Контрольная работа по физиологии растений

Контрольная работа по физиологии растений.

1) Химический  состав, физико-химическое состояние  живой протоплазмы и ее основные  свойства. 

Химический  состав протоплазмы. Протоплазма представляет чрезвычайно сложный комплекс веществ, с более или менее значительным содержанием воды; этот комплекс имеет изменчивую (лабильную) физико-химическую структуру. Соединения, входящие в состав протоплазмы, очень многочисленны; их разнообразие и высокая реакционная способность создают в клетке весьма большие возможности для осуществления самых различных

 
Рис. 1. Схема субмикроскопического строения тонопласта: 1 - мезоплазма; 2 - тонопласт; 3 - вакуоля. Черными и белыми кружками с черточками и линиями обозначены коллоиды белкового происхождения. В тонопласте липопротеиды ориентированы определенным образом, в мезоплазме этой правильности не заметно.

процессов. В  живой клетке эти процессы строго согласованы, и эта согласованность  обусловливает нормальную жизнедеятельность  клетки. Химический анализ протоплазмы в лаборатории лишь с первой степенью приближения выясняет ее состав: уже при подготовке к анализу нарушается естественная структура протоплазмы, ферментативным или даже чисто химическим путем могут образоваться новые вещества или, наоборот, разрушиться существующие в живой протоплазме лабильные (неустойчивые) соединения. Весьма нелегка даже в первом приближении задача определения химического состава протоплазмы многоклеточных растений с их мощной системой клеточных стенок и одноклеточных растений, снабженных твердой оболочкой; отделить протопласты от их оболочек и выделить из цитоплазмы другие органеллы, содержимое вакуолей и т. п. технически трудно. Для химического анализа протоплазмы сравнительно удобным объектом являются слизевики (иначе, слизистые грибы, или миксомицеты). В определенной стадии онтогенеза слизевики представляют плазмодии - крупные тела, состоящие почти нацело из цитоплазмы и ядер, если не считать частиц перевариваемой пищи (преимущественно в виде микроорганизмов) и продуктов запаса и отброса.

 
Рис. 2. Схема строения живой клетки растения: 1 - первичная стенка; 2 - срединная пластинка; 3 - плазмодесмы; 4 - эндоплазматический ретикулюм; 5 - аппарат Гольджи; 6 - ядро с ядрышком; 7 - митохондрии; 8 - капли жира; 9 - вакуоля; 10 - крахмальные зерна; 11 - хлоропласты; 12 - пропластиды.

Анализы миксомицета Reticularia lycoperdon дали следующие результаты (в процентах от сухого вещества плазмодиев):

Белок (кроме  пластина) вместе с нуклеопротеидом . . . . . . . . . . .	20,65
Пластин (альбуминоподобный  белок) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	8,42
Нуклеиновая кислота (свободная и связанная) . . . . . . . . . . . . . . .	3,68
Азотистые экстрактивные  вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	12,00
Масло вместе с  пигментом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	17,85
Лецитины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	4,67
Холестерины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	0,58
Масло липопротеидов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	1,20
Летучие кислоты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	+
Восстанавливающие углеводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	2,74
Невосстанавливающие углеводы (без гликогена, трегалоза) . . .	5,32
Гликоген . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	15,24
Микоглюкозан5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	1,78
Неизвестные вещества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	5,87

