ХИМИЧЕСКИЙ ЗАВОД В РАСТЕНИЯХ

Каждый организм до тех пор, пока он растет, увеличивает свой запас живой материи. Для этого ему необходимы строительные материалы, которые он должен приспосабливать к своим целям, включать в процесс обмена веществ. Кроме того, организму требуется горючее — источник энергии. Сравнивая живой организм с химическим заводом, мы могли бы сказать, что питание — это потребление и переработка строительных и горючих материалов.

Важнейший элемент — углерод — растения поглотают из воздуха в виде его диоксида (углекислого газа) благодаря своим листьям. Все другие вещества они добывают с помощью корней из почвы вместе с почвенной влагой. Только в особых случаях растения поглощают воду и растворенные в ней минеральные соли с помощью листьев Ежегодно зеленые растения связывают и превращают в органические соединения 170 млрд. т углерода — по 3 т на 1 га поверхности земли. За 30 лет такого интенсивного усвоения запас углекислого газа воздуха мог бы исчерпаться, если бы в природе не существовало процессов, в результате которых углерод снова возвращается в атмосферу. Например, 1 м² листьев подсолнуха за час поглощает углекислый газ из 3 м³ воздуха, т. е, 900 см³ СО₂. Из него образуется 0,5–1 г виноградного сахара.

Образование в клетках растений виноградного сахара происходит в соответствии с уравнением:

6СО₂ + 6Н₂О + энергия —> C₆H₁₂О₆ + 6О₂

Этот процесс называется фотосинтезом, потому что необходимую для него энергию дает солнечный свет.

Клетки растения поглощают световую энергию и передают ее взаимодействующим веществам с помощью зеленого пигмента хлорофилла. Последний содержится в клетках растений в виде микроскопических мелких зернышек. Благодаря такой структуре поверхность хлорофилла, содержащегося в растении, необычайно велика, что способствует увеличению скорости фотосинтеза. Например, 180 г хлорофилла, содержащегося в столетнем буке, раздроблено на 50 биллионов зернышек, поверхность которых составляет от 18 000 до 20 000 м². Поверхность же 200 000 листьев этого бука составляет всего лишь 1 220 м².

Хлорофилл представляет собой смесь красящих веществ. Ознакомимся с методом, который позволяет разделить красители, входящие в состав хлорофилла. Этот метод был предложен русским ботаником М. С. Цветом в 1906 г. и называется хроматографией. Он основан на способности порошкообразных веществ по-разному удерживать, или адсорбировать, содержащиеся в растворе красители. Разумеется, эти порошкообразные вещества — адсорбенты — не должны вступать в какие-либо реакции с растворителем и сами не должны растворяться в нем.

Разделение зеленого красителя листьев методом колоночной адсорбционной хроматографии

Разотрем в ступке 10 г богатых хлорофиллом листьев (например, молодых листьев крапивы), добавив к ним немного песка. Для нейтрализации кислоты, присутствующей в растении, можно добавить на кончике шпателя карбонат кальция. К полученной кашице в сосуде, который нужно надежно закрыть, прильем смесь 45 мл низкокипящего бензина (газолина), 5 мл бензола и 15 мл метанола. (Осторожно! Легко воспламеняется!)

