрование оставшейся щелочи и 0,1 соляной кислоты до исчезновения розового окрашивания.

Контрольную колбу можно титровать через 20 мин после наливания раствора барита за это время колбы необходимо периодически взбалтывать).

Результаты записать в таблицу 7

где

а – количество мл HCl, расходуемое на титрование контрольной колбы;

в - количество HCl, на титрование опытной колбы;

2,2 - количество мг, эквивалентно 1 мл 0,1 HCl;

р - масса пробы, г;

t - продолжительность опыта, ч.

Сделать вывод об интенсивности дыхания различных образцов.

50