Проект Исследование влияния хлорофиллов на адаптивные реакции растений

КУ «Молодогвардейская общеобразоватнльная школа І-ІІІ ст. № 10»

Влияние хлорофилла на адаптивные способности растений.

Выполнила: Савчук Юлия

ученица 10 - Б класса

Руководитель проекта:

Шематович С. М.

учитель биологии

ОШ № 10

Молодогвардейск

2013

Введение

Актуальность рассматриваемой темы заключается в том, что фотосинтез – один из важнейших процессов в живой природе, который уже более 200 лет привлекает к себе пристальное внимание ученых. Это неудивительно, за счет фотосинтеза растения усваивают энергию солнечного света, синтезируют органические соединения, используемые в качестве продуктов питания животными, наполняют кислородом атмосферу, обеспечивая сохранение жизни на Земле.

Фотосинтетические системы – это высокоорганизованные саморегулирующие системы. Важнейшей особенностью работы фотосинтетического аппарата является высокая эффективность преобразования энергии солнечного света, умение фотосинтетических систем адаптироваться к изменяющимся условиям среды и защищать себя от неблагоприятных воздействий. Науке уже известны механизмы фотосинтетической защиты растений (защитная роль каратиноидов, обновление поврежденных белков, борьба с активными формами кислорода и т.д.). Нас же заинтересовал такой вопрос, почему некоторые растения сохраняют зеленую окраску длительное время при низких температурах.

Почему некоторые растения быстро погибают при низких температурах, а некоторые до холодов сохраняют свою жизнеспособность. Перспективу своего исследования мы видим в том, что изучая холодостойкость растений, можно управлять физиологическими процессами растений, увеличивать продолжительность их жизнеспособности и достигать максимальной продуктивности фотосинтеза у растений. Благодаря чему станет возможным озеленение городов и сохранение зеленых газонов, что в свою очередь позволит улучшать экологию города.

Цель исследования: определить какой вид хлорофилла позволяет растениям адаптироваться к низким температурам.

Задачи исследования:

1. Изучить материал о пигментах листа;

2. Пронаблюдать растения, которые сохранили зеленый цвет до наступления холодов.

3. С помощью приборов в лабораторных условиях, определить какой вид хлорофилла присутствует в растениях, собранных в природе с октября по ноябрь, в большем количестве?

4. Сделать вывод о значимости данного хлорофилла, например для селекции культурных растений(злаковых, декоративных).

5. Расширить знания о процессах фотосинтеза и его роли в атмосфере.

Методы исследования, использованные при выполнении работы: анализ научной литературы, сравнение, наблюдения, практическая работа с растениями: их сбор , лабораторное исследование.

Глава I. Фотосинтез – как величайший космический процесс на Земле.

1.1 Фотосинтез и его значение в обеспечении Земли органическими веществами. Один из путей повышения общей продуктивности растений – усиление их фотосинтетической деятельности. Обычно за время вегетации растений в средних широтах (около 3–4 мес) на поверхность Земли приходит около 210⁹ ккал фотосинтетически активной радиации (ФАР; в области спектра от 380 до 720 нм). Из них в урожае биомассы в 10 т запасается около 4010⁶ ккал, т. е. 2% ФАР. Остальная энергия частично отражается, но в большей части превращается в тепло и вызывает испарение громадных количеств H₂O. Т. о., для усиления фотосинтетической деятельности растений необходимо повысить коэффициент использования растениями солнечной радиации. Это достигается увеличением в посевах размеров листовой поверхности, удлинением сроков активной деятельности листьев, регулированием густоты стояния растений. Функциональная активность фотосинтетического аппарата, помимо внешних условий, определяется также анатомическим строением листа, активностью ферментных систем и типом метаболизма углерода. Большая роль принадлежит селекции растений – созданию сортов, обладающих высокой интенсивностью ассимиляции CO₂, и управлению процессами, связанными с эффективным использованием создаваемых при фотосинтезе органических веществ. Кроме этого необходимо все агротехнические мероприятия (внесение удобрений, полив, обработка) направить на поддержание оптимальных условий.

