Изменение окраски драгоценных камней. Исследовательская работа "Изменение окраски листьев и листопад клёна остролистного" Цвет раствора в щелочной среде

Олдридж пишет: «… Осьминоги удивительно быстро и гармонично окрашиваются под цвет окружающей их местности, и, когда вы, подстрелив одного из них, убьете или оглушите его, он не сразу потеряет способность менять окраску. Это я наблюдал однажды сам, положив добытого осьминога на газетный лист для разделки. Осьминог моментально изменил окраску, сделавшись полосатым, в белую и черную полоску!» Ведь он лежал на печатной странице и скопировал ее текст, запечатлев на своей коже чередование черных строк и светлых промежутков. По видимому, осьминог этот не был совсем мертв, глаза его еще воспринимали оттенки меркнущих красок солнечного мира, который он навсегда покидал.

Даже среди высших позвоночных животных немногие обладают бесценным даром изменять по прихоти или необходимости окраску кожи, перекрашиваться, копируя оттенки внешней декорации.

Моллюски, членистоногие и позвоночные - три высшие ветви эволюционного развития животного мира, и только среди них находим мы искусных «хамелеонов», способных изменять окраску сообразно с обстоятельствами. У всех головоногих моллюсков, у некоторых раков, рыб, земноводных, пресмыкающихся и насекомых спрятаны под кожей эластичные, как резина, клетки. Они набиты краской, словно акварельные тюбики. Научное название этих чудесных клеток - хроматофоры. (У млекопитающих и птиц, тоже высших животных, нет в коже хроматофоров, так как, скрытые под шерстью и перьями, они были бы бесполезны).

Каждый хроматофор - микроскопический шарик (когда пребывает в покое) или точечный диск (когда растянут), окруженный по краям, будто солнце лучами, множеством тончайших мускулов - дилататоров, то есть расширителей. Лишь у немногих хроматофоров только четыре дилататора, обычно их больше - около двадцати четырех. Дилататоры, сокращаясь, растягивают хроматофор, и тогда содержащаяся в «ем краска занимает в десятки раз большую, чем прежде, площадь. Диаметр хроматофора увеличивается в шестьдесят раз: от размеров иголочного острия до величины булавочной головки. Иными словами, разница между сократившейся и растянутой цветной клеткой столь же велика, как между двухкопеечной монетой и автомобильным колесом.

Когда мускулы расширители расслабляются, эластичная оболочка хроматофора принимает прежнюю форму.

Дилататоры, пожалуй, самые неутомимые труженики из всех мышц, производящих работу в животном царстве. Они не знают усталости. Экспериментаторы Хилл и Соландг установили, что сила их сокращения нисколько не уменьшается даже после получасового напряжения, вызванного воздействием электрического тока.

Все другие неутомимые мышцы животных (и сердечная и мускулы крыльев) работают в пульсирующем ритме, когда за периодом сокращения следует пауза отдыха. Дилататоры часами и без перерыва остаются в напряжении, поддерживая на коже нужную окраску.

Хроматофор растягивается и сокращается с исключительной быстротой. Он изменяет свой размер за 2/3 секунды, а по другим данным, еще быстрей - за 1/2 секунды.

Каждый дилататор соединен нервами с клетками головного мозга.» осьминогов «диспетчерский пункт», заведующий сменой декораций, занимает в мозгу две пары лопастевидных долей. Передняя пара контролирует окраску головы и щупалец, задняя - туловища. Каждая лопасть распоряжается своей, то есть правой или левой стороной. Если перерезать нервы, ведущие к хроматофорам правой стороны, то на правом боку моллюска застынет одна неизменная окраска, в то время как его левая половина будет играть колерами разных цветов.

Какие органы корректируют работу мозга, заставляя его изменять окраску тела точно в соответствии с фоном окрестностей?

Глаза. Зрительные впечатления, полученные животным, по сложным физиологическим каналам поступают к нервным центрам, а те подают соответствующие сигналы хроматофорам. Растягивают одни, сокращают другие, добиваясь сочетания красок, наиболее пригодного для маскировки. Слепой на один глаз осьминог теряет способность легко менять оттенки на безглазой стороне тела.. Исчезновение цветовых реакций у ослепленного осьминога не полное, потому что изменение окраски зависит также и от впечатлений, полученных не только глазами, но и присосками. Если лишить осьминога щупалец или срезать с них все присоски, он бледнеет и, как ни пыжится, не может ни покраснеть, ни позеленеть, ни стать черным. Уцелеет на щупальцах хотя бы одна присоска - кожа спрута сохранит все прежние оттенки.

Хроматофоры головоногих содержат черные, коричневые, красно бурые, оранжевые и желтые пигменты. Самые крупные - темные хроматофоры, в коже лежат они ближе к поверхности. Самые мелкие - желтые. Каждый моллюск наделен хроматофорами только трех каких нибудь цветов: коричневыми, красными и желтыми, либо черными, оранжевыми и желтыми. Их сочетание, конечно, не может дать всего разнообразия оттенков, которыми знамениты головоногие моллюски. Металлический блеск, фиолетовые, серебристо голубые, зеленые и голубовато опаловые тона сообщают их коже клетки особого рода - иридиоцисты. Они лежат под слоем хроматофоров и за прозрачной оболочкой прячут множество блестящих пластиночек. Иридиоцисты заполнены, словно комнаты смеха в парках, рядами зеркал, целой системой призм и рефлекторов, которые отражают и преломляют свет, разлагая его на великолепные краски спектра.

Богатством расцветок и совершенством маскировки головоногие моллюски далеко превосходят прославленного хамелеона. Он просто был бы посрамлен, как несчастный Марсий лучезарным Аполлоном, если бы задумал состязаться в игре красок с осьминогом или каракатицей. Раздраженный осьминог из пепельно-серого через секунду может стать черным и снова превратиться в серого, продемонстрировав на своей коже все тончайшие переходы и нюансы в этом интервале красок. Бесчисленное разнообразие оттенков, в которые окрашивается тело осьминога, можно сравнить лишь с изменчивым цветом вечернего неба и моря.

К этой изумительной игре красок осьминоги прибегают в критические минуты жизни, чтобы ошеломить, напугать врага. «Если вы, - пишет Олдридж, - заметив осьминога, начнете толкать его ружьем, он постарается отпугнуть вас, все время меняясь в окраске, а это чудесное зрелище. Он будет сгибаться и извиваться, раздувать свое тело так, чтобы показаться огромным, будет вытягивать, шевелить и вновь сокращать свои щупальца, делать вид, что готов напасть на вас; он начнет выпучивать и закатывать глаза, видимо, пытаясь убедить вас в достоверности всех страшных историй, рассказываемых про него. И если это не устрашило вас, тогда он обдаст вас чернильной струей и в смятении исчезнет с такой невероятной быстротой, что оставит вас в недоумении: почему ему сразу не начать было с бегства?»

Изменение цвета кожи - своего рода мимический язык спрута. Игрой красок он выражает свои чувства - и страх, и раздражение, напряженное внимание, и любовную страсть. Фейерверком цветовых вспышек угрожает соперникам, привлекает самку.. Их калейдоскоп чувств составлен из золотисто оранжевых и буро красных тонов. Когда кальмара не обуревают эмоции, он бесцветен и полупрозрачен, как матовое стекло. Тогда чернильный мешок черным провалом зияет на молочном теле животного призрака. Этому обстоятельству кальмар и обязан своим названием. Слово «кальмар» происходит от итальянского «calamaio», что значит «сосуд с чернилами». Раздражаясь, кальмар становится пунцовым или оливково-бурым, и его «чернильница» исчезает за потемневшими покровами.

Среди многообразия органических веществ встречаются особые соединения, которым характерны изменения окраски в различной среде. До появления современных электронных pH-метров индикаторы были незаменимыми «инструментами» для определения кислотно-основных показателей среды, и продолжают использоваться в лабораторной практике в качестве вспомогательных веществ в аналитической химии, а также при отсутствии необходимого оборудования.

Для чего нужны индикаторы?

Изначально свойство данных соединений изменять цвет в различной среде широко применялось для визуального определения кислотно-основных свойств веществ в растворе, что помогало определить не только характер среды, но и сделать вывод об образующихся продуктах реакции. Растворы индикаторов продолжают использоваться в лабораторной практике для определения концентрации веществ методом титрования и позволяют научиться использовать подручные способы за неимением современных pH-метров.

Существует несколько десятков подобного рода веществ, каждый из которых чувствителен к довольно узкой области: обычно она не превышает 3 пунктов по шкале информативности. Благодаря такому многообразию хромофоров и их малой активности между собой ученым удалось создать универсальные индикаторы, широко применяемые в лабораторных и производственных условиях.

