Афонина Анастасия - Изучение свойств растительных пигментов. Изучение свойств растительных пигментов

• Название: Изучение свойств растительных пигментов
• Дата: 25.05.2022
• Размер: 136.51 Kb.
• Имя файла: Афонина Анастасия - Изучение свойств растительных пигментов.docx
• Тип: Документы; #549744

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

Городского округа Балашиха

«СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 9

имени Героя Российской Федерации А.В.Крестьянинова»

______________________________________________________________________

143905 Московская область, г. Балашиха, ул. Кудаковского, д.7

e-mail: [e-mail] T\fax [phone]


ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ
на тему:
«Изучение свойств

растительных пигментов»
Предмет: Биология.

Выполнила:

Ученица 9 «В» класса

Афонина Анастасия Павловна

Научный руководитель:

Учитель биологии

Зверева Татьяна Алексеевна


Балашиха – 2019

Введение

Природа наградила нас необычайным даром — цветовым зрением, а вместе с ним дала возможность восхищаться красотой окружающего растительного мира. Мы с надеждой смотрим на нежную зелень весенней листвы и с грустью любуемся жёлто-оранжевой гаммой осеннего леса. Кто не восхищался красками цветущего луга, лесной опушки, осенней листвы, даров сада и поля? Цвет волос мы сравниваем с золотистыми колосьями хлеба, а цвет глаз — с синими васильками. Даже сами названия цветов — оранжевый, лиловый, индиго — тоже происходят от названий растений.

Но часто ли вы задавали себе вопросы: отчего зелёные листья осенью желтеют или краснеют? Почему лепестки ромашки белые, а первые весенние листочки тополя красноватые? Почему окружающие растения окрашены именно так, а не иначе, как возникает огромное богатство цветов и оттенков?

Мы можем предположить, что различная окраска растений зависит от особых веществ — пигментов.
Цель работы:

• 
  Выяснить, как влияют условия среды на изменение окраса листьев.
  
• 
  Выяснить какие условия необходимы для фотосинтеза и доказать, что фотосинтез — основа жизни.
  

Актуальность:

Данный проект в настоящее время актуален, так как поднимается значимость зелёных растений в нашей жизни, что без них людям не обойтись, так как они осуществляют фотосинтез, а фотосинтез выделяет кислород, который необходим для жизни. Таким образом поднимается тема экологии.
Проектным продуктом стало проведённое мной исследование, а также памятка (рекомендации) по защите природы.
Задачи:

• 
  Изучить литературу и сеть Интернет с целью выяснения, какие вещества придают растениям различную окраску.
  
• 
  Как растительные пигменты взаимосвязаны с фотосинтезом.
  
• 
  Провести опыты с целью изучения особенностей растительных пигментов для выявления необходимых условий для осуществления фотосинтеза в зелёных растениях.
  
• 
  Определить значимость фотосинтеза для природы и человечества.
  

Теоретическая часть

Что такое «пигмент»? Какие бывают пигменты?

Изучив специальную литературу и сеть Интернет, 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 этих соединений важны для фотосинтеза. Находятся пигменты в пластидах клетки — хромопластах и хлоропластах, а некоторые находятся в клеточном соке растений.
Существует несколько основных групп растительных пигментов:

1. 
   Хлорофилл. Самым распространённым и самым важным растительным пигментом является хлорофилл. Это одно из самых важных на Земле красящих веществ. Название происходит от греческих слов «хлорос» (зелёный) и «филлон» (лист). Хлорофилловые пластиды имеют зелёный цвет. Зелёные растения вокруг нас поддерживают жизнь. Хлорофилл обладает жизненно важной функцией, а также главной функцией для фотосинтеза: перехват солнечных лучей и преобразование полученной энергии в питательные вещества, которые получаются из воды и углекислого газа. Эти вещества являются основой питания растений — источниками углеводов, необходимых для роста и развития. Во время процесса производства питательных веществ хлорофилл разрушается, так как используется непрерывно. Однако, в течение роста растения постоянно восстанавливают запасы хлорофилла. Большой запас хлорофилла позволяет листьям оставаться зелёными. Возрастные изменения хлоропластов сопровождаются изменением окраски — от салатно-зелёного, до жёлто-зелёного. Когда хлорофилл 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 растений летом имеют характерный зелёный цвет.
   