1.2 Влияние внешних условий на фотосинтез. Фотосинтез не является автономным процессом, он регулируется растением, и сам влияет на другие физиологические функции растения. Свет – основное условие для осуществления фотосинтеза, который начинается при минимальной интенсивности световой энергии(керосиновая лампа, вечерняя заря). При увеличении интенсивности света до 1/3 полного солнечного освещения скорость фотосинтеза увеличивается, затем начинает отставать, и при освещении 250 000эрг/см *с наступает световое насыщение фотосинтеза. При освещении растения лучами полуденного солнца хлорофилл благодаря зеленой окраске пропускает интенсивные в это время желто-зеленые лучи и тем самым защищает хлоропласт от перегрева при освещении рассеянным светом хлорофилл поглощает тем больший его процент, чем слабее освещение. Такая зависимость указывает на приспособительный характер зеленой окраски хлорофилла, который выполняет роль поглотителя солнечной энергии для фотосинтеза, избегая поглощения ее избытка.

В природных условиях фотосинтетическая деятельность растений совершается при меняющемся освещении. Растения загущенных насаждений, растущие под пологом леса, в ущельях и пещерах, в глубине вод, получают свет очень слабой интенсивности. Поэтому в зависимости от условий произрастания растения приспособились к различной интенсивности света. Зависимость скорости фотосинтеза от количества углекислого газа, температуры и воды, так же как и зависимость от действия света, выражается логарифмической кривой. Для углекислого газа кривая ограничена концентрациями 0,006 – 1,5%, для температуры амплитуда более широкая - от минус 15 до 85⁰ С (для термофилов 90⁰ С) с оптимумом 25-30⁰ С. Величина водного дефицита колеблется в пределах5 – 60%.

Минеральное питание, как и фотосинтез, является составной частью единого процесса питания растений. Важнейшие элементы минерального питания – азот, сера, фосфор и магний – являются строительным материалом для фотосинтетического аппарата; другие элементы – железо, калий, хлор, медь, натрий и т.д., не входящие в состав хлоропластов, влияют на накопление хлорофилла, а следовательно, и на фотосинтез. Азот, являясь составной частью белка и хлорофилла, усиливает синтез этих соединений, обеспечивает синтез органических кислот и аминокислот. Калий, рубидий, и цезий, изменяя коллоидное состояние цитоплазмы, регулируют интенсивность фотосинтеза, накопление хлорофилла, углеводов и белков. Фосфор входит в состав фосфорилированных соединений, принимающих участие в ассимиляции углекислого газа, регенерации пентозофосфатов и аккумулировании химической энергии в фосфатных связях АТФ. При недостатке магния, цинка и меди сильно снижается ассимиляция углекислого газа и проявляется болезнь растений – хлороз. Избыток натрия и хлора тормозит фотосинтез и снижает урожай.

1.3 Общее понятие о пигментах листа.

Зеленые растения относятся к автотрофным организмам, создающим в процессе фотосинтеза необходимые для жизни органические вещества из минеральных соединений углерода, азота, серы, фосфора и других элементов. Фотосинтезирующими элементами клеток листа являются хлоропласты – пластиды, содержащие зеленый пигмент хлорофилл. Участвуя в процессе фотосинтеза, они поставляют химическую энергию для живых организмов. Без хлоропластов не могли бы ни растения, ни животные, которые прямо или косвенно питаются растениями.

В процессе фотосинтеза растения усваивают углерод из внешней среды для создания органических веществ, и запасают в них энергию, которая в дальнейшем используется как движущая сила всех жизненных процессов не только у зеленых растений, но и у всех представителей живого мира. Человек появился на Земле в числе более поздних представителей гетеротрофных организмов, поэтому его жизнь целиком зависит от фотосинтеза растений: он получает пищу только от растений либо непосредственно в виде плодов, клубнеплодов, корнеплодов, либо через животных в виде мяса, молока, яиц.