Главнейшими не только по количеству, но и по значению составными частями протоплазмы  являются белковые вещества (белки); они составляют значительный процент сухого вещества протоплазмы, и они же представляют собой важнейшую материальную основу жизненных явлений. В самом деле, по определению Фридриха Энгельса, "жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка"⁶. Из элементов белковые вещества содержат углерод (в количестве 55- 56%), кислород (20 - 25%), азот (15-19%), водород (6,5-7,5%); некоторые белковые вещества содержат еще серу (0,3-2,5%) и фосфор. Молекулы белковых веществ очень крупны и имеют весьма сложное строение. В задачу курса не входит подробное описание белков, достаточно указать, что существуютпростые и сложные белки. Простые белки, собственно белки, или протеины, при гидролизе распадаются только на аминокислоты. Аминокислоты получаются из ряда органических кислот, в которых атом водорода заменяется аминогруппой (NH₂), отсюда и происходит их название. Для них дается формула R · CHNH₂ · COOH. Радикал R принадлежит к жирному или к ароматическому ряду или включает и гетероциклические кольца. Содержащиеся в клетках свободные аминокислоты представляют собой продукты как синтеза, происходящего внутри клеток, так и непрерывного расщепления ранее сформированных белков. Аминокислоты могут вступать в соединение друг с другом с выделением воды, образуя длинные молекулы так называемых пептидов. Молекулы пептидов могут состоять из остатков молекул различных аминокислот или одной и той же аминокислоты. Число аминокислотных остатков, составляющих белки, колеблется от нескольких сотен до нескольких тысяч. К простым белкам, притом сравнительно легко выделяемым из содержимого клеток растений, относятся запасные белковые вещества семян. В состав сложных белков, или протеидов, кроме простых белков, входят вещества небелкового происхождения - простетические группы. К этим белкам относятся нуклеопротеиды, которые играют важную роль в жизни клетки, их простетические группы представляют собой нуклеиновые кислоты; гликопротеиды, у которых белок связан с углеводом; липопротеиды, представляющие сочетание простых белков с жирными кислотами; хромопротеиды - биологически очень важные вещества, в которых протеин соединен с пигментом. Протеиды представляют собой существенную составную часть протоплазмы и клеточных ядер. Наиболее показательны следующие реакции для обнаружения белков под микроскопом:

1. Ксантопротеиновая реакция. Под действием крепкой азотной кислоты белки окрашиваются (особенно при подогревании) в желтый цвет; если прилить раствор аммиака, окраска переходит в оранжевую; если прибавить вместо аммиака едкого натра (в избытке), то получается красновато-коричневое окрашивание. Под микроскопом окраска обычно представляется слабой.

2. Миллонова реакция. В растворе азотнокислой ртути, приготовленном определенным образом и содержащем окислы азота, белки дают красное окрашивание (розового, малинового или кирпичного оттенка); окраска более интенсивна при подогревании препарата с раствором до кипения.

3. Биуретовая реакция. При действии на белок раствора едкой щелочи, с прибавлением небольшого количества (1-2 капель) слабого (например , 2%-ного) раствора медного купороса (CuSO₄) появляется фиолетовое окрашивание; если прибавить еще CuSO₄, окраска переходит в синеватую.

4. Реакция Распайля. При действии концентрированного раствора сахара и концентрированной серной кислоты белки дают красное окрашивание различных оттенков (чисто красное, пурпуровое, фиолетово-красное); под микроскопом окраска кажется розовой.

Указанные реакции  есть в сущности реакции на те или  иные продукты распада белка. Чтобы  твердо установить наличие или отсутствие белков в препарате, необходимо применить  и сопоставить несколько реакций  и дополнить исследование пробой на окрашивание йодом, анилиновыми красками.

Йод применяется  в 5-10%-ном растворе в спирту или  в растворе с добавлением йодистого  калия; он окрашивает белковые вещества в желтый или коричневый цвет. Из анилиновых красок употребляются - в  водном или в спиртовом растворе - фуксин, гематоксилин. Йод и названные краски вызывают коагуляцию (свертывание) белков и отмирание протоплазмы. Некоторые анилиновые краски употребляются для прижизненного окрашивания протоплазмы; под действием очень слабых растворов эозина, метилвиолета, хризоидина протоплазма, окрашиваясь, остается в течение некоторого времени живой.

 
Рис. 3. Схема частицы (мицеллы) гидрофильного коллоида.