Наиболее используемые индикаторы pH

Примечательно, что помимо идентификационного свойства, данные соединения обладают хорошей красящей способностью, что позволяет использовать их для покраски тканей в текстильной промышленности. Из большого числа индикаторов цвета в химии самыми известными и используемыми являются метиловый оранжевый (метилоранж) и фенолфталеин. Большинство других хромофоров в настоящее время используются в смеси друг с другом, либо для специфических синтезов и реакции.

Метиловый оранжевый

Многие красители получили название благодаря своим основным цветам в нейтральной среде, что присуще и этому хромофору. Метиловый оранжевый является азокрасителем, имеющим группировку - N = N ‒ в своем составе, которая отвечает за переход цвета индикатора в красный в и в желтый - в щелочной. Сами азосоединения не являются сильными основаниями, однако присутствие электродонорных групп (‒ OH, ‒ NH 2 , ‒ NH (CH 3), ‒ N (CH 3) 2 и др.) увеличивает основность одного из атомов азота, который становится способен присоединять протоны водорода по донорно-акцепторному принципу. Поэтому при изменении концентраций ионов H + в растворе можно наблюдать изменение окраски кислотно-основного индикатора.

Подробнее о получении метилового оранжевого

Получают метиловый оранжевый в реакции с диазотирования сульфаниловой кислоты C 6 H 4 (SO 3 H)NH 2 с последующим сочетанием с диметиланилином C 6 H 5 N(CH 3) 2 . Сульфаниловую кислоту растворяют в растворе натриевой щелочи, добавляя нитрит натрия NaNO 2 , а затем охлаждают льдом для проведения синтеза в максимально близких к 0°C температурах и приливают соляную кислоту HCl. Далее готовят отдельный раствор диметиланилина в HCl, который охлажденным вливают в первый раствор, получая краситель. Его дополнительно подщелачивают, и из раствора выпадают в осадок темно-оранжевые кристаллы, которые по истечении нескольких часов отфильтровывают и сушат на водяной бане.

Фенолфталеин

Свое название данный хромофор получил из сложения наименований двух реагентов, которые участвуют при его синтезе. Цвет индикатора примечателен изменением своей окраски в щелочной среде с приобретением малинового (красно-фиолетового, малиново-красного) оттенка, который обесцвечивается при сильном щелочении раствора. Фенолфталеин может принимать несколько форм в зависимости от показателей pH среды, причем в сильнокислых средах он имеет оранжевую окраску.

Этот хромофор получают путем конденсации фенола и фталиевого ангидрида в присутствии хлорида цинка ZnCl 2 или концентрированной серной кислоты H 2 SO 4 . В твердом состоянии молекулы фенолфталеина являются бесцветными кристаллами.

Ранее фенолфталеин активно использовали при создании слабительных веществ, однако постепенно его применение значительно сократилось в связи с установленными кумулятивными свойствами.

Лакмус

Этот индикатор стал одним из первых реактивов, используемых на твердых носителях. Лакмус является сложной смесью природных соединений, которую получают из некоторых видов лишайников. Его используют не только как но и как средство для определения pH среды. Это один из первых индикаторов, который начал использоваться человеком в химической практике: его применяют в виде водных растворов или пропитанных им полосок фильтровальной бумаги. Лакмус в твердом состоянии является темным порошком со слабым аммиачным запахом. При растворении в чистой воде цвет индикатора принимает фиолетовое окрашивание, а при подкислении дает красный цвет. В щелочной среде лакмус переходит в синий, что позволяет использовать его как универсальный индикатор для общего определения показателя среды.

Точно установить механизм и характер реакции, протекающих при изменении pH в структурах компонентов лакмуса не представляется возможным, так как в него может входить до 15 различных соединений, причем некоторые из них могут быть неразделимыми действующими веществами, что усложняет их индивидуальные исследования химических и физических свойств.

Универсальная индикаторная бумага

С развитием науки и появлением индикаторных бумаг установление показателей среды многократно упростилось, поскольку теперь не нужно было иметь готовые жидкие реактивы для каких-либо полевых исследований, чем до сих пор успешно пользуются ученые и криминалисты. Так, на смену растворам пришли универсальные индикаторные бумаги, которые благодаря широкому спектру действия практически полностью убрали необходимость использования любых других кислотно-основных индикаторов.

Состав пропитанных полосок может отличаться у различных производителей, поэтому примерный список входящих веществ может быть следующим:

• фенолфталеин (0-3,0 и 8,2-11);
• (ди)метиловый желтый (2,9-4,0);
• метиловый оранжевый (3,1-4,4);
• метиловый красный (4,2-6,2);
• бромтимоловый синий (6,0-7,8);
• α‒нафтолфталеин (7,3-8,7);
• тимоловый синий (8,0-9,6);
• крезолфталеин (8,2-9,8).

На упаковке обязательно приведены эталоны цветной шкалы, позволяющие определить pH среды от 0 до 12 (где-то 14) с точностью до одной целой.

Помимо прочего, данные соединения могут использоваться совместно в водных и водно-спиртовых растворах, что делает применение таких смесей очень удобным. Однако некоторые из этих веществ могут быть плохо растворимы в воде, поэтому необходимо подбирать универсальный органический растворитель.

Благодаря своим свойствам кислотно-основные индикаторы нашли свое применение во многих областях науки, а их многообразие позволило создать универсальные смеси, чувствительные к широкой области показателей pH.

Вы проходите мимо цветка?
Наклонитесь,
Поглядите на чудо,
Которое видеть вы раньше нигде не могли.
Он умеет такое, что никто на земле не умеет.
Например...
Он берет крупинку мягкой черной земли.
Затем он берет дождя дождинку,
И воздуха голубой лоскуток,
И лучик, солнышком пролитой.
Все смешает потом (но где?!)
(Где пробирок, и колб, и спиртовок ряды?),
И вот из одной и той же черного цвета земли
Он то красный, то синий,
то сиреневый, то золотой!

В. Солоухин

Публикация статьи произведена при поддержке бюро переводов «Дружба Народов». В широкий спектр предложений бюро переводов «Дружба Народов» входят услуги технического, юридического, медицинского и устного перевода на 240 языков и диалектов. Профессионализм и высокая квалификация специалистов бюро переводов «Дружба Народов», обеспечивают выполнение услуг, способных удовлетворить требованиям самого взыскательного клиента. Узнать больше о предложении бюро переводов «Дружба Народов» и получить бесплатную онлайн консультацию по интересующим Вас вопросам можно на сайте http://www.druzhbanarodov.com.ua

Пигменты. Какие они бывают

Природа наградила нас необычайным даром – цветовым зрением, а вместе с ним дала возможность восхищаться красотой окружающего растительного мира. Мы с надеждой смотрим на нежную зелень весенней листвы и с грустью любуемся желто-оранжевой гаммой осеннего леса. Кто не восхищался красками цветущего луга, лесной опушки, осенней листвы, даров сада и поля? Цвет волос мы сравниваем с золотистыми колосьями хлеба, а цвет глаз – с синими васильками. Даже сами названия цветов – оранжевый, лиловый, индиго – тоже происходят от названий растений.

Но часто ли вы задавали себе вопросы: отчего зеленые листья осенью желтеют или краснеют? Почему лепестки ромашки белые, а первые весенние листочки тополя красноватые? Почему окружающие растения окрашены именно так, а не иначе, как возникает огромное богатство цветов и оттенков? Почему цветок утром розовый, а к вечеру уже синий? Почему в одном соцветии встречаются венчики цветков с различной окраской – от белой до розовой? Можно ли приготовить краску из цветков розы, василька, ноготков, чтобы холодной зимой радоваться ярким краскам лета? Как человек может применить знания о цвете растений в повседневной жизни? Можно ли цветом лечиться?

Конечно же, если растения окрашены, значит, в них есть красители – пигменты. Растительные пигменты являются предметом исследования многих научных дисциплин. Предмет физической химии – выделение пигментов из растений и определение их химического строения, биохимия исследует процессы, приводящие к образованию окрашенных веществ, физиология изучает их локализацию и миграцию в органах растений, хемотаксономия использует наличие разных пигментов для классификации растений.

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. Максимальное цветоразложение солнечного света приходится на 13–15 часов. Именно в это время луг, поле кажутся нам наиболее ярко и пестро расцвеченными.

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.

Окраска не всегда обусловлена избирательным поглощением света. Так металлический цвет листьев некоторых растений объясняется преломлением света и рассеянием его с поверхности особых «оптических» чешуек или клеток. Но в большинстве случаев ответственными за окраску являются пигменты.

Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, поглощающие свет определенной длины волны. В большинстве случаев «ответственными» за появление окраски являются определенные участки этих молекул, называемые хромофорами . Обычно хромофорный фрагмент состоит из группы атомов, объединенных в цепи или кольца с чередующимися одинарными и двойными связями (–С=С–С=С–). Чем больше таких чередующихся связей, тем глубже окраска. Кроме того, поглощение света усиливается при наличии в молекуле кольцевых структур.

