Изменится окраска. Современные проблемы науки и образования. Универсальная индикаторная бумага

Человек, все животные (насекомые, обитатели морей и океанов, даже простейшие микроорганизмы) обладают зрением разной степени разрешения, и во многих случаях и цветным.

В результате взаимодействия лучей света определенной длины (380–700 нм), соответствующей видимой части солнечного спектра с прозрачными и непрозрачными объектами, содержащими неорганические и органические вещества определенного химического строения (красители и пигменты) или объектами со строго организованной структурой из наночастиц (структурная окраска) происходит избирательное поглощение лучей определенной длины волны и, соответственно, отражается (непрозрачный объект) или пропускаются (прозрачный объект) остальные (за вычетом поглощенных) лучи. Эти лучи попадают в глаз животного, обладающего цветным зрением, на биосенсоры и вызывают химический импульс, соответствующий энергии квантов лучей света попавших на сетчатку, и нервной системой передаются в определенную часть головного мозга, отвечающую за зрительное восприятие, и там формируется ощущение цветной картинки окружающего мира.

Для того чтобы каждый из нас видел мир прекрасным во всем многообразии цветов, необходимо сочетание определенных физических, химических, биохимических, физиологических условий, выполняемых на нашей планете. А может быть и на каких-нибудь других?

• Наличие в солнечном спектре лучей (видимая часть спектра), доходящих до поверхности Земли, с длиной волны 380–700 нм. Не все лучи солнечного спектра доходят до поверхности земли. Так озонный слой поглощает жесткий (высокая, убивающая живые организмы энергия) ультрафиолет (< 290 нм), благодаря чему на планете Земля существует жизнь.
• Природа, а затем и человек, создали множество веществ и материалов, благодаря их химическому строению и физической структуре способных избирательно поглощать лучи видимой части спектра. Мы такие вещества и материала называем цветными и окрашенными.
• Эволюция (много миллион лет) живой материи наградила живые существа биосенсорами («биоспектрофотометрами») – зрением, способным избирательно реагировать на кванты видимых лучей, нервной системой и структурой мозга (высшие животные), трансформирующие фотоимпульсы в биохимические, которые и создают цветную картинку в нашем мозгу.

Традиционно человек издавна (много тысяч лет), подражая природе (днем почти все окрашено, цветное, всех цветов радуги), учился производить цветные и окрашенные материалы, и во многом преуспел. В середине позапрошлого века (1854 г.) Вильям Перкин – студент 3-его курса Королевского Колледжа (Англия, Лондон) синтезировал первый синтетический краситель – мовеин. С этого началось становление анилинокрасочной промышленности (первая промышленная революция). До этого на протяжении многих тысяч лет человек пользовался природными окрашенными (красители, пигменты) веществами.

Но в природе красители и пигменты не только выполняют очень важную и многоцелевую функцию окрашивания природных объектов, но и ряд других задач: защита от вредных микроорганизмов (у растения), перевод световой энергии в биохимическую (хлорофилл, родопсин) и др.

Хромия красителей и окраски (красители, пигменты, наноструктуры)

Еще раз следует подчеркнуть, что существует два механизма возникновения окраски:

1. За счет присутствия в субстрате окрашенных (красители, пигменты) веществ, определенного химического строения;
2. За счет физической структуры упорядоченных нанослоев, наносот, наночастиц (молекулы, супрамолекулы, кристаллы, жидкие кристаллы), на которых происходят явления интерференции, дифракции, многократного отражения, преломления и др.

Для окраски первого и второго механизма ее формирования может наблюдаться хромия. Что же такое хромия, с которой сталкивается достаточно часто обычный человек, а химик-колорист не только с этим явлением постоянно сталкивается, но и вынужден с ней бороться или во всяком случае обязан учитывать, а еще лучше использовать (об этом еще предстоит рассказать).

Хромия – это обратимое изменение окраски (цвета, оттенка, интенсивности) под воздействием каких-то внешних физических, химических и физико-химических импульсов.

Хромию не следует путать с необратимыми изменениями, когда происходит деструкция окрашенной системы. Эти необратимые изменения колористики оценивают в баллах, как устойчивость окраски к различным факторам.

Различают следующие виды хромии в зависимости от того, под влиянием какого фактора, импульса происходит обратимое изменение цвета: фото-, термо-, хемо-, сольвато-, механо-, электро-, магнитохромия.

Фотохромия (обратимое изменение цвета или светопропускания) – под воздействием электромагнитного излучения, в том числе естественного (солнечный свет) или искусственного источника облучения. С этим негативным явлением химики-колористы сталкиваются, когда используют красители с высокой склонностью к фотохромии. Изделия из окрашенного такими красителями материала под действием яркого солнечного света ощутимо изменяет свой оттенок окраски, но именно обратимо, и в темноте (в шкафу, ночью) окраска возвращается к первоначальному цвету. Однако явление это гистерезисное и через определенное число циклов окраска теряет свою интенсивность (фотодектрукция). Как правило, красители склонные к фотохромии имеют недостаточно высокую светостойкость.

Склонность красителей к фотохромии оценивается по стандарту ISO.

Термохромия – обратимое изменение окраски (цвета, оттенка) при нагревании окрашенного объекта. Это явление мы наблюдаем в быту, когда гладим окрашенные изделия из текстиля; особенно сильно термохромия проявляется, если изделия перед глажкой увлажнить. Через определенное время после охлаждения окраска возвращается к исходному цвету. Склонность к термохромии у каждого красителя разная; на тканях из синтетических волокон она проявляется сильнее.

Хемохромия – обратимое изменение окраски при действии химических реагентов (изменение рН, действие окислителей и восстановителей).

Какой химик не использовал цветные реакции индикаторных красителей для определения рН среды? Все индикаторные красители – хемохромы.

Технология колорирования кубовыми пигментами (обычно называют красителями) основано на обратимых окислительно-восстановительных процессах: сначала перевод нерастворимого окрашенного пигмента в более слабоокрашенную лейкоформу с помощью восстановителей в щелочной среде, а затем вновь в окрашенный пигмент окислением.

Сольватохромия – обратимое изменение окраски при смене растворителя (полярного на неполярный и обратно).

Механохромия – обратимое изменение окраски (цвета) при деформационных нагрузках на окрашенный материал.

Электрохромияи магнитохромия – обратимое изменение окраски при пропускании различных видов тока и действии магнитного поля на окрашенный объект.

Общие механизмы хромии

У всех этих видов хромии имеется общий механизм, но очевидны и специфические особенности, связанные с природой (физика, химия, физико-химия) самого импульса.

Как было сказано ранее, окраска, цвет при всех прочих необходимых условиях (о них был уже разговор) обусловлены химическим строением вещества или физической наноструктурой, которые делают вещество, объект, материал окрашенными и цветными. В случае окраски, в образовании которой участвуют окрашенные вещества (красители, пигменты), молекулы этих веществ должны иметь специфическое строение, отвечающее за избирательное поглощение лучей видимой части спектра. В случае органических красителей и пигментов, та часть их молекулы, которая определяет это свойство, называется хромофором. По теории цветности хромофор у органических веществ – это структура с достаточно протяженной системой сопряженных двойных связей (конъюгация).

Чем длиннее цепочка сопряжений, тем более глубокий цвет имеют вещества, построенные из таких молекул.

Сопряженная система связей характеризуется определенной плотностью π- и d-электронов и, как следствие, при взаимодействии с лучами солнечного света (его видимой части) вещество способно поглощать избирательно часть их.

Следовательно, явление хромизма обязательно связано с обратимым образованием или изменением хромофорной структуры. Если окраска, цвет обусловлена наличием строго организованной наноструктуры (структурная окраска), то хромизм связан с обратимой организацией или дезорганизацией этой структуры под воздействием внешних импульсов. Под воздействием внешних факторов не обязательно должно происходить обратимая химическая модификация молекулы, но очень часто это связано с пространственной изомерией (например, цис-транс изомерия азокрасителей), переход из аморфного состояния в кристаллическое (кубовые на стадии мыловки кипящими растворами ПАВ) и др.

Специфика механизма хромии в зависимости от природы, вида вызывающих ее импульсов будет излагаться при рассмотрении каждого вида хромии.

Фотохромия

Наиболее изученный вид хромии. Фотофизические и фотохимические превращения красителей стали объектами исследования выдающихся физиков и химиков последних нескольких сотен лет, как только начали формироваться основы физических и химических представлений о мире (И. Ньютон, А. Эйнштейн, Н. Вавилов, Н. Теренин и др.).

Фотохромия, как часть более широкого научно-практического направления – фотоники, лежит в основе свойств многих природных и рукотворных явлений и материалов.

Так родопсин – природный зрительный пигмент (хромопротеин), высокохромное фотоактивное вещество, содержащееся в палочках сетчатки глаз млекопитающих и человека. Это по существу зретильный фотосенсор. Если бы его фотоактивность была необратимой, то он не смог бы выполнять эту функцию. Эволюция живой природы создала, отобрала это вещество для устройства эффективного зрения еще на самом начальном этапе эволюции (~ 2,8 млрд. лет тому назад). Этот краситель – родопсин присутствует в архаичных (первоначальных), примитивных бактериях Halobacterium halolium , которые превращают световую энергию в биохимическую.

Механизм фотохромии родопсина включает в себя очень сложные биохимические превращения.

В случае фотохромии при переходе от бесцветного соединения в окрашенному схему перехода можно представить в следующем виде:

Рисунок 1. На спектрах поглощения обратимый переход отразится в форме кривых А и Б.

