История изучения физиологии растений. Основные разделы физиологии растений

Физиология растений как раздел ботаники.

Тему работы нужно обязательно согласовать с куратором дисциплины по выбору (электива) А.Н. Луферовым.

Особенности строения растительной клетки, химический состав .

1. История изучения физиологии растений. Основные разделы и задачи физиологии растений

2. Основные методы исследования физиологии растений

3. Строение растительной клетки

4. Химический состав растительной клетки

5. Биологические мембраны

Физиология растений – наука, изучающая жизненные процессы, происходящие в растительном организме.

Сведения о процессах, происходящих в живом растении, накапливались по мере развития ботаники. Развитие физиологии растений, как науки, определялось использованием новых, более совершенных методов химии, физики и потребностями земледелия.

Физиология растений зародилась в XVII-XVIII вв. Начало физиологии растений как науки было положено опытами Я.Б.Ван Гельмонта по водному питанию растений (1634 г).

Результаты ряда физиологических опытов, доказывающих существование нисходящего и восходящего токов воды и питательных веществ, воздушное питание растений изложены в классических трудах итальянского биолога и врача М.Мальпиги «Анатомия растений» (1675-1679 гг) и английского ботаника и врача С.Гейлса «Статика растений» (1727 г). В 1771 г. английским ученым Д.Пристли был открыт и описан процесс фотосинтеза - воздушного питания растений. В 1800 г Ж.Сенебье издал трактат «Physiolоgie vegetale» в пяти томах, в котором были собраны, обработаны и осмыслены все данные, известные к тому времени, был предложен термин «физиология растений», определены задачи, методы исследования физиологии растений, эксперементально доказал, что источником углерода при фотосинтезе является углекислый газ, заложил основы фотохомии..

В XIX - XX вв был сделан ряд открытий в области физиологии растений:

1806 г. – Т.А.Найт описал и эксперементально изучил явление геотропизма;

1817 г. – П.Ж.Пельтье и Ж.Каванту выделили из листьев зеленый пигмент и назвали его хлорофиллом;

1826 г. – Г.Дютроше открыл явление осмоса;

1838-1839 гг. – Т.Шванн и М.Я.Шлейден обосновали клеточную теорию строения растений и животных;

1840 г. – Ю.Либих разработал теорию минерального питания растений;

1851 г. - В.Гофмейстер открыл чередование поколений у высших растений;

1859 г. – Ч.Дарвин заложил основы эволюционной физиологии растений, физиологии цветка, гетеротрофного питания, движения и раздражимости расмтений;

1862 г. – Ю.Сакс показал, что крахмал является продутом фотосинтеза;

1865 – 1875 гг. – К.А.Тимирязев изучил роль красного света в процессах фотосинтез, развил представление о космической роли зеленых растений;

1877 г. – В.Пфеффер открыл законы осмоса;

1878-1880 г. – Г.Гельригель и Ж.Б.Буссенго показали фиксацию атмосферного азота у бобовых в симбиозе с клубеньковыми бактериями;

1897 г. М.Ненцкий и Л.Мархлевский открыли структурц хлорофилла;

1903 г. – Г.Клебс развил учение о влиянии факторов внешней среды на рост и развитие растений;

1912 г. – В.И.Палладин выдвинул идею об анаэробном и аэробном этапах дыхания;

1920 г. – У.У.Гарнер и Г.А.Аллард открыли явление фотопериодизма;

1937 г. - Г.А.Кребс описал цикл лимонной кислоты;

1937 г. - М.Х Чайлахян выдвинул гормональную теорию развития растений;

1937 -1939 гг. – Г.Калькар и В.А.Блицер открыли окислительное фосфорилирование;

1946 – 1956 гг.- М.Кальвин и сотрудники расшифровали основной путь углерода при фотосинтезе;

1943-1957 гг. – Р.Эмерсон эксперементально доказал существование двух фотосистем;

1954 г. – Д.И.Арнон и сотр. открыли фотофосфорилирование;

1961-1966 гг. – П.Митчел разработал хемиосмотическую теорию сопряжения окисления и фосфорилирования.

А также другие открытия, определившие развитие физиологии растений как науки.

Основные разделы физиологии растений дифференцировались в XIX в - это:

1. физиология фотосинтеза

2. физиология водного режима растений

3. физиология минерального питания

4. физиология роста и развития

5. физиология устойчивости

6. физиология размножения

7. физиология дыхания.

