Какие лучи в большей степени поглощает хлорофилл в листьях растений

Обновлено: 19.09.2024

Всё живое на Земле зависит от фотосинтеза, он снабжает растения и животных энергией и углеродом, обеспечивает выделение кислорода в атмосферу. Растения поглощают около 1% падающей на Землю солнечной энергии, связывают углекислый газ атмосферы, а также и воду, превращая их в 150 млрд т сухого органического топлива в год (около 1 кг/м 2 ). Часть этого органического вещества поедается травоядными животными, которыми питаются хищные животные и человек. Растительные и животные остатки разлагаются бактериями и грибами до уровня исходных неорганических веществ. Затем этот круговорот замыкается: энергия солнечного излучения, поглощённая растениями, переходит в тепло и излучается Землёй в космическое пространство. Можно сказать, что жизнь на Земле есть процесс поглощения солнечного света.

Важнейшей особенностью процесса фотосинтеза является его протекание с использованием энергии солнечного света. Лучистая энергия – это энергия электромагнитных колебаний, которая характеризуется определённой длиной волны , частотой колебаний и скоростью распространения c – скоростью света, равной 3 · 10 8 м/с. Эти величины связаны между собой следующим образом: Е = c/. Собственно свет, или область электромагнитных колебаний, воспринимаемая человеческим глазом, лежит в диапазоне длин волн 400–700 нм. Более короткие волны характерны для ультрафиолетовых (УФ) лучей, а более длинные – для инфракрасных (ИК). Окраска видимого света зависит от длины волны. Обладая волновыми свойствами, свет проявляет и корпускулярные свойства. Лучистая энергия излучается и распространяется в виде дискретных единиц – квантов, или фотонов. Квант света обладает энергией E = h = h·c/, где h – постоянная Планка. Из этой формулы ясно, что величина энергии квантов для разных участков спектра различна: чем короче длина волны, тем она больше:

2. Значение отдельных участков солнечного спектра для фотосинтеза

Согласно первому закону фотохимии, только поглощённые лучи могут быть использованы в химических реакциях. В том случае, если реагирующие молекулы бесцветны и не поглощают свет, фотохимические реакции могут идти только в присутствии специальных веществ – фотосенсибилизаторов. Фотосенсибилизаторы – вещества, поглощающие энергию света и передающие её той или иной бесцветной молекуле.

Положение о том, что в процессе фотосинтеза могут быть использованы только поглощённые лучи, впервые получило экспериментальное подтверждение в опытах К.А.Тимирязева. До этого господствовало ошибочное представление, что наибольшее значение в процессе фотосинтеза имеют жёлтые лучи солнечного спектра, которые хлорофиллом не поглощаются. К.А.Тимирязев показал, что процесс усвоения CO₂ на свету представляет собой фотохимический процесс и подчиняется законам фотохимии, что процесс фотосинтеза проходит именно в тех лучах, которые поглощаются хлорофиллом. Хлорофилл является оптическим сенсибилизатором, поглощающим энергию света.

Наиболее интенсивное усвоение углекислого газа наблюдается в красных лучах. Затем, в направлении зелёной части спектра процесс фотосинтеза постепенно ослабевает, зелёные лучи хлорофиллом почти не поглощаются. В сине-фиолетовой части спектра наблюдается второй подъём интенсивности фотосинтеза. Таким образом, кривая интенсивности фотосинтеза имеет два максимума соответственно двум максимумам поглощения хлорофилла. Интенсивность процесса фотосинтеза в различных участках спектра получила название спектра действия.

II. Экспериментальная часть

1. Цель: 1) выявить влияние световых волн разной длины на прорастание семян злаковых растений; 2) выявить влияние световых волн разной длины на интенсивность фотосинтеза в листьях растений.

Оборудование: четыре ёмкости с землёй; семена злаковых растений; штатив с укреплённой на нём люминесцентной лампой; световые фильтры (по 4 штуки сине-фиолетового, зелёного и оранжево-красного цветов); контейнер; сушильный шкаф; фарфоровые чашечки.