Бесцветное веществ о А интенсивно поглощает свет в ближнем УФ (~ 300 нм), переходит в фотовозбужденное состояние, энергия которого затрачивается на фотохимические превращения вещества А в вещество Б с хромофором, поглощающим в видимой части спектра. Обратное превращение может происходить в темноте или при нагревании. Возврат в исходное состояние происходит либо спонтанно (за счет подвода тепла), либо под действием света (hυ2). При переходе от соединения А к Б происходит изменение её электронной плотности и молекула Б приобретает способность поглощать фотоны более низкой энергии, то есть поглощать лучи видимой части спектра. Из фотовозбужденного состояния молекула Б способна вновь возвращаться к бесцветному состоянию А. Как правило, прямая реакция 1 протекает намного быстрее обратной реакции 2.

Следует различать физический и химический механизмы фотохромии. В основе физической фотохромии лежит переход молекулы вещества на какое-то время в фотовозбужденное состояние, имеющее спектр поглощения отличный от исходного состояния. В основе химической фотохромий лежат глубокие внутримолекулярные перестройки под действием света, проходящие через стадии фотовозбуждения.

В основе химической фотохромии окрашенных веществ лежат следующие превращения, вызываемые поглощением молекулой квантов света и переходом ее в фотовозбужденное состояние:

• восстановительно-окислительные реакции;
• таутомерные прототропные превращения;
• цис- транс изомерия;
• фотоперегруппировки;
• фотолиз ковалентных связей;
• фотодимеризация.

В настоящее время известны и изучены многие фотохромные вещества неорганической и органической природы. Неорганические фотохромы: оксиды металлов, соединения титана, меди, ртути, некоторые минералы, соединения металлов переходной валентности.

Эти интересные фотохромы к сожалению мало пригодны для фиксации на текстильных материалах из-за отсутствия сродства к волокнам. Но они с успехом используются как таковые или на подложках различной природы.

Органические фотохромы больше подходят для фиксации на текстиле (имеют сродство) и экологически менее вредные.

В основном это спиропираны и их производные, спирооксазины, диарилэтаны, триарилметановые красители, стильены, хиноны. Приведем пример фотоинициированных фотохромных превращений спиропирана, как наиболее изученного фотохрома. В основе фотохромизма спиропиранов и их производных лежат обратимые реакции: разрыв ковалентных связей в молекуле под действием УФ и восстановления их под действием лучей квантов видимой части спектра или за счет нагрева. На рисунке 2 показана схема фотохромных превращения спиропиранов и их производных.

Как можно видеть, исходная форма спиропирана не имеет сопряженной системы двойных связей и, соответственно, эти соединения бесцветны. Фотовозбуждение инициирует разрыв слабой спиро- (С-О) связи, в результате новые две формы (цис- и транс-) производные цианина приобретают конъюгированную систему двойных связей и, соответственно, окраску.

Термохромия – обратимое изменение окраски при нагревании; при охлаждении окраска возвращается к исходному цвету. Как и в случае фотохромии это связано с обратимыми изменениями в строении молекулы и, соответственно, с изменением спектра поглощения и цвета.

Термохромы могут быть, как и в случае фотохромов, неорганические и органические.

Среди неорганических термохромов – оксиды индия, цинка, комплексы оксидов хрома и алюминия и т.д. Механизм термохромии – изменение под действием температуры агрегативного состояния или геометрии лиганда в металлокомплексе.

Для текстиля неорганические комплексы не подходят, так как треубют для изменения окраски высоких температур, при которых текстильный материал термодеструктируется.

Органические термохромы могут обратимо изменять окраску по двум механизмам: прямому или сенсибилизированному. Прямой механизм обычно требуют относительно высоких температур (не подходит для текстиля), приводящих к разрыву химических связей или к конформациям молекул. И то и другое приводят к появлению или изменению окраски. При нагреве могут также происходить структурные, фазовые изменения, например, переход в жидкокристаллическое состояние и, как следствие, появление структурной окраски за счет чисто физических, оптических явлений (интерференция, преломление, дифракция и др.).

Разрыв химических связей, приводящий к обратимому появлению окраски, как и в случае фотохромии, связан с формированием цепочки сопряженных двойных связей. Так ведут себя производные спиропиранов (60° – красный цвет, 70° – синий).

Стереоизомеризация при нагреве требует относительно высоких температур (>100°С). При глажении окрашенного азокрасителями текстиля на основе синтетических волокон потребитель часто наблюдает обратимое изменение оттенка окраски, как следствие, цис-трансизомерии азосоединений.

Другой причиной прямой термохромии может быть изомерия, связанная с переходом из плоскостной (копланарной) формы молекулы в объемную.

Особо следует выделить термохромию кристаллических структур, обратимый переход в жидкокристаллическую форму. Жидкие кристаллы: промежуточное состояние вещества между твердокристаллическим и жидким; переход между которыми происходит с изменением температуры. Определенная степень упорядоченности молекул в жидкокристаллическом состоянии обуславливает проявление ими структурной окраски, зависящей от температуры. Окраска в жидкокристаллической форме зависит от коэффициента преломления, в свою очередь зависящего от специфики этой структуры (ориентация и толщина слоев, расстояние между ними). Похожее поведение (структурная окраска) демонстрируют определенные структуры живой и неживой природы: опалы, окраска оперения птиц, морских обитателей, бабочек и др. Правда, это не всегда жидкокристаллическая форма, а чаще фотонные кристаллы. Жидкокристаллические структуры изменяют окраску в интервале –30 – +120°С и чувствительны к очень малым изменениям температур (Δ 0,2°С), что делает их потенциально интересными в различных областях техники.

Все это были примеры прямого механизма термохромии, требующие высоких температур и поэтому мало пригодных для текстиля.

Механизм непрямой (сенсибилизированной) термохромии заключается в том, что вещества, не обладающие термохромными свойствами способны при нагревании запускать механизм хромии других веществ. Интересны системы с отрицательным термохромным эффектом, когда окраска проявляется при комнатной или более низкой температуре, а при нагревании окраска обратимо исчезает.

Такая термохромная система состоит из 3-х компонентов:

1. Краситель или пигмент чувствительные к изменению рН среды (индикаторный краситель), например, спиропираны;
2. Доноры водорода (слабые кислоты, фенолы);
3. Полярный, нелетучий растворитель для красителя и донора водорода (углеводороды, жирные кислоты, амиды, спирты).

В такой 3-х компонентной системе при низкой температуре краситель и донор водорода находятся в тесном контакте в твердом состоянии и окраска проявляется. При нагревании система плавится, и взаимодействие между основными партнерами исчезает вместе с окраской.

Электрохромия возникает за счет присоединения или отдачи электронов молекулами (окислительно-восстановительные реакции). Инициацию этих реакций и проявление окраски можно реализовать за счет слабого тока (всего несколько вольт, подойдут обычные батарейки). При этом в зависимости от силы тока окраска изменяет цвет и оттенок (находка для модной одежды – «хамелеон»).

Электрохромы (конечно должны быть токопроводящими проводниками): оксиды металлов переходной валентности (иридий, рутений, кобальт, вольфрам, магний, родий), фталоцианины металлов, дипиридиновые соединения, фуллерены с добавкой анионов щелочных металлов, электропроводящие полимеры с конъюгированной цепочкой двойных связей (полипиррол, полианилин, политиофены, полифураны).

Основные области применения электрохромных материалов: модная одежда, изменяющая окраску; камуфляж, полностью совпадающий окраской окружающей среды (утро, день, сумерки, ночь); приборы измеряющие силу тока по интенсивности окраски.

Сольватохромия – обратимое изменение окраски при замене растворителя (полярного на неполярный и наоборот). Механизм сольватохромии – разница энергии сольватации основного и возбужденного состояния в разных растворителях. В зависимости от природы сменяемых растворителей происходят батохромные или гипсохромные сдвиги в спектрах поглощения и, соответственно, изменение оттенка окраски

Большинство сольватохромов – металлокомплексные соединения.

Механохромия – проявляется при наличии деформационных нагрузок (давление, растяжение, трение). Наиболее наглядно проявляется в случае окрашенных полимеров, главная цепь которых представляет длинную цепочку сопряженных двойных π-связей. Для проявления ими механохромии часто требуется комбинированное действие механических импульсов, нагрева и изменения рН среды.

Например, полидиацетилены при охлаждении без механических нагрузок имеет синий цвет (λ ~ 640 нм), в напряженном состоянии при 45°С, смоченный в ацетоне материал становится красным (λ ~ 540 нм). Химически модифицируя механохромные полимеры, можно изменять спектр окрашивания при механических нагрузках.

Проведя привитую полимеризацию полидиацетилена с полиуретаном, получают эластомерный полимер, который можно использовать в разных областях для оценки механического напряжения по изменению цвета, а также в модной одежде «стрейтч» из волокон такого строения. В местах изгибов (коленки, локти, таз) будет проявляться окраска.

Наиболее яркие примеры использования хромии в практике в настоящее время

Фотохромия . Колористические эффекты: изменение или проявление окраски при облучении УФ лучами: ткани, обувь, ювелирные изделия, косметика, игрушки, мебель; защита денежных знаков, документов, брендов, камуфляж, актинометры, дозиметры, окна, линзы солнечных очков, фасады из стекла и других материалов, оптическая память, фотовыключатели, фильтры, стенография.

Термохромия . Измерение температуры (термометры), индикаторная упаковка пищевых продуктов, защита документов, жидкокристаллические термохромные системы для декорирования различных материалов, косметика, измерение температуры кожи.