Но какие-либо явления в растении невозможно понять в рамках только одного раздела. Поэтому во второй половине XXв. в физиологии растений намечается тенденция слияния в единое целое биохимии и молекулярной биологии, биофизики и биологического моделирования, цитологии, анатомии и генетики растений.

Современная физиология растений – это фундаментальная наука, ее основная задача - изучение закономерностей жизнедеятельности растений. Но она имеет огромное прикладное значение, поэтому ее вторая задача – разработка теоретических основ получения максимальных урожаев сельскохозяйственных, технических и лекарственных культур. Физиология растений – это наука будущего, ее третья, пока еще не решенная задача, - разработка установок для осуществления процессов фотосинтеза в искусственных условиях.

Современная физиология растений использует весь арсенал научных методов, который существует на сегодняшний день. Это микроскопические, биохимические, иммунологические, хроматографические, радиоизотопные и др.

Рассмотрим приборные методы исследования, широко применяемые при изучении физиологических процессов в растении. Приборные методы работы с биологическими объектами подразделяются на группы в зависимости от какого-либо критерия:

1. В зависимости от того, где расположены чувствительные элементы прибора (на растении или нет): контактные и дистантные ;

2. По характеру получаемой величины: качественные, полуколичественные и количественные. Качественные – исследователь получает информацию только о наличии или отсутствии какого-либо вещества или процесса. Полуколичественные – исследователь может сравнить возможности одного объекта с другими по интенсивности какого-либо процесса, по содержанию веществ (если оно выражено не в численном виде, а, например, в виде шкалы). Количественные – исследователь получает числовые показатели, характеризующие какой-либо процесс или содержание веществ.

3. Прямые и косвенные . При использовании прямых методов исследователь получает информацию об исследуемом процессе. Косвенные методы основаны на измерениях каких-либо сопутствующих величин, так или иначе связанных с исследуемой.

4. В зависимости от условий проведения эксперимента методы подразделяются на лабораторные и полевые .

При проведении исследований растительных объектов могут осуществляться следующие виды измерений:

1. Морфометрия (измерение различных морфологических показателей и их динамики (например, площадь листовой поверхности, соотношение площадей надземных и подземных органов и т.д.)

2. Весовые измерения. Например, определение суточной динамики накопления вегетативной массы

3. Измерение концентрации раствора, химического состава образцов и т.д. с использованием кондуктометрических, потенциометрических и др. методов.

4. Исследование газообмена (при изучении интенсивности фотосинтеза и газообмена)

Морфометрические показатели могут быть определены с помощью визуального подсчета, измерением линейкой, миллиметровой бумагой и т.д. Для определения некоторых показателей, например, общего объема корневой системы используются специальные установки – сосуд с градуированным капилляром. Объем корневой системы определяют по объему вытесненной воды.

При изучении какого-либо процесса используют различные методы. Например, для определения уровня транспирации используют:

1. Весовые методы (исходный вес листа и его вес через некоторое время);

2. Температурные (используют специальные климокамеры);

3. При помощи порометров определяется влажность камеры, куда помещается исследуемое растение

