Определение дыхательного коэффициента при прорастании семян

Обновлено: 04.07.2024

Дыхательный коэффициент (ДК) - это показатель газообмена живых тканей. Он означает отношение количества выделенного при дыхании углекислого газа к количеству поглощенного при этом кислорода: ДК = СО₂ / О₂.

Величина дыхательного коэффициента зависит от ряда причин. Во-первых, от химической природы окисляемого при дыхании субстрата. Если используются углеводы, то ДК близок к единице: C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ = 6 CO₂ + 6 H₂O.

Если окисляются более восстановленные вещества, жиры и белки, то кислорода потребляется больше, чем выделяется углекислого газа, и ДК меньше единицы. Например, при окислении стеариновой кислоты реакция идет по формуле C₁₈ H₃₆ O₂+26 O₂=18 CO₂+18 CO₂+18 H₂0 и отношение CO₂:O₂ равно 18:26, то есть 0,69.

При окислении веществ, содержащих в себе больше кислорода, чем в углеводах, дыхательный коэффициент больше единицы. Так, при дыхании за счет щавелевой кислоты по уравнению 2C₂O₂H₂ + O₂ = 4 CO₂ + 2H₂O дыхательный коэффициент равен 4.

Вторым фактором, определяющим величину ДК, являются условия аэрации. При недостатке кислорода в воздухе, то есть в анаэробных условиях, ДК повышается и в случае окисления углеводов становится выше единицы.

Наконец, величина дыхательного коэффициента свидетельствует о полноте окисления субстрата. Если при окислении углеводов процесс распада идет не до конца, а накапливаются промежуточные, более окисленные, чем углеводы, продукты, то величина ДК становится меньше единицы. Подобное явление наблюдается у интенсивно растущих объектов. В работе предлагается один из наиболее простых методов определения ДК прорастающих семян методом Рихтера.

Ход работы. В опыте используют прибор, состоящий из пробирки, которая плотно закрыта каучуковой пробкой, со вставленной в неё горизонтальной трубкой с делениями. Пробирку поместить в колбу, которая является одновременно и штативом, и термоизолятором.

Заполнить прорастающими семенами пшеницы или подсолнечника 1/2 - 2/3 объема пробирки и плотно закрыть пробирку пробкой с измерительной трубкой. Обязательное условие правильного наблюдения - постоянство температуры прибора, так как его работа связана с изменением объемов газов. Поэтому смонтированный прибор должен принять комнатную температуру, что достигается в течение 5-7 мин.

В конец измерительной трубки ввести каплю жидкости (например, подкрашенную метиленовой синью воду). Для этого, не вынимая пробирку из колбы, погрузить конец трубки в стаканчик с жидкостью. Если жидкость плохо поступает в отверстие, можно слегка постучать кончиком трубки о дно стакана или, вынув трубку из стакана, протереть кончик её фильтровальной бумагой. Если эти меры не помогают, то надо капилляр трубки промыть спиртом и водой. Капля должна подняться по трубке на расстояние 1 см. Таким образом, в приборе создается замкнутое пространство. Всякое изменение в нем объема газов приведет в движение каплю. По скорости этого движения можно судить о газообмене.

При равенстве объемов выделяющегося углекислого газа и поглощающегося кислорода общий объем газов в пробирке останется неизменным и капля не будет менять своего положения. В том случае, когда О₂ поглощается больше, чем выделяется СО₂, в пробирке возникнет разряжение газов и капля станет передвигаться внутрь по трубке. При условии более интенсивного выделения СО₂, по сравнению с поглощением кислорода, капля будет выбрасываться из трубки. Требуется пронаблюдать за поведением капли, и если она перемещается, рассчитать скорость ее движения, определяемую разностью объемов О₂ и СО₂. С этой целью, как только в кончик трубки введена капля, необходимо засечь время и ждать через сколько минут капля пройдет какой-то отрезок пути S. Зная путь S и время t, затраченное на преодоление этого пути, можно рассчитать скорость движения капли: V=S/t. Эту скорость обозначить буквой А. Определить ее 2-3 раза, для дальнейших расчетов взять среднюю величину.