В растительных клетках чаще всего встречаются зеленые пигменты хлорофиллы, красные и синие антоцианы, желтые флавоны и флавонолы, желто-оранжевые каротиноиды и темные меланины. Каждая из этих групп представлена несколькими отличающимися по химическому строению, а следовательно, по поглощению света и окраске пигментами.

А еще цвет пигмента может меняться при изменении кислотности среды, температуры, при взаимодействии с различными веществами. Поэтому важное значение имеет химический состав клеток, особенно вакуолярного сока. Наконец, окраска растения зависит и от строения ткани, в которой содержатся пигменты: ее толщины, количества межклетников, плотности находящегося на поверхности клеток воскового налета…

В растительном мире широко распространен белый цвет: белые цветки, белые стебли, белые пятна на листьях. Белый красящий пигмент называется бетулин. Накапливаясь в клетках коры молодых деревьев, бетулин окрашивает ствол березы в тот прекрасный белый цвет, которым мы все восхищаемся. Но у других растений причиной белой окраски, например венчиков, являются обширные межклетники в сочетании с клетками, лишенными пигментов. Белый цвет им придает... воздух. В этом можно убедиться несколькими способами (Опыт 1).

А что определяет окраску розовых, сиреневых, синих и фиолетовых цветков? Как это ни удивительно, но эти цвета определяет одна группа пигментов – антоцианы, впервые выделенные из цветков василька синего.

Ярко-красные розы, голубые васильки, фиолетовые анютины глазки содержат растворенные в клеточном соке антоцианы. Яблоки, вишни, виноград, черника, голубика, сок листьев и стеблей гречихи, краснокочанной капусты, листьев и корнеплодов столовой свеклы, молодая красная кора эвкалипта, красные осенние листья своим цветом тоже обязаны антоцианам. Если орган растения имеет голубой, синий, фиолетовый цвет, то нет никакого сомнения в том, что его окраска обусловлена антоцианами.

Антоцианы – это гликозиды, возникающие при соединении различных сахаров с циклическими соединениями, называемыми антоцианидинами. Содержатся антоцианы в клеточном соке (вакуолях), значительно реже – в клеточных оболочках.

В присутствии щелочи в молекулах антоцианов происходит перегруппировка двойных и ординарных связей между атомами углерода, что приводит к образованию нового хромофора – в щелочной среде антоцианы приобретают синий или сине-зеленый цвет. Поэтому их можно использовать в качестве кислотно-щелочных индикаторов (Опыт 2). При действии минеральных и органических кислот антоцианы образуют соли красного, при действии щелочей – синего цвета. На цвет антоцианов влияет также способность этих пигментов образовывать комплексные соединения с металлами.

Рассмотрим теперь желтые пигменты, которые широко распространены в мире растений, но в некоторых случаях маскируются антоцианами, хлорофиллом и поэтому менее заметны.

Группа пигментов, способных придать клетке желтый или желто-оранжевый цвет, наиболее многочисленна – это каротиноиды, флавоны, флавонолы и некоторые другие. Флавоны и флавонолы – довольно устойчивые соединения, причем некоторые из них хорошо растворимы в горячей воде. Именно поэтому флавоновые пигменты были первыми красителями, которые наши предки использовали для окраски тканей. Близки к флавонам по строению другие красители желтого цвета – халконы и ауроны. В растениях они содержатся в цветках (лепестки, рыльца пестиков), листьях, плодах. Среди известных нам растений эти пигменты можно обнаружить в листьях и цветках кислицы, кореопсиса, львиного зева. Сосредоточены они в вакуолях эпидермальных клеток. Названия этих пигментов обычно происходят от названий растений, из которых они были впервые выделены. Например, кверцетин – пигмент коры и плодов дуба.

У некоторых, немногочисленных по сравнению с «антоциановой» группой, видов растений оранжевая и красно-коричневая окраска цветков (тагетес прямостоячий, настурция большая) или плодов (томаты, шиповник, ландыш майский) обусловлена не растворенными в клеточном соке антоцианами, а находящимися преимущественно в желтых и оранжевых пластидах (хромопластах) пигментами группы каротиноидов. Название этой группе, в честь одного из пигментов, содержащихся в оранжевых корнях моркови, дал биохимик растений М.С. Цвет. Каротиноиды содержатся практически во всех органах растений: в цветках, листьях, плодах и семенах. В листьях и зеленых плодах каротиноиды находятся в хлоропластах, где маскируются хлорофиллом, и в хромопластах.

Каротиноиды нерастворимы в воде, но хорошо извлекаются из пластид органическими растворителями (бензин, спирт). Их цвет, в отличие от антоцианов, не зависит от кислотности среды. У каротиноидов невозможно выделить какой-нибудь один характерный хромофорный фрагмент, потому что их молекулы включают цепочки атомов с чередующимися ординарными и двойными связями разной длины, – цепочке каждого типа соответствует свой индивидуальный хромофор. По мере удлинения цепи окраска пигментов изменяется от желтой к красной и даже красно-фиолетовой. В молекулах оранжевых и оранжево-красных пигментов β-каротина (пигмент моркови и сладкого перца), рубиксантина (пигмент шиповника) и ликопина (пигмент помидоров) имеется 11 двойных связей, чередующихся с ординарными, а в молекулах красного виолоксантина (пигмент некоторых красных фруктов) – 13.

Каротиноиды вместе с флавоновыми пигментами придают желтый цвет листьям и венчикам цветков огурца, тыквы, одуванчика, лютиков, купальницы, калужницы, чистотела, подсолнечника, плодам кукурузы, тыквы, кабачков, баклажанов, паслена, помидора, дыни, а также многих цитрусовых. Рекордсменом по числу каротиноидных пигментов является стручковый красный перец. А вот по концентрации каротиноидов чемпионами являются плоды абрикоса, корнеплоды моркови и листья петрушки.

Обычно в венчиках растений содержатся и антоцианы, и флавоны, и флавонолы. Например, в цветках львиного зева обнаружено два вида антоцианов (пеларгонидин и цианидин), два флавонола, в том числе кверцетин и несколько флавонов, например лютеолин – пигмент анютиных глазок.

А как обстоит дело с черными пигментами? Абсолютно черного пигмента у растений нет. В кожуре красных сортов винограда, лепестках некоторых цветков, черном чае, чаге (березовый гриб) содержатся черно-коричневые пигменты группы меланинов. Но в большинстве случаев, когда речь идет о черных цветках или плодах, мы имеем дело с накоплением темно-синих антоцианов.

Плоды черники, бузины черной, крушины выглядят черными, поскольку толстый слой окрашенных клеток мякоти полностью поглощает солнечный свет.

Коричневый цвет обусловлен накоплением в клетках больших количеств желтых пигментов, часто в сочетании с окрашенными в красно-коричневые тона дубильными веществами. Например, в плодах конского каштана обыкновенного, дуба черешчатого содержится очень много желтого пигмента кверцетина.

Причиной появления коричневой и черной окраски, кроме того, могут быть бесцветные вещества из группы катехинов. При окислении особыми ферментами они полимеризуются и дают «пищевые» дубильные вещества, окрашенные в красный и коричневый цвета. Катехины хорошо растворимы в горячей воде, накапливаются в вакуолях и в большом количестве содержатся в листьях многих растений, древесине, плодах, листьях (чай).

Самым главным пигментом растений, который обусловливает их принадлежность к отдельному зеленому царству, является, конечно же, хлорофилл. Он содержится в зеленых частях растений (от 0,6 до 1,2% от массы сухого листа).

В состав молекулы хлорофилла входит ион магния. В отличие от обширных групп антоцианов, каротиноидов, флавонов и флавонолов, в клетках всех высших растений имеется только две формы 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 листь-ях высших растений и в большинстве водорослей. Бурые водоросли, кроме того, содержат хлорофилл с , а красные – хлорофилл d .

Значительно реже встречаются в природе протохлорофиллы и хлорофиллиды. Зеленый цвет всех перечисленных пигментов обусловлен наличием в их молекулах ажурного порфиринового цикла, связанного с ионом магния, в чем можно убедиться, проведя простой опыт (Опыт 3).

Цвет хлорофилла, как и любого окрашенного вещества, обусловлен сочетанием тех лучей, которые пигмент не поглощает. Для растворов хлорофилла максимумы поглощения расположены в сине-фиолетовой (430 нм у хлорофилла а и 450 нм у хлорофилла b ) и красной (660 нм у хлорофилла а и 650 нм у хлорофилла b ) областях спектра. Эти лучи поглощаются хлорофиллом полностью. Голубые, желтые, оранжевые лучи поглощаются в гораздо меньшей степени, и их суммарное поглощение определяется общим количеством хлорофилла. Минимум поглощения лежит в зоне зеленых лучей. Совершенно не поглощается хлорофиллом только небольшая часть красных лучей, которые в спектре расположены на границе с инфракрасной областью. Это так называемые дальние красные лучи.