Форма, размер и распределение хлоропластов постоянны для каждого вида растения. В клетках высших растений хлоропласты могут быть сферической, яйцевидной или дисковидной формы. У водорослей хлоропласты имеют вид сети, спиральной ленты или звездчатой пластины.

Размер хлоропластов обуславливается световым режимом среды обитания растения. У световыносливых растений они значительно мельче, чем у теневыносливых. Распределение по цитоплазме равномерное, но бывают скопления возле ядра и клеточных оболочек в зависимости от положения поверхности листа относительно направления солнечного луча.

В хлоропластах находятся пигменты фотосинтеза, хлорофиллы и каратиноиды. Хлорофилл (от греч. chlorós — зелёный и phýllon — лист), зелёный пигмент растений, с помощью которого они улавливают энергию солнечного света и осуществляют фотосинтез. Хлорофилл связан с белками и липидами мембран. Основу структуры его молекулы составляет магниевый комплекс порфиринового цикла; в IV пиррольном кольце к остатку пропионовой кислоты присоединён высокомолекулярный спирт фитол, который придаёт Хлорофиллу способность встраиваться в липидный слой мембран хлоропластов.

  Название «хлорофилл» было дано французскими химиками П. Пельтье и Ж. Каванту зелёному спиртовому раствору смеси растительных пигментов в 1817. Впервые хлорофилл а и в разделил в начале 20 в. русский учёный М. С. Цвет с помощью разработанного им хроматографического метода. Химическую структуру хлорофилла(см. рисунок 1) выяснили немецкие учёные Р. Вильштеттер, А. Штоль (1913), Х. Фишер (1930—40). Полный синтез хлорофилла осуществил американский химик Р. Вудворд. Роль хлорофилла. в фотосинтезе доказана классическими работами К. А. Тимирязева. Пути биосинтеза хлорофилла выяснены в трудах американских учёных Д. Шемина, С. Граника и др.; большой вклад в изучение хлорофилла внесли советские учёные Т. Н. Годнев и А. А. Шлык.

  В хлоропластах и хроматофорах большая часть хлорофилла (содержание его обычно составляет 0,5—1,5% на сухую массу) находится в виде светособирающей «антенны» и меньшая часть — в реакционных центрах, непосредственно участвующих в работе цепи фотосинтетического переноса электрона. Поглощая квант света, молекула Хлорофилл а переходит в возбуждённое состояние (длительность жизни синглетного возбуждённого состояния около 10^-9 сек), которое может переходить в долгоживущее триплетное возбуждённое состояние с длительностью жизни до 10^-3 сек. Возбуждённые светом молекулы хлорофилла способны переносить электрон от молекулы-донора к молекуле-акцептору. Механизм этих реакций в модельных системах выяснен в работах советских учёных А. А. Красновского, В. Б. Евстигнеева и др. Способность возбуждённого Хлорофилла к переносу электрона обеспечивает функционирование реакционных центров фотосистем цепи фотосинтетического переноса электрона.

Структурная формула хлорофилла (приложение1, рисунок 1) была предложена Гансом Фишером в 1939 г. У хлорофилла, в отличие от других порфиринов, выше содержание водорода и кроме четырех пиррольных колец имеется добавочное, циклопентановое. К четвертому кольцу прикреплен фитол, спирт с длинной цепью (С20Н39ОН). Фитольный «хвост» обладает гидрофобными свойствами, то есть водоотталкивающими свойствами, но имеет сродство к жирам, в то время как «голова» молекулы, ее порфиринновое ядро, гидрофильно, то есть имеет сродство к воде. Эта двойная природа важна для фиксирования молекулы хлорофилла в ламеллярной структуре. Сам по себе хлорофилл еще не может обеспечить процесс фотосинтеза, он должен быть прочно включен в структуру, содержащую ряд других веществ. Представления об этой структуре очень гипотетичны, так как слишком мало известно о тонком строении тилакоида(внутренняя мембрана, образующая выпячивания внутрь объема хлоропласта, имеющая форму уплощенных камер или пузырьков). В его структуре выделяются двойные белково-липидные слои. Молекулы хлорофилла, вероятно, расположены между слоями белков и липидов таким образом, что их головы обращены к белкам, липофильные хвосты закрепляются в липидном слое, где находятся также липофильные вспомогательные пигменты, каратиноиды. Молекулы хлорофилла должны занимать определяющее место в высокоупорядоченной структуре, подобной структуре кристалла.