При определении потребности растений в удобрениях наряду с агрохимическими анализами почвы, полевыми и вегетационными опытами, микробиологическими и другими способами все больше и больше стали применяться методы растительной диагностики.
В настоящее время широко используются следующие методы растительной диагностики: 1) химический анализ растений, 2) визуальная диагностика и 3) инъекция и опрыскивание. Химический анализ растений - наиболее распространенный метод диагностики потребности во внесении удобрений.
Химическая диагностика представлена тремя видами: 1) листовой диагностикой, 2) тканевой диагностикой и 3) быстрыми (экспресс) методами анализа растений.
Важными этапами работы по растительной диагностике при помощи химического анализа являются: 1) взятие пробы растения для анализа; 2) учет сопутствующих условий произрастания растений; 3) химический анализ растений; 4) обработка аналитических данных и составление заключения о нуждаемости растений в удобрениях.
Взятие пробы растений для анализа. При отборе растений для анализа следует добиваться того, чтобы взятые растения соответствовали среднему состоянию растений на данном участке поля. Если посев однороден, то можно ограничиться одной пробой; если же имеются пятна лучше развитых или, наоборот, хуже развитых растений, то с каждого из таких пятен берут отдельную пробу для выяснения причины измененного состояния растения. Содержание питательных веществ в хорошо развитых растениях может быть использовано в этом случае как показатель нормального состава данного вида растений.
При проведении анализов необходимо унифицировать технику взятия и подготовки образца: взятие одинаковых частей растения по ярусности, положению на растении и по физиологическому возрасту.
Выбор части растения для анализа зависит от метода химической диагностики. Для получения достоверных данных необходимо брать пробы не менее чем с десяти растений.
У древесных культур в связи с особенностями их возрастных изменений взятие проб растений несколько сложнее, чем у полевых культур. Рекомендуется проводить исследования в следующие возрастные периоды: сеянцы, саженцы, молодые и плодоносящие растения. Следует брать листья, их черешки, почки, побеги или другие органы из верхней трети побегов со средней зоны кроны деревьев или кустарников одного возраста и бонитета, придерживаясь одного и того же порядка, а именно: или только с плодовых, или только с неплодовых побегов, или с побегов текущего прироста, или листья, находящиеся на прямом солнечном или на рассеянном свете. Все эти моменты должны быть учтены, так как все они влияют на химический состав листьев. Отмечается, что лучшая корреляция между химическим составом листа и урожаем плодов получается в том случае, если в качестве пробы брать лист, в пазухе которого развивается цветочная почка.
В какую фазу развития растения следует брать образцы для анализа? Если иметь в виду получение наилучшей корреляции с урожаем, то анализ растений в фазу цветения или созревания оказывается наилучшим. Так, Люндегорд, Коларжик и другие исследователи считают, что такой фазой для всех растений является цветение, так как к этому моменту основные ростовые процессы заканчиваются и прирост массы не будет «разбавлять» процентное содержание веществ.
Для решения задачи, как изменить питание растений, чтобы обеспечить формирование наилучшего урожая, надо анализировать растения в более ранние периоды развития и не один раз, а несколько (три-четыре), начиная с появления одного-двух листьев.
Время взятия проб. I срок: для яровых зерновых (пшеницы, овса, кукурузы) - в фазу трех листьев, т. е. до начала дифференциации зачаточного колоса или метелки; для льна - начало «елочки»; для картофеля, бобовых, хлопчатника и других - фаза четырех-пяти настоящих листьев, т. е. до бутонизации; для сахарной свеклы - фаза трех настоящих листьев.
II срок: для яровых зерновых - в фазу пяти листьев, т. е. в фазу трубкования; для свеклы - в фазу развертывания шестого листа; для всех остальных - при образовании первых мелких зеленых бутонов, т. е. к самому началу бутонизации.
III срок: в фазу цветения; для свеклы - при развертывании восьмого-девятого листа.
IV срок: в фазу молочной спелости семян; для свеклы - за неделю до уборки.
У древесных растений и ягодников пробы берут по следующим фазам формирования урожая: а) до цветения, т. е. в начале сильного роста, б) цветение, т. е. в период сильного роста и физиологического осыпания завязей, в) образование плодов, г) созревание и уборка урожая и д) период осеннего листопада.
При установлении срока взятия пробы растений необходимо также учитывать, на какой период роста и развития приходятся критические уровни питания. Под термином «критические уровни» понимают наименьшие концентрации питательных веществ в растениях в ответственный период их развития, т. е. концентрации, ниже которых наступает ухудшение состояния растения и снижение урожая. Под оптимальным составом растения понимают такое содержание в нем питательных веществ в ответственные фазы его развития, при котором обеспечивается получение высокого урожая.
Величины критических уровней и оптимального состава приведены для некоторых культур ниже. Пробы берут во всех случаях в одни и те же часы суток, лучше утром (в 8-9 час), чтобы избежать изменений состава растений за счет суточного режима питания.
Учет сопутствующих условий. Судить о достаточности или недостаточности питания растений теми или другими элементами только по данным химического анализа не всегда правильно. Известно немало фактов, когда недостаток одного или нескольких элементов питания, задержка фотосинтеза или нарушение водного, теплового и других жизненно важных режимов может вызвать накопление того или иного элемента в растении, что ни в коем случае не должно характеризовать достаточность этого элемента в питательной среде (почве). Чтобы избежать возможных ошибок и неточностей в выводах, необходимо данные химического анализа растений сопоставить с рядом других показателей: с весом, ростом и темпом развития растений в момент взятия пробы и с конечным урожаем, с визуальными диагностическими признаками, с особенностями агротехники, с агрохимическими свойствами почвы, с условиями погоды и рядом других показателей, влияющих на питание растений. Поэтому одним из важнейших условий успешного использования растительной диагностики является наиболее подробный учет всех этих показателей для последующего сопоставления их между собой и с данными анализа.