Хромия в модной одежде . Микрокапсулы с фотохромными красителями (производные спиропиранов) вводятся в печатную краску и наносится на ткань по технологии печати. При освещение солнечным светом (содержит близкий УФ ~ 350–400 нм) возникает обратимая окраска (голубая – темно-синяя).

Японская фирма Tory Ind Inc разработала технологию производства термохромных тканей с использованием микрокапсулированной смеси 4-х термохромных пигментов. В интервале температур –40 – +80°С (шаг термочувствительности ~ 5°С) окраска изменяется, захватывая практически весь цветовой спектр (64 оттенка). Эта технология используется для спортивной зимней, модной женской одежды, для оконных занавесей.

Предлагается интересная технология сочетания окрашенной термохромными красителями токопроводящей пряжи (включение металлических нитей). Подведение слабого тока вызывает нагревание пряжи и ее окрашивание. Если ткань с токопроводящими нитями напечатать термохромными красителями, то изменяя переплетения, силу тока можно не только проявлять и изменять окраску, но и создавать разнообразные рисунки. На такое изменение рисунка способны моллюски с помощью хроматофоров (органеллы, содержащие механохромные пигменты). Такие ткани могут и используются для маскировки, цвет и рисунок изменяются под вид окружающей местности (пустыня, лес, поле) и времени суток. По такому принципу изготавливают гибкий дисплей на текстильной основе, который монтируется на верхней одежде. При подведении к такому дисплею слабого тока (например, от батарейки) можно демонстрировать мультипликацию.

Очень эффектно выглядит одежда из стрейтч (эластомерных) волокон окрашенных механохромными красителями. Места одежды с большей растяжимостью (коленки, локти, таз) имеют окраску, отличную от остальных частей одежды.

Хромные красители позволяют получать маскировочный текстиль и одежду. Если текстиль напечатать смесью обычных текстильных и фотохромных красителей, то можно добиться маскировки в любых условиях освещения и видов окружающей среды.

Маскировочные ткани «хамелеон» можно получить с помощью печати электрохромными красителями. Подводя слабый ток можно добиться полного слияния окраски и рисунка с окружающей средой.

Проблема защиты денежных знаков, деловых бумаг, борьба с контрафактной продукцией успешно решается с помощью хромных красителей и пигментов и, прежде всего, фото- и термохромных. Нанесение бесцветных хромных веществ на материал позволяет их обнаружить при освещении УФ или при нагреве.

Дальнейшие перспективы использования хромных красителей (веществ)

Наряду с использованием хромных (термо-, фото-, электро-, механо-) красителей в создании модной одежды и обуви с интересными колористическими эффектами происходит расширение их использования в технических целях: оптика, фотоника, информатика, детектирование вредных веществ.

При использовании хромных красителей на текстиле возникают следующие проблемы:

• высокая стоимость;
• проблемы закрепления и обеспечение перманентности эффекта в условиях эксплуатации изделия (стирка, химчистка, светостойкость);
• ограниченность числа циклов обратимости окраски;
• токсичность.

Достоинством, привлекающим к явлению хромии, является возможность придавать материалам и изделиям особые свойства (функциональность), которые невозможно им сообщить какими-либо другими способами.

1. А.Н.Теренин. «Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений». - Ленинград: Наука, 1967. - 616 с.
2. В.А.Барачевский, Г.И.Лашков, В.А.Цехомский. «Фотохронизм и его применение». Москва, «Химия», 1977 г. ― 280 с.
3. H.Meier. Die Photochemie der organischen Farbstoffe; Springer. Verlag: Berlin-GBttingen-Heidelberg, 1964; p. 471.
4. Г.Е.Кричевский. Фотохимические превращения красителей и светостабилизация окрашенных материалов. – М.: Химия, 1986. – 248 с.
5. Г.Е.Кричевский, Я.Гомбкете. Светостойкость окрашенных текстильных изделий. М., Легкая индустрия, 1975 г. ― 168 с.
6. Ю.А.Ершов, Г.Е.Кричевский, Успехи химии, т. 43, 1974г., 537 с.
7. U.A.Ershov, G.E.Krichevsky. Text.Res.J., 1975, v.45, p.187–199.
8. Г.Е.Кричевский. ЖВХО им.Д.И.Менделеева, 1976 г., т.21, №1, с. 72–82.
9. Photochemistry of dyed and pigmented polymers / ed. by N. S. Allen, J. F. McKellar. Applied Science Publishers Ltd, London, 1980, p. 284.
10. Г.Е.Кричевский. Химическая технология текстильных материалов. Т.2 (Колорирование). М., МГУ, 2001 г., 540 с.
11. Г.Е.Кричевский. Толковый словарь терминов (текстиль и химия). М., МГУ, 2005 г., 296 с.
12. Г.Е.Кричевский. Структурная окраска. «Химия и жизнь», 2010 г., №11, с. 13–15.
13. Г.Е.Кричевский. Человек, создавший цветное завтра. «Химия и жизнь», 2007 г., с. 44–47.
14. Методы исследования в текстильной химии. Под ред. Г.Е.Кричевского. М.: Легпромбытиздат, 1993 г. – 401 с
15. Г.Е.Кричевский. Химические, нано-, биотехнологии в производстве волокон, текстиля и одежды. М., МГУ, 2011 г., 600 с., в печати.

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа с.ФилипповоКирово – Чепецкого района Кировской области

Исследовательский проект

Изменение окраски листьев и листопад клёна остролистного осенью

Выполнила: Лыскова Вера,

ученица 4 класса

МКОУ СОШ с.Филиппово

Руководитель: Козьминых Н.В.,

учитель начальных классов

Филиппово

Паспорт проекта……...………….……………………………………… 3-5

Отчеты по этапам…………………………………………………………6

1. Подготовительный этап. ……………………………………………6-9

   Практический этап. . ………………………………………………10-12

   Контрольно-оценочный этап. ……………………………………13-14

Заключение………………………….………………………………………15

Список используемых источников….......................................................16

Приложение………………………………………………………………….17-27

Паспорт проекта

Название проекта: Изучение окраски листьев и листопад клёна остролистного осенью

Участник проекта: Лыскова Вера, ученица 4 класса МКОУ СОШ с.Филиппово

Руководитель: Козьминых Нина Владимировна, учитель начальных классов

Тип проекта: долгосрочный, индивидуальный, исследовательский, предназначен для детей младшего школьного возраста.

Продолжительность проекта: 7 месяцев

Образовательная область: познавательно- исследовательская (биология, экология)

Проблема: Как, когда и почему меняется цвет листьев клёна осенью?

Почему листья меняют свой цвет?

Почему осенью листья окрашены по - разному?

Как происходит процесс изменения окраски листьев клёна?

Сколько времени длится листопад у клёна?

Цель: изучение окраски листьев и листопада клёна остролистного осенью для создания видеофильма

Изучить научную литературу о клёне остролистном, изменении окраски листьев клёна, листопаде в летне - осенний период.

Провести фенологические наблюдения за изменением окраски листьев с середины августа по конец листопада и состоянием погоды.

Сделать вывод о сезонных изменениях, происходящих с листьями клёна остролистного.

Собрать материал для гербария и видеофильма.

Объект: клён остролистный

Предмет: изменение окраски листьев и листопад клёна остролистного в летне-осенний период

Изучение и анализ литературы и результатов деятельности.

Наблюдение.

Сравнение.

Обобщение.

Фотографирование, видеосъёмка.

Экспертная оценка.

Планируемые результаты

В ходе работы над проектом я научусь:

Осуществлять поиск информации (самостоятельно и совместно со взрослыми) в литературе и Интернет-источниках;

Собирать, фиксировать, сравнивать, обобщать и оценивать результаты наблюдений, формулировать выводы и выражать собственную точку зрения;

Работать в программах Microsoft office Word и Киностудия по созданию видеофильма;

Выступать публично, отвечать на вопросы по теме проекта.

Аннотация

В проекте исследуется фенологическое изменение окраски листьев клёна остролистного в период с 12 августа по конец сентября 2015 года. Объектом наблюдения был выбран одиноко стоящий клён, растущий около д. №16 по улице М.Злобина села Филиппово, описан участок местонахождения клёна. Также для получения достоверных результатов фиксировались изменения у клёнов по улицам М.Злобина и Заева. Проведённые наблюдения показали, что окрашивание листа клёна происходит от края к центру листа, а самого дерева – от верхушки к нижним ветвям, сбрасывание листвы началось со 2 сентября, конец листопада –25 сентября. В процессе исследования отмечались погодные условия (температура воздуха, ветер, осадки). Также ход наблюдений фиксировался видеосъёмкой и фотографированием. Дано научное обоснование проекта об осенних сезонных изменениях, происходящих в листьях деревьев, о листопаде. Одним из главных источником информации стало учебное пособие В.А.Копосова, профессора ВГПУ, «Фенологические наблюдения в природе», в котором рассматриваются периоды осени, характерные для нашего региона.

Большое место в подготовке проекта занимала практическая работа по переработке научной информации в доступную для детей начальной школы, а также трудоёмкий процесс работы с собранным фото- и видеоматериалом на этапе подготовки к презентации. Практическая значимость проекта: создано учебное пособие для занятий по окружающему миру.

Продукт проектной деятельности: видеофильм

Оборудование и материалы: фотоаппарат, компьютер (программы Microsoft office Word, Киностудия), проектор, цветной принтер, бумага.

Отчёт по этапам

Подготовительный этап:

Подобрать и изучить научно - познавательную литературу по теме проекта.

Подготовить необходимое оборудование и материалы.

Составить план наблюдений.