1-й этап выполнение работы

• 08.01.07 в четыре ёмкости с землёй были посеяны семена одинаковой злаковой культуры – овса.

• После посадки и первого полива три ёмкости поместили в контейнер под светофильтры разных цветов. Одна ёмкость – контрольная, семена в ней прорастали при естественном освещении.

• С этого дня полив осуществлялся регулярно.

• 10.01.07 появились первые всходы в ёмкости под сине-фиолетовым светофильтром.

• Почти одновременно с ними, через несколько часов, появились всходы под оранжево-красным светофильтром.

• Через два дня, 12 января, появились всходы под зелёным светофильтром.

• И последними, 13 января, проросли семена в контрольной ёмкости.

2-й этап выполнения работы

• 18.01.07 и 25.01.07 были произведены срезы листьев растений и замеры площади и сырой массы срезанных листьев (см. таблицу).

• Для определения сухой массы растения были помещены в сушильный шкаф в фарфоровых чашечках на один час.

• После сушки растения были взвешены на весах (см. таблицу внизу).

2. Методика работы

• Определение площади листа. Метод основан на сопоставлении листа с некоторой простой геометрической фигурой, достаточно хорошо совпадающей с его конфигурацией. Лист вписывают в соответствующую фигуру так, чтобы основные параметры были общими. Так, листья злаков легко вписываются в вытянутый прямоугольник. Измеряя длину a и ширину b такого прямоугольника, находят его площадь: S = a · b.

где B₁ и B₂ – сухая масса растений в начале и конце учётного периода; (B₂ – B₁) – прирост сухой массы в течение n дней между двумя последовательными сроками наблюдений; Л₁ и Л₂ – площадь листьев в начале и в конце периода, м 2 ; 0,5 (Л₁ + Л₂) – средняя работавшая площадь листьев за время опыта.

• Показатели чистой продуктивности фотосинтеза в природных условиях обычно колеблются от 0,1 до 20 г (и более) сухого вещества на 1 м 2 в сутки: у злаков в фазе интенсивного роста 40–50 г/ (м 2 · сут.), у основных сельскохозяйственных культур 4–10 г/ (м 2 · сут.).

3. Выводы на основе наблюдений

1. Площадь листьев быстрее нарастает у растений, находящихся под оранжево-красным и сине-фиолетовым светофильтрами.

2. ЧПФ имеет два пика: при красном (37,37 г/м 2 ) и при сине-фиолетовом (26,3 г/м 2 ) облучениях.

3. ЧПФ минимальна при зелёном облучении, т.к. зелёные световые лучи не поглощаются хлорофиллом, а отражаются от него.

III. Значение фотосинтеза в продукционном процессе. Фотосинтез и урожай

Чтобы перейти от массы усвоенного углекислого газа к сухому веществу, необходимо ввести коэффициент 0,64 (1 г усвоенного CO₂ соответствует 0,64 г углеводов). Однако не всё образовавшееся сухое вещество накапливается. Частично оно расходуется в процессе дыхания, теряется при опадении отдельных органов, а также при экзосмосе, – эти потери составляют 25–30%. Вместе с тем определённое количество веществ поступает через корневую систему (5–10% от общей массы растения). В итоге можно считать К_эф = 0,5.

Следовательно, общее накопление сухой массы растений зависит от интенсивности фотосинтеза, коэффициента эффективности (куда входит трата на процесс дыхания), размера листовой пластины и суммы дней вегетационного периода.

Как видно из приведённых уравнений, накопление сухой массы зависит не только от площади листьев, но и от интенсивности фотосинтеза. Расчёты показывают, что интенсивность фотосинтеза может достигать 100 мг CO₂/(дм 2 · ч), а обычно составляет 10–15 мг CO₂/(дм 2 · ч). Необходимо учесть, что в агрономической практике важен не столько биологический, сколько хозяйственный урожай. Хозяйственный урожай – это доля полезного продукта, ради которой возделывают данное растение (зерно, корнеплоды, волокно и т.д.): У_хоз = У_биол · К_хоз. Коэффициент К_хоз может колебаться от 50% для сахарной свёклы до 1% для волокна хлопчатника, а также значительно изменяться и для одного и того же растения.