Еще в начале XVI в. была установлена важная истина: лечебные свойства каждого растения определяются его химическим составом , т. е. наличием в нем тех или иных веществ, оказывающих определенное воздействие на организм человека. В результате анализа многочисленных фактов удалось выявить определенные фармакологические свойства и спектр терапевтического действия многих групп химических соединений, называемых действующими веществами . Важнейшие из них - алкалоиды, гликозиды сердечного действия, тритерпеновые гликозиды (сапонины), флавоноиды (и другие фенольные соединения), кумарины, хиноны, ксангоны, сесквитерпеновые лактоны, лигнаны, аминокислоты, полисахариды и некоторые другие соединения. Из 70 групп известных сейчас природных соединений нас часто интересует лишь, несколько групп, обладающих биологической активностью. Это ограничивает возможности выбора и тем самым ускоряет поиски нужных нам природных химических веществ. Например, противовирусной активностью обладают лишь некоторые группы флавоноидов, ксантонов, алкалоидов, терпеноидов и спиртов; противоопухолевой - некоторые алкалоиды, цианиды, тритерпеновые кетоны, дитерпеноиды, полисахариды, фенольные соединения и др. Полифенольным соединениям свойственна гипотензивная, спазмолитическая, противоязвенная, желчегонная и бактерицидная активность. Многие классы химических соединений и индивидуальные химические вещества обладают строго определенным и довольно ограниченным спектром медико-биологической активности. Другие же, обычно очень обширные классы, например алкалоиды , имеют очень широкий, разнообразный спектр действия. Такие соединения заслуживают разностороннего медико-биологического изучения и прежде всего в интересующих нас направлениях, рекомендуемых . Успехи аналитической химии позволили разработать несложные и быстрые методы (экспресс-методы) выявления в нужных нам классов (групп) химических соединений и отдельных химических веществ. В результате этого возник и широко внедрился в практику поисковых работ метод массовых химических анализов, иначе называемый химическим скринингом (от английского слова screening - просеивание, сортировка через решето). Нередко он практикуется для поиска нужных химических соединений путем анализа всех растений исследуемого района.

