V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование влияния окружающей среды на изменение окраски различных органов растений
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Цель работы
Исследовать причины изменения окраски различных органов растений
Задачи
1. Изучение литературы по определению пигментов в растениях.
2. Провести химические опыты по выделению пигментов: хлорофилла, ксантофиллаиз листьев пеларгонии, антоцианов из корнеплодов свеклы.
3. Определить зависимость изменения окраски различных органов растений от условий окружающей среды.
3. Выступить на школьной научно-практической конференции.
Гипотеза
Изменение окраски различных органов растений зависит от условий внешней среды.
Объект исследования
Различные части растений: листья пеларгонии, корнеплоды свеклы, цветки фиалки.
Предмет исследования
Растительные пигменты и изменение их окраски в зависимости от внешних условий.
Методы исследования
Описательный, сравнительный, экспериментальный, моделирование, визуальная диагностика.
Новизна работы
Использован цифровой микроскоп для изучения проводящих канальцев в листьях растений.
Практическая значимость
Без огромных экономических затрат можно находить новые месторождения полезных ископаемых, необходимых для развития и экономического процветания России
Влияния окружающей среды на изменение окраски различных органов растений.
Одним из главных признаков осени является изменение окраски листьев растений. У разных растений осенняя окраска различна, например, листья липы – желто-зеленого цвета, тополей и берез – желтого. Листья дуба окрашиваются в красный цвет. Это многообразие оттенков обусловлено различным сочетанием в осенних листьях трех групп пигментов: желто-оранжевых каротиноидов, зеленого хлорофилла, красного и синего антоцианов.
Изменение окраски листьев всегда начинается с прекращения синтеза хлорофилла в связи с понижением температуры. Хлорофилл – пигмент, который образуется в зеленых листьях под действием солнечной энергии. Осенью температура окружающей среды падает, солнце светит не так ярко, поэтому имеющийся в хлоропластах хлорофилл начинает постепенно разрушаться: у одних видов – полностью (листья дуба), у других – частично (слива). Осенью происходит затухание жизнедеятельности в связи с подготовкой к зимнему периоду покоя.
В хлоропластах зеленых листьев всегда присутствует зеленый хлорофилл и желто-оранжевыекаротиноиды (ксантофилл). Есть в клетках и антоцианы, но в отличие от хлорофилла они не связаны внутри клетки с пластидными образованиями, а чаще всего растворены в клеточном соке, иногда встречаются в виде кристалликов.
Актуальность проблемы
Однако, изменение окраски листьев, цветков, плодов – это не всегда только результат прекращения синтеза хлорофилла и затухания процессов жизнедеятельности растений. Существует много факторов внешней среды, которые влияют на изменение окраски различных органов растений. Наиболее часто при избытке того или иного химического элемента или его недостатке возникают изменения в различных органах растений. Для ученых-химиков, агрономов растения могут служить индикаторами содержания питательных веществ в почве, а также возможного наличия рудных месторождений. В наше время, когда ресурсы полезных ископаемых на планете истощаются, эта проблема выходит на первый план.
Мы провели серию опытов по выделению пигментов из листьев растений, а также исследовали влияние факторов внешней среды на изменение окраски различных органов растений.
Перед проведением опытов мы прослушали правила техники безопасности при работе в химической лаборатории и строго соблюдали их.
Опыт № 1.Выделение антоциана.
Реактивы: 10% раствор соляной кислоты (HCl), 10% раствор щелочи (NaOH), дистиллированная вода, спиртовка, держатель, спички, воронка, фильтровальная бумага. При работе со спиртовкой сначала всю пробирку прогрели, затем установили пламя в одном месте.При работе с кислотой и щелочью надели резиновые перчатки.
Несколько кусочков нарезанной свеклы прокипятили в небольшом количестве воды. Вода окрасилась от антоцианов в грязно-красный цвет. После фильтрования мы разлили раствор в две пробирки, в одну добавили несколько капель соляной кислоты, а в другую – несколько капель щелочи. В первой пробирке раствор сразу стал ярко-красного цвета, а в другой – желто-зеленого цвета (см. приложение 1).