Затем пробирку раскрыть и ввести в нее фильтровальную бумажку, смоченную концентрированным раствором щелочи, которая будет поглощать выделяющийся при дыхании углекислый газ. Пробирку снова закрыть пробкой, дать прибору принять комнатную температуру и 2-3 раза определить скорость движения капли после введения щелочи, обозначить её В. Она зависит от объема поглощенного при дыхании семян кислорода: В = О₂.

Значения А и В записать в таблицу и рассчитать величину дыхательного коэффициента, используемого в опыте объекта. Расчет делать по формуле:

Эта дробь дает величину отношения СО₂ к О₂. так как В=О₂, А=О₂-СО₂. В конце работы дать объяснение, от чего зависит полученная в опыте величина ДК.

по курсу "Физиология растений" для студентов специальностей: 1-31 01 01 Биология, 1-33 01 01 Биоэкология, 1-31 01 01-03 Биотехнология

Вы здесь: Главная РАЗДЕЛ 4. ФИЗИОЛОГИЯ ДЫХАНИЯ Лабораторная работа № 8 Работа 3. Определение дыхательного коэффициента

Работа 3. Определение дыхательного коэффициента

Важный показатель химической природы дыхательного субстрата – дыхательный коэффициент (ДК) – отношение объема выделенного углекислого газа (V (СО₂)) к объему поглощенного кислорода (V (О₂)). При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, при окислении жиров (более восстановленных соединений) кислорода поглощается больше, чем выделяется углекислого газа и ДК 1.

Величина ДК зависит и от других причин. В некоторых тканях из-за затрудненного доступа кислорода наряду с аэробным происходит анаэробное дыхание, не сопровождающееся поглощением кислорода, что приводит к повышению значения ДК. Величина дыхательного коэффициента обусловлена также полнотой окисления дыхательного субстрата. Если, кроме конечных продуктов, в тканях накапливаются менее окисленные соединения, то ДК 1 ) с плотно пригнанной пробкой, в которую вставлена измерительная трубка со шкалой из миллиметровой бумаги.

Материалы и оборудование. Прорастающие семена подсолнечника, ячменя, гороха, фасоли, льна, пшеницы, 20 %-й раствор гидроксида натрия, шприц на 2 см 3 , цветная жидкость, чашка Петри, химическая пробирка, U-образно изогнутая трубка, эластичная трубка, пробка с отверстием, пинцет анатомический, полоски фильтровальной бумаги (1,55 см), миллиметровая бумага, песочные часы на 3 мин, штатив для пробирок.

Ход работы. В пробирку внесите 2 г прорастающих семян подсолнечника. Плотно закройте пробирку пробкой, соединенной эластичной трубкой с изогнутой U-образно стеклянной трубкой, и введите в конец последней при помощи пипетки небольшую каплю жидкости, создавая внутри прибора замкнутую атмосферу. Во время опыта обязательно поддерживайте постоянную температуру. Для этого поставьте прибор в штатив, избегая тем самым нагревания его руками или дыханием. Определите на сколько делений шкалы продвинется капля внутрь трубки за 3 мин. Для получения точного результата вычислите среднюю величину из трех измерений. Полученная величина выражает разницу между объемом поглощенного при дыхании кислорода и объемом выделенного углекислого газа.

Откройте прибор с семенами и положите в него пинцетом свернутую в кольцо полоску фильтровальной бумаги, предварительно пропитанную раствором NaOH. Снова закройте пробирку, поместите в измерительную трубку новую каплю цветной жидкости и продолжайте измерение скорости ее движения при той же температуре. Новые данные, из которых опять вычислите среднюю величину, выражают объем поглощенного при дыхании кислорода, так как выделившийся углекислый газ поглощается щелочью.

Рассчитайте дыхательный коэффициент по формуле: , где ДК – дыхательный коэффициент; В – объем поглощенного при дыхании кислорода; А – разница между объемом поглощенного при дыхании кислорода и объемом выделенного углекислого газа.

Сравните величины дыхательных коэффициентов предложенных объектов и сделайте вывод о химической природе дыхательных субстратов каждого из объектов.

1 Прибор для наблюдений газообмена при дыхании растений и животных ПГД (учебный): руководство по эксплуатации / под ред. Т.С.Чанова. – М.: Просвещение, 1987. – 8 с.