Метод химического скрининга

Метод химического скрининга в сочетании с данными об использовании растения в эмпирической медицине и с учетом его систематического положения дает наиболее эффективные результаты. Опыт говорит о том, что почти все растения, используемые в эмпирической медицине, содержат известные нам классы биологически активных соединений. Поэтому поиск нужных нам веществ прежде всего, следует целенаправленно вести среди растений, чем-либо обнаруживших свою фармакологическую или химиотерапевтическую активность. Экспресс-метод может сочетаться с предварительным отбором перспективных видов, разновидностей и популяций в результате их органолептической оценки и анализа этноботанических данных, косвенно свидетельствующих о наличии в растении интересующих нас веществ. Подобный метод отбора широко использовал академик Н. И. Вавилов при оценке качества исходного материала различных полезных растений, привлекаемых для селекционно-генетических исследований. В годы первых пятилеток таким путем проводились поиски во флоре СССР новых каучуконосных растений.
Впервые в широких масштабах метод химического скрининга при поисках новых лекарственных растений начал применять начальник среднеазиатских экспедиций Всесоюзного научно-исследовательского химико-фармацевтического института (ВНИХФИ) П. С. Массагетов. Обследование более 1400 видов растений позволило академику А. П. Орехову и его ученикам к 19G0 г. описать около 100 новых алкалоидов и организовать в СССР производство тех из них, которые необходимы для медицинских целей и борьбы с сельскохозяйственными вредителями. Институт химии растительных веществ АН Узбекской ССР обследовал около 4000 видов растений, выявил 415 алкалоидов, впервые установил строение 206 из них. Экспедициями ВИЛР обследовано 1498 видов растений Кавказа, 1026 видов Дальнего Востока, многие растения Средней Азии, Сибири, европейской части СССР. Только на Дальнем Востоке обнаружено 417 алкалоидо-носных растений, в их числе секуринега полукустарниковая, содержащая новый алкалоид секуринин - средство стрихниноподобного действия. К концу 1967 г. во всем мире было описано и установлена структура 4349 алкалоидов. Следующий этап поиска - углубленная разносторонняя оценка фармакологической, химиотерапевтической и противоопухолевой активности выделенных индивидуальных веществ или содержащих их суммарных препаратов. Надо отметить, что в целом по стране и в мировом масштабе химические исследования значительно опережают возможности глубокой медико-биологической апробации новых химических соединений, выявленных в растениях. В настоящее время установлена структура 12 000 индивидуальных соединений, выделенных из растений, к сожалению, многие из них еще не подвергались медико-биологическому изучению. Из всех классов, химических соединений наибольшее значение, безусловно, имеют алкалоиды; 100 из них рекомендованы как важные медицинские средства, например, атропин, берберин, кодеин, кокаин, кофеин, морфин, папаверин, пилокарпин, платифиллин, резерпин, сальсолин, секуренин, стрихнин, хинин, цитизин, эфедрин и др. Большинство этих препаратов получено в результате поисков, в основе которых лежал химический скрининг. Однако настораживает одностороннее развитие этого метода, во многих институтах и лабораториях низведенного до поисков лишь алкалоидоносных растений, Нельзя забывать о том, что, помимо алкалоидов, ежегодно выявляются новые биологически активные растительные вещества, относящиеся к другим классам химических соединений. Если до 1956 г. была известна структура лишь 2669 природных соединений из растений, не относящихся к алкалоидам, то в последующие 5 лет (1957-1961 гг.) в растениях было найдено еще 1754 индивидуальных органических вещества. Сейчас число химических веществ с установленной структурой достигает 7000, что вместе с алкалоидами составляет свыше 12 000 растительных веществ. Химический скрининг медленно выходит из «алкалоидного периода». Из 70 групп и классов растительных веществ, известных в настоящее время (Karrer et. al., 1977 г.), он проводится лишь в 10 классах соединений, ибо отсутствуют надежные и быстрые экспресс-методы установления наличия в растительном сырье других соединений. Вовлечение в химический скрининг новых классов биологически активных соединений - важный резерв повышения темпов и эффективности поиска новых лекарств из растений. Очень важна разработка методов быстрого поиска отдельных химических веществ, например, берберина, рутина, аскорбиновой кислоты, морфина, цитизина и др. Наибольший интерес при создании новых лечебных препаратов представляют вторичные соединения, или так называемые вещества специфического биосинтеза. Многие из них обладают широким спектром биологической активности. Например, алкалоиды разрешены для применения в медицинской практике в качестве аналептиков, болеутоляющих, седативных, гипотензивных, отхаркивающих, желчегонных, спазмолитических, маточных, тонизирующих центральную нервную систему и адреналиноподобных препаратов. Флавоноиды способны укреплять стенки капилляров, понижать тонус гладкой мускулатуры кишечника, стимулировать секрецию желчи, повышать обезвреживающую функцию печени, некоторым из них присуще спазмолитическое, кардиотоническое и противоопухолевое действие. Многие полифенольные соединения используют как гипотензивные, спазмолитические, противоязвенные, желчегонные и антибактериальные средства. Противоопухолевая активность отмечена у цианидов (например, содержащихся в семенах персика и др.), тритерпеновых кетонов, дитерпеноидов, полисахаридов, алкалоидов, фенольных и других соединений. Все больше препаратов создают из сердечных гликозидов, аминокислот, спиртов, кумаринов. полисахаридов, альдегидов, сесквитерпеновых лактонов, стероидных соединений. Нередко медицинское применение находят уже давно известные химические вещества, у которых лишь недавно удалось обнаружить ту или иную медико-биологическую активность и разработать рациональный метод изготовления препаратов. Химический скрининг позволяет не только наметить новые перспективные для изучения объекты, но и:

• выявить корреляции между систематическим положением растения, его химическим составом и медико-биологической активностью;
• выяснить географические и экологические факторы, способствующие или препятствующие накоплению в растениях тех или иных действующих веществ;
• определить значение биологически активных веществ для производящих их растений;
• выявить у растений химические расы, наследственно отличающиеся друг от друга наличием тех или иных действующих веществ.

Все это может быть использовано при выборе путей управления процессами, протекающими в растении. Наличие быстрых, дешевых и вместе с тем достаточно точных экспресс-методов делает соблазнительным срочное проведение работ по тотальной оценке всех растений флоры СССР и всего мира на наличие в них алкалоидов, тритерпеновых и стероидных сапонинов, хинонов, флавоноидов, сердечных гликозидов, таннидов и других основных классов действующих веществ. Это позволило бы быстро выбраковать малоперспективные виды, не содержащие биологически активных веществ или содержащие их в небольших количествах.

Исследование органов растений

Разные органы растения нередко различаются не только количественным содержанием действующих веществ, но и их качественным составом. Например, алкалоид синоменин содержится лишь в траве луносемянника даурского, а цитизин - лишь в плодах термопсиса ланцетовидного, отсутствуя в его наземных частях до окончания цветения растений, в то время как у термопсиса очередноцветкового цитизин в большом количестве содержится в надземных частях во все фазы развития растения. Именно поэтому для получения полной картины химического состава каждого растения нужно сделать анализ не менее четырех его органов: подземных (корни, корневища, луковицы, клубни), листьев и стеблей (у трав листья всегда богаче действующими веществами, чем стебли), цветков (или соцветий), плодов и семян. У древесно-кустарниковых растений действующие вещества часто накапливаются в коре стеблей (и корней), а иногда лишь во всходах, некоторых частях цветка, плода и семени.
Химический состав каждого органа растения значительно колеблется также и в разные фазы его развития. Максимум содержания одних веществ наблюдается в фазу бутонизации , других - в фазу полного цветения , третьих - во время плодоношения и др. Например, алкалоид триакантин содержится в значительных количествах только в распускающихся листьях гледичии трехколючковой, в то время как в другие фазы развития во всех органах этого растения он практически отсутствует. Таким образом, несложно подсчитать, что для выявления, например, только полного списка алкалоидоносных растений флоры СССР, насчитывающей около 20 000 видов, нужно сделать не менее 160 000 анализов (20 000 видов X 4 органа X 2 фазы развития), что потребует около 8000 дней работы 1 лаборанта-аналитика. Примерно столько же времени нужно затратить, чтобы определить наличие или отсутствие во всех растениях флоры СССР флавоноидов, кумаринов, сердечных гликозидов, таннидов, полисахаридов, тритерпеновых гликозидов и каждого другого класса химических соединений, если проводить анализы без предварительной выбраковки растений по тем или иным соображениям. Кроме того, одинаковые органы в той же фазе развития растения в одном районе могут иметь нужные действующие вещества, а в другом районе - не иметь их. Помимо географических и экологических факторов (влияние температуры, влажности, инсоляции и др.), здесь может сказаться наличие у данного растения особых химических рас, совершенно не различимых по морфологическим признакам. Все это очень усложняет задачу и, казалось бы, делает перспективы окончания предварительной химической оценки флоры СССР, а тем более всего земного шара весьма отдаленными. Однако знание определенных закономерностей позволяет значительно упростить эту работу. Во-первых, совершенно не обязательно исследовать все органы во все фазы развития. Достаточно анализировать каждый орган в оптимальную фазу, когда он содержит наибольшее количество исследуемого вещества. Например, предыдущими исследованиями установлено, что листья и стебли наиболее богаты алкалоидами в фазу бутонизации, кора - в период весеннего сокодвижения, а цветки - в фазу их полного распускания. Плоды и семена, правда, могут содержать разные алкалоиды и в разном количестве в зрелом и незрелом состоянии, и поэтому по возможности их надо исследовать дважды. Знание этих закономерностей значительно упрощает работы по предварительной химической оценке растений. Сплошное обследование всех видов - способ действенный, но все же это работа вслепую! Можно ли, не проводя даже простейшего химического анализа, отличить группы растений, предположительно содержащие тот или иной класс химических соединений, от заведомо не содержащих этих веществ? Иными словами, можно ли на глаз определить химический состав растений? Как будет сказано в следующем разделе нашей брошюры, в общих чертах на этот вопрос мы можем ответить положительно.