В большей степени биологический, а следовательно, и хозяйственный урожай зависят от площади листьев. Необходимо добиваться быстрого развития листовой поверхности в начале вегетационного периода. Однако при чрезмерном развитии листьев они затеняют друг друга, их работоспособность уменьшается. Могут быть даже случаи, когда листья из снабжающих органов становится потребляющими. Вместе с тем лист – это не только орган фотосинтеза, но и орган транспирации. Следовательно, чем больше площадь листьев, тем больше растение теряет воды в процессе испарения.

КПД фотосинтеза в естественных условиях ничтожно мал. Для его повышения очень важно уменьшать затраты солнечной энергии на транспирацию. В частности, это может быть достигнуто улучшением условий корневого питания.

Наконец, для получения наибольшего хозяйственного урожая большое значение имеет повышение К_хоз, иначе говоря, увеличение доли полезного продукта в урожае. Это может быть достигнуто прежде всего путём изменения направления оттока ассимилянтов из листьев и связанной с этим различной скоростью роста отдельных органов. В этом отношении существенную роль должно сыграть умелое применение регуляторов роста – фитогормонов. Важно также, чтобы в конце вегетационного периода питательные вещества как можно полнее использовались на формирование хозяйственно ценных органов. В связи с этим могут быть полезны все приёмы, которые усиливают отток ассимилянтов и даже отмирание листа в конце вегетационного периода

Наконец, большую роль играет селекционный отбор растений. В настоящее время показана возможность отбора сортов сельскохозяйственных растений, характеризующихся более высокой интенсивностью как световых, так и темновых реакций.

Подводя итоги, можно сказать, что, отмечая важность фотосинтеза в продукционном процессе, необходимо учитывать его связь с процессами роста, развития, дыхания, водного и минерального питания.

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3 томах. Пер. с англ. /Под ред. Р.Сопера – 2-е издание. – М: Мир , 1996.

Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ООО ЮКЭА, 1997.

Практикум по физиологии растений: Под ред. Н.Н.Третьякова. – М.: Колос, 1982.

Якушкина Н.Н., Бахтенко Е.Ю. Физиология растений: Учеб. для студентов вузов. – М: Владос, 2005.

Евдокия Панкратова получила аттестат с отличием по окончании основной школы, сейчас учится в 10-м классе естественно-математического профиля. Участвовала в прошлом учебном году в пяти олимпиадах и на четырёх заняла 1-е место, а на одной – 2-е. В нынешнем учебном году из пяти олимпиад выиграла четыре, на одной заняла 3-е место. Стипендиат Главы г. Лобни за 2007 г. Собирается поступать в медицинский институт.

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Цели:
Образовательные: - выяснить зависимость строения и свойства хлорофилла;

- установить условия прохождения фотосинтеза;

Развивающие:
- развивать умение обучающихся работать со спектрами поглощения,
источниками научной информации, делать правильные выводы;

- продолжить развитие умения у обучающихся использовать имеющиеся знания;

- развивать умение работать с натуральными объектами, сравнивать их;

- развивать логическое мышление, познавательный интерес к предмету;

- работать с текстом учебника, рисунками и таблицами;

- активизировать познавательную деятельность обучающихся путем решения проблемных вопросов;

- научить анализировать информацию, делать выводы;

Воспитательные:

- продолжить формирование научного мировоззрения;

- продолжить обучение приемам общения в ходе коллективного обсуждения и принятия решения;

- воспитывать бережное отношение к растениям как к основным источникам
жизни.

Вид урока: интегрированный

Оборудование: листья растений, спирт, пробирки, спектры поглощения хлорофилла, презентация.

I . Организационный момент. Мотивация. (Учитель химии) Слайд1

Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез… В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы… Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу”.