2. 
   Флавоны и флавонолы. Так же, как и хлорофилл, это одни из самых распространённых растительных пигментов. Довольно долгое время считалось, что эти пигменты характерны только для растительного царства, но несколько лет назад некоторые флавоны были обнаружены и в грибах. На латинском языке «флавус» означает «жёлтый». В природе флавоны и флавонолы являются основными пигментами, обеспечивающими жёлтую цветовую гамму плодов и цветов. Множество этих красителей и в других органах растений, хотя там жёлтая окраска маскируется другими пигментами. Разнообразие оттенков жёлтого цвета достигается изменением концентрации флавонов и флавонолов и присутствием в соке растений солей кальция и магния, которые увеличивают интенсивность окраски.
   
3. 
   Халконы и ауроны. По строению к флавонам близки другие пигменты — халконы и ауроны. Встречаются намного реже. Эти пигменты можно обнаружить, к примеру, в листьях и цветах кислицы, кореопсиса и львиного зева. Эти красители совершенно не переносят дым сигарет и краснеют, если их окуривать сигаретным дымом. Отдельного упоминания заслуживают халконы потому, что во многих случаях именно из них в процессе биосинтеза в растениях образуются флавоны, флавонолы и ауроны. Химики используют халконы для получения разнообразных растительных и искусственных пигментов в лабораторных условиях.
   
4. 
   Антоцианы. Антоцианов, которые имеют красный цвет, нет в листьях, пока не начнётся 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 сахаром, крахмалом). Так накопление углеводов способствует образованию клеточного сока с пигментами антоцина. Антоцианы растворимы в воде и обычно встречаются в клеточном соке.
   
5. 
   Каротиноиды. Это пигменты, которые имеют преимущественно жёлтый или оранжевый цвет. Они всегда присутствуют в листьях, но перекрываются зелёным цветом хлорофилла. Название пигментам этого типа дал учёный Михаил Семёнович Цвет. Он назвал все эти пигменты каротиноидами от слова «каротт» (морковь). Каротиноиды придают жёлтый цвет цветам и листьям растений. Жёлтая, оранжевая и красная окраска кукурузы, тыквы, кабачков и переспелых огурцов, баклажанов, паслена, помидора, дыни, а также многих цитрусовых обусловлена присутствием в них разнообразных каротиноидных пигментов. Больше всего каротиноидных пигментов находится в стручковом красном перце.
   
6. 
   Фикобилины. Это красные и синие пигменты, содержащиеся у цианобактерий и некоторых водорослей. В клетках они локализованы в особых частицах — фикобилиносомах. Поглощают излучение в зелёной области спектра, где поглощение хлорофиллом незначительно. Участвуют в фотосинтезе в качестве сопровождающих пигментов, доставляя поглощённую энергию света к молекулам хлорофилла.
   

Что такое фотосинтез?
Как и какие пигменты участвуют в процессе фотосинтеза?

Фотосинтез — это сложный химический процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл), использование энергии квантов света для превращения углекислого газа в органические вещества.

Основную роль в процессе фотосинтеза играет хлорофилл. Хлорофилл обладает особой химической структурой, которая позволяет ему улавливать кванты света, остальные пигменты играют вспомогательную роль для хлорофилла.

Для фотосинтеза нужны два неорганических вещества — углекислый газ (CO₂) и вода (H₂O). Первый поглощается из воздуха надземными частями растений в основном через устьица. Вода — из почвы, откуда доставляется в фотосинтезирующие клетки проводящей системой растений. Также для фотосинтеза нужна энергия фотонов.

