Исследования влияния пигментов на окрас растений

Процесс изучения цветовой палитры растений имеет давнюю историю. Практическое изучение окраса растений способствовало открытию законов Менделя, мобильных генетических элементов, а также РНК – интерференций. Окрас растений зависит от особого вещества – пигмента, в переводе с латинского языка «краска». Пигмент – это органическое соединение, которое располагается в клетках и тканях растений и окрашивает их. Большинство из данных соединение играют важную роль в процессе фотосинтеза. Количество пигментов представлено не таким многообразием как окрас растений. Таким образом, теоретический аспект по вопросу возникновения окраски у цветков растений является актуальным.

Методы исследования: анализ литературы по проблеме исследования, синтез, обобщение.

Результаты исследования. Окрас растений определяется наличием в них красителя – пигмента. Растительные пигменты изучаются многими научными дисциплинами, среди которых физическая химия, биохимия, физиология, хемотаксономия. Физическая химия изучает процесс выделения пигментов из растения и определяет их химическое строение, биохимия изучает процессы, связанные с образованием окрашенных веществ, физиология, в свою очередь, исследует локализацию окрашенных веществ и их перемещение в органах растений, хемотаксония классифицирует растения на основе разных пигментов.

Растительные пигменты (антоцианы) – это окрашенные вещества, входящие в состав тканей организмов. Цвет пигментов зависит от наличия в их молекулах хромо-формых групп, которые поглощают свет в отдельной части спектра солнечного света. Пигментная система играет роль связующего звена, между условиями окружающей среды и процессами обмена веществ организма. Цвет зависит от способности пигмента к поглощению света. Электромагнитные волны с длиной волны 400700 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. Максимальное цветоразло-жение солнечного света приходится на 13– 15 часов [1]. В случаях, когда свет, падающий на поверхность, не отражается от нее, то она выглядит белой. Если же происходит обратный процесс и все лучи поглощаются, поверхность воспринимается в черном цвете. Стоит отметить, что окрас не всегда зависит от процесса поглощения света. Так металлический цвет листьев некоторых растений объясняется преломлением света и рассеянием его с поверхности особых «оптических» чешуек или клеток.

Однако в большинстве случаев окрас определяется пигментами.

Растительные пигменты, представляющие собой крупные органические молекулы, поглощают свет определенной длины волны. Части молекул, выполняющие главную роль в появлении окраса, обозначаются термином - хромофор. Как правило, хромофорный фрагмент состоит из группы атомов, которые объединены в кольца или цепи с повторяющимися одинарными и двойными связями (-С = С - С = С-). Количество чередующихся связей оказывает влияние на глубину окраса [3].

Наиболее распространенными пигментами в растительных клетках являются следующие пигменты: зеленые пигменты (хлорофиллы), красные и синие антоцианы, желтые флавоны, желто - оранжевые каротиноиды и темные меланины. Представленные группы отличаются друг от друга химическим строением, что в свою очередь отражается на процессе поглощения света и следовательно, на окраске самого пигмента. Так же цвет пигмента видоизменяется в зависимости от кислотности среды, от температуры, а также в процессе взаимодействия с другими веществами. Еще одним фактором, оказывающим влияние на окрас растений, служит строение ткани (толщина, плотность клеток воскового налета), в которой располагается пигмент.

Среди цветовой палитры растительного мира одним из наиболее часто встречаемых цветов, выступает белый цвет. Например, белые цветки, стебли, белые полоски на листьях. Пигмент белого цвета именуется как бетулин. Бетулин представляет собой кристаллическое органическое вещество. Открыто рассматриваемое вещество было ученым-химиком Т.Е. Ло-винцем путем исследования березовой воды и березового дегтя. Бетулин заполнял полости клеток пробковой ткани на стволах березы и тем самым придавал ей белый окрас. Рассматриваемый белый пигмент (бетулин) не имеет запаха, температура плавления составляет 258 градусов, химическая формула - С30Н50О2 и химическое название бетуленол [4].

Следующий пигмент, широко представленный в растительном мире - это пигмент желтого цвета. К пигментам, отвечающим за желто-оранжевый цвет относят: каротиноиды, флавоны, флавонолы. Среди перечисленных пигментов, флавоны и флавонолы представляют собой устойчивые соединения, некоторые из которых, хорошо растворимы в воде. Флавоновые пигменты использовались в качестве первых красителей в более ранние исторические периоды. По структурному строению близкими к флавонам являются такие красители желтого цвета как халконы и ауроны. В растениях они расположены в лепестках, а также в верхней части пестиков [1].

