Smrk je dřevina z čeledi borovicovité. Je to jeden z nejběžnějších jehličnatých druhů v Rusku, ale není jako jiné jehličnaté stromy. Smrky mají tmavě zelené jehlice, které zůstávají zelené po celý rok. Proč však smrk v zimě a v létě nemění barvu svých listů? V tomto článku se podíváme na vědecké vysvětlení tohoto jevu.
Za prvé, smrk má speciální vlastnosti, které mu umožňují udržovat zelené listy po celý rok, a to i při minimální dostupnosti vody a živin. To je způsobeno fyziologickými vlastnostmi struktury listu. Speciální buňky pod povrchovou vrstvou pokožky listu obsahují chloroplasty, které spadají pod slupku, zajišťují normální fungování těchto buněk a udržují zelenou barvu.
Za druhé, smrk postrádá žluté a červené pigmenty – karotenoidy a antokyany, které se na podzim objevují na jiných stromech a dodávají listům oranžové, červené a žluté odstíny. Místo toho mají smrky velké množství chlorofylu, který dává jejich listům sytě zelenou barvu.
Smrk si tak uchovává svou zelenou barvu po celý rok díky zvláštní struktuře listů a absenci žlutých a červených pigmentů. Tato vlastnost činí ze smrku jedinečného a významného zástupce flóry naší země.
Zimní smrk: jak funguje jeho listový systém
Jako každá jiná rostlina i smrk v zimě ztrácí listy. Na rozdíl od mírných zeměpisných šířek, kde stromy vlivem chladu ztrácejí listy, si však v drsných podmínkách severních oblastí zachovávají zelené jehličí. Taková adaptace je nezbytná pro udržení životaschopnosti stromu během chladného období.
Zimní zelené jehlice jsou složeny ze stejných pletiv jako letní, ale mění se jejich struktura a funkčnost. Během chladného počasí buňky jehličí a dlážděných listů zpomalují svůj metabolismus a zajišťují minimální příjem vody a živin.
Zadečky smrků, rostoucích v drsných severních šířkách, se začínají rozvíjet v létě. Na podzim jsou plně vytvořené šišky připraveny na proces opylení. Často se stává, že poté, co rostlina nestihla zasadit semena, může přijít zima. V tomto případě strom zůstane zelený přes zimu a čeká na příznivější podmínky pro reprodukci.
Aktivní penny dýchání větví a kořenů v zimě nastává díky energii uložené přes léto. Smrkové jehličí a dřevo, i když zpomalují svou životně důležitou činnost, nepřestávají spotřebovávat živiny k výrobě energie. To umožňuje stromu přežít v nejdrsnějších přírodních podmínkách.
Letní smrk: proč listy nemění barvu
Smrk je dřevina, která si na listech dokáže udržet zelenou barvu po celý rok. Na rozdíl od listnatých stromů, které v zimě ztrácejí listy, může smrk díky speciálním buňkám na listech zvaným chloroplasty pokračovat v aktivní fotosyntéze i v zimě.
Smrkové listy jsou navíc velmi husté a tvrdé, což jim brání v zimním období vytvářet „slupku“. To umožňuje stromu zachovat si zelenou barvu a být dobře vyživován až do příchodu jara.
Neméně důležitou roli hraje také hormonální pozadí rostliny. V létě rostlina aktivně spotřebovává vodu a živiny, což vede k adaptačním procesům. Tělo smrku, jako každá jiná rostlina, začíná produkovat různé hormony, které regulují jeho metabolické procesy. V zimě se hormonální hladiny mění, což vysvětluje téměř úplný nedostatek vitální aktivity u některých stromů.
V důsledku toho můžeme říci, že zelená barva listů smrku je důsledkem jeho fyziologických vlastností. To je důvod, proč smrk zůstává zelený v létě i v zimě – na listech má speciální buňky, které mu umožňují pokračovat ve fotosyntéze po celý rok, a reguluje své hormonální hladiny, aby čelil nadcházející zimě v plné bojové připravenosti.
Fotoperiodismus a fyziologie smrku
Fotoperiodismus je schopnost živých organismů reagovat na změny délky denního světla a noci. Smrk je jedním z mnoha rostlinných druhů, které jsou na tomto faktoru závislé.
Během zimních měsíců, kdy jsou dny krátké, zůstávají eloidní jehlice smrku zelené, protože rostlina je méně citlivá na denní světlo než na teplotu vzduchu nebo srážky.
Fyziologie smrku také ovlivňuje, proč nemění barvu po celý rok. Smrk, stejně jako ostatní jehličnany, má speciální klece zvané borové odtoky, které chrání jehličí před zamrznutím během zimních měsíců.