В общей сложности в результате фотосинтеза образуется органическое вещество и кислород (O₂). Обычно под органическим веществом чаще всего имеют в виду глюкозу (C₆H₁₂O₆).
Органические соединения большей частью состоят из атомов углерода, водорода и кислорода. Именно они содержатся в углекислом газе и воде. Однако при фотосинтезе происходит выделение кислорода. Его атомы берутся из воды.
Кратко и обобщенно уравнение реакции фотосинтеза принято записывать так:

свет

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Виды хлорофиллового фотосинтеза

Хлорофилльный фотосинтез является наиболее эффективным по запасу энергии. На каждый поглощённый квант света переносится не менее одного иона водорода H⁺.

Существует два типа хлорофиллового фотосинтеза:

• 
  Аноксигенный (бескислородный) фотосинтез — протекает без выделения кислорода.
  
• 
  Оксигенный (кислородный) фотосинтез —сопровождается выделением кислорода в качестве побочного продукта.
  

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез происходит в две фазы — световую и темновую. Такие названия обусловлены тем, что свет нужен только для световой фазы, темновая фаза независима от его наличия, но это не значит, что она идет в темноте.

Во время световой фазы накапливается энергия, которая необходима для синтеза органических веществ, происходящего в темновой фазе. Световая фаза протекает на мембранах тилакоидов хлоропласта, темновая — в строме хлоропласта.


Обозначения:

АТФ — Аденозинтрифосфорная кислота.

АДФ+Ф — Аденозинтрифосфорная кислота + Фосфат из органического соединения.

НАДФ — Никотинамидадениндинуклеотидфосфа́т, фермент.

H₂O — вода.

H₂ — водород.

O₂ — кислород.

CO₂ — углекислый газ.

С₆H₁₂O₆ — глюкоза (сахар).


В световую фазу связывания CO₂ не происходит. Происходит лишь улавливание солнечной энергии хлорофилльными комплексами, запасание её в АТФ, использование энергии на восстановление НАДФ до НАДФ*H₂. Поток энергии от возбужденного светом хлорофилла обеспечивается электронами, передающимися по электрон-транспортной цепи ферментов, встроенных в мембраны тилакоидов.

Водород для НАДФ берётся из воды, которая под действием солнечного света разлагается на атомы кислорода, протоны водорода и электроны. Этот процесс называется фотолизом. Кислород из воды для фотосинтеза не нужен. Атомы кислорода из двух молекул воды соединяются с образованием молекулярного кислорода.

Уравнение реакции световой фазы фотосинтеза кратко выглядит так:

H₂O + (АДФ+Ф) + НАДФ → АТФ + НАДФ*H₂ + ½O₂

Таким образом, выделение кислорода происходит в световую фазу фотосинтеза.
Итак, из световой фазы в темновую поступают АТФ и НАДФ*H₂. Здесь энергия первого и восстановительная сила второго тратятся на связывание углекислого газа. Этот этап фотосинтеза протекает так, что шесть молекул CO₂ объединяются с водородом, высвобождаемым из молекул НАДФ*H2, и образуется глюкоза:

6CO₂ + 6НАДФ*H₂ →С₆H₁₂O₆ + 6НАДФ

(реакция идет с затратой энергии АТФ, которая распадается на АДФ и фосфорную кислоту).
Приведённая реакция — лишь упрощение для облегчения понимания. На самом деле молекулы углекислого газа связываются по одной, присоединяются к уже готовому пятиуглеродному органическому веществу. Образуется неустойчивое шестиуглеродное органическое вещество, которое распадается на трёхуглеродные молекулы углевода. Часть этих молекул используется на ресинтез исходного пятиуглеродного вещества для связывания CO₂. Такой ресинтез обеспечивается циклом Кальвина. Меньшая часть молекул углевода, включающего три атома углерода, выходит из цикла. Уже из них и других веществ синтезируются все остальные органические вещества (углеводы, жиры, белки).