Избирательное поглощение хлорофиллом лучей разной части спектра можно пронаблюдать на опыте (Опыт 4) – по мере увеличения высоты столба жидкости в пробирке наблюдается изменение окраски раствора от ярко-зеленой до вишнево-красной. Значит, правы те, кто видел в густом лесу красное свечение, исходящее из-под полога леса.

Для листьев различного возраста, различных видов растений характерно многообразие оттенков зеленого цвета. Объясняется это тем, что в формировании окраски листа принимает участие не только хлорофилл, но и другие содержащиеся в листе пигменты: желтые каротиноиды, красные антоцианы. Убедиться в разнообразии окрашивающих лист пигментов можно на опыте (Опыт 5).

Таблица. Красители из растительного материала

Зачем пигменты нужны растениям

Самая главная функция пигментов – фотосинтез. Ее осуществляет в первую очередь хлорофилл. Однако важную роль в фотосинтезе играют и некоторые каротиноиды. Они помогают молекулам хлорофилла вернуться в исходное состояние после передачи энергии и предохраняют их от фотоокисления. Используя разнообразные пигменты, растения «умудряются» использовать для фотосинтеза почти весь спектр видимого света, а также часть ультрафиолетового и инфракрасного диапазонов.

С пигментами связана светочувствительность растений, сезонная регуляция метаболизма, роста и цветения, подготовка и переход к фазе покоя, регуляция процессов прорастания семян.

Поглощая ультрафиолетовые лучи, флавоны и флавонолы предохраняют хлорофилл и цитоплазму клеток от разрушения. Очень важная функция, выполняемая каротиноидами, флавонами и антоцианами, состоит в нейтрализации свободных радикалов, нарушающих протекание биохимических процессов в растениях, т.е. эти пигменты обладают антиоксидантными свойствами.

Флавоновые пигменты иногда «применяются» растениями для самозащиты – в качестве противогрибковых или противомикробных агентов, выполняют функции резерва питательных веществ.

Пигменты, содержащиеся 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. Бывает, что у одного и того же растения окраска цветков с возрастом изменяется. Это хорошо заметно у ранневесеннего растения медуницы: розовый цвет ее молодых цветков сменяется по мере старения синим. В этом случае смена окраски служит сигналом для насекомых – не теряйте времени даром!

Как использует растительные пигменты человек

Яркие краски растительного мира радуют наш глаз и доставляют эстетическое наслаждение. Но люди находят растительным краскам и утилитарное применение. Индиго, хна, басма, ализари (ализарин, мареновый корень) – названия этих натуральных красителей известны всем. Да и другие краски издревле получали из растительного сырья. Какого – зависело от географии. В средней полосе России, например, для окрашивания волокон и тканей в желтый цвет использовались цмин песчаный, череда трехраздельная, пупавка красильная, василек луговой, ястребинка зонтичная. В зеленые, коричневые, болотные тона окрашивает шерсть экстракт из наземной части зверобоя продырявленного; в желтые, зеленые, коричневые – вытяжка из корней укропа огородного, желтый краситель получается из молодых листьев березы.

Можно и самим получить растительную краску или чернила (Опыт 6).

Растения, богатые пигментами, находили и находят применение в медицине. Пигмент ликопин (изомер бета-каротина, придающий окраску плодам томата, арбуза и др.) обладает выраженной антиоксидантной активностью, понижает уровень холестерина в крови, повышает физическую и умственную работоспособность. Лютеин (им богаты, например, ягоды черники) вместе с образующимся из него зеаксантином - главные пигменты желтого пятна сетчатки глаза; они обладают высокой антиоксидантной и фотосенсибилизирующей активностью – защищают сетчатку глаза от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей и преждевременного старения. Хлорофилл обладает стимулирующим и тонизирующим действием, повышает основной обмен, тонус кишечника, сердечно-сосудистой системы, дыхательного центра, стимулирует грануляцию и эпителизацию тканей, влияет на формулу крови, увеличивая количество лейкоцитов и гемоглобина, оказывает бактериостатическое действие. А еще хлорофилл усиливает иммунную функцию организма, ускоряя фагоцитоз, является предшественником витамина К, что обусловливает его использование для профилактики мочекаменной болезни, так как он сдерживает образование кристаллов оксалата кальция в моче, активизирует действие ферментов, участвующих в синтезе витаминов Е, А и К. Выводит из организма токсины, поддерживает здоровую кишечную флору, улучшает функции щитовидной и поджелудочной желез, а также действует как слабое мочегонное средство, способствует повышению лактации у кормящих матерей.

Меланиновые пигменты являются сильными антиоксидантами. Синтетический меланин в водных растворах ускоряет рост и созревание плодов, редуцирует деятельность камбия, ускоряет прорастание семян. В организме животных и человека меланины поглощают ультрафиолетовые лучи, защищая ткани глубоких слоев кожи от лучевого повреждения. Длительное введение водорастворимого меланина предотвращает язвообразование, снижает число кровоизлияний в слизистую желудка и препятствует снижению общей массы тела в условиях стресса. В процессе пищеварения меланин частично усваивается при участии микрофлоры кишечника, частично исполняет роль энтеросорбента, регулятора перистальтики, нормализует состав кишечной микрофлоры. Является активным антидотом при острых отравлениях, эффективно выводит из пищеварительного тракта токсины на ранней стадии отравления до их всасывания в кровь. Возможно применение меланина при лечении и профилактике онкологических заболеваний.

Хну (краску, получаемую из листьев кустарника лавсония) используют не только для окраски волос, которые становятся более жесткими, густыми и пышными, но и как бактерицидное средство. Препараты хны (мази и растворы красящих веществ) применяются при потении ног, при экземе, для лечения гнойных ран.

Растительные биофлавоноиды, представляющие собой группу биологически активных веществ (рутин, катехины, кверцетин, цитрин, гесперидин, эриодиктиол, цианидин) называют витамином Р . Всего известно около 150 биофлавоноидов. Особенно много их в цитрусовых, черной смородине, плодах шиповника, щавеле, зеленом чае, салате. Выделенный, например, из кожуры лимона этот витамин уменьшал ломкость и проницаемость капилляров. Этот витамин не вырабатывается нашим организмом и поэтому должен быть включен в ежедневный рацион питания.

Желтый флавиновый пигмент рибофлавин известен как витамин В2, а каротиноид ретинол – как витамин А.

Таблица 1. Растительные красители для пищевых продуктов

Не все пигменты обладают фармакологическим действием. Но все они нетоксичны и отлично подходят для окрашивания продуктов питания. В таком произведении кулинарного искусства, как торт, белковый нежирный крем окрашен в желтый цвет флавоновыми пигментами, вся гамма цветов от красного до синего обеспечивается антоцианами, красивый фиолетовый цвет – это бетацианин из свеклы, а зеленый, конечно же, появляется благодаря хлорофиллам. Жирный крем окрашен в желтый, оранжевый и красный цвета каротиноидами. А вот синих жирорастворимых пигментов у растений нет, поэтому если масляный крем имеет ярко-синий цвет, значит, использовался синтетический краситель.

Говорить о пользе растительных пигментов и о значении их для нас можно бесконечно. Вот еще интересный пример – на способности растений менять окраску в зависимости от химического состава почвы основан биогеохимический метод поиска месторождений полезных ископаемых… «Ну и что?» – спросит кто-то. Да ничего… Просто, глядя на сочную зелень растений, пестрый ковер цветов, самодовольную красноту помидоров на дачном участке, подумайте о том, что все вокруг нас не случайно, все взаимосвязано, подумайте о том, как прекрасен, гармоничен и изумителен мир, в котором мы все живем.

Практикум

Опыт 1. Почему лепестки цветков белые?

Цель: убедиться в том, что белый цвет лепестков фиалки, ромашки, белой лилии и других цветов обусловлен не наличием красящего вещества, а развитой системой межклетников.

1. Рассмотрите под микроскопом лепесток белого цветка фиалки.

2. Удалите воздух из межклетников. Это можно сделать несколькими способами.

А. Осторожно сожмите лепесток пальцами. Воздух из межклетников выходит, и лепесток становится бесцветным и прозрачным, как лед.

Б. Погрузите лепестки в воду. Через несколько часов, когда вода через устьица проникнет в межклетники, лепестки станут бесцветными.

В. Лепестки поместите в шприц (без иглы) и заполните его водой. Установив шприц наконечником вверх, задвиньте поршень, чтобы вытеснить воздух. После этого закройте пальцем отверстие наконечника и отведите поршень вниз. В результате создавшегося разрежения из лепестков в воду начнут выделяться пузырьки воздуха. Через 1–2 мин воздух из межклетников выйдет. Вновь вдвиньте поршень в шприц – вода поступит в межклетники, и лепесток станет прозрачным.

3. Рассмотрите под микроскопом лепесток цветка фиалки, ставший прозрачным после опыта. Воздушные межклетники исчезли.

Вывод: белый цвет лепестков цветов обусловлен развитой системой межклетников.