II . Актуализация опорных знаний. Фронтальный опрос. ( Учитель биологии )

Вопрос: О каком процессе говорил К.А. Тимирязев?
Вопрос: Что такое фотосинтез?

Фотосинтез – это процесс образования кислорода зелёными растениями на свету.

Фотосинтез – это образование на свету в листьях из углекислого газа и воды органических соединений (определение, данное в 70-е годы XIX столетия К.А. Тимирязевым).

Вопрос: Кто осуществляет фотосинтез?
Вопрос: Какие условия необходимы для фотосинтеза?

Сегодня на уроке мы познакомимся с этим удивительным веществом.

III . Изучение нового материала.

1. Исследовательская работа учащихся в группах.

( Учитель химии ) А почему лист зеленый?

Давайте попробуем ответить на этот вопрос с позиции биологов, физиков, химиков. Поэтому мы попросили вас выбрать свое участие в работе конкретных групп. Каждой группе мы подготовили вопросы и задания, которые помогут вам ответить на эти вопросы. Слайд2

Работа в группах.

Вопрос: Какие пигменты находятся в листе?

Задание: С помощью метода бумажной хроматографии определите какие пигменты содержатся в вытяжке хлорофилла? Сделайте и напишите вывод.

Вопрос: Почему хлорофилл зеленый?

Задание: Рассмотрите спектры поглощения видимого света различных пигментов. Сделайте выводы и запишите их на листе бумаги

Задание: 1. Вспомните, что представляет собой видимый свет?

Задание 2. Рассмотрите спектры поглощения видимого света хлорофилла. Сделайте выводы и запишите их на листе бумаги

Цвет определяется способностью пигмента к поглощению света. Электромагнитные волны с длиной волны 400–700 нм составляют видимую часть солнечного излучения. Волны длиной 400–424 нм – это фиолетовый цвет, 424–491 – синий, 491–550 – зеленый, 550–585 – желтый, 585–647 – оранжевый, 647–740 нм – красный. Излучение с длиной волны меньше 400 нм – ультрафиолетовая, а с длиной волны более 740 нм – инфракрасная область спектра.

Если свет, падающий на какую-нибудь поверхность, полностью от нее отражается, эта поверхность выглядит белой. Если все лучи поглощаются, поверхность воспринимается как черная. Если же поглощаются только лучи определенной длины, то отражение остальных создает ощущение цвета. Например, кожура апельсина поглощает лучи синей части спектра. И мы видим апельсин оранжевым

Вопрос: Почему хлорофилл зеленый?

Задание: 1) Исследуйте химическое строение молекулы хлорофилла.

2) Докажите на опыте, что нарушение структуры молекулы хлорофилла приводит к нарушению его свойств, функций

Справочный материал:

Хлорофилл - это органическое соединение, в котором все сгруппировано вокруг центрального атома магния. Это соединение имеет сложную электронную структуру. Оказывается, что эта структура обеспечивает поглощение красного и синего света и почти не поглощает зеленый, поэтому хлорофилл и выглядит зеленым.

По химическому строению хлорофиллы — сложные эфиры дикарбоновой органической кислоты — хлорофиллина и двух спиртов — фитола и метилового. Эмпирическая формула — C ₅₅ H ₇₂ 0 ₅ N ₄ Mg . Хлорофиллин представляет собой азотсодержащее металлорганическое соединение, относящееся к магнийпорфиринам.

Нарушить структуру хлорофилла можно, например, действием на него кислоты. (Обратите внимание на то, как изменится окраска хлорофилла. Подумайте,нарушение какой структуры привело к такому результату )

Хлорофилл реагирует с кислотами по принципу замещения магния на водород с появлением бурой окраски (феофитин)

Учащиеся работают в группах, отвечают на вопрос, делают выводы, записывая их на листах бумаги и вывешивают их на доске.

(Учитель химии) Группы закончили свои исследования. Давайте познакомимся с результатами их работы.