То есть на самом деле из темновой фазы фотосинтеза выходят трёхуглеродные сахара, а не глюкоза.

Значимость фотосинтеза для живых организмов

Продуктивность фотосинтеза велика. За один час на условном одном квадратном метре площади листа синтезируется один грамм сахаров и часть энергии выделяется в виде тепла.

В результате фотосинтеза растений накапливаются органические вещества и обеспечивается постоянство уровня углекислого газа и кислорода в атмосфере. В верхних слоях воздушной оболочки Земли из кислорода образуется озон, который защищает все живые организмы от опасных для жизни ультрафиолетовых лучей.

Жизнь во всём своём многообразии возникла в результате процесса фотосинтеза, именно он привёл к образованию кислородной атмосферы и накоплению огромной массы органических соединений, которые стали основой питания гетеротрофных организмов. Когда в океане появились первые фотосинтезирующие прокариоты, а позже и эукариотические водоросли, атмосфера стала постепенно насыщаться кислородом. После того, как содержание кислорода в атмосфере достигло 1%, у организмов появилась возможность использовать его в процессах окисления органических соединений для получения энергии, таким образом возникло клеточное дыхание, оно дало живым существам намного больше энергии, чем бескислородные процессы. Кислорода стало достаточно, для того, чтобы мог образоваться озоновый слой, который защитил всё живое от смертоносного ультрафиолета. Через долгое время живые существа начали выходить на сушу, когда были полностью защищены от ультрафиолета озоновым слоем.
Табличный вариант сравнения этапов фотосинтеза

Особенности	Световая фаза	Темновая фаза
Место протекания процесса	В гранах хлоропласта	В строме хлоропласта
Условия	Солнечный свет	Наличие света необязательно
Необходимые вещества	Вода, углекислый газ	Углекислый газ, АТФ, атомы водорода
Процессы, происходящие на данном этапе	Фотолиз воды	Связывание углекислого газа
Что образуется?	Кислород (улетучивается в атмосферу), АТФ	Глюкоза, вода

Практическая часть

Эксперимент №1
Выделение хлорофиллов из листа ромашки

Цель: Получение зелёных пигментов.
Оборудование: Спирт, чашка, пестик, воронка из фильтровальной бумаги, пробирка.
Ход опыта:

7. 
   Измельчили лист ромашки с помощью ножниц.
   
8. 
   С помощью пестика растёрли части листа. Получилась кашица зелёного цвета. Клетки листа разрушились.
   
9. 
   Добавили спирт. Получили раствор зелёного цвета с частицами листа. Хлорофилл растворился в спирте.
   
10. 
    Вылили раствор в прибор для фильтрования. Из воронки капала чистая зелёная жидкость. Части листа остались на фильтровальной бумаге, а чистая зелёная жидкость в колбе.
    
11. 
    Эту вытяжку мы будем использовать в следующих опытах.
    

Вывод: Пигменты растворились в спирте и окрасили его в зелёный цвет. В создании цвета листа участвуют две группы пигментов — зелёные и жёлтые. Содержание хлорофилла в листьях примерно в 3 раза выше, чем каротиноидов, поэтому жёлтый цвет каротиноидов маскируется зелёным цветом хлорофилла.

Эксперимент №2
Разделение зелёных пигментов методом
бумажной хроматографии
Цель: Установить устойчивость хлорофилла в листьях растений без освещения.
Оборудование: Спирт, стакан, лист бумаги, пипетка, пробирка с вытяжкой зелёных пигментов из предыдущего эксперимента.
Ход опыта:

1. 
   На полоску бумаги нанесли экстракт из ранее приготовленной вытяжки. В месте нанесения экстракта бумага приобрела зелёный цвет.
   

12. 
    Подсушиваем бумагу и многократно наносим экстракт на линию старта. Происходит концентрация пигмента. Клетки хлорофилла постепенно проникли в ткани бумаги.
    