Опыт 2. Изучение индикаторных свойств антоцианов

Антоцианы – водорастворимые пигменты. Их водную вытяжку можно получить из свеклы, из листьев краснокочанной капусты или из лепестков цветков с цветовой гаммой от розовой до фиолетовой. Для этого 0,5–1 г растительного вещества надо поместить в ступку и измельчить с небольшим количеством хорошо промытого песка, добавить около 5 мл воды и отфильтровать получившийся раствор. В зависимости от вида растения такая вытяжка может быть голубого, синего, фиолетового, розового, малинового цвета.

Антоцианы также содержатся в свекольном соке и соке плодов многих растений: смородины, черноплодной рябины, вишни, малины.

В чистую пробирку налейте 2–3 мл вытяжки пигментов, добавьте 1–2 капли разбавленной кислоты. Если полученная вытяжка антоцианов имела первоначально буроватую окраску, то после добавления капель кислоты она примет красивый розово-красный цвет. Изменения окраски связаны с перестройками в молекуле антоциана.

Определите рН раствора с помощью индикаторной бумаги и добавляйте по каплям разбавленную щелочь или немного, на самом кончике ножа, порошка питьевой соды. Пронаблюдайте за изменением окраски раствора по мере изменения рН. Цикл изменения окраски антоциановых растворов под действием кислот и щелочей можно повторить несколько раз.

Испытайте индикаторные свойства растворов антоцианов, выделенных из разных растений. (Растворы пигментов быстро портятся, поэтому их лучше хранить в холодильнике и готовить непосредственно перед опытом.) Вывод: антоцианы изменяют окраску в зависимости от рН среды, их водные растворы можно использовать в качестве кислотно-щелочных индикаторов.

Таблица 2. Изменения окраски водной вытяжки антоцианов различных растений в кислой и щелочной среде

Опыт 3. Доказательство влияния магния на цвет хлорофилла

Характерное для хлорофилла поглощение света определяется химической структурой его молекулы. Система сопряженных двойных связей играет большую роль в поглощении сине-фиолетовых лучей. Присутствие магния в ядре молекулы обусловливает поглощение в красной области. Нарушение структуры, например удаление из молекулы магния, приводит к изменению цвета хлорофилла. Удалить из хлорофилла магний можно, проделав реакцию взаимодействия хлорофилла с кислотой.

Для работы понадобятся свежие листья злаков или комнатных растений, 95% этиловый спирт, фарфоровая ступка с пестиком, воронка и фильтровальная бумага, 10% раствор соляной кислоты, уксуснокислый цинк, спиртовка, пипетка, 4 пробирки.

Осторожно! Не забывайте о правилах работы с концентрированными кислотами!

Сначала надо получить спиртовую вытяжку пигментов листа. Для этого к измельченным листьям (для опыта достаточно 1–2 листьев пеларгонии) добавьте 5–10 мл этилового спирта, на кончике ножа порошок СаСО3 (мел) для нейтрализации кислот клеточного сока и разотрите в фарфоровой ступке до однородной зеленой массы. Прилейте еще этилового спирта и осторожно продолжайте растирание, пока спирт не окрасится в интенсивно зеленый цвет. Полученную спиртовую вытяжку отфильтруйте в чистую сухую пробирку или колбу.

Рассмотрите полученный раствор хлорофилла в проходящем свете (он имеет зеленый цвет) и в отраженном свете (вишнево-красный – явление флуоресценции). Если добавить к вытяжке (в отдельной пробирке) несколько капель воды и встряхнуть, то прозрачный раствор хлорофилла мутнеет (явление флуоресценции исчезает).

Перенесите по 2–3 мл спиртовой вытяжки пигментов в три чистые пробирки. Одна из пробирок контрольная, в две другие добавьте по 2–3 капли раствора соляной кислоты. Цвет раствора меняется на бурый: в результате взаимодействия с кислотой магний в молекуле хлорофилла замещается двумя атомами водорода и образуется вещество бурого цвета – феофитин. Одну из пробирок с феофитином оставьте для контроля, а в другую внесите на кончике ножа уксуснокислый цинк и нагрейте на водяной бане до кипения. Атом цинка замещает атомы водорода (заместившие ранее магний) в молекуле хлорофилла и бурый цвет раствора вновь меняется на зеленый.

Вывод: цвет хлорофилла зависит от наличия металлоорганической связи в его молекуле.

Опыт 4. Изучение зависимости цвета вытяжки пигментов листа от количества хлорофилла

В этом опыте свет должен проходить через раствор хлорофилла снизу вверх – нам понадобится источник света, который можно разместить под пробиркой. Это может быть положенная горизонтально настольная лампа без абажура, осветитель для аквариума, мощный фонарь и т.п. Кроме того, нужно приготовить темно-зеленую спиртовую вытяжку пигментов листа, как указано в опыте 3.

Высокую пробирку оберните черной бумагой, чтобы свет не попадал на раствор сбоку, и поместите ее над источником света. Смотрите в пробирку сверху и добавляйте в нее небольшими порциями раствор хлорофилла.

Пока вытяжки в пробирке немного, ее цвет изумрудно-зеленый – за счет поглощения в первую очередь лучей сине-фиолетовой и красной областей спектра. Голубые, желтые и оранжевые лучи поглощаются в очень небольшой степени. Однако по мере увеличения количества вытяжки в пробирке суммарное количество поглощенного света в этих областях (сначала в голубой и желтой областях спектра, а затем и зеленых лучей) возрастает. На определенном этапе остаются непоглощенными только дальние красные лучи, и раствор в пробирке приобретает вишнево-красный цвет.

Вывод: хлорофилл поглощает лучи большей части видимого спектра, но интенсивность поглощения разных лучей неодинакова. Суммарное поглощение зависит от общего количества хлорофилла.

Опыт 5. Разделение смеси спирторастворимых пигментов

Приготовим спиртовую вытяжку пигментов листа (Опыт 3). Вытяжка имеет зеленый цвет, но на самом деле в ней, помимо хлорофиллов, содержатся и желтые пигменты группы каротиноидов – каротин и ксантофилл. Убедиться в этом можно несколькими способами.

На фильтровальную бумагу нанесите стеклянной палочкой каплю полученной спиртовой вытяжки пигментов листа. Через 3–5 мин на бумаге образуются цветные концентрические круги: в центре зеленый (хлорофилл), снаружи – желтый (каротиноиды).

Полоску фильтровальной бумаги шириной примерно в 1 см и длиной 20 см погрузите одним концом в пробирку с вытяжкой. Через несколько минут на бумаге появится зеленая полоса хлорофилла, а выше нее – желтые полосы каротиноидов (каротина и ксантофилла). В зеленой зоне можно различить две полосы: зеленую (хлорофилл а) и зелено-желтую (хлорофилл b).

Разделение пигментов обусловлено их различной адсорбцией (поглощением в поверхностном слое) на фильтровальной бумаге и неодинаковой растворимостью в растворителе, в данном случае – этиловом спирте. Каротиноиды хуже, по сравнению с хлорофиллом, адсорбируются на фильтровальной бумаге, передвигаются по ней дальше хлорофилла.

На различной растворимости пигментов в разных растворителях основан еще один способ их разделения. Для этой работы нам понадобится чистый (для заправки зажигалок) бензин.

Осторожно! Не забывайте о правилах работы с огнеопасными жидкостями!

В пробирку налейте 2–3 мл спиртовой вытяжки пигментов листа, добавьте столько же бензина и 1–2 капли воды. Закройте пробирку пробкой (можно и большим пальцем), энергично взболтайте в течение 2–3 мин и дайте отстояться.

Жидкость в пробирке разделится на два слоя: более легкий бензин наверху, спирт – внизу. Спирт будет окрашен в желтый цвет пигментом ксантофиллом, который в бензине не растворяется. Бензиновый слой будет зеленым за счет растворенного в нем хлорофилла. На самом деле там же, в бензиновом слое, содержится и каротин, но его цвет маскируется интенсивно зеленым цветом хлорофилла.

Чтобы убедиться в том, что в бензиновом слое действительно присутствует пигмент каротин, нам понадобится 20% раствор гидроксида натрия или гидроксида калия.

Осторожно! Не забывайте о правилах работы с концентрированной щелочью!

По химическому строению хлорофилл представляет собой сложный эфир дикарбоновой кислоты хлорофиллина и двух спиртов: метилового и фитола. При взаимодействии сложных эфиров со щелочами происходит реакция омыления – разрыв сложноэфирных связей с образованием соли данной кислоты и спиртов. В результате реакции омыления хлорофилла образуется натриевая или калиевая соль хлорофиллина, метиловый спирт и фитол.

Налейте в пробирку 2–3 мл спиртовой вытяжки пигментов, добавьте 4–5 капель 20% раствора щелочи, закройте пробирку пробкой (в данном случае именно пробкой, не пальцем!), взболтайте. Происходит реакция взаимодействия хлорофилла со щелочью. Цвет раствора не меняется, так как хлорофиллины натрия и калия имеют зеленую окраску.

