Zinātnieki zina, kas ir augu pigmenti – zaļš un violets, dzeltens un sarkans. Augu pigmentus sauc par organiskām molekulām, kas atrodas audos, augu organisma šūnās – tieši pateicoties šādiem ieslēgumiem tie iegūst krāsu. Dabā hlorofils ir sastopams biežāk nekā citi, kas atrodas jebkura augstāka auga organismā. Oranžu, sarkanīgu toni, dzeltenīgus toņus nodrošina karotinoīdi.
Un vairāk informācijas?
Augu pigmenti ir atrodami hromo-, hloroplastos. Kopumā mūsdienu zinātne zina vairākus simtus šāda veida savienojumu šķirņu. Fotosintēzei ir nepieciešams iespaidīgs procentuālais daudzums no visām atklātajām molekulām. Kā liecina testi, pigmenti ir retinola avoti. Rozā un sarkanā nokrāsas, brūnu un zilganu krāsu variācijas nodrošina antocianīnu klātbūtne. Šādi pigmenti ir novērojami augu šūnu sulā. Kad aukstajā sezonā dienas kļūst īsākas,pigmenti reaģē ar citiem savienojumiem, kas atrodas auga ķermenī, izraisot iepriekš zaļo daļu krāsas izmaiņas. Koku lapotne kļūst koša un krāsaina – tas pats rudens, pie kā esam pieraduši.
Slavenākais
Varbūt gandrīz katrs vidusskolēns zina par hlorofilu – fotosintēzei nepieciešamo augu pigmentu. Pateicoties šim savienojumam, augu pasaules pārstāvis var absorbēt saules gaismu. Tomēr uz mūsu planētas ne tikai augi nevar pastāvēt bez hlorofila. Kā liecina turpmākie pētījumi, šis savienojums cilvēcei ir absolūti neaizstājams, jo nodrošina dabisku aizsardzību pret vēža procesiem. Ir pierādīts, ka pigments inhibē kancerogēnus un garantē DNS aizsardzību pret mutācijām toksisku savienojumu ietekmē.
Hlorofils ir augu zaļais pigments, kas ķīmiski pārstāv molekulu. Tas ir lokalizēts hloroplastos. Šādas molekulas dēļ šīs zonas ir iekrāsotas zaļā krāsā. Savā struktūrā molekula ir porfirīna gredzens. Šīs specifikas dēļ pigments atgādina hēmu, kas ir hemoglobīna struktūras elements. Galvenā atšķirība ir centrālajā atomā: hēmā dzelzs ieņem savu vietu; hlorofilam magnijs ir vissvarīgākais. Zinātnieki šo faktu pirmo reizi atklāja 1930. gadā. Notikums notika 15 gadus pēc tam, kad Vilstaters atklāja vielu.
Ķīmija un bioloģija
Pirmkārt, zinātnieki atklāja, ka zaļajam pigmentam augos ir divas šķirnes, kurām tika doti nosaukumi diviem.latīņu alfabēta pirmie burti. Atšķirība starp šķirnēm, lai arī neliela, joprojām pastāv, un tā ir visvairāk pamanāma sānu ķēžu analīzē. Pirmajai šķirnei savu lomu spēlē CH3, otrajam tipam - CHO. Abas hlorofila formas pieder aktīvo fotoreceptoru klasei. Pateicoties tiem, augs var absorbēt saules starojuma enerģijas komponentu. Pēc tam tika identificēti vēl trīs hlorofila veidi.
Zinātnē zaļo pigmentu augos sauc par hlorofilu. Pētot atšķirības starp divām galvenajām šīs molekulas šķirnēm, kas raksturīgas augstākai veģetācijai, tika konstatēts, ka viļņu garumi, ko pigments var absorbēt, A un B tipiem ir nedaudz atšķirīgi. Faktiski, pēc zinātnieku domām, šķirnes efektīvi papildina katru. citi, tādējādi nodrošinot augu ar spēju maksimāli absorbēt nepieciešamo enerģijas daudzumu. Parasti pirmā veida hlorofils parasti tiek novērots trīs reizes lielākā koncentrācijā nekā otrais. Kopā tie veido zaļo augu pigmentu. Trīs citi veidi ir sastopami tikai senajās veģetācijas formās.
Molekulu pazīmes
Pētot augu pigmentu struktūru, tika konstatēts, ka abi hlorofila veidi ir taukos šķīstošas molekulas. Laboratorijās radītās sintētiskās šķirnes izšķīst ūdenī, bet to uzsūkšanās organismā iespējama tikai taukainu savienojumu klātbūtnē. Augi izmanto pigmentu, lai nodrošinātu augšanas enerģiju. Cilvēku uzturā to lieto atveseļošanās nolūkos.