13. 
    Полоску бумаги (хроматограмму) опускаем полоской вниз в сосуд с растворителем (спиртом) на дне и закрываем крышкой. Бумага постепенно окрашивается в разные цвета. Экстракт пигментов начинает разделяться на разные виды пигментов хлорофилла.
    
14. 
    Ждём некоторое время. Смесь пигментов продвигается вверх по хроматограмме. Под действием капиллярных сил растворитель поднимается по бумаге, а вместе с ним поднимаются и красители.
    
15. 
    Извлекаем хроматограмму из сосуда. В парах спирта произошло разделение пигментов на отдельные слои. Разделение пигментов объясняется их различной растворимостью, а так же различным поглощением пигментов бумагой.
    

Вывод: При разделении фотосинтезирующие пигменты распределяются следующим образом: Ярко-зелёная полоса (хлорофилл A), жёлто-зелёная полоса (хлорофилл B) и яркая жёлто-оранжевая полоса каротиноидов.

Полученная картина называется хроматограммой.

Эксперимент №3
Влияние света на хлорофилл

Цель: Установить устойчивость хлорофилла в листьях растений без освещения.
Оборудование: Стакан с водой, тёмное помещение.
Ход опыта:

1. 
   Сорвали лист и поставили его на свету в стакане воды. Лист сохранил свою окраску.
   

16. 
    Ещё один лист на некоторое время (4-5 дней) поместили в тёмное место. Лист поменял окраску, пожелтел. При нехватке света не происходит фотосинтеза. Хлорофилл разрушается, становятся видимыми другие «красящие» пигменты.
    

Вывод: Снижение интенсивности, а также продолжительности освещения листьев ускоряет распад молекул хлорофилла в хлоропластах. Например, листья деревьев меняются в зависимости от времени года. Хлорофиллу необходим свет для того, чтобы завести процесс фотосинтеза и для получения питательных веществ.

Эксперимент №4
Влияние высокой температуры на хлорофилл

Цель: Установить устойчивость хлорофилла в листьях растений при высокой температуре.
Оборудование: Стеклянная палочка, нагревательный прибор (в нашем случае — газовая плита).
Ход опыта:

1. 
   Сорвали лист. Лист имеет зелёный цвет.
   

17. 
    Нагрели стеклянную палочку и приложили к листу. На листе появилось коричневое пятно. Хлорофилл от высокой температуры разрушился.
    

Вывод: Высокие температуры губительно действуют на молекулы хлорофилла. Это мы можем наблюдать в живой природе, когда на листьях появляются солнечные «ожоги».

Эксперимент №5
Какова должна быть площадь зелёных насаждений
в нашем городском округе для обеспечения кислородом
живых организмов?
Цель: Определить, какова должна быть площадь растений с наличием зелёного пигмента (хлорофилла) для обеспечения кислородом всех живых организмов.
Человек в среднем за сутки потребляет 430 г (0.43 кг) кислорода и выдыхает 800 г (0,8 кг) углекислого газа. Один гектар зелёных насаждений поглощает примерно столько же углекислого газа, сколько выдыхают 200 человек, при этом выделяет 80 кг кислорода в сутки. Какое количество кислорода в сутки необходимо жителям городского округа Балашиха? По состоянию на 1 января 2019 года в Балашихе проиживает 501610 человек. Какова должна быть площадь зелёных насаждений в нашем городском округе?

Сначала нужно высчитать сколько углекислого газа выдыхает 501610 человек. 501610 * 0,8 кг = 401288 кг углекислого газа выдыхают 501610 человек в сутки.

1 гектар поглощает 200 * 0,8 = 160 кг углекислого газа в сутки.

Чтобы поглотить весь углекислый газ, который выдыхают 501610 человек, потребуется 401288 кг : 160 кг/га = 2509 га зелёных насаждений.