Этот опыт доказывает, что антоциан в зависимости от того, в какой среде он находится, способен быстро изменять свой оттенок. Например, в бутонах медуницы лекарственной клеточный сок имеет кислую реакцию, поэтому венчик розоватого цвета, а уже отцветающие цветки медуницы лекарственной – синего цвета, так как среда клеточного сока щелочная. Изменение окраски цветка является сигналом для опылителей, сообщающим о том, какие цветки раскрылись недавно, то есть с большей вероятностью содержат пищу. Второй пример: клубни картофеля, выращенные на торфяных почвах, имеют синеватый оттенок, а при внесении в почву удобрения сульфата калия – розовый цвет. Таким образом, условия внешней среды непосредственным образом влияют на изменение окраски антоциана в растениях.
Следует отметить, что фрукты и овощи с синей, фиолетовой или красной кожицей или мякотью являются крайне полезным источником пищи для человека. Их употребление уменьшает риск возникновения онкологических заболеваний. Ежевика, черника, вишня, клюква, баклажаны, малина, краснокочанная капуста – продукты, содержащие рекордное количество антоцианов.Мы рекомендуем их к употреблению.
Опыт № 2. Обесцвечивание антоцианов сернистым газом.
Реактивы: сера (порошок). Оборудование: стеклянный колокол, железная ложечка, спички. Опыт мы проводили под вытяжкой, так как сернистый газ (SO2)раздражает верхние дыхательные пути человека. Одели также ватно-марлевую повязку.
Красный цветок пеларгонии положили под стеклянный колокол, который поставили в вытяжной шкаф. Подожгли серу в железной ложке и внесли под стеклянный колокол, плотно его закрыли. Наблюдали заполнение сернистым газом все пространство колокола, а через 5-7 минут - постепенное обесцвечивание лепестков венчика пеларгонии. Сернистый газ оказывает на антоциан удивительное действие: красные цветки стали превращаться в белые! (см. приложение 2).
Опыт № 3. Выделение хлорофилла и ксантофилла.
Реактивы: 95% этиловый спирт, бензин, мел. Оборудование: фарфоровая ступка, пробирка, воронка, фильтровальная бумага.
К измельченным листьям пеларгонии добавляем 10 мл этилового спирта, на кончике ножа мел для нейтрализации кислот клеточного сока, растираем в фарфоровой ступке до однородной зеленой массы. Приливаем еще этилового спирта, продолжаем растирание, пока спирт не окрасился в интенсивно-зеленый цвет. Фильтруем раствор в чистую сухую пробирку (см. приложение 3).
Разделяем пигменты по методу Крауса. Метод основан на различной растворимости хлорофилла и ксантофилла в спирте и бензине. Хлорофилл обладает большей растворимостью в бензине, чем в спирте.
Приливаем в пробирку 2-3 мл вытяжки, столько же бензина и 1-2 капли воды. Закрываем большим пальцем пробирку, энергично взбалтываем в течение 2-3 минут. Даем отстояться. Наблюдаем: жидкость в пробирке разделилась на 2 слоя: бензиновый(ярко-зеленого цвета) наверху, спиртовый (желтого цвета) внизу. Желтый цвет спиртовому раствору придает пигмент ксантофилл. В бензиновом слое находится пигмент хлорофилл, который имеет ярко-зеленый цвет (см. приложение 3).
Мы считаем, что пигменты придают растениям яркую окраску для привлечения насекомых - опылителей. Кроме того, присутствие пигментов в растениях имеет большое значение, как для самих растений, так и для человека. При участии зеленого пигмента хлорофилла в листьях зеленых растений идет уникальнейший и единственный в нашей Солнечной системе (а возможно, и во Вселенной!) процесс – фотосинтез. Из углекислого газа и воды при действии солнечных лучей и наличии хлорофилла в листьях растений образуется органическое вещество – глюкоза и кислород. Благодаря именно этому процессу существует жизнь на планете Земля.
Опыт № 4. Влияние ионов металлов на окраску цветков узамбарской фиалки.
