Фотосинтез

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему каждую осень листья на деревьях меняют цвет с зеленого на оттенки желтого, оранжевого и красного? Что придает листьям их яркую окраску в первую очередь? Ответ кроется в растительных органеллах, называемых хлоропластами, которые содержат пигменты, поглощающие определенные длины волн солнечного света и отражающие другие. Один из пигментов, хлорофилл, наиболее распространен летом. Он поглощает высокоэнергетические, фиолетовые, синие и красные волны от солнечного света и отражает зеленые длины волн, придавая листьям зеленый вид. В листьях есть и другие пигменты, такие как каротиноиды, которые отражают красный и желтый свет. Осенью листья перестают пополнять свои пигменты. Поскольку хлорофилл разлагается быстрее других пигментов, цвета этих каротиноидов демаскируются.

Присутствие различных пигментов в зеленом листе можно продемонстрировать с помощью хроматографической бумаги, гидрофильного полимера, который разделяет молекулы на основе их растворимости в определенном растворителе. Сначала экстракт листьев загружается на бумагу. Когда бумагу погружают в органический гидрофобный растворитель, растворитель перемещается по бумаге за счет капиллярного действия и по пути разделяет различные пигменты в экстракте листьев. Пигменты, которые являются наиболее гидрофобными, переносятся дальше вверх по бумаге. Тогда как гидрофильные пигменты связываются с целлюлозой, что затрудняет их движение. После того, как все пигменты отсортированы по их гидрофобности, мы можем рассчитать коэффициент удержания или значения Rf. Значение Rf — это отношение расстояния, пройденного пигментом, к расстоянию, пройденному растворителем. Каждый пигмент имеет уникальное значение Rf, и мы можем легко идентифицировать пигменты, сравнивая рассчитанные значения со стандартами. Фотосинтез, процесс, с помощью которого растения преобразуют углекислый газ, воду и световую энергию в химическую энергию и кислород, осуществляется в основном в листьях растения, и хлорофилл играет в этом процессе решающую роль. Хлоропласты содержат десятки молекул хлорофилла, каждая из которых выполняет определенную задачу и взаимодействует сложным образом. В конечном счете, световая энергия заставляет молекулы хлорофилла отдавать электроны, которые используются в других метаболических процессах. Таким образом, хлорофилл нуждается в непрерывном притоке электронов для замены тех, которые он теряет. Эти замещающие электроны образуются в результате расщепления молекул воды на протоны, электроны и молекулы кислорода. При высоких скоростях фотосинтеза вода расщепляется быстрее, чтобы восполнить электроны, и быстро генерируется кислород.

Это явление помогает нам оценить скорость фотосинтеза в лаборатории, просто суспензив листовые диски в растворе бикарбоната, где бикарбонат выступает в качестве богатого источника углерода. В начале эксперимента с листовым диском газы вытесняются из листовых дисков путем приложения отрицательного давления с помощью вакуума в шприце. Листовые диски с выброшенными газами утяжеляются и опускаются на дно раствора бикарбоната при переносе в стакан. Когда происходит фотосинтез, вода в окружающей среде расщепляется с целью восполнения электронов хлорофилла. Образующийся кислород делает диски легче, заставляя их со временем всплывать на поверхность. В средах, которые обеспечивают более высокую скорость фотосинтеза, диски плавают быстрее.

В этой лаборатории вы сначала отделите и определите пигменты в листьях шпината с помощью хроматографической бумаги. Затем вы оцените скорость фотосинтеза в воде и в растворе бикарбоната с помощью эксперимента с листовым диском.