Представители каждой группы вывешивают на магнитной доске и объясняют результаты своих исследований.

Итак, мы видим результаты работы ребят в группах. Давайте еще раз проговорим результаты ваших исследований.

2. (Учитель биологии). Знаете ли вы, какой процент солнечной энергии используют растения для фотосинтеза? (1%). Как вы думаете, почему так мало? Давайте посмотрим на таблицу. ( Слайд№7)

Вопрос: Какие лучи содержат меньшее количество энергии? (красные)

Вопрос: А какие лучи поглощает хлорофилл при фотосинтезе? (красные)

Ученые доказали, что энергии красных лучей достаточно для прохождения фотосинтеза.

Вопрос: А почему растения не поглощают лучи с большим количеством энергии?

Вопрос: Как вы думаете, полезно ли растениям поглощать избыточное количество энергии? Что произойдет с этим избытком энергии? (растения начнут рассеивать его в виде тепла, при этом начнут перегреваться. Для борьбы с перегревом они начнут испарять воду. Но транспирация не идет бесконечно, так как растения не могут терять воду. Поэтому и транспирация, и фотосинтез при повышении температуры приостанавливаются).

Давайте вспомним лето 2010 года. Был ли собран в нашей стране хороший урожай? Почему?

Давайте сделаем вывод. Так почему зеленые лучи отражаются? ( несут избыточное количество энергии)

3. (Учитель биологии). Не заметили ли вы противоречия в наших размышлениях? Всегда ли листья имеют только зеленый цвет?

Вопрос: Как вы объясните тот факт, что растения, живущие в нижних уровнях леса (тенелюбивые) часто имеют красноватый оттенок?

Вопрос: А какой цвет мы видим? ( отраженный )

Вопрос: Следовательно, какие лучи приспособились поглощать эти растения? ( зеленые )

Вопрос: Почему? ( зеленые лучи не поглощаются верхними ярусами растений, а красные поглощаются )

Вопрос: Почему лист способен поглощать другие лучи спектра ( содержит разные пигменты )

Вопрос: Какой вывод вы можете сделать? ( в ходе эволюции растения приспособились использовать различные пигменты для более полного использования лучей солнечного спектра).

4. ( Учитель химии ). Почему именно хлорофилл способен улавливать энергию солнечного света? ( Слайд № 8,9)

Возвращаемся к реакции фотосинтеза.

Вопрос: Напишите суммарное уравнение реакции. ( Реакция эндотермическая, для прохождения которой необходима энергия. Таковой энергией является лучистая энергия солнечного света) .

Вопрос: Что происходит с электронами хлорофилла?

Вопрос: Какие варианты использования энергии возбуждения вы можете предложить?

(1- рассеивание в виде тепла; 2- использование энергии электронов для запуска реакций световой фазы фотосинтеза; 3- флюоресценция)

( Учитель химии). Что произойдет, если исключить мембраны хлоропластов?

Опыт с флюоресценцией. Обучающиеся делают вывод: без мембран хлоропластов процесс фотосинтеза не происходит.

5 . (Учитель биологии). Что нового о фотосинтезе вы узнали в 9-м классе? Слайд №10

(Ответ: фотосинтез происходит в хлоропластах и включает две последовательные фазы: световую и темновую).

Вопрос: Что происходит во время световой фазы?

( Ответ: энергия солнца запасается в виде АТФ. В атмосферу выделяется кислород).

Вопрос: Что происходит в темновую фазу?

(Ответ: образование углеводов из углекислого газа и воды за счёт энергии, запасённой в световую фазу).

Вопрос: Какова роль электронов хлорофилла?

(энергия возбужденных электронов используется для синтеза АТФ; электроны преобразуют энергию солнечного света в энергию химических соединений)

Вопрос: Какой вывод вы можете сделать? (они противоположны)

Т.М. Подведем итоги нашей работы.

Сегодня на уроке мы попытались разгадать некоторые тайны хлорофилла. Вы провели собственное исследование строения и свойств хлорофилла, открыли для себя новые знания о роли хлорофилла в процессе фотосинтеза. Сделайте, пожалуйста, выводы по проделанной работе.

