Ученым известно, какие существуют пигменты растений – зеленые и фиолетовые, желтые и красные. Растительными пигментами назвали органические молекулы, которые есть в тканях, клетках растительного организма – именно благодаря таким включениям они приобретают окраску. В природе чаще прочих встречается хлорофилл, присутствующий в теле всякого высшего растения. Оранжевый, красноватый тон, желтоватые оттенки обеспечены каротиноидами.
А если подробнее?
Пигменты растений находятся в хромо-, хлоропластах. Всего современная наука знает несколько сотен разновидностей соединений этого типа. Внушительный процент всех обнаруженных молекул необходим для фотосинтеза. Как показали испытания, пигменты – это источники ретинола. Розовый и красный оттенки, вариации бурого и голубоватые колеры обеспечены наличием антоцианов. Такие пигменты наблюдаются в растительном клеточном соке. Когда в период похолодания дни становятся короче, пигменты вступают в реакции с иными соединениями, присутствующими в теле растения, отчего меняется окраска прежде зеленых частей. Листва деревьев становится яркой и красочной – той самой осенней, к которой мы привыкли.
Самый известный
Пожалуй, практически любой школьник средней школы знает про хлорофилл – пигмент растений, необходимый для фотосинтеза. За счет этого соединения представитель растительного мира может поглощать свет солнца. Впрочем, на нашей планете не только растения не могут существовать без хлорофилла. Как показали дальнейшие исследования, это соединение совершенно незаменимо для человечества, так как обеспечивает естественную защиту от раковых процессов. Доказали, что пигмент угнетает канцерогены и гарантирует ДНК защиту от мутаций под влиянием отравляющих соединений.
Хлорофилл – зеленый пигмент растений, химически представляющий собой молекулу. Она локализована в хлоропластах. Именно за счет такой молекулы эти участки окрашены в зеленый. По своей структуре молекула – порфириновое кольцо. За счет этой специфики пигмент напоминает гем, являющийся структурным элементом гемоглобина. Ключевое отличие в центральном атоме: у гема его место занимает железо, для хлорофилла самым значимым является магний. Впервые ученые выявили этот факт в 1930 году. Событие произошло спустя 15 лет после открытия вещества Вильштаттером.
Химия и биология
Сперва ученые установили, что пигмент зеленого цвета в растениях бывает двух разновидностей, которым дали наименования по двум первым буквам латинского алфавита. Разница между разновидностями хоть и невелика, но все же есть, и наиболее ощутима при анализе боковых цепей. Для первой разновидности их роль играет СН3, для второго типа – СНО. Обе формы хлорофилла принадлежат к классу активных фоторецепторов. За их счет растение может поглощать энергетическую составляющую солнечного излучения. Впоследствии выявили еще три типа хлорофилла.
В науке зеленый пигмент растений называется хлорофиллом. Исследуя отличия двух основных разновидностей этой молекулы, присущей высшей растительности, выявили, что длина волн, которые могут поглощаться посредством пигмента, несколько отлична для типов А и В. Фактически, как считают ученые, разновидности эффективно дополняют друг друга, тем самым обеспечивая растению способность максимально качественно поглощать необходимые объемы энергии. В норме обычно первый тип хлорофилла наблюдается во втрое большей концентрации, нежели второй. Суммарно они формируют зеленый растительный пигмент. Три прочих типа нашли только у древних форм растительности.
Особенности молекул
Изучая строение пигментов растений, выявили, что обе разновидности хлорофилла – это молекулы, растворимые жиром. Синтетические разновидности, созданные в лабораториях, растворяются водой, но их всасывание в организме возможно только при наличии жирных соединений. Растениями пигмент используется для получения энергии, обеспечивающей рост. В рационе людей он применяется с целью оздоровления.
Хлорофилл, как и гемоглобин, может нормально функционировать и производить углеводы, если соединен с протеиновыми цепочками. Визуально белок кажется образованием без четкой системы и структуры, но таковая на самом деле правильная, и именно поэтому хлорофилл может стабильно сохранять оптимальное положение.
Особенности активности
Ученые, изучая этот основной пигмент высших растений, обнаружили, что он есть во всякой зелени: в список включены овощи, водоросли, бактерии. Хлорофилл – полностью натуральное соединение. По природе оно обладает качествами протектора и предупреждает трансформацию, мутацию ДНК под влиянием отравляющих соединений. Были организованы специальные исследовательские работы в индийском ботаническом саду при НИИ. Как удалось обнаружить ученым, полученный из свежей зелени хлорофилл может уберечь от отравляющих соединений, патологических бактерий, а также успокаивает активность очагов воспаления.