Пигменты группы каротиноидов, позволяют растениям приобретать краснокоричневый окрас. Каротиноиды - это органические пигменты, желтого, оранжевого или красного цветов. Синтезируются рассматриваемые пигменты бактериями, грибами, водорослями, а также высшими растениями. Пигменты данной группы не растворяются в воде, но при этом хорошо извлекаются из пластид органическими растворителями, такими как бензин, спирт. Цвет каротиноидов не зависит от кислотности среды, их молекулы состоят из цепочки атомов с повторяющимися ординарными и двойными связями разной длины. В зависимости от удлинения цепи окраска пигментов видоизменяется от желтой до красно- фиолетовой. Каротиноиды в совокупности с флановыми пигментами придают желтый цвет листьям и венчикам цветков огурца, тыквы, одуванчика, плода кукурузы [1].

Следующая группа пигментов - меланины. Существующие виды меланиновых пигментов в структурном отношении являются длинноцепочечными полимерами с большим молекулярным весом и сложной кристаллической структурой. Характеризуются высокой биологической активностью, антимутагенными и радиопротек-торными свойствами. Пигменты характеризуемой группы имеют растительное, животное и микробиологическое происхождение, отличаются химическим составом и физиологическими свойствами. У растений наиболее распространенным предшественником меланинов выступает катехин, поэтому ферментативная система, участвующая в синтезе, названа катехиноксидазной. Большинство растений в своих биосинтезах используют различные кислоты катехина (кофеиновую, хлороге-новую, протокатейхоевую или галловую кислоты) [5].

Одним из главных пигментов растений выступает хлорофилл, который обуславливает принадлежность растений к отдельному царству зеленых. Хлорофилл располагается в зеленых частях растений и занимает от 0,6 до 1,2% от массы сухого листа. Молекулы хлорофилла содержат ион магния. Все высшие растения обладают двумя формами хлорофилла: зеленый с синеватым оттенком, хлорофилл а и зеленый с желтоватым оттенком, хлорофилл b. Хлорофилл a характерен для всех видов фотосинтезирующих растений. Хлорофилл b присутствует в листьях высших растений и в большинстве водорослей [1].

Рассмотрим вопрос о значимости пигментов для растений, чем она обусловлена? Главная функция, которая выполняется пигментами - это осуществление процесса фотосинтеза, осуществляемая, в первую очередь, хлорофиллом. Немаловажную функцию в процессе фотосинтеза выполняют и некоторые каротиноиды. Данный вид пигментов позволяет молекулам хлорофилла возвращаться в первоначальное (исходное) положение после передачи энергии и тем сам предохраняет их от фотоокисления. Растения в процессе фотосинтеза используют разнообразные пигменты, что позволяет им применять весь спектр видимого света, а также часть ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.

Пигменты оказывают воздействие на светочувствительность растений, регуляцию метаболизма, на рост и цветение, на процесс подготовки и переходу к фазе покоя, а также влияют на регуляцию процессов прорастания семян. Флавоны и флавонолы поглощают ультрафиолетовые лучи, предотвращая тем самым разрушение хлорофилла и клеток цитоплазмы. Функция каротиноидов заключается в нейтрализации свободных радикалов, нарушающих протекание биохимических процессов в растениях, т.е. эти пигменты обладают антиоксидантными свойствами. Флавоновые пигменты используются растениями для самозащиты – они служат противогрибковыми и противомикробными агентами, выполняя при этом функции резерва питательных веществ. Так же, пигменты, которые содержатся в лепестках, чашелистиках или листьях, окружающих соцветие, придают цветку окраску, привлекающую насекомых-опылителей. Яркая окраска – это «опознавательный знак», показывающий, где насекомые могут найти нектар и пыльцу.

Заключение. Окрас растений в первую очередь определяется наличием пигмента. Кроме данного фактора на цвет оказывают влияние такие факторы как: кислотность клеточного сока, строение ткани (толщина, количество межклетников, плотность клеток воскового налета). Наиболее распространенными пигментами в растительных клетках являются следующие пигменты: зеленые пигменты (хлорофиллы), красные и синие антоцианы, желтые флавоны, желто-оранжевые каротиноиды и темные меланины. Роль пигментов для растений велика, так пигменты регулируют светочувствительность растений, метаболизм, рост, цветение.