А теперь давайте сравним ваши выводы с данными науки. Слайд №12.

Домашнее задание. Слайд № 13.

Выдвинете гипотезу изменений у человека, если заменить в гемоглобине атом железа на атом магния.

Осуществляется процесс фотосинтеза в листьях растений. Фотосинтез свойствен лишь зеленым растениям. Эту важнейшую сторону деятельности листа полнее всего характеризует К. А. Тимирязев:

Можно сказать, что в жизни листа выражается самая сущность растительной жизни. Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались — в растении ли, в животном или в человеке, — прошли через лист, произошли из веществ, выработанных листом.

Строение листьев растений

Листья растений по анатомическому строению отличаются большим разнообразием, которое зависит и от вида растения, и от условий их роста. Лист сверху и снизу покрыт эпидермисом — покровной тканью с многочисленными отверстиями, называемыми устьицами.

Под верхним эпидермисом расположена палисадная, или столбчатая паренхима, называемая ассимиляционной. Под ней находится более рыхлая ткань — губчатая паренхима, за которой идет нижний эпидермис.

Весь лист пронизан сетью жилок, состоящих из проводящих пучков, по которым проходят вода, минеральные и органические вещества.

Поперечный разрез листа

В столбчатой и губчатой ткани листа расположены зеленые пластиды — хлоропласты, содержащие пигменты. Наличием хлоропластов и содержащихся в них зеленых пигментов (хлорофиллов) объясняется окраска растений.

Огромная листовая поверхность, достигающая 30 000 — 50 000 кв. м на 1 га у разных растений, хорошо приспособлена для успешного поглощения СО₂из воздуха в процессе фотосинтеза.

Углекислый газ проникает в лист растения через устьица, расположенные в эпидермисе, поступает в межклетники и, проникая через оболочку клеток, попадает в цитоплазму, а затем в хлоропласты, где и осуществляется процесс ассимиляции.

Образующийся в этом процессе кислород диффундирует с поверхности хлоропластов в свободном состоянии.

Таким образом, через устьица осуществляется газообмен листьев с внешней средой — поступление углекислого газа и выделение кислорода в процессе фотосинтеза, выделение углекислого газа и поглощение кислорода в процессе дыхания. Кроме того, устьица служат для выделения паров воды.

Несмотря на то, что общая площадь устьичных отверстий составляет лишь 1—2% всей листовой поверхности, тем не менее при открытых устьицах углекислый газ проникает в листья со скоростью, превышающей в 50 раз поглощение его щелочью. Количество устьиц очень велико — от нескольких десятков до 1500 на 1 кв. мм.

Хлоропласты

Хлоропласты — зеленые пластиды, в которых происходит процесс фотосинтеза. Они расположены в цитоплазме. У высших растений хлоропласты имеют дискообразную или линзовидную форму, у низших они более разнообразны.

Хлоропласты в клетках зеленых растений

Размер хлоропластов у высших растений довольно постоянен, составляя в среднем 1 —10 мк. Обычно в клетке содержится большое количество хлоропластов, в среднем 20—50, а иногда и больше. Расположены они главным образом в листьях, много их в незрелых плодах.

В растении общее количество хлоропластов огромно; во взрослом дереве дуба, например, площадь их равняется 2 га. Хлоропласт имеет мембранную структуру. От цитоплазмы он отделен двухмембранной оболочкой.

В хлоропласте находятся ламеллы, белково-липоидные пластинки, собранные в пучки и называемые гранами. Хлорофилл расположен в ламеллах в виде мономолекулярного слоя. Между ламеллами находится водянистая белковая жидкость — строма; в ней встречаются крахмальные зерна и капли масла.

Строение хлоропласта хорошо приспособлено к фотосинтезу, так как разделение хлорофиллоносного аппарата на мелкие пластинки значительно увеличивает активную поверхность хлоропласта, что облегчает доступ энергии и перенос ее к химическим системам, участвующим в фотосинтезе.