Отчёт по результатам изучения научно-познавательной литературы

Введение

Постепенный спад лета в нашем регионе начинается с 16 августа. Происходит плавное сокращение светового дня, уменьшение количества солнечного тепла, поступающего на Землю, изменение окраски растений. На смену летнему разноцветью в смешанные леса нашего региона приходит золотая осень. Смолкают голоса птиц, пахнет листьями и грибами, воздух чистый, прозрачный. Сентябрь называют «задумчивым» месяцем. Тишина в природе нарушается лишь шелестом падающей с крон деревьев листвы да шумом от набежавшего холодного ветра. Природа готовится к грядущим переменам. Осень является сложным периодом в жизни растений. Многолетние травы, кустарники и деревья в осенний период начинают активно готовиться к перезимовке. Большинство деревьев на зиму сбрасывает листву. Листопаду предшествует осенняя окраска листьев.

Изучением законов сезонного развития природы занимается наука фенология. Периодические природные явления на нашей планете зависят, прежде всего, от изменений количества лучистой энергии, которую Земля получает от Солнца. Осень, по мнению фенологов, подразделяется на четыре периода: первоосенье, золотая осень, глубокая осень и предзимье.

Цвет осенних листьев

Изменение цвета осенних листьев происходит с зелёной листвой листопадных деревьев и кустарников, в результате чего они окрашиваются в один или несколько цветов от золотисто-льняного, почти белого до багрового в коричневых прожилках. Окраска листьев определяется пигментами. Зелёный лист имеет такой цвет из-за присутствия пигмента хлорофилла, когда он в большом количестве содержится в клетках. Это происходит во время периода роста растения. Летом зелёный цвет хлорофилла преобладает, затмевая цвета других пигментов.

Поздним летом жилки, переносящие соки в лист и из листа, постепенно закрываются и количество воды и минералов, поступающих в лист, уменьшается. Количество хлорофилла тоже начинает снижаться.Часто жилки остаются всё ещё зелёными, даже когда лист давно полностью изменил цвет. Цвет листа изменяется за счёт других пигментов.

Каротиноиды имеют преимущественно жёлтый или оранжевый цвет. Они всегда присутствуют в листьях, но перекрываются зелёным цветом хлорофилла.

Антоцианы ответственны за красные цвета в листьях, не присутствуют в листьях до тех пор, пока не начнёт снижаться уровень хлорофилла.

Коричневый цвет листьев возникает не из-за действия какого-либо пигмента, а из-за клеточных стенок, которые становятся заметными, когда отсутствуют видимые красящие пигменты.

Цвет осенних листьев обусловлен генетически у каждого вида растения. А вот будет ли этот цвет тусклым или ярким, зависит от погоды.
Самые яркие и сочные цвета листьев бывают, когда долго стоит погода: дни – ясные, ночи - холодные, осень – сухая и солнечная. При температуре от 0 до 7 градусов Цельсия усиливается образование антоцианина, красный цвет листьев становится интенсивнее. Желтая или красная окраска листьев может сохраняться несколько недель после того, как они опали на землю.
2.1.2. Листопад деревьев и кустарников

Что же вызывает листопад? Если во время листопада рассмотреть листья деревьев, то нетрудно обнаружить у основания листового черешка разделительный слой пробковых клеток. После образования разделительного слоя доступ влаги в лист прекращается, и они легко осыпаются даже под собственной тяжестью и от действия ветра. В тенистых, сырых местах листопад наступает позже, так как корни растений там больше всасывают влаги и передают её в стебель и листья. На возвышенностях – листья осыпаются раньше в связи с недостатком влаги. Сбрасывая листву, растения приспособились к жизни в суровых условиях зимнего периода. Листопад помогает деревьям и кустарникам переносить не только длительные холода, но и засуху. Как известно, корни растений не способны всасывать холодную воду, а листья постоянно испаряют влагу через устьица, и это могло бы привести растения к усыханию и гибели. Благодаря листопаду деревья избавляются от вредных продуктов обмена веществ, а полезные вещества растения сохраняют в стволе, корнях. Листопад сохраняет деревья и кустарники от снеголомов во время зимы.

Характеристика наблюдаемого объекта

Клён остроли́стный, или Клён платанови́дный, или Клён платаноли́стный (лат. Ácer platanoídes ) - вид клёна, широко распространённый в Европе и Юго-Западной Азии.

Листопадное дерево высотой 12-28 м с красивой, широкой, густой шаровидной кроной. Кора молодых деревьев гладкая, серо-коричневая, с возрастом темнеет и покрывается длинными, узкими, продольными трещинами.Ветви крепкие, широкие, направлены вверх. Листья простые, супротивные, до 18 см в длину. В верхней части листья тёмно-зелёные, снизу более бледные. Осенью они приобретают жёлтую или оранжевую окраску, а затем опадают.

Цветки душистые, желтовато-зелёные, собраны вместе по 15-30 цветков. Появляются в первой половине мая до и во время распускания листьев. Опыляется насекомыми.

Плод - крылатка, крылья способны уносить семя на большое расстояние. Семена голые, могут оставаться на дереве в течение зимы. Клён остролистный плодоносит ежегодно, в России - в сентябре.

Первые 3 года клён растёт довольно быстро, годовой прирост молодого дерева может достигать 1 метра, плодоносить начинает через 17 лет. В природе живёт до 150 лет.

План наблюдений :

1.Каждую неделю приходить к клёну и отмечать состояние погоды, описывать внешний вид клёна, отмечая изменение окраски листьев. В период интенсивного окрашивания листвы и листопада увеличить частоту посещений.

2.Фиксировать результаты наблюдения с помощью фотографирования, видеосъёмки и письменных записей.

3.Заносить результаты в таблицу:

	Состояние погоды	Наблюдение за объектом	Наблюдение за другими клёнами

4.Подготовить видеофильм и гербарий по материалу наблюдений.

5.Сделать вывод о сезонных изменениях, происходящих с клёном остролистным в период с конца лета и до окончания листопада.

Практический этап:

Описать участок местонахождения объекта наблюдения.

Провести наблюдения и зафиксировать результаты

Подготовить продукт проекта.

Сделать вывод (заключение)

Описание местонахождения клёна

Объект нашего наблюдения растёт во дворе многоквартирного кирпичного дома №16 по улице М.Злобина с. Филиппово Кирово – Чепецкого района. Участок находится на противоположной от дома стороне асфальтированной дороги, прилегает к огороду, вблизи есть детская площадка. Почва суглинистая, достаточно плотная, поверхность ровная. На данном участке, кроме клёна, рядом растут берёзы, расстояние между деревьями 3 метра. Клён хорошо освещён с южной и западной стороны, растёт на краю участка, расстояние до дороги около 3 метров.

Наблюдения за изменением окраски листьев и листопадом клёна остролистного

Наше наблюдение начали 12 августа. Спад лета в нашей местности начинается с 16 августа и продолжается до конца месяца. Среднесуточные температуры постепенно понижаются. Появляются первые желтые листья. Короче становятся дни. На землю опускается туман, на траву – роса.

Начало осеннего окрашивания листьев отмечается в тот день, когда появляются на растениях окрашенные листья, а к ним с каждым днем прибавляются новые. Начало листопада отмечается в день, когда при встряхивании ветвей осыпается 3-5 листьев. Полное осеннее окрашивание листьев отмечается в день, когда изменили окраску листья на большинстве растений наблюдаемого вида. Конец листопада отмечается в день, когда большинство экземпляров данной породы полностью утратили листья.

	Состояние погоды	Наблюдение за объектом	Наблюдение за другими клёнами
	Солнечно, ясно, тепло +21, ветер слабый	Листья ярко – зелёные, крепко держатся на ветке	Все клёны зелёные
	Пасмурно, холодно + 12 , ветрено, прошёл дождь	Без изменений	Без изменений
	Переменная облачность, тепло +20	Клён начал изменять окраску листьев на верхушке дерева. Листья по краям стали оранжевого цвета, отдельные листья окрасились полностью	Изменение окраски листвы идёт от верхушки дерева к нижним листьям. Клёны, со всех сторон освещённые солнцем, активней окрашиваются, чем в тени.
	Переменная облачность, температура воздуха +16, ветрено	Макушка дерева стала оранжево – золотая, нижние ветки полностью зелёные. Листья активно меняют окраску. На земле появились первые листья	Листья активно меняют зелёную окраску на оранжевую и жёлтую.
	Пасмурно, 14, сухо, ветер слабый	Верхние листья поменяли свою окраску. Листья, близкие к стволу дерева и нижние листья ещё зелёные. Листопад.	Начало листопада
	Солнечно, тепло +20, сухо, ветер слабый, тёплый	Клён поменял свою окраску. Дерево стало всё оранжево – жёлтое. У нижних веток листья частично зелёные. Идёт массовый листопад. Листья ковром устилают землю вокруг клёна.	Полное изменение окраски листа. Массовый листопад.
	Переменная облачность, тепло +20, сухо, ветрено	Дерево практически полностью облетело, на отдельных нижних ветках есть часть листвы	Часть деревьев стоят голыми, но большинство клёнов ещё теряют листву
	Солнечно, тепло +22,сухо, лёгкий ветер	Листопад закончился. Листья на земле стали подсыхать.	На высоких, больших клёнах есть листья в центре и на нижних ветках. Там листопад продолжается. Но у большинства деревьев листопад закончился.

Таким образом, окрашивание листа клёна происходит от края к центру листа, от верхушки к нижним ветвям, цвет листьев – оранжевый, жёлтый. Сбрасывание первой листвы началось со 2 сентября, массовый листопад – 16 сентября, конец листопада – 25 сентября. Благоприятные погодные условия для окрашивания листвы в яркий цвет: ночи достаточно холодные, а дни тёплые, солнечные и сухие. Для сравнения велись наблюдения за другими деревьями, которые растут по ул. М.Злобина и ул. Заева, сроки изменения окраски листвы на клёнах и время листопада совпадали.