Хлорофилл недолговечен. Эти молекулы очень хрупкие. Солнечные лучи ведут к гибели пигмента, но зеленый лист в силах генерировать новые и новые молекулы, замещающие отслуживших свое товарищей. В осенний сезон хлорофилл более не вырабатывается, поэтому листва теряет свой цвет. На первый план выходят другие пигменты, до этого скрытые от глаз внешнего наблюдателя.
Разнообразию нет предела
Разнообразие растительных пигментов, известных современным исследователям, исключительно велико. Из года в год ученые обнаруживают все новые молекулы. Сравнительно недавно проведенные исследования позволили добавить к двум упомянутым выше разновидностям хлорофилла еще три типа: С, С1, Е. Впрочем, самым главным по-прежнему считается тип А. А вот каротиноиды еще более разнообразны. Этот класс пигментов науке известен неплохо – именно за их счет приобретают оттенки корнеплоды моркови, многие овощи, плоды цитрусовых деревья и иные дары растительного мира. Как показали дополнительные испытания, канарейки имеют перья, окрашенные в желтый, именно благодаря каротиноидам. Они же дают цвет яичному желтку. За счет обилия каротиноидов азиатские жители обладают своеобразным оттенком кожи.
Ни человек, ни представители животного мира не располагают такими особенностями биохимии, которые бы позволяли вырабатывать каротиноиды. Эти вещества появляются на базе витамина А. Это доказывают наблюдения, посвященные пигментам растений: если курица с продуктами питания не получала растительность, желтки яиц будут очень слабого оттенка. Если канарейка получала большое количество пищи, обогащенной красными каротиноидами, ее перья приобретут яркий оттенок красного.
Любопытные особенности: каротиноиды
Желтый пигмент растений называется каротином. Ученые установили, что красный оттенок обеспечивают ксантофиллы. Число известных научному сообществу представителей этих двух типов постоянно увеличивается. В 1947 году ученые знали около семи десятков каротиноидов, а к 1970 их насчитывалось уже более двух сотен. В некоторой степени это сродни прогрессу знаний в сфере физики: сперва знали об атомах, затем – электронах и протонах, а впоследствии выявили еще более мелкие частицы, для обозначения которых используют лишь литеры. Можно ли говорить об элементарных частицах? Как показали испытания физиков, пока использовать такой термин рано – наука еще не развита в той степени, чтобы удалось их найти, если такие есть. Сходная ситуация сложилась с пигментами – из года в год открывают все новые виды и типы, а биологи лишь удивляются, не в силах объяснить многоликую природу.
О функциях
Ученые, занимающиеся пигментами высших растений, пока не могут объяснить, для чего и почему природа предусмотрела столь большое разнообразие пигментных молекул. Выявлена функциональность некоторых отдельных разновидностей. Доказали, что каротин необходим для обеспечения сохранности хлорофилловых молекул от окисления. Механизм защиты обусловлен особенностями синглетного кислорода, формирующегося при реакции фотосинтеза в качестве дополнительного продукта. Это соединение отличается повышенной агрессивностью.
Еще одна особенность желтого пигмента в клетках растения – его способность увеличивать интервал длины волны, необходимой для процесса фотосинтеза. В настоящий момент такая функция не доказана точно, но проведено немало исследований, позволяющих предположить, что окончательное доказательство гипотезы «не за горами». Лучи, которые зеленый растительный пигмент не может усвоить, поглощаются желтыми пигментными молекулами. Затем энергия направляется хлорофиллу для дальнейшей трансформации.
Пигменты: такие разные
Кроме некоторых разновидностей каротиноидов, желтый цвет имеют пигменты, названные ауронами, халконами. Их химическое строение во многом напоминает флавоны. Такие пигменты в природе встречаются не слишком часто. Их нашли в листочках, соцветиях кислицы и львиного зева, ими обеспечивается окраска кореопсиса. Такие пигменты не переносят табачного дыма. Если окурить растение сигаретой, оно сразу покраснеет. Биологический синтез, протекающий в клетках растений с участием халконов, приводит к генерированию флавонолов, флавонов, ауронов.