Цель: определить преобладающие запасные вещества прорастающих семян различных растений по величине дыхательного коэффициента.

Объекты, реактивы, оборудование: наклюнувшиеся семена бобовых, масличных культур, злаков; концентрированный раствор КОН или NаОН; стеклянные пробирки с каучуковыми пробками, в которые вставлены капиллярные трубки, изогнутые под прямым углом, полоски фильтровальной и миллиметровой бумаги, резиновые колечки, пинцеты, пипетки с оттянутым носиком, шприцы.

Краткие сведения

Дыхательным коэффициентом (ДК) называется отношение выделенного при дыхании количества углекислого газа к количеству поглощенного кислорода:

Величина ДК в значительной мере зависит от природы окисляемого субстрата, а именно от степени его окисленности. При окислении углеводов она равна единице, что очевидно из уравнения

Если же вещества окислены меньше углеводов (жиры, жирные кислоты, некоторые белки и аминокислоты), ДК будет меньше единицы. Перечисленные соединения, более восстановленные, эффективнее углеводов и органических кислот в энергетическом отношении.

Если дыхательным материалом служат вещества более окисленные, чем углеводы, например органические кислоты, то кислорода поглотится меньше, чем выделится углекислого газа, и ДК будет больше единицы.

Величина ДК зависит также от количества кислорода, поступающего к тканям, от состояния организма и фазы его онтогенеза. Величина ДК зависит от вида растения и характера запасных веществ (табл. 1)

Таблица 1. – Примерные величины дыхательного коэффициента семян различных растений

Вид растения	ДК
Кукуруза	0,73
Пшеница	0,61
Ячмень	0,74
Подсолнечник	0,55
Горох	0,85
Бобы	0,35
Люпин	0,76
Лен	0,33
Тыква	0,64
Гречиха	0,47
Удобным объектом для определения ДК являются прорастающие семена, содержащие в преобладающем количестве белки, жиры или углеводы. Однако следует иметь в виду, что в процессе прорастания изменяется химическая природа субстратов дыхания и ДК не останется постоянным. Определение ДК в других органах из-за наличия в них разнообразных субстратов дыхания не дает четких результатов. ДК определяется с помощью несложного прибора, состоящего из пробирки с каучуковой пробкой, в которую вставлена изогнутая под прямым углом капиллярная трубка.

Рис. 1. Прибор для определения дыхательного коэффициента

Если на трубке нет делений, то к ней с помощью двух резиновых колечек прикрепляют полоску миллиметровой бумаги (см. рисунок 1).

Прибор должен находиться в стабильных температурных условиях.

Ход работы

На основании величины ДК сделать вывод о природе запасных веществ в исследуемых семенах.

Задача.Определить ДК у семян одного из видов:

1) злаков (ячмень, пшеница, рожь);

2) бобовых (бобы, фасоль, горох, люпин);

3) масличных растений (лен, подсолнечник, конопля, горчица);

4) у семян гречихи;

5) у семян кабачков;

Общие результаты записать по образцу табл. 3

Вид растения

ДК семян

Преобладающие запасные вещества

Сделать вывод о зависимости ДК от вида дыхательного субстрата исследуемых семян.

Согласно уравнению, если растение поместить в закрытый сосуд, объем воздуха останется неизменным, изменится лишь его состав — кислород заменится углекислым газом. Однако не всегда объем поглощенного при дыхании О₂ равен объему выделенного СО₂. Для характеристики соотношения между объемом выделенного углекислого газа и поглощенного кислорода пользуются показателем, который называется дыхательным коэффициентом: $$ДК = \frac<\upsilon CO_2><\upsilon O_2>$$

Отношение объема выделенного углекислого газа к объему одновременно поглощенного кислорода (ДК) изменяется в зависимости от источника окислительных процессов. Изменения дыхательного коэффициента удобно наблюдать на плесневых грибах, которые почти не содержат собственных запасов питательного материала и отличаются чрезвычайно высокой интенсивностью дыхания. Опыты показали, что при питании плесневых грибов углеводами дыхательный коэффициент равен единице, если же питательным субстратом для них служат жиры, он меньше единицы. Например, при использовании жирной стеариновой кислоты (С₁₈Н₃₆О₂) суммарное уравнение дыхания будет иметь такой вид: C₁₈H₃₆O₂ + 26O = 18CO₂ + 18H₂O, a $$\frac<\upsilon CO_2> <\upsilon O_2>= \frac =069 ,$$

т. е. дыхательный коэффициент меньше единицы.