2.3.Контрольно – оценочный этап:

1. Провести презентацию проекта, ответить на вопросы по теме.

2. Получить экспертную оценку проекта.

3. Дать самооценку проделанной работе.

2.3.1. Экспертная оценка (рецензия)

Проект представлен на 17 страницах с приложением на 10 страницах, содержит 1 таблицу, 16 фотографий.

В проекте изучаются вопросы, связанные с наблюдениями в природе по временам года. У каждого времени года свои особенности, свои законы сезонного развития природы. Проектная работа ученицы 4 класса актуальна в связи с личным осознанием красоты и неповторимости природы и понимания взаимосвязей живой и неживой природы. Автор выбрал интересную и доступную тему исследования, сформулировал проблему, поставил цель и задачи. Для решения поставленных задач было изучено5 литературных источников, в том числе Интернет – ресурсы, спланированы и проведены наблюдения, разнообразно представлены результаты работы по этапам проекта. Текст соответствует поставленным задачам, хорошо оформлен и проиллюстрирован собственными фотографиями. В заключении даны достаточно чёткие и логичные выводы. Продукт проекта – видеофильм – наглядно демонстрирует, как происходят сезонные изменения в живой природе на примере клёна остролистного. Работа над продуктом проекта показала возможности ученицы в сфере ИКТ. Содержащийся в приложении фенологический осенний календарь природы указывает на перспективность этого проекта по изучению живой природы. Пожелания автору: продолжить работу над проектом, расширив его фенологическими наблюдениями за весенний и летний период.

Проектная работа ученицы 4 класса МКОУ СОШ с.Филиппово Лысковой Веры может быть представлена на конкурсы эколого – биологической направленности.

Рецензент: Щеклеина Н.Г., учитель биологии МКОУ СОШ с.Филиппово

Самооценка

Я, ученица 4 класса МКОУ СОШ с.Филиппово Лыскова Вера, ещё в 3 классе начала интересоваться, какими красками волшебница – осень украшает деревья. Самое красивое дерево – клён. У него пышная крона и большие резные листья, которые можно собирать в букеты. Я передавала красоту клёна красками на бумаге, фотографировала. А к новой осени под руководством моего учителя начала исследовательский проект «Изменение окраски листьев и листопад клёна остролистного осенью».

Я узнала, почему осенью листья меняют свою окраску и опадают с деревьев. Мне было интересно наблюдать за этим явлением природы, фиксировать свои наблюдения, объяснять происходящие перемены, а потом создать фильм, в котором наглядно видно, как происходит это чудо природы.

У меня возникли трудности, когда я столкнулась с незнакомыми ранее терминами, которые встретились в литературе (хлорофилл, пигменты, каротиноиды и т.д.), но постепенно я запомнила эти названия.

Я хотела бы продолжить работу над проектом.

Заключение

В ходе работы над проектом:

изучили литературу об осенних изменениях, происходящих с листьями клёна остролистного, и листопадом;

описали внешний вид листа, изменение его окраски;

дали описание местоположения объекта наблюдения;

провели наблюдения за объектом и сравнили с другими клёнами, по итогам составили таблицу с указанием погодных условий;

создали видеофильм для показа учащимся начальной школы.

Наблюдения показали, что окрашивание листа клёна происходит от края к центру листа, а самого дерева – от верхушки к нижним ветвям, цвет листьев – от оранжевого к ярко – жёлтому. Сбрасывание первой листвы началось со 2 сентября, массовый листопад – 16 сентября, конец листопада – 25 сентября. Были благоприятные погодные условия для окрашивания листвы в яркий цвет: ночи достаточно холодные, а дни тёплые, солнечные и сухие. Для сравнения велись наблюдения за другими деревьями, которые растут по ул. М.Злобина и ул. Заева, сроки изменения окраски листвы на клёнах и время листопада совпадали.

Таким образом, были найдены ответы на проблемные вопросы, поставленные в начале проекта. Расширились знания о сезонных явлениях в жизни деревьев. На примере клёна остролистного установили, как неживая природа (солнечное тепло, продолжительность светового дня, осадки, ветер) влияет на живой организм: дерево приспосабливается к новым условиям, сначала изменяется окраска листьев, потом происходит сбрасывание листвы. Перспективы проекта: с помощью взрослых высадить молодые клёны весной для озеленения улиц нашего села, так это очень красивое и быстрорастущее растение.

Список используемых источников

Курт - Гильзенбах.Х. Деревья[Текст].Энциклопедия «Что есть что»- Слово, 1997.- 48 с.

Копысов, В.А.Фенологические наблюдения в природе [Текст]: учебное пособие.- Киров, 2009. – 135с.

Природа, хозяйство, экология Кировской области [Текст] : [Сб. статей] – Киров: Кировский областной комитет охраны природы, 1996. – 490 с.

Сайт экологического центра "Экосистема", http://www.ecosystema.ru/. (последняя дата обращения: 07.12.15.)

Сайт всемирной энциклопедии, https://ru.wikipedia.org/wiki/ Цвета_осенних_листьев (последняя дата обращения:14.12.15.

Приложение 1

Клён остролистный

Фото 1. Клён остролистный Фото 2. Лист

Фото 3. Цветки Фото 4. Плоды

Фотоматериалы с http://yandex.ru (последняя дата обращения 12.08.15.)

Приложение 2

Фотоматериалы наблюдений за окраской листьев и листопадом

клёна остролистного

Фото 6. Листья клёна начинают менять цвет.

Фото10. Осенняя экскурсия.

Фото 16. Завершение практического этапа проекта

Приложение 3

Фенологический календарь осенних изменений в природе

Первоосенье

Последняя гроза.

Отлёт деревенских ласточек.

Последние крики стрижей.

Первые зрелые плоды брусники.

Первые жёлтые листья на берёзах.

Первые жёлтые листья на липах.

Первые жёлтые листья на черёмухе.

Первые жёлтые листья на рябинах.

Первые жёлтые листья на осинах.

Первые стаи журавлей на пролёте.

Переход среднесуточной температуры через +10° С.

Созревание желудей у дуба.

Появление желтых листьев у большинства деревьев и кустарников.

Начало листопада у липы.

Появление летящей паутины.

Начало листопада у черёмухи.

Начался листопад у берёзы.

Начался листопад у осины.

Первые стаи гусей на пролёте.

Появление свиристелей.

Начался листопад у тополя.

Начался листопад у рябины.

Первый заморозок в воздухе.

Полная осенняя окраска листьев у липы.

Появление сорок около жилищ.

Первые стаи уток на осеннем пролёте.

Полная осенняя окраска листвы у рябины.

Полная окраска листьев у черемухи.

29.Полная окраска листьев у тополя.

30.Полная осенняя окраска листьев у осины.

Золотая осень

Полная осенняя окраска у большинства деревьев и кустарников (исключая сирень, ольху).

Начало пожелтения хвои у лиственницы.

Окончание листопада у липы.

Окончание листопада у черёмухи.

Окончание листопада у осины.

Окончание листопада у рябины и берёзы.

Глубокая осень

1. Окончание массового листопада у большинства деревьев и кустарников

2. Улетели последние грачи.

Начало листопада у лиственницы.

Полная осенняя окраска хвои лиственницы.

Последняя стая гусей.

Первый снежный покров.

Начало листопада у сирени.

Последняя стая уток

Окончание листопада у сирени.

Окончание листопада у лиственницы.

Предзимье

1.Температуры опустились ниже 0° С.

2.Установление постоянного снежного покрова.

3.Реки покрылись льдом.

4.Установление санного пути.

1

Устойчивость окраски материалов для одежды является важным показателем сохранности эстетических свойств одежды. Существующие методы оценки устойчивости окраски материалов для одежды к различным воздействиям не позволяют дать количественную оценку и степень значимости изменения цвета материалов с точки зрения восприятия человека. В работе предложен метод оценки изменения цвета материалов для одежды, основанный на обработке сканированных фотоизображенийобразцов до и после воздействий. На основе полученных характеристик Lab цветового пространства CIE Lab рассчитывается показатель цветового различия ΔE. Проведенная оценка изменения цвета кожевой ткани овчинного полуфабриката показала, что предлагаемый метод позволяет количественно оценить изменения цветовых характеристик, является чувствительной и более точной оценкой, дает возможность оценить значимые для восприятия человеком изменения цвета. Выявлено, что различные воздействия (химчистка, светопогода, сухое и мокрое трение) приводят к различным изменениям цветовых характеристик (светлоты, насыщенности, тона), что оценивается величиной и знаком данных характеристик.

воздействия

овчинный полуфабрикат

светлота

насыщенность

цветовое различие

устойчивость

1. Барашкова Н.Н., Шаломин О.А., Гусев Б.Н., Матрохин А.Ю. Способ компьютерного определения изменения окраски текстильных полотен при оценке ее устойчивости к физико-химическим воздействиям:Патент России №2439560.2012.

2. Борисова Е.Н., Койтова Ж.Ю., Шапочка Н.Н. Оценка устойчивости окраски овчин при различных видах воздействия//Вестник Костромского государственного технологического университета. - 2012. - № 1. - С. 43-45.

3. Борисова Е.Н., Койтова Ж.Ю., Шапочка Н.Н. Влияние химчистки на потребительские свойства изделий из овчины//Вестник Костромского государственного технологического университета. - 2011. - № 2. - С. 37-38.