В растениях обнаружены различные хлорофиллы, которые обозначаются малыми буквами латинского алфавита a, b, c, d. Главным пигментом фотосинтеза у высших зеленых растений является хлорофилл «а». этот пигмент есть почти у всех организмов способных к фотосинтезу. У фотосинтезирующих бактерий имеются другие хлорофиллы, называемые бактериохлорофиллами, или хлоробиумхлорофиллами. Их функции почти всегда сходны с функциями хлорофилла «а». Без названных хлорофиллов фотосинтез невозможен. Все высшие растения, за исключением орхидеи гнездовки, и большинство водорослей содержат хлорофилл «b», который по химической структуре лишь незначительно отличается от хлорофилла «а». Хлорофилл «b» также участвует в фотосинтезе, но его присутствиене столь необходимо. Это доказывается существованием мутантов, у которых хлорофилл «b» отсутствует, но которые тем не менее способны осуществлять процесс фотосинтеза. Следовательно, хлорофилл «b» выполняет, как и каротиноиды, вспомогательные функции и может быть также назван вспомогательным пигментом. Основные и дополнительные пигменты в структуре хлоропласта образуют комплексы и работают совместно, как кооперативное сообщество.

В хлоропластах обнаружены также вещества, участвующие в первичных процессах фотосинтеза: различные каротиноиды, пластхиноны, пластоцианин, ферредоксин, флавопротеиды и марганец.

Каратиноиды известны уже давно как красные и желтые пигменты, сопровождающие хлорофилл. Их функции в фотосинтезе стали ясными лишь в последние двадцать лет. Всем хорошо известна эта группа пигментов, окрашивающих морковь, апельсины, лимоны и другие плоды и овощи. И желтая окраска оперения канареек и желтка яйца также обусловлена каротиноидами; но каротин, «морковный пигмент», в особой форме участвующий в зрительных процессах, животные должны получать с растительной пищей. Сами животные не могут синтезировать каротиноиды, которые они используют в качестве предшественников витамина А. желтки яиц, снесенных курами, получавшими мало зеленого корма, еле окрашены, в то время как оперение канареек, в пище которых было много красных каротиноидов, приобретает красноватую окраску

Глава II. Исследование влияния хлорофиллов на адаптивные реакции растений

С наступлением осени происходит перепад температур. Наблюдения показывают, что при этих перепадах растения, а в частности их зеленая часть, ведут себя неодинаково. Одни остаются такими же зелеными, в то время, как другие желтеют и жухнут. Зеленый цвет листьев определяется наличием в них пигмента хлорофилла. Нас заинтересовало это и мы решили найти причину данного явления. При понижении температуры окружающей среды происходит изменение длины волн солнечных лучей, так как меняется положение Солнца относительно Земли. Поэтому, вероятно, с изменением длины волн и происходит нарушение его поглощения хлорофиллом. Но ведь у некоторых растений присутствует зеленый цвет и при понижении температуры. Существует несколько видов хлорофиллов, все они улавливают лучи с разной длиной волны. Хлорофилл а поглощает солнечные лучи меньшей длины, а хлорофилл b - лучи большей длины. Исходя из этого, можно выдвинуть гипотезу, что именно хлорофилл в позволяет растениям оставаться зелеными при понижении температуры окружающей среды. Для этого мы провели лабораторное исследование.