Добавьте в пробирку бензин в таком количестве, чтобы общий объем жидкости в пробирке увеличился в два раза, взболтайте и дайте отстояться. Жидкость в пробирке разделится на два слоя – внизу спирт, наверху – более легкий бензин.

Нижний спиртовой слой окрасится в зеленый цвет благодаря присутствию в нем соли – хлорофиллина натрия, которая, в отличие от хлорофилла, в бензине нерастворима. Здесь же, в спиртовом слое, находится пигмент ксантофилл, но его окраска маскируется интенсивно зеленым цветом натриевой соли хлорофиллина. Верхний слой бензина будет окрашен в желтый цвет пигментом каротином.

Вывод: спиртовая вытяжка листа содержит хлорофилл и два желтых пигмента – каротин и ксантофилл. Цвет листа растения в первую очередь зависит от количественного соотношения этих пигментов, а также от возможного присутствия пигментов группы антоцианов.

В продолжение работы интересно взять для анализа экстракты листьев разного цвета – разных видов растений и разного возраста. Взрослые сформировавшиеся листья содержат больше хлорофилла, чем молодые. Старые листья содержат больше желтых пигментов. Поэтому окраска листа изменяется с возрастом: от желто-зеленой у молодых до интенсивно зеленой у взрослых и желтой у опадающих осенних листьев.

Опыт 6. Получение растительных красителей

I. Получение красителя из луковой шелухи

Экстракт шелухи лука широко применяется для окрашивания пищевых продуктов и тканей в желто-коричневый цвет.

Для работы понадобятся железо-аммонийные квасцы [(NH 4)2SO 4 × Fe 2 (SO 4) 3 × 24 H 2 O] и сульфат железа (II).

1. 100 г луковой шелухи залейте на 30–35 мин 1 л теплой воды, добавьте 1 чайную ложку питьевой соды и прокипятите 1,5 ч на слабом огне, слегка помешивая.

2. Экстракт слейте, а шелуху лука еще раз залейте небольшим количеством воды и прокипятите в течение часа. Снова слейте экстракт, смешайте с полученной ранее порцией и дайте отстояться. Для увеличения концентрации красителя полученный экстракт можно упарить.

Для получения стойкого окрашивания нужно использовать протравитель (4 г квасцов или 1 г сульфата железа на 2 л воды). Окраску можно проводить тремя способами:

а) с предварительным протравливанием: окрашиваемый материал прокипятите 15–20 мин в растворе протравителя, затем переложите в холодный раствор красителя и прокипятите 45–60 мин;

б) с одновременным протравливанием: раствор протравителя добавьте к раствору красителя, опустите туда окрашиваемый материал и, все время его переворачивая, доведите до кипения;

в) с последующим протравливанием: материал прокипятите около 1 ч в отваре красителя, затем добавьте в раствор протравитель и кипятите еще 40 мин.

3. Окрашенную ткань или пряжу прополощите в теплой воде, в которую добавлено немного столового уксуса.

При кипячении в экстракте из луковой шелухи материал постепенно окрасится в темно-коричневый цвет. При одновременном использовании квасцов или сульфата железа (II) материал окрасится в черный цвет.

Другие варианты окрашивания с помощью растительных материалов приведены в таблице 3.

Таблица 3. Окраска растительными красителями с протравой

II. Получение чернил из растительного материала

Некоторые виды растительного сырья, богатого дубильными веществами, могут быть использованы в качестве чернил. Для работы понадобится сульфат железа (II).

1. Приготовьте 20% водный раствор сульфата железа (II).

2. Залейте 2 г сухого чайного листа 50 мл горячей воды и нагревайте 30–40 мин на кипящей водяной бане.

3. Раствор отфильтруйте, к осадку добавьте еще 20–25 мл воды, прокипятите и снова отфильтруйте. Фильтраты объедините и упарьте до объема 8–10 мл.

4. К 2 мл теплого фильтрата добавьте 0,5–1 мл 20% раствора сульфата железа (II) до появления черного цвета. Чтобы загустить чернила, добавьте 1–2 г сахарного песка.

Вместо чая можно использовать другое сырье, богатое дубильными веществами: дубовую кору, корни лапчатки прямостоячей или щавеля курчавого, плоды конского каштана обыкновенного или бузины черной. Такого материала для работы понадобится 50–100 г.

Опыт 7. Изготовление самодельной индикаторной бумаги

Лучшими индикаторными свойствами обладает вытяжка из листьев краснокочанной капусты. Исходно она имеет малиново-сиреневый цвет. В сильнокислой среде (рН 2–3) приобретает красный, а при рН 4–5 – розовый цвет. Далее по мере нейтрализации розово-красный цвет изменяется сначала на сиреневый, затем на светло-синий (рН 6–7). При переходе значений рН в щелочную область цвет раствора становится зеленым (рН 8), желто-зеленым (рН 9–10) и в сильно щелочной среде (рН выше 10) – желтым.

Пропитав этой вытяжкой полоски фильтровальной бумаги и высушив их, можно получить хорошую индикаторную бумагу для достаточно точного определения рН растворов в кислой области. Чтобы приготовить индикатор на щелочь (красную индикаторную бумагу) вытяжку краснокочанной капусты перед пропитыванием фильтровальной бумаги нужно предварительно подкислить 1–2 каплями уксуса до появления розовой окраски.

Индикаторные свойства красителя из краснокачанной капусты сходны с лакмусом: область перехода окраски лежит в интервале рН 3–12. Для более точного определения рН раствора нужно составить цветную шкалу изменений окраски этого индикатора.

Полученную индикаторную бумагу можно использовать для определения рН различных веществ и кислотности почвы (табл. 4).

Таблица 4. Изменение окраски индикатора из краснокочанной капусты в растворах бытовых веществ

Литература

Артамонов В.И. Занимательная физиология растений. – М.: Агропромиздат, 1991.
Бердоносов С.С., Бердоносов П.С. Справочник по общей химии. – М.: АСТ Астрель, 2002.
Головко Т.К. Дыхание растений (физиологические аспекты). – СПб: Наука, 1999.
Детская энциклопедия. – М.: Академия педагогических наук РСФСР, 1959.
Заленский О.В. Эколого-физиологические аспекты изучения фотосинтеза / Тимирязевские чтения. – Л.: Наука, 1977. Вып. 37. 57 с.
Лебедева Т.С., Сытник К.М. Пигменты растительного мира. – Киев: Наукова думка, 1986.
Ольгин О. Опыты без взрыва. – М.: Химия, 1986.
Пчелов А.М. Природа и ее жизнь. – Л.: Жизнь, 1990.
Эткинс П. Молекулы. – М.: Мир, 1991.

Фото М. и О.Бариновых

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа с.ФилипповоКирово – Чепецкого района Кировской области

Исследовательский проект

Изменение окраски листьев и листопад клёна остролистного осенью

Выполнила: Лыскова Вера,

ученица 4 класса

МКОУ СОШ с.Филиппово

Руководитель: Козьминых Н.В.,

учитель начальных классов

Филиппово

Паспорт проекта……...………….……………………………………… 3-5

Отчеты по этапам…………………………………………………………6

1. Подготовительный этап. ……………………………………………6-9

   Практический этап. . ………………………………………………10-12

   Контрольно-оценочный этап. ……………………………………13-14

Заключение………………………….………………………………………15

Список используемых источников….......................................................16

Приложение………………………………………………………………….17-27

Паспорт проекта

Название проекта: Изучение окраски листьев и листопад клёна остролистного осенью

Участник проекта: Лыскова Вера, ученица 4 класса МКОУ СОШ с.Филиппово

Руководитель: Козьминых Нина Владимировна, учитель начальных классов

Тип проекта: долгосрочный, индивидуальный, исследовательский, предназначен для детей младшего школьного возраста.

Продолжительность проекта: 7 месяцев

Образовательная область: познавательно- исследовательская (биология, экология)

Проблема: Как, когда и почему меняется цвет листьев клёна осенью?

Почему листья меняют свой цвет?

Почему осенью листья окрашены по - разному?

Как происходит процесс изменения окраски листьев клёна?

Сколько времени длится листопад у клёна?

Цель: изучение окраски листьев и листопада клёна остролистного осенью для создания видеофильма

Изучить научную литературу о клёне остролистном, изменении окраски листьев клёна, листопаде в летне - осенний период.

Провести фенологические наблюдения за изменением окраски листьев с середины августа по конец листопада и состоянием погоды.

Сделать вывод о сезонных изменениях, происходящих с листьями клёна остролистного.

Собрать материал для гербария и видеофильма.

Объект: клён остролистный

Предмет: изменение окраски листьев и листопад клёна остролистного в летне-осенний период

Изучение и анализ литературы и результатов деятельности.

Наблюдение.