Během léta smrky přestávají růst, aby šetřily energii na příští rok. Jehličnaté jehlice jsou v klidu a jejich barva zůstává stejná. I když jsou smrky vysazeny v oblastech s různým klimatem, stále nechávají své jehličnaté jehličí zelené po celý rok, protože je to nezbytné pro jejich přežití.
Obecně platí, že smrk zůstává zelený ve všech ročních obdobích, protože mu pomáhá šetřit energii a přežít drsné zimní podmínky a protože reaguje spíše na změny fotoperiody než na teplotu nebo jiné klimatické faktory.
Vánoční stromky, borovice a jedle na zimu neshazují jehličí, a proto se v našich zeměpisných šířkách staly symbolem věčně živé přírody, symbolem Nového roku a Vánoc. Jedním z důvodů, proč se jehličnany na zimu nezbavují jehličí, jako listnáče z olistění, je, že se jejich jehličí nebojí zimních mrazů. Přírodní nemrznoucí směs jim pomáhá nebát se chladu.
Jednou z těchto přírodních nemrznoucích směsí je glukóza a její izomery, druhou je nemrznoucí bílkovina zvaná dehydrin. Molekulová hmotnost tohoto proteinu je 60 000 Da (Dalton, atomové hmotnostní jednotky) a jeho obsah je 1,2 miligramu na 100 gramů jehel. Maximální obsah glukózy a jejích izomerů v jehlicích je 6 hmotnostních procent, průměrný obsah vlhkosti v jehlicích (obsah vody v nich) je 55 hmotnostních procent.
Je známo, že roztok látky mrzne při nižší teplotě než čisté rozpouštědlo a pokles bodu tuhnutí lze určit podle vzorce: Δt = k × Cm. V tomto vzorci k je kryoskopická konstanta rozpouštědla (pro vodu je rovna 1,86), a Cm – molální koncentrace (molalita), což je počet molů rozpuštěné látky na kilogram rozpouštědla, její měrnou jednotkou je mol/kg (viz Koncentrace roztoků).
Vypočítat, o kolik stupňů může glukóza a dehydrinový protein snížit teplotu tuhnutí vody v buňkách jehlic (pro zjednodušení zanedbáváme přítomnost dalších látek v intra- a mezibuněčných prostorech jehlic a předpokládáme, že pokles při teplotě mrazu je aditivní – to znamená, že můžeme vypočítat tuto hodnotu zvlášť pro glukózu a bílkovinu a pak složit). Jak jinak Může dehydrin ochránit jehličí před mrazem? co Z nemrznoucích směsí je pro ochranu jehličí před mrazem důležitější glukóza nebo dehydrin?
Nápověda 1
Při výpočtu mějte na paměti, že obsah glukózy je uveden pro celou hmotnost jehel. Při stanovení molální koncentrace glukózy je nutné ji vztáhnout k vodě.
Nápověda 2
Zopakujte si, co jsou izomery a jak to může pomoci určit molekulovou hmotnost izomerů glukózy.
Nápověda 3
Pamatujte, že vysokomolekulární sloučeniny, které zahrnují proteiny, mají třetí typ vztahu s rozpouštědlem, kromě „rozpouštěcích“ a „nerozpustných“ charakteristik charakteristických pro nízkomolekulární látky.
rozhodnutí
Jak vyplývá z údajů uvedených v problému, 100 gramů jehličí obsahuje 6 gramů glukózy a jejích izomerů a 55 gramů vody. To znamená, že stanovíme pokles bodu tuhnutí vody v roztoku sestávajícím z 6 gramů glukózy a jejích izomerů a 55 gramů vody. Izomery jsou látky se stejným atomovým složením a molekulovou hmotností, ale odlišnou chemickou strukturou. To znamená, že pro výpočet molární koncentrace můžete použít molekulovou hmotnost glukózy (180 g/mol) pro všech těchto 6 gramů látek, které jsou ve skutečnosti jinými hexózovými cukry (C6Н12О6). Tak:
Dosazením této hodnoty molární koncentrace do rovnice pro určení deprese bodu tuhnutí získáme:
to znamená, že roztok glukózy v jehličkách snižuje bod tuhnutí svých intra- a mezibuněčných tekutin (viz Vnitřní prostředí těla) asi o jeden stupeň, což samozřejmě nestačí k přežití našeho (a nejen našeho) drsného zimy.
Můžete si samozřejmě spočítat, o kolik stupňů v něm rozpuštěný protein sníží bod tuhnutí vody (ale jen abyste pochopili, že to nefunguje jako glukóza):
ν(dehydrin) = 0,0012/60 000 = 2 × 10-8 mol,
Cm(dehydrin) = 2 × 10-8 mol/0,055 kg = 7,2 × 10-7 mol/kg,
Δtcr. = 1,86 × 7,2 × 10 –7 = 1,33 × 10 –7 K.
Takovou změnu teploty mrazu je téměř nemožné detekovat stávajícími přístroji. Mimochodem, právě proto, že roztoky bílkovin a dalších makromolekul ve vodě mrznou při téměř stejné teplotě jako voda samotná, nebyly bílkoviny až do 1960. let minulého století považovány za nemrznoucí směsi. Jejich koncentrace v krvi polárních zvířat a v biologických tekutinách jiných forem života, které snesou mráz, jsou příliš nízké na to, aby snížily bod mrazu prostřednictvím účinků vyplývajících z Raoultova zákona.
Ve skutečnosti nemrznoucí proteiny a další biologicky aktivní látky, které hrají roli přírodní nemrznoucí směsi, nesnižují bod tuhnutí vody – jejich role je poněkud odlišná. Pro živé organismy, včetně jehličnanů, není samotný fakt zamrzání vody tak nebezpečný. Pokud se voda změní na pevné skupenství, pak se metabolické procesy v mnoha organismech zastaví; Existují studenokrevní obratlovci, kteří dokážou jednoduše zamrznout v ledu a na jaře roztát a plavat po svém (viz obrázek dne Frozen frog). Nejnebezpečnější jsou počáteční fáze tuhnutí vody, která se po přeměně v pevné skupenství rozpíná (na rozdíl od jiných sloučenin), tvoří krystaly se šestipaprskovou symetrií (viz obrázek dne Sněhová vločka) a ostrými hranami, které mohou poškodit buněčné membrány, což vede k destrukci buněk. Zničení určitého počtu buněk je prostě neslučitelné se životem organismu.
Jehličnatý protein dehydrin, stejně jako ostatní nemrznoucí proteiny, zabraňuje tvorbě ledových krystalů s ostrými hranami v důsledku bobtnání. Tento typ interakce látky s rozpouštědlem, charakteristický pouze pro vysokomolekulární sloučeniny (polymery), spočívá v tom, že se molekuly rozpouštědla vážou na makromolekuly, v důsledku čehož vzorek polymeru zůstává v pevné fázi, ale mění svůj tvar. , zvyšující se objem. Voda totiž díky makromolekulám při zamrznutí vytváří místo dokonale hladkých krystalů s ostrými hranami velké množství malých krystalů s vyhlazenými hranami, které nejsou pro buněčné stěny tak nebezpečné.
Ledové krystaly se tedy obvykle vytvářejí ve formě hranolů se šesti obdélníkovými plochami a dvěma šestihrannými základnami a plocha základen je menší než plocha bočních ploch. Studie tvaru krystalů vytvořených v přítomnosti rybích nemrznoucích proteinů ukázala, že se tyto proteiny vážou na pravoúhlé plochy ledového hranolu a brání novým molekulám vody, aby se na ně navázaly. Molekulám vody zůstávají přístupné pouze šestiúhelníkové základní plochy, což výrazně zpomaluje růst krystalů.
Doslov
Schopnost našich jehličnanů snášet nízké teploty je samozřejmě dána nejen tím, že jejich intracelulární tekutiny zamrzají při teplotách pod bodem mrazu vody a nemrznoucí proteiny snižují riziko tvorby krystalů, které mohou prorazit buněčné stěny. . Dalším faktorem chránícím jehly před chladným počasím je voskový povlak jehel. Estery vyšších karboxylových kyselin a vyšších alkoholů – kutiny – umístěné na povrchu jehlic zabraňují vodě opouštět jehly, inhibují proces odpařování (který nastává při ochlazování) a také díky nízké tepelné vodivosti navíc chrání jehly před náhlým chlazení.
Po dlouhou dobu byly všechny známé biologické makromolekuly-nemrznoucí směsi komplexní proteiny-glykoproteiny – sloučeniny obsahující chemicky vázané proteinové a polysacharidové řetězce. Nedávno však z těla arktického brouka U. Ceramboides, schopný odolávat teplotám až –60 °C, byla izolována nemrznoucí směs, což je jednoduše polysacharid, který neobsahuje proteinovou složku (KR Walters et al., 2009. Neproteinová tepelná hystereze produkující xylomannan nemrznoucí směs v mrazu- tolerantní aljašský brouk Upis ceramboides).
Informace o použití nemrznoucích proteinů viz:
O nemrznoucí směsi – proteiny a další, „Chemie a život“ č. 12, 2016.