Свойства всех растительных организмов и внутренние структуры, присущие отдельным видам, определяются многогранным, постоянно меняющимся воздействием окружающей среды. Существенно влияние таких факторов, как климат, почва, а также круговорот веществ и энергии. Традиционно для выявления свойств лечебных средств или продуктов питания определяются доли веществ, поддающихся выделению аналитическим способом. Но эти отдельно взятые вещества не могут охватить все внутренние свойства, например, лекарственных и пряноароматических растений. Поэтому такие описания отдельных свойств растений не могут удовлетворить всем нашим потребностям. Ятя исчерпывающего описания свойств растительных лечебных препаратов, включающего биологическую активность, требуется всестороннее, комплексное исследование. Существует ряд методик, позволяющих выявить качество и количество биологически активных веществ в составе растения, а также места их скопления.

Люминисцентно-микроскопический анализ эснован на том, что биологически активные вещества, содержащиеся в растении, дают в люминесцентном микроскопе яркое окрашенное свечение, причем различные химические вещества характеризуются разной окраской. Так, алкалоиды дают желтую окраску, а гликозиды - оранжевую. Этот метод используют в основном для выявления мест скопления активных веществ в тканях растений, а интенсивность свечения указывает на большую или меньшую концентрацию этих веществ. Фитохимический анализ предназначен для выявления качественного и количественного показателя содержания активных веществ в эастении. Для определения качества используют химические реакции. Количество действующих веществ в растении является главным показателем его доброкачественности, поэтому проводится их объемный анализ также с использованием химических методов. Для исследования растений, содержащих такие активные вещества, как алкалоиды, кумарины,

главоны, требующие не простого суммарного анализа, но и разделения их на компоненты, сэименяют хроматографический анализ. Хроматографический метод анализа был первые представлен в 1903 году ботаником

Цветом, и с тех пор разработаны его разчные варианты, имеющие самостоятельное

начение. Данный метод разделения смеси г-цеетв на компоненты основан на различите в их физических и химических свойствах. Фотографическим методом, с помощью пано рамной хроматографии можно сделать видимой внутреннюю структуру растения, увидеть линии, формы и цвета растения. Такие картины, получаемые из водяных экстрактов, задерживаются на серебристо-нитратной фильтровочной бумаге и репродуцируются. Метод интерпретации хроматограмм успешно развивается. Эта методика подкрепляется данными, полученными с помощью других, уже известных отработанных методик.

На основании циркуляционных хромодиа-грамм, продолжается разработка метода панорамной хроматографии для определения качества растения по наличию сконцентрированных в нем питательных веществ. Результаты, полученные при использовании этого метода, должны подкрепляться данными анализа уровня кислотности растения, взаимодействия содержащихся в его составе ферментов и т. д. Основной задачей дальнейшего развития хроматографического метода анализа растений должен стать поиск способов воздействия на растительное сырье в ходе его выращивания, первичной обработки, складирования и на этапе непосредственного получения лекарственных форм с целью повышения содержания в нем ценных активных веществ.

Обновлено: 2019-07-09 22:27:53

• Установлено, что адаптация организма к различным влияниям окружающей среды обеспечивается соответствующими колебаниями функциональной активности органов и тканей, центральной нервной