Сравнение.

Обобщение.

Фотографирование, видеосъёмка.

Экспертная оценка.

Планируемые результаты

В ходе работы над проектом я научусь:

Осуществлять поиск информации (самостоятельно и совместно со взрослыми) в литературе и Интернет-источниках;

Собирать, фиксировать, сравнивать, обобщать и оценивать результаты наблюдений, формулировать выводы и выражать собственную точку зрения;

Работать в программах Microsoft office Word и Киностудия по созданию видеофильма;

Выступать публично, отвечать на вопросы по теме проекта.

Аннотация

В проекте исследуется фенологическое изменение окраски листьев клёна остролистного в период с 12 августа по конец сентября 2015 года. Объектом наблюдения был выбран одиноко стоящий клён, растущий около д. №16 по улице М.Злобина села Филиппово, описан участок местонахождения клёна. Также для получения достоверных результатов фиксировались изменения у клёнов по улицам М.Злобина и Заева. Проведённые наблюдения показали, что окрашивание листа клёна происходит от края к центру листа, а самого дерева – от верхушки к нижним ветвям, сбрасывание листвы началось со 2 сентября, конец листопада –25 сентября. В процессе исследования отмечались погодные условия (температура воздуха, ветер, осадки). Также ход наблюдений фиксировался видеосъёмкой и фотографированием. Дано научное обоснование проекта об осенних сезонных изменениях, происходящих в листьях деревьев, о листопаде. Одним из главных источником информации стало учебное пособие В.А.Копосова, профессора ВГПУ, «Фенологические наблюдения в природе», в котором рассматриваются периоды осени, характерные для нашего региона.

Большое место в подготовке проекта занимала практическая работа по переработке научной информации в доступную для детей начальной школы, а также трудоёмкий процесс работы с собранным фото- и видеоматериалом на этапе подготовки к презентации. Практическая значимость проекта: создано учебное пособие для занятий по окружающему миру.

Продукт проектной деятельности: видеофильм

Оборудование и материалы: фотоаппарат, компьютер (программы Microsoft office Word, Киностудия), проектор, цветной принтер, бумага.

Отчёт по этапам

Подготовительный этап:

Подобрать и изучить научно - познавательную литературу по теме проекта.

Подготовить необходимое оборудование и материалы.

Составить план наблюдений.

Отчёт по результатам изучения научно-познавательной литературы

Введение

Постепенный спад лета в нашем регионе начинается с 16 августа. Происходит плавное сокращение светового дня, уменьшение количества солнечного тепла, поступающего на Землю, изменение окраски растений. На смену летнему разноцветью в смешанные леса нашего региона приходит золотая осень. Смолкают голоса птиц, пахнет листьями и грибами, воздух чистый, прозрачный. Сентябрь называют «задумчивым» месяцем. Тишина в природе нарушается лишь шелестом падающей с крон деревьев листвы да шумом от набежавшего холодного ветра. Природа готовится к грядущим переменам. Осень является сложным периодом в жизни растений. Многолетние травы, кустарники и деревья в осенний период начинают активно готовиться к перезимовке. Большинство деревьев на зиму сбрасывает листву. Листопаду предшествует осенняя окраска листьев.

Изучением законов сезонного развития природы занимается наука фенология. Периодические природные явления на нашей планете зависят, прежде всего, от изменений количества лучистой энергии, которую Земля получает от Солнца. Осень, по мнению фенологов, подразделяется на четыре периода: первоосенье, золотая осень, глубокая осень и предзимье.

Цвет осенних листьев

Изменение цвета осенних листьев происходит с зелёной листвой листопадных деревьев и кустарников, в результате чего они окрашиваются в один или несколько цветов от золотисто-льняного, почти белого до багрового в коричневых прожилках. Окраска листьев определяется пигментами. Зелёный лист имеет такой цвет из-за присутствия пигмента хлорофилла, когда он в большом количестве содержится в клетках. Это происходит во время периода роста растения. Летом зелёный цвет хлорофилла преобладает, затмевая цвета других пигментов.

Поздним летом жилки, переносящие соки в лист и из листа, постепенно закрываются и количество воды и минералов, поступающих в лист, уменьшается. Количество хлорофилла тоже начинает снижаться.Часто жилки остаются всё ещё зелёными, даже когда лист давно полностью изменил цвет. Цвет листа изменяется за счёт других пигментов.

Каротиноиды имеют преимущественно жёлтый или оранжевый цвет. Они всегда присутствуют в листьях, но перекрываются зелёным цветом хлорофилла.

Антоцианы ответственны за красные цвета в листьях, не присутствуют в листьях до тех пор, пока не начнёт снижаться уровень хлорофилла.

Коричневый цвет листьев возникает не из-за действия какого-либо пигмента, а из-за клеточных стенок, которые становятся заметными, когда отсутствуют видимые красящие пигменты.

Цвет осенних листьев обусловлен генетически у каждого вида растения. А вот будет ли этот цвет тусклым или ярким, зависит от погоды.
Самые яркие и сочные цвета листьев бывают, когда долго стоит погода: дни – ясные, ночи - холодные, осень – сухая и солнечная. При температуре от 0 до 7 градусов Цельсия усиливается образование антоцианина, красный цвет листьев становится интенсивнее. Желтая или красная окраска листьев может сохраняться несколько недель после того, как они опали на землю.
2.1.2. Листопад деревьев и кустарников

Что же вызывает листопад? Если во время листопада рассмотреть листья деревьев, то нетрудно обнаружить у основания листового черешка разделительный слой пробковых клеток. После образования разделительного слоя доступ влаги в лист прекращается, и они легко осыпаются даже под собственной тяжестью и от действия ветра. В тенистых, сырых местах листопад наступает позже, так как корни растений там больше всасывают влаги и передают её в стебель и листья. На возвышенностях – листья осыпаются раньше в связи с недостатком влаги. Сбрасывая листву, растения приспособились к жизни в суровых условиях зимнего периода. Листопад помогает деревьям и кустарникам переносить не только длительные холода, но и засуху. Как известно, корни растений не способны всасывать холодную воду, а листья постоянно испаряют влагу через устьица, и это могло бы привести растения к усыханию и гибели. Благодаря листопаду деревья избавляются от вредных продуктов обмена веществ, а полезные вещества растения сохраняют в стволе, корнях. Листопад сохраняет деревья и кустарники от снеголомов во время зимы.

Характеристика наблюдаемого объекта

Клён остроли́стный, или Клён платанови́дный, или Клён платаноли́стный (лат. Ácer platanoídes ) - вид клёна, широко распространённый в Европе и Юго-Западной Азии.

Листопадное дерево высотой 12-28 м с красивой, широкой, густой шаровидной кроной. Кора молодых деревьев гладкая, серо-коричневая, с возрастом темнеет и покрывается длинными, узкими, продольными трещинами.Ветви крепкие, широкие, направлены вверх. Листья простые, супротивные, до 18 см в длину. В верхней части листья тёмно-зелёные, снизу более бледные. Осенью они приобретают жёлтую или оранжевую окраску, а затем опадают.

Цветки душистые, желтовато-зелёные, собраны вместе по 15-30 цветков. Появляются в первой половине мая до и во время распускания листьев. Опыляется насекомыми.

Плод - крылатка, крылья способны уносить семя на большое расстояние. Семена голые, могут оставаться на дереве в течение зимы. Клён остролистный плодоносит ежегодно, в России - в сентябре.

Первые 3 года клён растёт довольно быстро, годовой прирост молодого дерева может достигать 1 метра, плодоносить начинает через 17 лет. В природе живёт до 150 лет.

План наблюдений :

1.Каждую неделю приходить к клёну и отмечать состояние погоды, описывать внешний вид клёна, отмечая изменение окраски листьев. В период интенсивного окрашивания листвы и листопада увеличить частоту посещений.

2.Фиксировать результаты наблюдения с помощью фотографирования, видеосъёмки и письменных записей.

3.Заносить результаты в таблицу:

4.Подготовить видеофильм и гербарий по материалу наблюдений.

5.Сделать вывод о сезонных изменениях, происходящих с клёном остролистным в период с конца лета и до окончания листопада.

Практический этап:

Описать участок местонахождения объекта наблюдения.

Провести наблюдения и зафиксировать результаты

Подготовить продукт проекта.

Сделать вывод (заключение)

Описание местонахождения клёна

Объект нашего наблюдения растёт во дворе многоквартирного кирпичного дома №16 по улице М.Злобина с. Филиппово Кирово – Чепецкого района. Участок находится на противоположной от дома стороне асфальтированной дороги, прилегает к огороду, вблизи есть детская площадка. Почва суглинистая, достаточно плотная, поверхность ровная. На данном участке, кроме клёна, рядом растут берёзы, расстояние между деревьями 3 метра. Клён хорошо освещён с южной и западной стороны, растёт на краю участка, расстояние до дороги около 3 метров.