Мы поливали узамбарскую фиалку с лепестками голубого цвета раствором марганцевокислого калия (KMnO4) в течение месяца (1 раз в неделю).Для приготовления раствора перманганата калия брали несколько кристалликов KMnO4и растворяли в воде. Раствор приобретал ярко-розовый цвет. Цвет лепестков венчика стал меняться нарозовый. При поливе узамбарской фиалки с лепестками розового цвета раствором алюмокалиевых квасцов(KAl(SO4)2•12H2O), цвет венчика стал меняться наголубой (см. приложение 4).
Таким образом,в результате полива из почвы окрашенные растворы поступают в растения и накапливаются в клетках. Мы рассмотрели проводящие канальцыв цифровой микроскоп и вот что увидели (приложение 4).
Эксперимент.
Мы с мамой провели в саду такой эксперимент: под куст белой розы закопали медные провода, предварительно мелко нарезав их. Медные провода нам дал папа из старого телевизора. На следующий год в некоторых бутонах роз мы заметили голубоватый оттенок. Что же произошло? Мы знаем, что ионы меди Cu2+в растворе голубого цвета, поэтому при накоплении их в растении произошло изменение окраски.
Именно на способности растений изменять свой внешний вид в зависимости от химического состава почвы и воздуха основан биогеохимический метод поиска месторождений полезных ископаемых.
Теоретической основой этого метода служит учение академиков В. И. Вернадского и А. П. Виноградова об ореолах рассеяния химических элементов. Согласно этому учению, на месторождении какого-либо минерала наблюдается зона повышенной концентрации входящего в его состав элемента, или ореол рассеяния.
Многие растения придерживаются одинаковых по химическому составу почв и являются «спутниками» руд. В Америке есть свинцовая трава, растущая над залеганием свинцовой руды (Pb). В Бельгии вблизи выходов цинковой руды (Zn) всегда растет галмейная фиалка, а на отвалах оловянных месторождений(Sn)растет седмичник.
На нашей малой родине, Урале, растет маленькая орхидея – венерин башмачок. Это растение внесено в Красную книгу России как редкий вид. Венерин башмачок растет на почвах, богатых кальцием(Ca). Поселившись неожиданно на островах Онежского озера, венерин башмачок подсказал ученым месторождение ценного минерала. Растения – помощники геологов, часто они указывают на подземные залежи полезных ископаемых на глубинах до 20-25 метров.
Заключение
Опытным путем мы установили, что в растительных клетках содержится зеленый пигмент хлорофилл, желто-оранжевый ксантофилл, красный и синий антоцианы.
Наша гипотеза подтвердилась: факторы внешней среды оказывают влияние на окраску различных органов растений.
Зная зависимость изменений в окраске растений от условий окружающей среды, можно определить месторождения полезных ископаемых, а также химический состав почвы, глубину залегания грунтовых вод, содержание в почве питательных веществ.
Список литературы
Артамонов В. И. Зеленые оракулы – М.:Мысль, 1989.
Батурицкая Н. В. Фенчук Т. Д. Химические опыты с растениями: Кн. для учащихся. – М., 1991.
http://www.lepestok.kharkov.ua/bio/s20061201.htm
http://himik.my1.ru/publ/antociany_krasjashhie_veshhestva_rastenij/1-1-0-16.
Приложение 1
Антоциан изменяет окраску в кислой и щелочной среде
Приложение 2
В атмосфере сернистого газа лепестки пеларгонии обесцвечиваются
Приложение 3
Хлорофилл лучше растворяется в бензине (верхний слой), а в нижнем слое спирта находится ксантофилл.
Приложение 4
Вот что мы увидели в цифровой микроскоп:
Проводящие канальцы имеют розовую окраску, так как из почвы поступает окрашенный раствор перманганата калия (KMnO4).
Приложение
Приложение Г
Пигмент хлорофилл лучше растворяется в бензине (верхний слой). Ярко-зеленое окрашивание.
В нижнем слое пигмент ксантофилл, растворенный в спирте. Желто-зеленое окрашивание.
Антоциан изменил окраску в кислой среде.
В щелочной среде антоциан становится желтого цвета.
(Все фото сделаны автором работы).