Теперь проверим, достаточно ли 2509 га зелёных насаждений для обеспечения городского округа населением 501610 человек?

501610 * 0.43 = 215692 кг кислорода потребляют в сутки 501610 человек.

1 га зелёных насаждений выделяет 80 кг кислорода в сутки.

Для того чтобы обеспечить 501610 человек потребуется

215692 кг : 80 кг/га = 2696 га зелёных насаждений.
Ответ: для того чтобы обеспечить наш город кислородом потребуется не менее 2696 гектар зелёных насаждений.

Выводы

Я провела исследование, выделив пигменты из зелёного листа. Это пигменты зелёного и жёлтого цвета.

На цвет растений влияет солнечный свет, с помощью которого в растениях происходит химический процесс — фотосинтез, он-то и отвечает за выработку зелёных пигментов в растениях под названием «хлорофилл».

Вот поэтому трава и листья на деревьях зелёные. Все зелёные растения являются «лёгкими» нашей планеты и имеют огромную роль в поддержании жизни на Земле!

Как говорил академик Сергей Павлович Костычев, «стоит зелёному листу прекратить работу на несколько лет, и всё живое население земного шара, в том числе и человечество погибнет.»

Большинство людей, ошибочно полагает, что пигменты участвуют только в окраске листа. Однако, большинство природных пигментов участвуют в важнейших метаболических и физиологических процессах, наиважнейшии сз которых является фотосинтез. Хлорофилл улавливает кванты света и тем самым помогает фотосинтезу запасать больше энергии. В результате фотосинтеза растений обеспечивается постоянство уровня углекислого газа и кислорода в атмосфере. А также образуется озон, который защищает нас от смертельного ультрафиолета.

Мною была затронута экологическая тема. При помощи составления и решения задачи удалось вычислить, сколько нашему городу необходимо зелёных насаждений — 2696 гектар.
По итогам работы можно сделать следующие выводы:

1. 
   Для создания цвета листа участвуют самые различные группы пигментов.
   

18. 
    Снижение интенсивности, а также продолжительности освещения листьев ускоряет распад молекул хлорофилла в хлоропластах.
    
19. 
    Более медленная скорость распада хлорофилла в той части листа, которая находилась в воде, говорит о том, что в разрушении хлорофилла наиважнейшую роль играет кислород, или же процесс дыхания.
    
20. 
    Органические вещества не образуются (фотосинтез не происходит) в зелёных растениях при отсутствии света.
    
21. 
    Органические вещества не образуются (фотосинтез не происходит) без хлорофилла.
    
22. 
    Для того чтобы обеспечить наш город кислородом потребуется не менее 2696 гектар зелёных насаждений
    

Общий вывод: Хлорофилл и фотосинтез тесно связаны друг с другом и являются основой всего живого на нашей планете.

Список литературы

1. 
   Wikipedia.org — Электронная энциклопедия «Википедия»
   

23. 
    Lib.e-science.ru — Портал Естественных наук
    
24. 
    Учебник Биологии В.В Пасечника
    
25. 
    Справочник по биологии 5-11 классы ФГОС
    
26. 
    Биология 6-9 классы в таблицах и схемах, справочное пособие
    
27. 
    Д.Тейлор, Н.Грин, У.Стаут. Биология в 3-х томах (1-й том)
    
28. 
    E-Science11.ru — портал Естественных наук
    
29. 
    Энциклопедия для детей. Биология. «Аванта+», М., 1993
    
30. 
    Биология. Первое сентября. — электронный журнал №6/2010
    
31. 
    Yaklass.ru — образовательный Интернет-ресурс
    
32. 
    Энциклопедия «Кругосвет»
    
33. 
    Dic.academic.ru — словари и энциклопедии
    
34. 
    Белякова, Зданович, Ростовцева: Биология, Ботаника
    
35. 
    Ёлкина Л.В. Биология. Весь школьный курс в таблицах
    
36. 
    Elementy.ru — научно-популярный проект.