Наблюдения за изменением окраски листьев и листопадом клёна остролистного

Наше наблюдение начали 12 августа. Спад лета в нашей местности начинается с 16 августа и продолжается до конца месяца. Среднесуточные температуры постепенно понижаются. Появляются первые желтые листья. Короче становятся дни. На землю опускается туман, на траву – роса.

Начало осеннего окрашивания листьев отмечается в тот день, когда появляются на растениях окрашенные листья, а к ним с каждым днем прибавляются новые. Начало листопада отмечается в день, когда при встряхивании ветвей осыпается 3-5 листьев. Полное осеннее окрашивание листьев отмечается в день, когда изменили окраску листья на большинстве растений наблюдаемого вида. Конец листопада отмечается в день, когда большинство экземпляров данной породы полностью утратили листья.

Таким образом, окрашивание листа клёна происходит от края к центру листа, от верхушки к нижним ветвям, цвет листьев – оранжевый, жёлтый. Сбрасывание первой листвы началось со 2 сентября, массовый листопад – 16 сентября, конец листопада – 25 сентября. Благоприятные погодные условия для окрашивания листвы в яркий цвет: ночи достаточно холодные, а дни тёплые, солнечные и сухие. Для сравнения велись наблюдения за другими деревьями, которые растут по ул. М.Злобина и ул. Заева, сроки изменения окраски листвы на клёнах и время листопада совпадали.

2.3.Контрольно – оценочный этап:

1. Провести презентацию проекта, ответить на вопросы по теме.

2. Получить экспертную оценку проекта.

3. Дать самооценку проделанной работе.

2.3.1. Экспертная оценка (рецензия)

Проект представлен на 17 страницах с приложением на 10 страницах, содержит 1 таблицу, 16 фотографий.

В проекте изучаются вопросы, связанные с наблюдениями в природе по временам года. У каждого времени года свои особенности, свои законы сезонного развития природы. Проектная работа ученицы 4 класса актуальна в связи с личным осознанием красоты и неповторимости природы и понимания взаимосвязей живой и неживой природы. Автор выбрал интересную и доступную тему исследования, сформулировал проблему, поставил цель и задачи. Для решения поставленных задач было изучено5 литературных источников, в том числе Интернет – ресурсы, спланированы и проведены наблюдения, разнообразно представлены результаты работы по этапам проекта. Текст соответствует поставленным задачам, хорошо оформлен и проиллюстрирован собственными фотографиями. В заключении даны достаточно чёткие и логичные выводы. Продукт проекта – видеофильм – наглядно демонстрирует, как происходят сезонные изменения в живой природе на примере клёна остролистного. Работа над продуктом проекта показала возможности ученицы в сфере ИКТ. Содержащийся в приложении фенологический осенний календарь природы указывает на перспективность этого проекта по изучению живой природы. Пожелания автору: продолжить работу над проектом, расширив его фенологическими наблюдениями за весенний и летний период.

Проектная работа ученицы 4 класса МКОУ СОШ с.Филиппово Лысковой Веры может быть представлена на конкурсы эколого – биологической направленности.

Рецензент: Щеклеина Н.Г., учитель биологии МКОУ СОШ с.Филиппово

Самооценка

Я, ученица 4 класса МКОУ СОШ с.Филиппово Лыскова Вера, ещё в 3 классе начала интересоваться, какими красками волшебница – осень украшает деревья. Самое красивое дерево – клён. У него пышная крона и большие резные листья, которые можно собирать в букеты. Я передавала красоту клёна красками на бумаге, фотографировала. А к новой осени под руководством моего учителя начала исследовательский проект «Изменение окраски листьев и листопад клёна остролистного осенью».

Я узнала, почему осенью листья меняют свою окраску и опадают с деревьев. Мне было интересно наблюдать за этим явлением природы, фиксировать свои наблюдения, объяснять происходящие перемены, а потом создать фильм, в котором наглядно видно, как происходит это чудо природы.

У меня возникли трудности, когда я столкнулась с незнакомыми ранее терминами, которые встретились в литературе (хлорофилл, пигменты, каротиноиды и т.д.), но постепенно я запомнила эти названия.

Я хотела бы продолжить работу над проектом.

Заключение

В ходе работы над проектом:

изучили литературу об осенних изменениях, происходящих с листьями клёна остролистного, и листопадом;

описали внешний вид листа, изменение его окраски;

дали описание местоположения объекта наблюдения;

провели наблюдения за объектом и сравнили с другими клёнами, по итогам составили таблицу с указанием погодных условий;

создали видеофильм для показа учащимся начальной школы.

Наблюдения показали, что окрашивание листа клёна происходит от края к центру листа, а самого дерева – от верхушки к нижним ветвям, цвет листьев – от оранжевого к ярко – жёлтому. Сбрасывание первой листвы началось со 2 сентября, массовый листопад – 16 сентября, конец листопада – 25 сентября. Были благоприятные погодные условия для окрашивания листвы в яркий цвет: ночи достаточно холодные, а дни тёплые, солнечные и сухие. Для сравнения велись наблюдения за другими деревьями, которые растут по ул. М.Злобина и ул. Заева, сроки изменения окраски листвы на клёнах и время листопада совпадали.

Таким образом, были найдены ответы на проблемные вопросы, поставленные в начале проекта. Расширились знания о сезонных явлениях в жизни деревьев. На примере клёна остролистного установили, как неживая природа (солнечное тепло, продолжительность светового дня, осадки, ветер) влияет на живой организм: дерево приспосабливается к новым условиям, сначала изменяется окраска листьев, потом происходит сбрасывание листвы. Перспективы проекта: с помощью взрослых высадить молодые клёны весной для озеленения улиц нашего села, так это очень красивое и быстрорастущее растение.

Список используемых источников

Курт - Гильзенбах.Х. Деревья[Текст].Энциклопедия «Что есть что»- Слово, 1997.- 48 с.

Копысов, В.А.Фенологические наблюдения в природе [Текст]: учебное пособие.- Киров, 2009. – 135с.

Природа, хозяйство, экология Кировской области [Текст] : [Сб. статей] – Киров: Кировский областной комитет охраны природы, 1996. – 490 с.

Сайт экологического центра "Экосистема", http://www.ecosystema.ru/. (последняя дата обращения: 07.12.15.)

Сайт всемирной энциклопедии, https://ru.wikipedia.org/wiki/ Цвета_осенних_листьев (последняя дата обращения:14.12.15.

Приложение 1

Клён остролистный

Фото 1. Клён остролистный Фото 2. Лист

Фото 3. Цветки Фото 4. Плоды

Фотоматериалы с http://yandex.ru (последняя дата обращения 12.08.15.)

Приложение 2

Фотоматериалы наблюдений за окраской листьев и листопадом

клёна остролистного

Фото 6. Листья клёна начинают менять цвет.

Фото10. Осенняя экскурсия.

Фото 16. Завершение практического этапа проекта

Приложение 3

Фенологический календарь осенних изменений в природе

Первоосенье

Последняя гроза.

Отлёт деревенских ласточек.

Последние крики стрижей.

Первые зрелые плоды брусники.

Первые жёлтые листья на берёзах.

Первые жёлтые листья на липах.

Первые жёлтые листья на черёмухе.

Первые жёлтые листья на рябинах.

Первые жёлтые листья на осинах.

Первые стаи журавлей на пролёте.

Переход среднесуточной температуры через +10° С.

Созревание желудей у дуба.

Появление желтых листьев у большинства деревьев и кустарников.

Начало листопада у липы.

Появление летящей паутины.

Начало листопада у черёмухи.

Начался листопад у берёзы.

Начался листопад у осины.

Первые стаи гусей на пролёте.

Появление свиристелей.

Начался листопад у тополя.

Начался листопад у рябины.

Первый заморозок в воздухе.

Полная осенняя окраска листьев у липы.

Появление сорок около жилищ.

Первые стаи уток на осеннем пролёте.

Полная осенняя окраска листвы у рябины.

Полная окраска листьев у черемухи.

29.Полная окраска листьев у тополя.

30.Полная осенняя окраска листьев у осины.

Золотая осень

Полная осенняя окраска у большинства деревьев и кустарников (исключая сирень, ольху).

Начало пожелтения хвои у лиственницы.

Окончание листопада у липы.

Окончание листопада у черёмухи.

Окончание листопада у осины.

Окончание листопада у рябины и берёзы.

Глубокая осень

1. Окончание массового листопада у большинства деревьев и кустарников

2. Улетели последние грачи.

Начало листопада у лиственницы.

Полная осенняя окраска хвои лиственницы.

Последняя стая гусей.

Первый снежный покров.

Начало листопада у сирени.

Последняя стая уток

Окончание листопада у сирени.

Окончание листопада у лиственницы.

Предзимье

1.Температуры опустились ниже 0° С.

2.Установление постоянного снежного покрова.

3.Реки покрылись льдом.

4.Установление санного пути.