Кроме белков и  аминокислот протоплазма содержит минеральные соли, углеводы, жиры, липоиды и целый ряд других веществ. Исследования с помощью радиоактивных изотопов показали, что в клетках происходит постоянное обновление химического состава протоплазмы. Физико-химическое состояние ее также весьма изменчиво. Коллоидное состояние. Со стороны физико-химического состояния протоплазму можно охарактеризовать как вязкую сложную коллоидную⁷ систему. Коллоиды протоплазмы относятся к так называемым лиофильным (гидрофильным) коллоидам. Коллоидная система в данном случае состоит из воды (дисперсионная среда), в которой находятся в мелкораздробленном состоянии различные вещества в виде частиц размерами от 0,001 до 0,1 μ (дисперсная фаза). Частицы дисперсной фазы состоят обычно из нескольких молекул. Некоторые высокомолекулярные органические вещества, как белки, полисахариды (например, крахмал), имеют размеры молекул порядка нескольких мμ и образуют вместе с дисперсионной средой коллоидные системы даже в молекулярном состоянии. Частицы дисперсной фазы, находясь в дисперсионной среде, имеют громадную поверхность соприкосновения со средой и, следовательно, огромные возможности для различных химических и физических процессов. В коллоидных растворах частицы дисперсной фазы оказываются прочно связанными непосредственно или посредством адсорбционного слоя третьего вещества - стабилизатора - с молекулами дисперсионной среды, образующей вокруг частиц так называемыесольватные или, если дисперсионной средой является вода, гидратные оболочки (рис. 7). Сольватированные частицы носят название мицелл. Часто концы их несут электрические заряды. При потере мицеллами сольватных оболочек и зарядов происходит коагуляция (свертывание); коллоидные частицы слипаются, диспергированная фаза выпадает в осадок. При неполной коагуляции, называемой коацервацией⁸, коллоидный раствор (золь) расслаивается на коацерват, богатый коллоиднодиспергированным веществом, и равновесную жидкость, бедную диспергированным веществом или вовсе его не содержащую. При коацервации частицы диспергированной фазы теряют диффузную оболочку (б), сохраняя сольватную (а) (рис. 8). При сближении таких частиц их сольватные оболочки объединяются, и частицы сливаются друг с другом (рис. 8). Между коацерватом и равновесной жидкостью имеется поверхность раздела. Некоторые ученые считают протоплазму сложной системой коацерватов в равновесной жидкости - воде. Некоторые ученые (А. И. Опарин, Бунгенберг де Йонг) считают, что протоплазма представляет собой систему коацерватов, которая содержит почти нацело связанную воду; связанная вода обладает пониженной растворяющей способностью и обеспечивает несмешиваемость протоплазмы с обычной водной средой; в силу этого протоплазма ведет себя как особая фаза.

 
Рис. 4. Схема образования коацервата (1-3):

а - плотный слой сольватной оболочки; б - диффузная оболочка.

 
Рис. 5. Схема структуры геля.

Коллоиды протоплазмы  обладают способностью изменять свое состояние и переходить из золя в  гель (студень). Коагуляции с разделением на твердую и жидкую фазы при этом не происходит. По-видимому, можно предположить, что при этом процессе мицеллы, имеющие форму палочек, одеты гидратными оболочками только в средней части; оба конца мицеллы несут электрические заряды. Такие мицеллы не соединяются друг с другом, и коллоид находится в состоянии золя. При утрате зарядов частицы соединяются концами и образуется сетчатый остов с жидкостью в ячеях сетки. В результате получается структура с непрерывной твердой и с непрерывной жидкой фазой; это и есть гель. В некоторых случаях при образовании геля цепочкообразные мицеллы переплетаются, образуя сеть. В ячейках этой сети удерживается вода. При 50-60°С белковые вещества протоплазмы обычно претерпевают необратимую коагуляцию и протоплазма (а с нею клетка и весь организм) отмирает. Однако некоторые растения (из семейств кактусов, толстянковых) выносят без вреда нагревание солнцем до 50-60° С, некоторые бактерии и сине-зеленые водоросли живут и размножаются в горячих источниках с температурой около 70° С и выше. В сухом состоянии (в семенах, в спорах низших растений) протоплазма сохраняет жизнеспособность и после воздействия, в течение некоторого времени, температуры в 100° С. Одним из очень важных свойств протоплазмы живой клетки является ограниченная избирательная проницаемость, или полупроницаемость. Процесс питания, снабжения клеток водой, накопления запасов связаны с передвижением веществ из одних клеток в другие, поэтому важную роль в жизни клеток и всего организма играет поступление воды и растворенных в ней веществ в клетку и выход их из нее. Эти процессы регулируются полупроницаемостью протоплазмы, особенно ее пограничных слоев. Протоплазма проницаема для воды и в различной мере проницаема или вовсе не проницаема для растворенных в ней веществ, включая газы. Проникновение веществ в живую клетку и выход из нее зависят от свойств протопласта. При полной его проницаемости, как и при совершенной непроницаемости, клетка не могла бы жить. Необходимо отметить избирательный характер проницаемости живой протоплазмы. Нередки случаи, когда количество вещества, поглощенного корнями из разбавленных растворов, выше, чем из растворов более концентрированных. Иногда говорят о полупроницаемости клетки. Следует иметь в виду, что в этих случаях речь идет только о протоплазме. Клеточная оболочка обычно легко проницаема для воды и растворов солей; для коллоидных растворов с крупными частицами дисперсной фазы оболочки клеток непроницаемы, но такие частицы могут перемещаться из клетки в клетку через перфорации в ситечках ситовидных трубок и по плазмодесмам.  Живая протоплазма имеет слабощелочную или амфотерную реакцию, легко переходящую в слабокислую; она обладает способностью восстанавливать многие вещества (соли серебра, индиго, метиленовую синь) и содержит в себе ряд окисляющих и редуцирующих ферментов