Hlorofils, patīkhemoglobīns var normāli funkcionēt un ražot ogļhidrātus, kad tas ir savienots ar olb altumvielu ķēdēm. Vizuāli šķiet, ka proteīns ir veidojums bez skaidras sistēmas un struktūras, bet patiesībā tas ir pareizi, un tāpēc hlorofils var stabili saglabāt savu optimālo stāvokli.
Aktivitātes līdzekļi
Zinātnieki, pētot šo augstāko augu galveno pigmentu, atklāja, ka tas ir atrodams visos zaļumos: sarakstā ir dārzeņi, aļģes, baktērijas. Hlorofils ir pilnīgi dabisks savienojums. Pēc būtības tam piemīt aizsarga īpašības un tas novērš DNS transformāciju, mutāciju toksisku savienojumu ietekmē. Pētniecības institūta Indijas botāniskajā dārzā tika organizēts īpašs pētnieciskais darbs. Kā atklājuši zinātnieki, no svaigiem augiem iegūtais hlorofils var aizsargāt pret toksiskiem savienojumiem, patoloģiskām baktērijām, kā arī nomierina iekaisuma aktivitāti.
Hlorofils ir īslaicīgs. Šīs molekulas ir ļoti trauslas. Saules stari noved pie pigmenta nāves, bet zaļā lapa spēj radīt jaunas un jaunas molekulas, kas aizstāj tos, kas kalpojuši saviem biedriem. Rudens sezonā hlorofils vairs netiek ražots, tāpēc lapotne zaudē savu krāsu. Priekšplānā izvirzās citi pigmenti, kas iepriekš bija paslēpti no ārēja novērotāja acīm.
Daudzveidībai nav ierobežojumu
Mūsdienu pētniekiem zināmā augu pigmentu dažādība ir ārkārtīgi liela. Gadu no gada zinātnieki atklāj arvien jaunas molekulas. Salīdzinoši nesen veiktapētījumi ir ļāvuši divām iepriekš minētajām hlorofila šķirnēm pievienot vēl trīs veidus: C, C1, E. Tomēr A tips joprojām tiek uzskatīts par vissvarīgāko. Bet karotinoīdi ir vienmērīgi. daudzveidīgāks. Šī pigmentu klase zinātnei ir labi zināma – tieši to dēļ nokrāsas iegūst burkānu saknes, daudzi dārzeņi, citrusaugļi un citas augu pasaules dāvanas. Papildu testi ir parādījuši, ka kanārijputniņiem ir dzeltenas spalvas karotinoīdu dēļ. Tie arī piešķir krāsu olas dzeltenumam. Karotinoīdu pārpilnības dēļ Āzijas iedzīvotājiem ir savdabīgs ādas tonis.
Ne cilvēkam, ne dzīvnieku pasaules pārstāvjiem nav tādu bioķīmijas īpašību, kas ļautu ražot karotinoīdus. Šīs vielas parādās uz A vitamīna bāzes. To pierāda novērojumi uz augu pigmentiem: ja vista nesaņēma veģetāciju ar barību, olu dzeltenumi būs ļoti vājā nokrāsa. Ja kanārijputniņš ir barots ar lielu daudzumu barības, kas bagātināts ar sarkanajiem karotinoīdiem, tās spalvas iegūs spilgti sarkanu nokrāsu.
Ziņkārīgas īpašības: karotinoīdi
Dzelteno pigmentu augos sauc par karotīnu. Zinātnieki ir atklājuši, ka ksantofili nodrošina sarkanu nokrāsu. Zinātnieku aprindām zināmo šo divu veidu pārstāvju skaits nepārtraukti pieaug. 1947. gadā zinātnieki zināja apmēram septiņus desmitus karotinoīdu, un 1970. gadā to bija jau vairāk nekā divi simti. Zināmā mērā tas ir līdzīgs zināšanu progresam fizikas jomā: vispirms viņi zināja par atomiem, tad elektroniem un protoniem un pēc tam atklājavēl mazākas daļiņas, kuru apzīmēšanai izmantoti tikai burti. Vai var runāt par elementārdaļiņām? Kā pierādījuši fiziķu testi, šādu terminu lietot vēl ir pāragri - zinātne vēl nav attīstīta tiktāl, lai būtu iespējams tos atrast, ja vispār būtu. Līdzīga situācija izveidojusies ar pigmentiem - gadu no gada tiek atklātas jaunas sugas un tipi, un biologi tikai brīnās, nespējot izskaidrot daudzpusīgo dabu.
Par funkcijām
Zinātnieki, kas nodarbojas ar augstāku augu pigmentiem, vēl nevar izskaidrot, kāpēc un kāpēc daba ir nodrošinājusi tik daudz dažādu pigmenta molekulu. Ir atklāta dažu atsevišķu šķirņu funkcionalitāte. Ir pierādīts, ka karotīns ir nepieciešams, lai nodrošinātu hlorofila molekulu drošību no oksidēšanās. Aizsardzības mehānisms ir saistīts ar singleta skābekļa īpašībām, kas veidojas fotosintēzes reakcijas laikā kā papildu produkts. Šis savienojums ir ļoti agresīvs.
Vēl viena dzeltenā pigmenta iezīme augu šūnās ir tā spēja palielināt fotosintēzes procesam nepieciešamo viļņa garuma intervālu. Šobrīd šāda funkcija nav precīzi pierādīta, taču ir veikts daudz pētījumu, kas liecina, ka hipotēzes galīgais pierādījums nav tālu. Starus, ko zaļais augu pigments nespēj absorbēt, absorbē dzeltenā pigmenta molekulas. Pēc tam enerģija tiek novirzīta uz hlorofilu tālākai transformācijai.
Pigmenti: tik dažādi
Izņemot dažuskarotinoīdu šķirnēm, pigmentiem, ko sauc par auroniem, halkoniem ir dzeltena krāsa. To ķīmiskā struktūra daudzējādā ziņā ir līdzīga flavoniem. Šādi pigmenti dabā nav sastopami ļoti bieži. Tie tika atrasti skrejlapās, skābeņu un snapdragonu ziedkopās, tie nodrošina coreopsis krāsu. Šādi pigmenti nepanes tabakas dūmus. Ja augu fumigējat ar cigareti, tas uzreiz kļūs sarkans. Bioloģiskā sintēze, kas notiek augu šūnās, piedaloties halkoniem, izraisa flavonolu, flavonu, auronu veidošanos.
Gan dzīvniekiem, gan augiem ir melanīns. Šis pigments piešķir matiem brūnu nokrāsu, tieši pateicoties tam cirtas var kļūt melnas. Ja šūnās nav melanīna, dzīvnieku pasaules pārstāvji kļūst par albīniem. Augos pigments ir atrodams sarkano vīnogu mizā un dažās ziedkopās ziedlapiņās.
Zils un vairāk
Veģetācija iegūst zilo nokrāsu, pateicoties fitohromam. Tas ir proteīna augu pigments, kas atbild par ziedēšanas kontroli. Tas regulē sēklu dīgtspēju. Ir zināms, ka fitohroms var paātrināt dažu augu pasaules pārstāvju ziedēšanu, savukārt citiem ir pretējs palēnināšanās process. Zināmā mērā to var salīdzināt ar pulksteni, bet bioloģisku. Šobrīd zinātnieki vēl nezina visas pigmenta darbības mehānisma specifikas. Tika konstatēts, ka šīs molekulas struktūra ir pielāgota diennakts laikam un gaismai, pārraidot informāciju par gaismas līmeni vidē uz augu.
Zilais pigments iekšāaugi - antocianīns. Tomēr ir vairākas šķirnes. Antocianīni piešķir ne tikai zilu, bet arī rozā krāsu, tie arī izskaidro sarkano un ceriņu krāsu, dažkārt tumši, piesātinātu violetu. Aktīva antocianīnu veidošanās augu šūnās tiek novērota, kad apkārtējās vides temperatūra pazeminās, hlorofila veidošanās apstājas. Lapu krāsa mainās no zaļas uz sarkanu, sarkanu, zilu. Pateicoties antocianīniem, rozēm un magonēm ir spilgti koši ziedi. Tas pats pigments izskaidro ģerānijas un rudzupuķu ziedkopu nokrāsas. Pateicoties zilajai antocianīna šķirnei, zilajiem zvaniņiem ir maiga krāsa. Atsevišķas šāda veida pigmenta šķirnes tiek novērotas vīnogās, sarkanajos kāpostos. Antocianīni nodrošina plūmju, plūmju krāsojumu.
Gaiši un tumši
Pazīstams dzeltenais pigments, ko zinātnieki sauca par antohloru. Tas tika atrasts prīmulas ziedlapu ādā. Antohlors sastopams prīmulās, aunu ziedkopās. Tās ir bagātas ar dzelteno šķirņu magonēm un dālijām. Šis pigments piešķir patīkamu krāsu krupju linu ziedkopām, citronu augļiem. Tas ir identificēts dažos citos augos.
Antofeīns dabā ir salīdzinoši rets. Tas ir tumšs pigments. Pateicoties viņam, uz dažu pākšaugu vainaga parādās specifiski plankumi.
Visi spilgti pigmenti ir dabas radīti augu pasaules pārstāvju specifiskam krāsojumam. Pateicoties šai krāsošanai, augs piesaista putnus un dzīvniekus. Tas nodrošina sēklu izplatīšanos.
Par šūnām un struktūru
Mēģina noteiktcik stipri augu krāsa ir atkarīga no pigmentiem, kā šīs molekulas ir izkārtojušās, kāpēc nepieciešams viss pigmentācijas process, zinātnieki atklājuši, ka augu ķermenī atrodas plastidi. Šis nosaukums ir dots maziem ķermeņiem, kas var būt krāsaini, bet arī bezkrāsaini. Šādi mazi ķermeņi ir tikai un vienīgi starp augu pasaules pārstāvjiem. Visi plastidi tika sadalīti hloroplastos ar zaļu nokrāsu, hromoplastos, kas iekrāsoti dažādās sarkanā spektra variācijās (ieskaitot dzeltenos un pārejas toņus), un leikoplastos. Pēdējām nav nekādu nokrāsu.
Parasti augu šūnā ir viena plastidu šķirne. Eksperimenti ir parādījuši šo ķermeņu spēju pārveidoties no veida uz tipu. Hloroplasti ir atrodami visos zaļi iekrāsotos augu orgānos. Leukoplasti biežāk tiek novēroti daļās, kas paslēptas no tiešiem saules stariem. Daudz to ir sakneņos, tie atrodami bumbuļos, dažu augu veidu sieta daļiņās. Hromoplasti ir raksturīgi ziedlapiņām, gataviem augļiem. Tilakoīdu membrānas ir bagātinātas ar hlorofilu un karotinoīdiem. Leikoplasti nesatur pigmenta molekulas, bet var būt vieta sintēzes procesiem, uzturvielu savienojumu uzkrāšanai - olb altumvielām, cietei, reizēm taukiem.
Reakcijas un pārvērtības
Pētot augstāko augu fotosintēzes pigmentus, zinātnieki ir atklājuši, ka hromoplasti ir sarkanā krāsā karotinoīdu klātbūtnes dēļ. Ir vispāratzīts, ka hromoplasti ir pēdējais plastidu attīstības posms. Tie, iespējams, parādās leikoplastu, hloroplastu transformācijas laikā, kad tie noveco. Lielā mērāšādu molekulu klātbūtne nosaka lapotnes krāsu rudenī, kā arī košus, acij tīkamus ziedus un augļus. Karotinoīdus ražo aļģes, augu planktons un augi. Tos var radīt dažas baktērijas, sēnītes. Karotinoīdi ir atbildīgi par dzīvo augu pasaules pārstāvju krāsu. Dažiem dzīvniekiem ir bioķīmijas sistēmas, kuru dēļ karotinoīdi tiek pārveidoti citās molekulās. Izejvielu šādai reakcijai iegūst no pārtikas.
Saskaņā ar rozā flamingo novērojumiem šie putni savāc un filtrē spirulīnu un dažas citas aļģes, lai iegūtu dzeltenu pigmentu, no kura pēc tam parādās kantaksantīns, astaksantīns. Tieši šīs molekulas piešķir putnu apspalvojumam tik skaistu krāsu. Daudzām zivīm un putniem, vēžiem un kukaiņiem ir spilgta krāsa, pateicoties karotinoīdiem, kas tiek iegūti ar uzturu. Beta-karotīns tiek pārveidots par dažiem vitamīniem, kas tiek izmantoti cilvēka labā – tie aizsargā acis no ultravioletā starojuma.