Задачи, поставленные в ходе исследования:

1. Изучить материал о пигментах листа;

2. Пронаблюдать растения, которые сохранили зеленый цвет до наступления холодов(в частности, овсяницу, лебеду и тополь бальзамический)

3. Собрать листья этих растений и уже с помощью приборов в лабораторных условиях, определить какой вид хлорофилла присутствует в этих растениях в большем количестве. Именно он адаптирует растения к низким температурам.

4. Сделать вывод о значимости данного хлорофилла, например для селекции культурных растений(злаковых, декоративных).

Методика исследования.

Получение вытяжки пигментов листа.

Материал и оборудование. Свежие или сухие листья тополя, овсяницы и лебеды, 80% ацетон, ступка фарфоровая, пробирки в штативе, воронка, фильтровальная бумага, ножницы. Ход работы. Для получения пигментов листа мы использовали сухой материал. Примерно 5 г сухих листьев крапивы растерли в ступке. Растертую массу залили 20 мл ацетона, перемешали и профильтровали в пробирку через маленький сухой бумажный фильтр. Полученная вытяжка получилась темно-зеленого цвета. Она представляет собой смесь пигментов - хлорофилла а, в, каротина и ксантофилла – и в проходящем свете имеет ярко-зеленую окраску. Эту вытяжку мы проверили на спектрофотометре, который показал следующее (Таблица 2).

Таблица 2. «Результаты исследования»

Заключение.

Растение – это высокоорганизованная саморегулируемая система. Благодаря процессу фотосинтеза растения преобразовали нашу планету. Растения, используя энергию солнечного света и хлоропласты, стали продуцентами органического вещества, которое затем преобразовывается другими живыми организмами. Атмосфера стала аэробной. Возник озоновый экран, жизнь стала возможной на суше. Изменились формы жизни. Жизнь человека зависит от продуктов фотосинтеза, поэтому исследования фотосинтеза считаются наиболее важными среди человечества.

На поставленный вопрос мы нашли ответ: в растениях, которые сохранили зеленую окраску листьев и жизнеспособность до наступления холодов, и переносили низкие ночные температуры, обнаружилось преобладание хлорофилла «в» над хлорофиллом «а», причем в пробах, которые были сделаны раньше, преобладал хлорофилл «а». Вывод таков, хлорофилл «в» повышает адаптивную способность растений, как например каратиноиды.

Так как жизнь человека имеет зависимость от фотосинтеза, следует задуматься о возможности его протекания в любых условиях, даже в экстремальных. Хлорофилл «в» поглощает коротковолновый свет в красной части спектра (642-644 нм) и более длинные в синей (452-455 нм). В то время как хлорофилл «а», поглощает волны длиной (660-663) нм в красной части спектра и (428-430 нм в синей). С наступлением осени световой день укорачивается. Увеличивается ли продуктивность фотосинтеза, вероятнее всего нет, так как для фотосинтеза нужен красный свет. А вот повышение устойчивости к холоду – это вполне может происходить за счет хлорофилла «в».

Человек появился на Земле в числе более поздних представителей гетеротрофных организмов, поэтому его жизнь целиком зависит от фотосинтеза растений: он получает пищу только от растений либо непосредственно в виде плодов, клубнеплодов, корнеплодов, либо через животных в виде мяса, молока, яиц.

Возможно это аккумуляция тепловой энергии фотосистемой, а может это связано синтезом, определенных веществ, повышающих жизнеспособность.

Получается, что ответив на один вопрос, возникают другие. Исследования фотосинтеза действительно очень актуальны, потому что растения – это основные продуценты органического вещества. И слова «Солнце – источник жизни на Земле», наполнены самым жизненным смыслом.

Приложение 1.

Рисунок1. Строение молекулы хлорофилла

Рисунок 2. Хлоропласты

Рисунок 3. Хлоропласты

Приложение 2.