И у животных, и у растений есть меланин. Этот пигмент обеспечивает коричневый оттенок волос, именно благодаря ему локоны могут стать черными. Если клетки не содержат меланина, представители животного мира становятся альбиносами. У растений пигмент обнаружен в кожуре красного винограда и у некоторых соцветий в лепестках.
Голубые и не только
Голубой оттенок растительность получает благодаря фитохрому. Это протеиновый растительный пигмент, ответственный за контроль цветения. Он регулирует прорастание семечка. Известно, что фитохром может ускорить цветение некоторых представителей растительного мира, у других происходит противоположный процесс замедления. В некоторой степени его можно сравнить с часами, но биологическими. В настоящий момент ученые пока не знают всю специфику механизма действия пигмента. Обнаружили, что строение этой молекулы корректируется временем суток и освещенностью, передавая информацию об уровне света в среде растению.
Синий пигмент в растениях – антоциан. Впрочем, есть несколько разновидностей. Антоцианы не только дают синюю окраску, но и розовую, ими же объясняются красный и сиреневый цвета, иногда – темный, насыщенный фиолетовый. Активная генерация антоцианов в растительных клетках наблюдается, когда понижается температура окружающего пространства, останавливается генерирование хлорофилла. Окраска листвы меняется с зеленой на красную, рыжую, синюю. Благодаря антоциану розы и маки имеют яркие алые цветы. Этот же пигмент объясняет оттенки соцветий герани и васильков. Благодаря голубой разновидности антоциана колокольчики имеют свой нежный цвет. Определенные разновидности этого типа пигментов наблюдаются в винограде, краснокочанной капусте. Антоцианы обеспечивают окрашивание терна, сливы.
Яркие и темные
Известен желтый пигмент, который ученые назвали антохлором. Его обнаружили в кожице лепестков первоцвета. Антохлор найден в примулах, соцветиях баранчика. Им богаты маки желтых сортов и георгины. Этот пигмент дает приятный цвет соцветиям льнянки, лимонным плодам. Он выявлен в некоторых других растениях.
Сравнительно редко в природе встречается антофеин. Это темный пигмент. Благодаря ему появляются специфические пятнышки на венчике некоторых бобовых культур.
Все яркие пигменты задуманы природой для специфической окраски представителей растительного мира. Благодаря такой расцветке растение привлекает птиц, животных. Тем самым обеспечивается распространение семян.
О клетках и строении
Пытаясь определить, насколько сильно зависит окраска растений от пигментов, как эти молекулы устроены, зачем необходим весь процесс пигментации, ученые обнаружили, что в организме растений присутствуют пластиды. Так назвали небольшие тельца, которые могут иметь окраску, но бывают также бесцветными. Такие тельца есть только и исключительно у представителей растительного мира. Все пластиды разделили на хлоропласты, имеющие зеленый оттенок, хромопласты, окрашенные в разные вариации красного спектра (включая желтый и переходные оттенки), и лейкопласты. Последним не присущи какие-либо оттенки.
В норме растительная клетка содержит одну разновидность пластидов. Эксперименты показали способность этих телец трансформироваться из типа в тип. Хлоропласты обнаружены у всех растительных органов, окрашенных в зеленый. Лейкопласты чаще наблюдаются в частях, скрытых от прямых лучей солнца. Их много в корневищах, они обнаружены в клубнях, ситовидных частицах некоторых типов растений. Хромопласты типичны для лепестков, поспевших плодов. Тилакоидные мембраны обогащены хлорофиллом и каротиноидами. Лейкопласты не содержат пигментных молекул, но могут быть локацией процессов синтеза, скапливания питательных соединений – протеинов, крахмала, изредка жиров.
Реакции и трансформации
Изучая фотосинтетические пигменты высших растений, ученые выявили, что хромопласты окрашены в рыжий, красный благодаря присутствию каротиноидов. Принято думать, хромопласты – заключительный шаг развития пластидов. Вероятно, они появляются при трансформации лейко-, хлоропластов, когда те стареют. Во многом наличие таких молекул определяет цвет листвы по осени, а также яркие, радующие глаз цветы, плоды. Каротиноиды продуцируются водорослями, растительным планктоном, растениями. Их могут генерировать некоторые бактерии, грибы. Каротиноиды ответственны за окраску живых представителей растительного мира. Некоторые животные располагают системами биохимии, за счет которой каротиноиды трансформируются в иные молекулы. Исходное сырье для такой реакции получают с пищей.