Валовой анализ проводится либо на листьях определенного положения на растении, либо во всей надземной части, либо в иных индикаторных органах.
Диагностика по валовому анализу листьев - зрелых, закончивших рост, но активно функционирующих, получила название «листовая диагностика». Она была предложена французскими учеными Лагатю и Момом и поддержана Люндегордом. В настоящее время этот вид химической диагностики широко используется как за рубежом, так и у нас в стране, особенно для растений, в корнях которых почти полностью восстанавливаются нитраты и потому по этой форме в надземных частях невозможно контролировать азотное питание (яблоня и другие семячковые и косточковые, хвойные, богатые дубильными веществами, луковичные и др.).
При валовых анализах листьев или иных частей растений используются обычные методы озоления органического вещества для определения в нем N, Р, К, Ca, Mg, S и других элементов. Чаще определение ведут в двух навесках: в одной определяют азот по Кьельдалю, в другой - остальные элемены после мокрого, полусухого или сухого озоления. При мокром озолении используют либо крепкую H2SО4 с катализаторами, либо в смеси с HNO3, либо с HClO4, либо с H2O2. При сухом озолении необходим тщательный контроль за температурой, так как при сжигании при температуре свыше 500° С могут быть потери Р, S и других элементов.
По инициативе Франции в 1959 г. был организован Межинститутский комитет по изучению техники химической листовой диагностики в составе 13 французских, 5 бельгийских, 1 голландского, 2 испанских, 1 итальянского и 1 португальского институтов. В 25 лабораториях этих институтов были проведены химические анализы одних и тех же проб листьев 13 культур (полевых и садовых) на валовое содержание в них N, Р, К, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu и Zn. Это позволило комитету после математической обработки данных рекомендовать способы получения стандартных проб листьев и дать стандартные методы их химического анализа для контроля точности таких анализов при листовой диагностике.
Озоление образцов листьев рекомендуется проводить следующим образом: для определения общего азота по Кьельдалю озолять с H2SO4 (уд. вес 1,84), с катализаторами K2SO4 + CuSO4 и селеном. Для определения других элементов используют сухое озоление пробы в платиновой посуде при постепенном (за 2 часа) нагреве муфеля до 450° С; по охлаждении в муфеле за 2 часа золу растворяют в 2-3 мл воды + 1 мл HCl (уд. вес 1,19). Выпаривают на плитке до появления первых паров. Добавляют воду, фильтруют в мерную колбу емкостью 100 см3. Осадок с фильтром озоляют при 550° С (максимум), добавляют 5 мл плавиковой кислоты. Высушивают на плитке при температуре не выше 250° С. После охлаждения приливают 1 мл той же HCl и снова фильтруют в ту же колбу, смывая теплой водой. Фильтрат, доведенный до 100 мл водой, используют для анализа на содержание макро- и микроэлементов.
Имеется довольно большое варьирование в методах озоления растительных проб, которые различаются главным образом по видам растений - богатые жирами или кремнием и т. д., и по задачам определения тех или иных элементов. Достаточно подробное описание техники использования этих методов сухого озоления дано польским ученым Новосильским. Им же даны описания различных способов мокрого озоления с помощью тех или иных окислителей: H2SO4, HClO4, HNO3 или H2O2 в том или ином сочетании в зависимости от определяемых элементов.
Для ускорения анализа, но не в ущерб точности, изыскиваются пути такого способа озоления растительной пробы, который позволил бы определить в одной навеске несколько элементов. В. В. Пиневич использовал для определения в одной навеске N и Р озоление H2SO4 и в последующем добавлял 30%-ную H2O2 (проверяя ее на отсутствие Р). Этот принцип озоления с некоторыми уточнениями нашел широкое применение во многих лабораториях России.
Другой широко применяемый метод кислотного озоления навески для определения в ней одновременно нескольких элементов был предложен К.Е. Гинзбург, Г.М. Щегловой и Е.А. Вульфиус и основан на использовании смеси H2SO4 (уд. вес 1,84) и HClО4 (60%) в отношении 10: 1, причем смесь кислот предварительно готовится на всю партию анализируемого материала.
При необходимости определять серу в растениях описанные методы озоления не годятся, так как включают серную кислоту.
P.X. Айдинян с сотрудниками предложил сжигание растительной пробы для определения в ней серы, смешивая ее с бертолетовой солью и чистым песком. Метод В. И. Кузнецова с сотрудниками представляет собой несколько переработанный метод Шёнигера. Принцип метода заключается в быстром озолении пробы в колбе, заполненной кислородом, с последующим титрованием образовавшихся при этом сульфатов раствором хлористого бария с нитхромазо-металлиндикатором на барий. Чтобы обеспечить большую точность и воспроизводимость результатов анализа, нами рекомендуется пропускание полученного раствора через колонку с ионообменной смолой в H+ форме с целью освобождения раствора от катионов. Полученный таким образом раствор сульфатов следует упаривать на плитке до объема в 7-10 мл и по охлаждении титровать.
Новосильский, указывая на большие потери серы при сухом озолении, приводит рецепты озоления растений для этих анализов. Автор считает одним из наиболее простых и быстрых метод озоления по Буттерсу и Ченери с азотной кислотой.
Определение содержания каждого элемента в озоленной тем или иным способом пробе проводится разнообразными методами: колориметрическими, комплексонометрическими, спектрофотометрическими, нейтроно-активационным, с помощью автоанализаторов и др.