Данные А. А. Табенцкого показывают, что хлоропласты все время изменяются в онтогенезе растения. В молодых листьях наблюдается мелкогранулярная структура хлоропластов, в листьях, закончивших рост,— крупногранулярная. В старых листьях уже наблюдается распад хлоропластов.

В сухом веществе хлоропластов содержится 20—45% белков, 20—40% липоидов, 10—12% углеводов и других запасных веществ, 10% минеральных элементов, 5—10% зеленых пигментов (хлорофилл а и хлорофилл б), 1—2% каротиноидов, а также небольшое количество РНК и ДНК.

Содержание воды достигает 75%. В хлоропластах имеется большой набор гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов.

Исследованиями Н. М. Сисакяна показано, что в хлоропластах происходит и синтез многих ферментов. Благодаря этому они принимают участие во всем сложном комплексе процессов жизнедеятельности растения.

Пигменты, их свойства и условия образования

Пигменты можно извлечь из листьев растений спиртом или ацетоном. В вытяжке находятся следующие пигменты: зеленые — хлорофилл а и хлорофилл б; желтые — каротин и ксантофилл (каротиноиды).

Хлорофилл

Хлорофилл представляет собой

так как благодаря ему возможен синтез органических веществ из неорганических СО₂ и Н₂О. Хлорофилл не растворяется в воде, под влиянием солей, кислот и щелочей легко изменяется, поэтому было очень трудно установить его химический состав.

Для извлечения хлорофилла обычно применяют этиловый спирт или ацетон. Хлорофилл имеет следующие суммарные формулы:

У хлорофилла а больше на 2 атома водорода и меньше на 1 атом кислорода, чем у хлорофилла б. Формулы хлорофилла можно представить и так:

Формулы хлорофилла а и б

Центральное место в молекуле хлорофилла занимает Мg; его можно вытеснить, подействовав на спиртовую вытяжку хлорофилла соляной кислотой. Зеленый пигмент превращается в бурый, называемый феофитином, в котором Мg замещается двумя атомами Н из соляной кислоты.

Восстановить зеленый цвет вытяжки очень легко внесением в молекулу феофитина магния или другого металла. Следовательно, зеленый цвет хлорофилла связан с наличием в его составе металла.

При воздействии на спиртовую вытяжку хлорофилла щелочью происходит отщепление спиртовых групп (фитола и метилового спирта); в этом случае зеленая окраска хлорофилла сохраняется, что указывает на сохранение ядра молекулы хлорофилла при этой реакции. Химический состав хлорофилла у всех растений одинаков.

Содержание хлорофилла а всегда больше (примерно в 3 раза), чем хлорофилла б. Общее количество хлорофилла невелико и составляет около 1 % от сухого вещества листа.

По своей химической природе хлорофилл близок к красящему веществу крови — гемоглобину, центральное место в молекуле которого занимает не магний, а железо.

В соответствии с этим различаются и их физиологические функции: хлорофилл принимает участие в важнейшем восстановительном процессе в растении — фотосинтезе, а гемоглобин — в процессе дыхания животных организмов, перенося кислород.

Оптические свойства пигментов

Хлорофилл поглощает солнечную энергию и направляет ее на химические реакции, которые не могут протекать без энергии, получаемой извне. Раствор хлорофилла в проходящем свете имеет зеленый цвет, но при увеличении толщины слоя или концентрации хлорофилла он приобретает красный цвет.

Хлорофилл поглощает свет не сплошь, а избирательно. При пропускании белого света через призму получается спектр, состоящий из семи видимых цветов, которые постепенно переходят друг в друга.

При пропускании белого света через призму и раствор хлорофилла на полученном спектре наиболее интенсивное поглощение будет в красных и сине-фиолетовых лучах.