При дыхании за счет белков ДК. также равен 0,7-0,8. Если дыхательным субстратом служат органические кислоты, то суммарное уравнение будет иметь вид: 2НООССООН+О2=4СО₂+2Н₂О; $$\frac<\upsilon 4CO_2> <\upsilon 1O_2>= 4,$$

т. е. больше единицы.

При выращивании плесневых грибов на смеси питательных веществ, содержащих сахара, органические кислоты и другие соединения, дыхательный коэффициент сначала равен единице, гюка весь сахар не будет израсходован, потом он изменяется в зависимости от субстрата. Очень часто, кроме конечных продуктов окисления — СО₂ и воды, образуются менее окисленные соединения и органические кислоты (щавелевая, винная и др.), которые содержат больше кислорода, чем углеводы. В этом случае часть поглощенного кислорода остается в растении и отношение 𝜐СО₂ : 𝜐О₂ будет меньше единицы.

У массивных органов или погруженных в воду семян процесс аэробного дыхания может сопровождаться анаэробным дыханием, при котором также выделяется СО₂, но без поглощения кислорода из воздуха. При этом дыхательный коэффициент будет больше единицы. У прорастающих семян с малопроницаемой оболочкой из-за плохого доступа кислорода воздуха анаэробное дыхание может продолжаться до момента разрушения оболочки корешком зародыша.

На преимущественное значение сахаров при дыхании указывает и тот факт, что, если масличные семена во время их прорастания искусственно питать сахаром, дыхательный коэффициент можно повысить до единицы. На жирах плесневые грибы развиваются значительно медленнее, чем на сахарах. Таким образом, дыхательный коэффициент показывает, за счет каких продуктов осуществляется дыхание.

При дыхании выделяется значительное количество тепла, однако повышение температуры в таких тонких пластинчатых органах растения, как листья, незначительное и в условиях атмосферы не всегда улавливается. Его можно определить с помощью термопары по разнице между температурой растения и окружающей атмосферы.

Как показали опыты с листьями, закрытыми в специальном сосуде, ограничивающем теплоотдачу (сосуд Дьюара), в результате освобождения тепла при дыхании температура воздуха в нем может значительно возрастать. Прорастающие семена, помещенные в сосуд Дьюара, повышают температуру до 40-50°С.

Быстрорастущие части растений, клетки которых почти полностью заполнены протопластом, дышат интенсивнее, чем животные. Интенсивность дыхания семян, прорастающих при 37°С, равна интенсивности дыхания человека, выделяющего в течение суток углекислый газ в количестве, равном 1,2% массы его тела. Очень энергично дышат цветки, особенно распускающиеся (интенсивность их дыхания равна интенсивности дыхания прорастающих семян). Поэтому не рекомендуется оставлять на ночь срезанные цветы в спальных комнатах, поскольку они поглощают большое количество кислорода и выделяют углекислый газ. В цветках особенно интенсивно дышат пестики, тычинки с пыльниками. С возрастом растения интенсивность дыхания его органов резко снижается. Например, листья 22-дневного подсолнечника выделяют 3 мг СО₂ на 1 г сухой массы, 36-дневного — 0,81 мг и 136-дневного — 0,08 мг. Молодые растущие органы растения дышат наиболее интенсивно.

Методы определения интенсивности дыхания основываются на количественном учете поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа. Подробное описание приборов, методики и техники определения интенсивности дыхания у растений приводится в практических руководствах по физиологии растений и специальных работах.

Интенсивность дыхания у разных растений и даже в разных частях одного и того же растения может довольно сильно различаться. Наиболее интенсивно дышат молодые, быстрорастущие части растений с большим количеством эмбриональных тканей — верхушка стебля, кончики корешков, распускающиеся почки, прорастающие семена. Интенсивное дыхание молодых частей растения приводит к потере около 1% их массы в сутки, потеря массы старых частей растения обычно в 10-20 раз меньше. Очень энергичное дыхание наблюдается у быстрорастущих плесневых грибов.

Читайте также: