Наука и Жизнь 1982 №5
Белки, жиры, углеводы - вот три основные составные части нашей пищи. Все эти вещества мы получаем вместе с растительными и животными продуктами питания. А поскольку мясо-молочные продукты нам поставляют травоядные животные, то получается, что приготовлением нашей органической пищи из неорганических веществ мы в первую очередь обязаны растениям.
Какие же неорганические вещества служат пищей самим растениям?
Если взвесить только что выдернутое из почвы растение, потом его высушить и снова взвесить, то окажется, что на 90 процентов растительные ткани состоят из воды. Нет необходимости говорить о её значении для живых организмов - это среда, в которой находятся компоненты клетки, это растворитель, это химический реагент.
Примерно 9 процентов от веса растения составляет углерод, входящий в состав всех органических соединений. Растения получают его из воздуха, точнее, из углекислого газа, находящегося в воздухе. Углерод усваивается растением в процессе фотосинтеза, идущего с поглощением световой энергии и с выделением кислорода.
На долю остальных элементов приходится лишь процент от веса растения. Около четверти этого процента составляет азот. Усваивать атмосферный азот растения не могут (такая способность дана только некоторым микроорганизмам) и вынуждены высасывать его из почвы в виде соединения, точнее, в виде либо нитратных ионов NO3-, либо ионов аммония NH4+. Обычно в почве таких соединений содержится недостаточно, поэтому земледельцам приходится подкармливать выращиваемые растения искусственно полученными производными азота - азотными удобрениями.
Среди них наиболее распространена аммиачная селитра NH4NO3. Судя по формуле, в этой соли присутствуют оба вышеназванных разноимённо заряженных иона. Доказать присутствие иона аммония в аммиачной селитре легко: добавьте к раствору удобрения в воде раствор щёлочи (например, едкого натра). Выделяющийся аммиак определите по характерному запаху. В сельском хозяйстве применяют также другие виды селитры: натриевую NaNO3, калийную KNO8, кальциевую Ca(NO3)2. Чтобы их различить между собой, насыпте на раскалённый уголь с кончика ножа немного порошка удобрения. Натриевая селитра вспыхнет и сгорит ярко-жёлтым огнем, пламя калийной селитры будет окрашено в лиловый цвет, кальциевая селитра расплавится и сгорит красным пламенем, оставив белую известь. Аммиачная селитра пламя не окрашивает, но сгорает с белым дымом и запахом аммиака. Добавьте в пробирке или на дне стакана к раствору кальциевой селитры раствор оксалата аммония - выпадет белый осадок.
Другое азотное удобрение - сульфат аммония (NH4)2SO4 - легко обнаружить, поставив два опыта. Растворите немного этой соли в воде и раствор поместите в две пробирки. В одну добавьте раствор щёлочи (выделяется аммиак), в другую - раствор хлористого бария (выпадает белый осадок сульфата бария, который не растворяется в уксусной кислоте).
Какую же роль выполняет азот в растении? Дело в том, что этот элемент входит в состав жизненно наиважнейших соединений - белков (конкретнее - аминокислот, из которых построены белки) и нуклеиновых кислот, не считая многих других биологически весьма активных веществ, среди которых витамины, алкалоиды и другие выделяемые из растений и полезные человеку соединения.
Если в корень растения азот попал в виде нитрат-аниона, он быстро восстанавливается в аммиак. При участии фермента нитратредуктазы нитрат-ион NO3- сначала переходит в нитрит-ион NO2-, затем в гидроксиламин NH2OH и, наконец, в аммиак. Аммиак в клетках растений реагирует с так называемыми кетокислотами, в которых кетонная группа соседствует с карбоксилом: R-CO-COOH. Эти кетокислоты образуются в клетках растении при окислении сахара, в результате чего растение получает энергию. Соединяясь под действием ферментов с кетокислотами, аммиак образует различные аминокислоты R-CH(NH2)COOH, которые передвигаются в стебель и листья и далее используются для синтеза белков.
С такой же целью аминокислоты необходимы и для нормальной жизнедеятельности всех животных и синтезируются в их организмах, хотя и не в полном ассортименте. Например, в организме человека не могут синтезироваться восемь аминокислот (оттого их называют незаменимыми) - они обязательно должны поступать с пищей.
Второй весьма важный элемент, содержащийся в растениях,- фосфор (0,06 процента). Его в почве тоже часто не хватает, поэтому и производятся в огромном количестве фосфорные удобрения. Например, суперфосфат, состоящий из смеси гидрофосфата кальция Ca(H2PO4)2*H2O с сульфатом кальция CaSO4.
Взболтайте с водой фосфорное удобрение, отфильтруйте через промокательную бумагу и прибавьте к фильтрату несколько капель раствора нитрата серебра (ляписа). Выпадает жёлтый осадок фосфата серебра. Комбинированное фосфорное удобрение - аммофос NH4H2PO4,- помимо этой реакции, при действии щёлочи выделяет аммиак, и поэтому его легко распознать.
Роль фосфора в организме весьма важна. В виде фосфат-иона он включается в состав вещества наследственности - нуклеиновой кислоты. Присоединение и отщепление остатка фосфорной кислоты к аденозинфосфатам позволяет клетке запасать впрок, переносить, хранить и использовать по мере надобности энергию (см. «Наука и жизнь» №9, 1978 г., стр. 17.) Кроме того, фосфор является составной частью важных биологических веществ - фосфолипидов, коферментов и других.
Чтобы понять роль, которую играют в жизни растения некоторые металлы и особенно калий (в процентном отношении его в растениях столько же, сколько и азота), проделайте такой опыт. Срежьте стебель какого-нибудь комнатного растения и наденьте на оставшийся в земле пенёк стеклянную трубку. Полейте растение. Постепенно в трубку из сосудов стебля выделится жидкость, которая поднимется по трубке на какую-то высоту. Эта высота отражает величину давления, под которым корень, словно насос, гонит воду в листья.
Каким же образом создаётся это давление? Здесь «работает» принцип осмоса. Если разделить два раствора перегородкой, проницаемой только для молекул воды, и создать по разные стороны от перегородки различную концентрацию какой-либо соли, то молекулы воды из части, содержащей меньше соли, будут пытаться перейти в ту часть, где соли больше, выровнять её концентрацию. Такой перегородкой, проницаемой лишь для молекул воды, может выступать оболочка клетки. Благодаря осмосу вода из почвы всасывается в сосуды корня, жидкость в которых отличается значительной концентрацией ионов калия. Будучи разбавлена водой, эта жидкость увеличивается в объёме, ей становится тесно в сосудах корня, и она поднимается по ним в сосуды стеблей, а затем и листьев.
Поместите веточку комнатного растения или дерева в стакан с чистой водой. Хорошо известно, что несколько часов или даже дней ветка не будет вянуть. По добавьте в воду немного калийной селитры, и вы увидите, как и стебель и листочки быстро потеряют упругость, как бы увянут. Дело в том, что вода из клеток выделилась в межклеточное пространство, дабы разбавить раствор соли, поступившей сюда из корня. В результате потеря упругости, напряжения клетки, которое у ботаников называется тургором.
Как азот и фосфор, калий - дефицитный в почве элемент. Его недостаток восполняется калийными удобрениями. Они представляют собой смесь хлоридов калия и натрия или смесь хлорида калия с сульфатом магния. Отличить их легко при помощи реакции с нитратом серебра: выпадает белый осадок хлорида серебра. Что же касается других видов калийных удобрений (сульфата калия, смеси сульфата калия с сульфатами других металлов), то их отличительная способность - белый осадок при добавлении раствора хлорида бария.
Помимо калия, растению необходимы и другие металлы. Так, кальций служит для нейтрализации, связывания органических кислот. Магний входит в состав хлорофилла - непременного участника фотосинтеза. Железо, марганец, кобальт, молибден, медь участвуют в окислительно - восстановительных процессах. Однако потребность в этих элементах невелика, и их почти всегда оказывается достаточно в почве. Из неметаллов растениям необходима также сера, входящая в состав аминокислот и других веществ. Ее в почве тоже достаточно.
Теперь, когда мы познакомились с ролью различных элементов в жизни растений, становится понятным состав раствора, который позволяет выращивать в комнате растения без почвы. Вот два рецепта растворов, дающих растениям полноценное питание (граммы солей на 1 литр воды).
1.
Калиевая селитра | 0,2 |
Фосфат калия | 0,15 |
Сульфат магния | 0,13 |
Аммиачная селитра | 0,19 |
Сульфат аммония | 0,05 |
Бура | 0,05 |
Сульфат марганца | 0,03 |
Сульфат цинка | 0,02 |
Сульфат меди | 0,02 |
2.
Аммиачная селитра | 0,7 |
Фосфат аммония | 0,7 |
Калиевая селитра | 0,5 |
Хлорид калия | 0,5 |
Сульфат магния | 0,5 |
Молибдат аммония | 0,01 |
Сульфат цинка | 0,001 |
Сульфат меди | 0,001 |
Борная кислота | 0,04 |
Сульфат железа | 0,05 |
Кандидат химических наук Г. ШУЛЬГИН