Вместо смеси этих трех растворителей можно взять 50 мл пропанона (ацетона). Смесь выдержим в темном месте не менее часа, время от времени взбалтывая. Тем временем подготовим колонку с адсорбентом. Возьмем стеклянную трубку длиной 18–20 см с внутренним диаметром 8-15 мм, укрепим ее вертикально и закроем снизу пробкой, в которой просверлено отверстие. Сверху на пробку положим кусочек марли и слой ваты, чтобы порошкообразный адсорбент, который надо очень плотно утрамбовать стеклянной или деревянной палочкой, не высыпался из колонки. Насыплем в колонку сначала свежепрокаленную окись алюминия, так чтобы она заняла 2–3 см по высоте. Над этим слоем должен располагаться слой измельченного до тонкого порошка карбоната кальция высотой 4 см. (Можно кусочки мрамора или мела высушить нагреванием в фарфоровом тигле, а затем измельчить.) Еще выше поместим слой очень тонко размолотой высушенной сахарной пудры высотой 6 см. Можно приготовить колонку и проще, составив адсорбент всего из двух слоев. В этом случае нижний слой высотой 3 см должен состоять из свежепрокаленной окиси алюминия, а над ним, отделенный от него тонкой прослойкой ваты, должен располагаться слой непрокаленной окиси алюминия высотой 10 см. Опыт неплохо получится даже при заполнении трубки одной сахарной пудрой.

Отфильтруем раствор хлорофилла от остатков растительных клеток и песка. В проходящем свете фильтрат выглядит изумрудно-зеленым, а в отраженном свете обнаруживает великолепную красную флуоресценцию. Нам нужно еще отделить от фильтрата метанол. При встряхивании фильтрата с водой образуется два слоя. С помощью делительной воронки или простого отсасывания пипеткой можно отделить окрашенный слой бензола и бензина от бесцветного метанольно-водного слоя (Ни в коем случае не отсасывать ртом!

Об опасности метанола сказано ранее. Бензол — также сильный яд, отравляющий кровь.

Разрежение в пипетке создают с помощью груши или водоструйного насоса. Удобнее всего набирать жидкость в пипетку шприцем (без иглы), плотно соединенным с пипеткой кусочком резинового шланга. — Прим. перев.).

Затем соединим колонку с колбой для отсасывания, последнюю подключим к водоструйному насосу и пропустим через колонку несколько миллилитров бензина. Продолжая отсасывание, прильем в колонку раствор хлорофилла. Нельзя брать этого раствора слишком много, кроме того, он не должен быть слишком концентрированным. Мы увидим, что в колонке образуется несколько разноцветных зон. В заключение пропустим через колонку еще 10–15 мл смеси бензина с бензолом в соотношении 4: 1. При этом окрашенные зоны расширяются. Этот процесс называется проявлением хроматограммы (В качестве колонки можно также использовать бескрановую бюретку или стеклянную трубку, оттянутую в нижней части. В месте сужения удерживается кусочек ваты. Полезно иметь в виду, что лучшее качество разделения обычно получается при заполнении колонки не сухим, а «мокрым» способом, в этом случае порошок адсорбента размешивают наносят в колонку вместе с растворителем (в данном опыте — с бензином). Отсасывать нужно не слишком сильно, чтобы не нарушать равномерность слоя адсорбента. Без отсасывания качество разделения лучше, но опыт занимает слишком много времени. Лучше вместо отсасывания создавать слегка повышенное давление, подключая к колонке сверху надутую камеру от волейбольного мяча. — Прим. перев.).

Теперь мы обнаружим в колонке четыре зоны разного цвета. Верхняя, желто-зеленая зона содержит хлорофилл b сине-зеленая зона ниже — хлорофилл а. В слое окиси алюминия адсорбируются желтый ксантофилл и под ним — оранжевый каротин. Каротин знаком нам по цвету моркови, в которой он содержится Если колонка была заполнена только сахарной пудрой, то каротин не задерживается и в виде раствора попадает в колбу для отсасывания. Впрочем, это может получиться и при таком заполнении колонки, которое было описано в нашем опыте. Если столбик адсорбента осторожно вытолкнуть из колонки стеклянной палочкой, то можно разрезать его на отдельные зоны и извлечь из них различные красители органическими растворителями.

В 1944 г. английские химики предложили еще более простой метод хроматографии, который тоже позволяет обнаружить и разделить ничтожно малые количества веществ. По этому способу разделение проводится на полоске бумаги, по которой движется исследуемый раствор. Получим сами такую бумажную хроматограмму.

Разделение красителей из растений методом бумажной хроматографии