4. ГОСТ 9733.0-83. Материалы текстильные. Общие требования к методам испытаний устойчивости окрасок к физико-химическим воздействиям. - Введ. 01.01.1986//Изд-во стандартов. - М., 1992. - С. 10.

5. ГОСТ Р 53015-2008. Шкурки меховые и овчины выделанные крашеные. Метод определения устойчивости окраски к трению. – Введ. 27.11.2008//Изд-во стандартов. – М., 2009. – С. 7.

6. ГОСТ Р ИСО 105-J03-99. Материалы текстильные. Определение устойчивости окраски. Часть J03. Метод расчета цветовых различий. – Введ. 29.12.1999// Изд-во стандартов. – М., 2000. – С. 11.

7. Долгова Е.Ю., Койтова Ж.Ю., Борисова Е.Н. Разработка инструментального метода оценки устойчивости окраски одежных материалов//Известия вузов. Технология текстильной промышленности.- 2008. - № 6С. - С. 15-17.

8. Домасев М.В. Цвет, управление цветом, цветовые расчеты и измерения /М.В. Домасев, С.П. Гнатюк. - СПб.: Питер,2009. - С.224.

Устойчивость окраски материалов для одежды в процессе эксплуатации во многом определяет их качество, так как неизменность первоначальных цветовых характеристик обеспечивает сохранность эстетических показателей одежды, что входит в ряд основных потребительских предпочтений.

Устойчивость окраски материалов для одежды к различным видам воздействия определяется в соответствии со стандартами .Также разработаны новые способы и предложены новые показатели для оценки цветовых характеристик . Однако данные методы не позволяют оценить, насколько значимы изменения цвета при эксплуатационных воздействиях с точки зрения восприятия человека, т.к. отсутствует количественная оценка цветовых изменений, соответствующая особенностям восприятия цвета глазом человека.

Для количественной оценки изменения цвета предложено использовать метод расчета цветовых различий . Для получения цветовых характеристик испытуемых образцов используется их сканированное фотоизображение с последующей обработкой в графическом редакторе AdobePhotoshop (рис.1), в котором возможно получить цветовые характеристики Lab.

Рисунок 1 - Окно программыAdobePhotoshop с фотоизображением образцов до и после воздействия

Для оценки изменения окраски используется характеристика ΔE - цветовое различие -которая определяется как разница между двумя цветами в одном из равноконтрастных цветовых пространствах. Данная характеристика учитывает разницу цветовых координат L, a и b цветового пространства CIE Lab и разницу между координатами цветности H° и насыщенности C цветового пространства CIE LCH. Характеристика Lab является аппаратнонезависимой и соответствует особенностям восприятия цвета глазом человека, давая более точную оценку изменения цвета материала.

Расчет цветового различия ΔE выполняется по формуле (1):

∆Е = [()2 + ()2 + ()2]1/2 , (1)

где ∆L, ∆C, ∆Н - различие между образцом до и после воздействия по светлоте, насыщенности и цветовому тону соответственно, вычисленные по формулам (2), (4,5) и (6,7);

KL, KC, KH - взвешивающие коэффициенты, которые по умолчанию приравниваются к единице;

SL, SC, SH - длины полуосей эллипсоида, именуемые весовыми функциями, позволяющими регулировать их соответствующие составляющие, следуя местоположению образца цвета в цветовом пространстве Lab, определяемые по формулам (7,8), (9,10) и (11-13) соответственно.

Определение изменений светлоты (2)

∆L = L1 - L2, (2)

где L1 - светлота цвета образца до испытания;

L2 - светлота цвета образца после испытания.

Определение насыщенности цвета образца (3):

С = 1/2, (3)

где а - соотношение красного и зеленого цветов в данном цвете;

b - соотношение синего и желтого.

Определение изменений насыщенности (4)

∆C = C1 - C2, (4)

где C1 - насыщенность цвета образца до испытания;

C2 - насыщенность цвета образца после испытания.

Определение цветового тона (5):

H = arctg,(5)

Определение изменения цветового тона (6)

∆Н = 2sin , (6)

где H1 - цветовой тон образца до испытания;

H2 - цветовой тон образца после испытания (5).

Определение среднего значения светлоты образцов до и после испытания (7,8):

= (L1+ L2)/2 (7)

где К2 = 0,014 - весовой коэффициент.

Определение среднего значения насыщенности образцов до и после испытания (9,10):

С12 = (C1 + C2)/2 (9)

SC= 1 +K1C12, (10)

где К1 = 0,048 - весовой коэффициент.

Определение среднего значения цветового тона образцов до и после испытания (11-13):

Т= 1-0,17cos(Н12 - 30°)+0,24cos(2H12)+0,32cos(2H12 + 6°)-0,2cos(4H12 - 64°)(12)

SH= 1 + К2C12Т(13)

При расчете H12 следует принять во внимание, что если цветности образцов попадают в разные квадранты, то из значения цветности, которое является наибольшим, необходимо вычесть 360° и затем определить среднее.

По величине цветового различия можно судить о степени изменения окраски материалов после различных воздействий. Величина ΔE < 2 соответствует минимально различимому на глаз порогу цветоразличия, величина в пределах ΔE = 2—6 приемлемо различимая разница в цвете. Величина ΔE > 6 будет соответствовать заметной разнице между двумя цветами. По знаку изменения светлоты, насыщенности и цветового тона можно судить о степени изменения данных характеристик материала.

Выпускаемые в настоящее время изделия из овчинного полуфабриката отличаются большим цветовым разнообразием, видами отделки кожевой ткани и волосяного покрова. В процессе носки и ухода изделия испытывают сложный комплекс различных воздействий, которые приводят к ухудшению внешнего вида изделия. Поэтому для апробации предложенного метода выполнена оценка изменения цвета овчинного полуфабриката с различными цветовыми характеристиками кожевой ткани и при различных видах воздействия (химчистка, светопогода, сухое и мокрое трение) (табл.1).

Таблица 1 - Оценка устойчивости окраски кожевой ткани овчинного полуфабриката при различных видах воздействий

Вид воздействия

Образец полуфабриката

До воздействия

После воздействия

Химчистка

Меховая овчина, черная кожевая ткань

Светопогода

Шубная овчина, черная кожевая ткань

Меховая овчина с полимерным пленочным покрытием, светло-коричневая кожевая ткань

Меховой велюр, темно-зеленая кожевая ткань

Сухое трение

Шубная овчина, коричневая кожевая ткань

Меховой велюр, коричневаякожевая ткань

Меховая овчина, темно-серая кожевая ткань

Мокрое трение

Меховой велюр, коричневая кожевая ткань

Меховой велюр, коричневая кожевая ткань

Меховой велюр, светло-серая кожевая ткань

Анализ полученных данных показывает, что наибольшие цветовые изменения происходят при действии химчистки. Значения цветового различия достигают 12,7, что является значимым показателем цветового изменения. При этом цвет материала становится менее насыщенным и более светлым. При мокром трении происходит потемнение материала, о чем свидетельствуют положительные значения показателя ∆L - светлоты, тогда как при других видах воздействия данный показатель имеет отрицательные значения, что говорит о том, что материал при данном виде воздействия становится светлее.Внешние воздействия приводят к изменениям показателя ∆H - светового тона. При превышении данного показателя значения на 4 единицы тон материала изменяется значимо.

Таким образом, предлагаемая методика оценки изменения цветовых характеристик позволяет получить количественные показатели изменения цвета, является чувствительной и дает возможность оценить значимые для восприятия человеком изменения цвета, причем изучить кинетику изменений при действии определенного фактора эксплуатации.Она может быть использована для оценки устойчивости окраски на стадии окрашивания овчинного полуфабриката, на подготовительной стадии при подборе шкур на изделие с целью исключения разнооттеночности, при проведении химчистки для оценки ее степени влияния на изменения цвета.

Рецензенты:

Сокова Г.Г., д.т.н., профессор, и.о. заведующего кафедрой технологии и проектирования тканей и трикотажа ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г. Кострома.

Галанин С.И., д.т.н., профессор, заведующий кафедройтехнологии, художественной обработки материалов, художественного проектирования, искусств и технического сервиса ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г.Кострома.

Библиографическая ссылка

Борисова Е.Н., Койтова Ж.Ю. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ЦВЕТОВЫХ РАЗЛИЧИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИЗМЕНЕНИЯ ОКРАСКИ ОВЧИННОГО ПОЛУФАБРИКАТА // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=10468 (дата обращения: 15.06.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Хахалина Дарья

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Строчковская сош

Исследовательская работа на тему:

«Изучение изменения окраски листьев и закономерностей листопада у древесных листопадных растений»

Работу выполнила: Хахалина Дарья

Ученица 11 класса

Научный руководитель: Петрова Л.Г.

2015год

1.Введение __________________________________________________________

2.Обзор литературы ___________________________________________________

2.1.Причины листопада

2.2 Значение листопада

2.3 Механизм листопада

2.4. Пигменты листьев

2.4.1. Растительные пигменты

2.4.2. Желтые пигменты

2.4.3. Красные пигменты

2.4.4. Зеленые пигменты

3.Практическая часть___________________________________________________

3.2 . Выявление нарушений сроков листопада под воздействием искусственного освещения

3.3.1. Опыты с пигментами

• Обесцвечивание антоцианов сернистым газом
• Изучение индикаторных свойств антоцианов
• Разделение смеси спирторастворимых пигментов
• Выделение водорастворимых пигментов (антоциан)

3.3.2 Распределение пигментов в листовых пластинках осенних листьев

4. Результаты и их обсуждение_______________________________________

5. Заключение _____________________________________________________

6.Список литературы и интернет источников_____________________________________

Приложения

1.Введение

Сезонные изменения в окружающей природе – это вероятно первое, над чем задумался человек разумный. Изучение явлений пробуждения природы и перехода её в состояние покоя воспевалось поэтами и художниками. Учеными также всесторонне изучен этот вопрос. Но до сих пор существует немало противоречий, вопросов без ответа. Собственные наблюдения за явлением листопада поставили перед нами ряд вопросов, ответ на которые мы хотели получить в результате детального изучения этой темы.