Sarkans un zaļš
Runājot par augstāko augu fotosintēzes pigmentiem, jāatzīmē, ka tie spēj absorbēt gaismas viļņu fotonus. Jāatzīmē, ka tas attiecas tikai uz cilvēka acij redzamo spektra daļu, tas ir, uz viļņa garumu diapazonā no 400 līdz 700 nm. Augu daļiņas spēj absorbēt tikai tādus kvantus, kuriem ir pietiekamas enerģijas rezerves fotosintēzes reakcijai. Par absorbciju ir atbildīgi tikai pigmenti. Zinātnieki pētījuši senākās augu pasaules dzīvības formas – baktērijas, aļģes. Ir noskaidrots, ka tie satur dažādus savienojumus, kas spēj uztvert gaismu redzamajā spektrā. Dažas šķirnes var uztvert gaismas starojuma viļņus, ko cilvēka acs neuztver - no bloka infrasarkanā tuvumā. Papildus hlorofiliem šāda funkcionalitāte pēc būtības ir piešķirta bakteriorodopsīnam, bakteriohlorofiliem. Pētījumi ir parādījuši, cik svarīgas ir fikobilīnu un karotinoīdu sintēzes reakcijas.
Augu fotosintētisko pigmentu daudzveidība dažādās grupās atšķiras. Daudz ko nosaka apstākļi, kādos dzīvo dzīvības forma. Augstākās augu pasaules pārstāvjiem ir mazāka pigmentu dažādība nekā evolucionāri senajām šķirnēm.
Par ko ir runa?
Pētot augu fotosintētiskos pigmentus, mēs atklājām, ka augstākām augu formām ir tikai divas hlorofila šķirnes (minētas iepriekš A, B). Abi šie veidi ir porfirīni, kuriem ir magnija atoms. Tie galvenokārt ir iekļauti gaismas savākšanas kompleksos, kas absorbē gaismas enerģiju un novirza to uz reakcijas centriem. Centri satur salīdzinoši nelielu procentuālo daļu no kopējā augā esošā 1. tipa hlorofila. Šeit notiek primārā fotosintēzei raksturīgā mijiedarbība. Hlorofilam ir pievienoti karotinoīdi: kā noskaidrojuši zinātnieki, parasti ir piecas to šķirnes, ne vairāk. Šie elementi arī savāc gaismu.
Izšķīduši, hlorofili, karotinoīdi ir augu pigmenti, kuriem ir šauras gaismas absorbcijas joslas, kas atrodas diezgan tālu viena no otras. Hlorofilam ir visefektīvākā spējaabsorbē zilos viļņus, tie var strādāt ar sarkanajiem, bet ļoti vāji uztver zaļo gaismu. Spektra paplašināšanos un pārklāšanos nodrošina hloroplasti, kas izolēti no auga lapām bez lielām grūtībām. Hloroplastu membrānas atšķiras no šķīdumiem, jo krāsvielas tiek kombinētas ar olb altumvielām, taukiem, reaģē savā starpā un enerģija migrē starp kolektoriem un uzkrāšanas centriem. Ja ņemam vērā lapas gaismas absorbcijas spektru, tā izrādīsies vēl sarežģītāka, gludāka nekā viens hloroplasts.
Atspīdums un absorbcija
Pētot augu lapu pigmentus, zinātnieki ir atklājuši, ka noteikta daļa gaismas, kas skar lapu, tiek atstarota. Šī parādība tika sadalīta divās šķirnēs: spogulis, difūzs. Viņi saka par pirmo, ja virsma ir spīdīga, gluda. Loksnes atspulgu galvenokārt veido otrais veids. Gaisma iesūcas biezumā, izkliedējas, maina virzienu, jo gan ārējā slānī, gan loksnes iekšpusē ir atdalošās virsmas ar dažādiem refrakcijas rādītājiem. Līdzīgi efekti tiek novēroti, kad gaisma iet caur šūnām. Nav spēcīgas absorbcijas, optiskais ceļš ir daudz lielāks par loksnes biezumu, mērot ģeometriski, un loksne spēj absorbēt vairāk gaismas nekā no tās iegūtais pigments. Lapas arī absorbē daudz vairāk enerģijas nekā hloroplasti, kas pētīti atsevišķi.
Tā kā ir dažādi augu pigmenti - attiecīgi sarkans, zaļš un tā tālāk - absorbcijas parādība ir nevienmērīga. Loksne spēj uztvert dažāda viļņa garuma gaismu, bet procesa efektivitāte ir lieliska. Vislielākā zaļās lapotnes absorbcijas spēja ir raksturīga spektra violetajam blokam, sarkanajam, zilajam un zilajam. Absorbcijas stiprumu praktiski nenosaka tas, cik koncentrēti ir hlorofili. Tas ir saistīts ar faktu, ka barotnei ir augsta izkliedes jauda. Ja pigmenti tiek novēroti lielā koncentrācijā, uzsūkšanās notiek virsmas tuvumā.