Зеленые лучи поглощаются мало, поэтому в тонком слое хлорофилл имеет в проходящем свете зеленый цвет. Однако с увеличением концентрации хлорофилла полосы поглощения расширяются (значительная часть зеленых лучей также поглощается) и без поглощения проходит только часть крайних красных.

Спектры поглощения хлорофилла а и б очень близки. В отраженном свете хлорофилл кажется вишнево-красным, так как он излучает поглощенный свет с изменением длины его волны. Это свойство хлорофилла называется флюоресценцией.

Каротин и ксантофилл

Каротин и ксантофилл имеют полосы поглощения только в синих и фиолетовых лучах. Их спектры близки друг другу. Спектры поглощения хлорофиллом а и б

Поглощенная этими пигментами энергия передается хлорофиллу а, который является непосредственным участником фотосинтеза.

Каротин считают провитамином А, так как при его расщеплении образуются 2 молекулы витамина А. Формула каротина — С₄₀Н₅₆, ксантофилла — С₄₀Н₅₄(ОН)₂.

Условия образования хлорофилла

Образование хлорофиллаосуществляется в 2 фазы: первая фаза — темновая, во время которой образуется предшественник хлорофилла — протохлорофилл, а вторая — световая, при которой из протохлорофилла на свету образуется хлорофилл.

Образование хлорофилла зависит как от вида растения, так и от ряда внешних условий. Некоторые растения, например проростки хвойных, могут позеленеть и без участия света, в темноте, но у большинства растений хлорофилл образуется из протохлорофилла только на свету.

В отсутствие света получаются этиолированные растения, имеющие тонкий, слабый, сильно вытянутый стебель и очень мелкие бледно-желтые листья. Если выставить этиолированные растения на свет, то листья быстро позеленеют. Это объясняется тем, что в листьях уже имеется протохлорофилл, который под воздействием света легко превращается в хлорофилл.

Большое влияние на образование хлорофилла оказывает температура; при холодной весне у некоторых кустарников листья не зеленеют до установления теплой погоды: при понижении температуры подавляется образование протохлорофилла.

Минимальной температурой, при которой начинается образование хлорофилла, является 2°, максимальной, при которой образование хлорофилла не происходит, 40°.

Кроме определенной температуры, для образования хлорофилла необходимы элементы минерального питания, особенно железо. При его отсутствии у растений наблюдается заболевание, называемое хлорозом.

По-видимому, железо является катализатором при синтезе протохлорофилла, так как в состав молекулы хлорофилла оно не входит. Для образования хлорофилла также необходимы азот и магний, входящие в состав его молекулы. Важным условием является и наличие в клетках листа пластид, способных к позеленению.

При их отсутствии листья растений остаются белыми, растение не способно к фотосинтезу и может жить только до тех пор, пока не израсходует запасы семени. Это явление называется . Оно связано с изменением наследственной природы данного растения.

Количественные отношения между хлорофиллом и усваиваемой углекислотой

При большем содержании хлорофилла в растении процесс фотосинтеза начинается при меньшей интенсивности света и даже при более низкой температуре. С увеличением содержания хлорофилла в листьях фотосинтез возрастает, но до известного предела.

Следовательно, нет прямой зависимости между содержанием хлорофилла и интенсивностью поглощения СО₂. Количество ассимилированного листом СО₂ в час в пересчете на единицу содержащегося в листе хлорофилла тем выше, чем меньше хлорофилла.

Р. Вильштеттером и А. Штолем была предложена единица, характеризующая соотношение между количеством хлорофилла и поглощенным углекислым газом. Количество разложенной в единицу времени углекислоты, приходящееся на единицу веса хлорофилла, они назвали ассимиляционным числом.

Ассимиляционное число непостоянно: оно больше при малом содержании хлорофилла и меньше при высоком содержании его в листьях. Следовательно, молекула хлорофилла используется более продуктивно при низком его содержании в листе и продуктивность хлорофилла уменьшается с увеличением его количества. Данные введены в таблицу.

Таблица "Ассимиляционное число в зависимости от содержания хлорофилла (по Р. Вильштеттеру и А. Штолю)"