Как показали наблюдения за розовыми фламинго, эти птицы собирают и фильтруют спирулину и некоторые другие водоросли для получения желтого пигмента, откуда затем появляются кантаксантин, астаксантин. Именно эти молекулы дают птичьему оперению такой красивый цвет. Многие рыбы и птицы, раки и насекомые имеют яркий цвет благодаря каротиноидам, которые получают с питанием. Бета-каротин трансформируется в некоторые витамины, которые используются на пользу человека – они защищают глаза от влияния ультрафиолета.
Красный и зеленый
Говоря о фотосинтетических пигментах высших растений, следует отметить, что такие могут поглощать кванты световых волн. Отмечается, что это относится лишь к части спектра, видимой для человеческого глаза, то есть для длины волны в границах 400-700 нм. Растительные частицы могут поглощать лишь кванты, располагающие достаточным энергетическим запасом для реакции фотосинтеза. Ответственность за поглощение возложена исключительно на пигменты. Учеными исследованы древнейшие формы жизни растительного мира – бактерии, водоросли. Установлено, что в них есть разные соединения, которые могут акцептировать свет видимого спектра. Некоторые разновидности могут принимать световые волны излучения, не воспринимаемого человеческим глазом – из блока, ближнего к инфракрасному. Кроме хлорофиллов такая функциональность природой возложена на бактериородопсин, бактериохлорофиллы. Исследования показали важность для реакций синтеза фикобилинов, каротиноидов.
Разнообразие фотосинтетических пигментов растений отличается от группы к группе. Многое определяется условиями, в которых форма жизни обитает. У представителей высшего растительного мира разнообразие пигментов меньше, нежели у эволюционно древних разновидностей.
О чем идет речь?
Изучая фотосинтетические пигменты растений, обнаружили, что у высших растительных форм есть лишь две разновидности хлорофилла (упомянутые ранее А, В). Оба этих типа – порфирины, в которые есть атом магния. Преимущественно они входят в светособирающие комплексы, которые поглощают энергию света и направляют ее реакционным центрам. В центрах содержится сравнительно малый процент общего имеющегося у растения хлорофилла первого типа. Здесь протекают первичные взаимодействия, характерные фотосинтезу. Хлорофиллы сопровождаются каротиноидами: их, как выяснили ученые, обычно наблюдается пять разновидностей, не более. Эти элементы также собирают свет.
Будучи растворенными, хлорофиллы, каротиноиды – пигменты растений, имеющие узкие полосы светопоглощения, отстоящие друг от друга довольно значительно. Хлорофиллам присуща способность максимально эффективно поглощать синие волны, они могут работать с красными, но очень слабо улавливают зеленый свет. Расширение спектра и перекрытие обеспечивается хлоропластами, выделяемыми из листьев растения без особенного труда. Мембраны хлоропластов отличаются от растворов, поскольку красящие компоненты соединены с протеинами, жирами, вступают в реакции друг с другом, а энергия мигрирует между сборниками и центрами накопления. Если рассматривать спектр светопоглощения листа, он окажется еще более сложным, сглаженным, нежели отдельного хлоропласта.
Отражение и поглощение
Изучая пигменты листа растения, ученые установили, что некоторый процент попадающего на листок света отражается. Такое явление разделили на две разновидности: зеркальную, диффузную. Про первую говорят, если поверхность блестит, гладкая. Отражение листа преимущественно формируется вторым типом. Свет просачивается в толщу, рассеивается, меняет направление, поскольку и во внешнем слое, и внутри листа есть разделяющие поверхности с разными показателями преломления. Аналогичные эффекты наблюдаются, когда свет проходит сквозь клетки. Сильного поглощения нет, оптический путь намного больше толщины листа, измеренной геометрически, и листок способен поглотить больше света, нежели пигмент, выделенный из него. Листья поглощают намного больше энергии и в сравнении с отдельно исследуемыми хлоропластами.
Поскольку есть разные пигменты растений – красные, зеленые и прочие – соответственно, явление поглощения неравномерное. Лист способен воспринимать свет разной длины волны, но эффективность процесса отлична. Наиболее высокая поглощающая способность зеленой листве присуща относительно фиолетового блока спектра, красного, синего и голубого. Сила поглощения практически не определяется тем, насколько концентрированы хлорофиллы. Это связано с тем, что среде присуща высокая рассеивающая способность. Если пигменты наблюдается в высокой концентрации, поглощение происходит вблизи поверхности.