 
2) Ветка ивы  срезана с дерева под водой и поставлена в банку с водой и накрыта стеклянным колпаком. Будет ли наблюдаться гуттация?

Гуттация происходит, когда корнями поглощается воды больше, чем испаряется листьями. Гуттация наблюдается большей частью ночью, рано утром или при помещении растений во влажную атмосферу; часто отмечается у молодых проростков, развитие корневой системы у которых обгоняет развитие испаряющей поверхности листьев. Капельки воды выделяются через водяные устьица под воздействием корневого давления, с силой нагнетающего воду в стебли и листья. Гуттация - физиологический процесс, связанный с жизнедеятельностью растения: если ветку поместить под колпак, внутри которого находятся пары хлороформа, то гуттация прекращается. Выделения при гуттации всегда содержат ряд минеральных веществ. Очевидно, гуттация освобождает растение от избытка солей, главным образом кальция.

 

3) В  полуденные часы летнего дня  нередко наблюдается выделение  СО₂. Почему?

Поглощенный СО₂ переводится в малат. Кроме того, при дыхании ночью углеводы разлагаются не до углекислого газа, а до органических кислот, которые отводятся в клеточный сок. Днем на свету малат и другие органические кислоты расщепляются с выделением СО₂, который используется в процессе фотосинтеза. Таким образом, крупные вакуоли с клеточным соком запасают не только воду, но и СО₂.

4) Физиологическое  значение калия, кальция и магния?

Основная физиологическая  роль калия, кальция и магния, вернее их ионов, состоит в том. что, адсорбируясь на поверхности коллоидных частиц протоплазмы, они создают вокруг них определенные электростатические силы. Эти силы играют немаловажную роль в создании структуры живого вещества, без которой не могут происходить ни согласованная деятельность ферментов, ни синтез клеточных веществ. Ионы удерживают вокруг себя различное количество молекул воды, в результате чего объем иона является неодинаковым. Неодинаковы и силы, удерживающие ион на поверхности коллоидной частицы. Ион кальция имеет наименьший объем — он с большей силой удерживается на поверхности коллоидов. Ион калия имеет наибольший объем, в силу чего образует менее стойкие адсорбционные связи и может быть вытеснен ионом кальция. Ион магния занимает промежуточное положение. Поскольку, адсорбируясь, ионы стремятся удержать свою водяную оболочку, то они определяют оводненность и водоудерживающую силу коллоидов. При наличии калия водоудерживающая способность ткани увеличивается, при наличии кальция — понижается. Таким образом, решающим в создании определенных внутренних структур является соотношение катионов, а не только их абсолютное содержание.