Актуальность

Зеленые насаждения в городской среде - это то немногое, что связывает человека в чужеродной урбанизированной среде с природой. Подбор используемых в озеленении видов растений имеет большое значение в деле создания качественной окружающей среды. Изучение механизма сбрасывания листьев у исследуемых растений раскрывает понимание того, как он работает у других растений, к тому же, может помочь контролировать сроки листопада. Понимание закономерностей листопада находит практическое применение в деле охраны природы, озеленении городов и населенных пунктов, подборе для озеленения видов и сортов с более длительными сроками вегетации, продолжительным сохранением красивой кроны деревьев в осенний период.

Цель

Изучить изменения окраски листьев и закономерности листопада у древесных листопадных растений

Задачи

1.Выявить взаимосвязь между сроками раскраски листьев, сроками листопада и эколого-фитоценотическими условиями их произрастания.

2. Изучить механизм отделения листовой пластинки с помощью цифрового микроскопа

3.Экспериментально выделить пигменты осенних листьев и изучить их свойства

4.Исследовать распределение пигментов в осенних листьях с помощью фотосканера и цифровогомикроскопа

5. В ходе фенологических наблюдений определить растения с самыми длинным и самым коротким срокомлистопада

6. Освоить устройство и способы работы с цифровым микроскопом «Альтами» и программным обеспечением Altami VideoKit

Гипотиза .1 Сроки раскраски листьев и листопада зависят от стадии развития растений, эколого-фитоценотических условий их произрастания

2.Растения с преобладанием красных пигментов более устойчивы к действию низких температур, у них длиннее листопадный период и более поздние сроки опадения листьев

2.Обзор литературы

2.1.Причины листопада

Листопад выработался в процессе длительной эволюции растений и вошел в ритм жизни. Следуя этому ритму, растения заблаговременно готовятся к зиме. С приближением осени понижается температура, ослабляются жизненные процессы (фотосинтез, транспирация), в листе начинается разрушение пигментов. Раньше всех разрушается зеленый пигмент – хлорофилл, маскирующий другие пигменты – каротин, ксантофилл, антоциан, которые являются более стойкими и сохраняются дольше. Листья становятся золотисто-желтыми, лиловыми или багряно-красными, наступает “золотая осень”. В это же время и даже еще раньше у основания черешка, появляется отделительный слой, лист обрывается и падает под тяжестью своей собственной пластинки. Ранка затягивается пробкой, образуя листовой рубец с перерезанными листовыми следами. Начинается листопад, который не только спасает дерево от зимней засухи, но полезен и в других отношениях.»

Деревья, растущие вблизи уличных фонарей, дольше других не сбрасывают осенью листву. Впервые это заметил в начале нынешнего столетия австрийский физиолог Г. Молиш. Он пытался объяснить подобное явление особенностями испарения воды листьями. На самом же деле поздний листопад у этих растений объясняется именно искусственным продлением светового дня.

2.2 Значение листопада

1) «листопад способствует удалению веществ, накопившихся в листьях в ходе вегетации. В связи с этим его можно рассматривать как сложный и чрезвычайно важный процесс выделения растениями различных веществ. Перед опадением листьев в них обнаруживается не только повышенное содержание вредных веществ, но и существенное уменьшение полезных элементов (азота, фосфора, калия и др.). Из листьев во внутренние части растений перемещаются углеводы и азотсодержащие соединения. Некоторые из этих веществ устремляются в корни, где откладываются про запас до весны. »

2)«Опавшие листья представляют собой очень ценное удобрение. Благодаря им почва в лесу ежегодно обогащается перегноем, приобретая ряд важных свойств. Мы знаем, например, что почва широколиственного леса не промерзает зимой в силу значительного содержания гумуса и это дает возможность весенним растениям развиваться под снегом. Один гектар дубового леса получает более 5000 кг отпада (сухой вес листьев, хвороста и пр.), что дает примерно 520 кг золы»

2.3.Механизм листопада

Черешки зеленых листьев прочно соединены с веткой. По ним проходят питательные вещества. Осенью в черешках листьев происходят изменения.
Перпендикулярно продольной оси черешка близ стебля закладываются клетки отделительного слоя. Поперечный слой паренхимных тонкостенных клеток, образующийся в основании черешка за несколько дней (недель) до опадания листа. паренхимные клетки начинают усиленно делиться. Округляясь, они образуют большие межклетники, так что ткань в этом месте становится рыхлой и непрочной. Межклетное вещество, соединяющее эти клетки, ослизняется, и клетки отделяются друг от друга. На месте отделения листа со стороны стебля к этому времени формируются слои клеток, оболочки которых опробковевают. Образовавшийся слой пробки защищает внутренние ткани стебля на месте отделившегося листа.
После образования отделительного слоя и нарушения связи между клетками лист еще некоторое время продолжает оставаться на дереве благодаря проводящим пучкам, связывающим лист со стеблем.
Лист остается висеть на дереве лишь благодаря сосудистым пучкам, которые, подобно мельчайшим «водопроводным трубам», соединяют лист с остальным растением. Сосудистые пучки легко можно заметить простым глазом на листовых рубцах в виде крупных точек. Они служат для проведения воды и минеральных солей от корня к листьям и питательных веществ.Однако, наступает момент, когда нарушается и эта последняя связь между черешком листа и материнским растением. Часто для этого бывает достаточно самого ничтожного порыва ветра, иногда же листья опадают и в совершенно тихую погоду в результате резких колебаний температуры, замерзания или оттаивания или же прямо под влиянием силы тяжести листовой пластинки, отягченной осевшей росой. Листья не обрываются с веток, а отделяются в определённом месте – там, где черешок прикрепляется к ветке и где осенью образуется пробковый слой. У опавших листьев разных деревьев одинаково гладкий, округлый край черешка. После опадения листа на стебле не остается живой "ранки".

: 1 – проводящие ткани ; 2 – перидерма стебля;

3 – пробка под основанием листа; 4 – отделительный слой) .

На месте прикрепления к стеблю опавшего листа остаётся листовой рубец (1), который имеет вид более или менее резко очерченного печатообразного пятна или вдавления.
Листовые рубцы бывают узкие или широкие в зависимости от величины черешка. Листовой рубец обычно помещается под почкой на возвышении, называемом листовой подушкой (2). На листовом рубце заметны в виде более или менее крупных точек или бугорков листовые следы (3), которые представляют собой следы сосудистых пучков, проходивших из стебля в черешок листа. Листовых следов может быть разное количество: один, три, пять или много. Иногда листовые следы недостаточно ясно видны, тогда следует сделать тонкий срез с листового рубца (не более 0,1-0,2 мм толщиной) и рассмотреть их в лупу. Поскольку листовые рубцы и листовые следы довольно характерны для каждого вида, они имеют большое значение при определении древесных растений в безлистном состоянии.

2.4.Пигменты листопада

2.4.1.Растительные пигменты – это крупные органические молекулы, поглощающие свет определенной длины волны. В большинстве случаев «ответственными» за появление окраски являются определенные участки этих молекул, называемые хромофорами . Обычно хромофорный фрагмент состоит из группы атомов, объединенных в цепи или кольца с чередующимися одинарными и двойными связями (–С=С–С=С–). Чем больше таких чередующихся связей, тем глубже окраска. Кроме того, поглощение света усиливается при наличии в молекуле кольцевых структур. В растительных клетках чаще всего встречаются зеленые пигменты хлорофиллы, красные и синие антоцианы, желтые флавоны и флавонолы, желто-оранжевые каротиноиды и темные меланины. Каждая из этих групп представлена несколькими отличающимися по химическому строению, а следовательно, по поглощению света и окраске пигментами.

2.4.2.Желтые пигменты

«Желтые пигменты распространены в мире растений так же широко, как и красные, но в некоторых случаях они маскируются антоцианами, хлорофиллом и поэтому менее заметны.»

Группа пигментов, способных придать клетке желтый, желто-оранжевый цвет, наиболее многочисленна: это каротиноиды, флавоны, а также флавонолы и некоторые другие.
Очень широко распространены в мире растений каротиноиды. Обычно растения содержат не один, а несколько различных каротиноидов.» «Наиболее распространенными пигментами этой группы являются каротин, ксантофилл и ликопин.
Каротиноиды поглощают свет в синей области спектра. Цвет пигмента определяется как количеством сопряженных двойных связей в молекуле, так и концентрацией его в растворе.» «У каротиноидов невозможно выделить какой-нибудь один характерный хромофорный фрагмент, потому что их молекулы включают цепочки атомов с чередующимися ординарными и двойными связями разной длины, – цепочке каждого типа соответствует свой индивидуальный хромофор. По мере удлинения цепи окраска пигментов изменяется от желтой к красной и даже красно-фиолетовой.»

«Каротиноиды устойчивых к пониженным температурам Когда хлорофилл исчерпывается в холодное время года, листья приобретают заметную жёлтую или оранжевую окраску за счёт пролонгированного действия пигмента каротиноида. Каротиноиды защищают растения от пагубного действия солнечного света, принимая УФ-излучения солнца на себя, трансформируя в энергию и передавая её хлорофиллу. С помощью такой передачи хлорофилл регулирует процессы фотосинтеза.»
«Каротиноиды, в отличие от других желтых пигментов, в воде не растворимы . Для их извлечения применяют органические растворители (бензин, спирт).
У растений каротиноиды содержатся практически во всех органах: в цветках (лепестках, завязи, тычинках), листьях, плодах и семенах. В листьях и зеленых плодах каротиноиды находятся в хлоропластах, где маскируются хлорофиллом, и в хромопластах. В лепестках, семенах они могут находиться также во внепластидном состоянии в качестве красящего компонента капелек масла.»

«Практическое использование каротиноидов основывается на их лекарственных свойствах: они находят применение как обезболивающее средство при ожогах и обморожениях, как источник витамина А, для лечения труднозаживающих ран. Каротиноиды - прекрасные пищевые желтые красители. Выделенный из растений каротин используют для окраски конфет, масла, сыра, мороженого и других продуктов.
_____________

3.Практическая часть

Исследование проводилось на территории Городецкого района

Объект исследования: листопадные древесные растения

Предмет исследования: закономерности окрашивания листьев и листопада

Сроки проведения исследований: август - ноябрь 2015 года

3.1. Фенологические наблюдения за процессом раскрашивания листьев и листопадом

Методика.

Нами использовалась методика измерения параметров листопада (Бухвалов и др., 1995), адаптированная к нашим целям. По каждой породе маркировалось по 20 деревьев С интервалом в неделю фиксировались фазы раскраски листьев и листопада

Вид	Окраска			Сроки раскраски листьев	Дата начала листопада
Клен ясенелистный	желтая (Кадмий лимонный)	5.09	18.09.	13дней	10.09.	10.10	30 день
	оранжево-красный
	желтая (Кадмий желтый средний)	4.09	19.09.	15дней	10.09	25.10	45 дней
Снежноягодник белый (Symphoricarpos albus)	желтая(Кадмий лимонный)	10.10	17.10	7дней	15.10	5.11	21день
Клен платановидный (Acer platanoides L)	желтая (Кадмий желтый средний)	6.09	20.09.	14дней	12.09	12.10.	30дней
	Красная
Лещина обыкновенная (Corylus avellana)	желтая (Кадмий лимонный)	7.09	25.9	18 дней	11.09	16.10.	36дней
Ирга канадская (A. ovalis Me)	Красный. темно-багряный	12.09.	22.09.	10дней	18.09	15.10	27дней
	желтая (Желтая охра)	10.09	20.09.	10 дней	17.09	13.10.	26дней
	коричневый (Марс коричневый)
Рябина обыкновенная (Sórbus aucupária)	Желтая (Золотистая темная)	6.09	17.09.	11дней	15.09	14.10.	29дней
	красная (Железноокислая светло-красная)
Липа сердцевидная (Tília cordáta)	Желтая (Желтая охра)	10.09	17.09.	7дней	10.09.	17.10	37дней
	желтая (Желтая охра)	7.09	18.09.	11дней	15.09.	5.10	20дней
Ива трехтычинковая (Salix triandra)	Желтая (Желтая охра)	15.09.	5.10.	20дней	20.09.	23.10	33дня
Ива козья (Sálix cáprea)	Желтая (Желтая охра)	15.09.	10.10.	25дней	5.10.	26.10	11дней
Шиповник майский (Rósa majális)	Красный. багряный	10.09.	20.09.	10дней	18.09.	3.11	46 дней
Черемуха обыкновенная (Prúnus pádus)	Желтая (Кадмий желтый средний)	6.09	19.09.	13дней	10.09	10.10.	30 дней
Сирень обыкновенная (siringa vulgaris)	Желтая (Кадмий лимонный)	5.10.	____		28.09.	26.10	28дней 37дней
						6.11
	Сине-багряный
	Красно-багряный	11.09.	21.09.		17.09	25.10	38дней
Лиственица	желтая (Кадмий желтый средний)	18.09.	3.10.	16дней	20.09.	27.10	37дней
Осина обыкновенная (Pópulus trémula)	Желтая (Желтая охра)	5.09	20.09.		8.09	19.10.	41день
	Красный (Железноокислая светло-красная)			15дней

Выводы по таблице:

1. Самый длинный листопадный период у розы коричной (46 дней), березы повислой (45 дней) и осины обыкновенной (41 день)

2. Самый короткий листопадный период у ивы козьей (11дней)

3.Самые длинные сроки окраски листьев у ивы козьей (25 дней) и ивы трехтычинковый (20дней)

4.Самый короткий срок окраски листьев (7 дней) был выявлен у снежноягодника белого и липы сердцевидной.

5. Растения с самыми ранними сроками начала листопада

6. Растения с самыми поздними сроками начала листопада

7. Растения с самыми ранними сроками начала раскраски листьев

8. Растения с самыми поздними сроками начала раскраски листьев

9. Растения с самыми ранними сроками

10. Растения с самыми поздними сроками полного безлиственного состояния

11.Растения имеющие несколько пигментов: клен ясенелистный, клен платановидный, дуб черешчатый, рябина обыкновенная, сирень обыкновенная, осина обыкновенная

12. Разные оттенки красного встречаются: клен ясенелистный, клен платановидный, рябина обыкновенная, осина обыкновенная

3.2.Выявление нарушений сроков листопада под воздействием искусственного освещения

1) В течение нескольких лет учащиеся нашей школы наблюдают удивительную особенность у березы повислой (Betula pendula) , произрастающей у входа в МБОУ Строчковская сош. Возраст дерева достоверно известен – 39 лет. С 1993 года около дерева установлен фонарь – с люминесцентной лампой. Постепенно крона дерева разрослась и практически окружает фонарь.

С 2004 года ежегодно нами наблюдается интересное явление, которое мы зафиксировали в своей работе.

1.Сроки раскраски листьев этого дерева позже на 5-10 дней, чем у большинства других деревьев этого вида.

2. Сроки листопада - также позже на 10-15 дней, чем у большинства других деревьев этого вида.

2.Участок кроны находящийся ниже под фонарем и в его непосредственной близости не изменяет своей окраски или частично изменяет окраску до наступления мороза, когда остальная часть кроны уже полностью окрасилась.

3. На участке кроны находящемся ниже под фонарем и в его непосредственной близости остается часть листьев, которые сохраняются, когда вся остальная часть кроны уже без листьев, даже после заморозков на дереве остается часть листьев.

4. В этом году сроки начала раскраски на этом дереве – 15 сентября (4.9.2015); сроки полной раскраски листьев -29 сентября (19.09 .) , сроки начала листопада 10.09 (10.09), сроки окончания листопада 2 ноября (25.10). Прим. В скобках указаны данные средних сроков для вида Береза повислая Betula pendula

2) В процесс изучения явления листопада нами были выявлены и другие удивительные факты. Мы обнаружили растения нескольких видов в генеративной фазе развития, произрастающие в обычных условиях существования(не выявлено факторов способствующих смещению сроков листопада), сроки раскрашивания листьев и листопада значительно сдвинуты, по сравнению со средне установленными для данного вида.

Мы провели наблюдение за данными растениями:

Вид	Место произрастания	Дата начала раскраски листьев	Дата полной раскраски листьев	Сроки раскраски листьев	Дата начала листопада	Дата полного безлист - венного состояния	Листопадный период (кол-во дней )
Береза повислая Betula pendula	с. Строчково, обочина дороги на д. Высокая рамень	15.09 (4.09)	2.10.10 (19.09.)	17дней 15 дней	15.09 (10.09)	4.11 (25.10)	51 день 45 дней
Дуб черешчатый (Quércus róbur)	с. Строчково ул. Юбилейная д.№7	10.09	20.09.	10 дней	17.09	13.10.	26дней
Липа сердцевидная (Tília cordáta)	с. Строчково ул. Юбилейная д.№12	10.09	17.09.	7дней	10.09.	17.10	37дней
Тополь черный (Pópulus nígra)	г.Городец ул.Черныше-вского (магазин)	7.09	18.09.	11дней	15.09.	5.10	20дней
Ива трехтычинковая (Salix triandra)	д. Кунорино	15.09.	5.10.	20дней	20.09.	23.10	33дня
Лиственица	г.Городец Памятник неизвестному солдату	18.09.	3.10.	16дней	20.09.	27.10	37дней
Осина обыкновенная (Pópulus trémula)	Зеленая зона на восточной границе с.Строчково (футбольное поле)	5.09	20.09.		8.09	19.10.	41день
				15дней

3.3.Изучение пигментов в осенних листьях

3.3.1.Опыты с пигментами

1) Обесцвечивание антоцианов сернистым газом

1. Материалы: Для опыта я использовала листья с красным и багряным цветом (рис. 3.1), стеклянный колпак, пригодный для обработки в нем листьев сернистым газом, кусочек серы, ложка для сжигания веществ. Опыт проводили в вытяжном шкафу, так как сернистый газ раздражающе действует на органы дыхания человека (рис.3.2).

2. Ход работы:

• Я поместила 2 листа розы коричной (без воды) под стеклянный колпак
• Заполнила пространство внутри колпака сернистым газом. Для этого в ложке зажгла кусочек серы и внесла в колбу, где находились листья(рис. 3.3-3.4).После, я закрыла колбу.
• В течение 15-30 мин, я наблюдала обесцвечивание листьев.
• Как только лепестки полностью обесцветились, я достала листья из колбы (рис. 3.5),
• Сравнила полученный цвет листьев с начальным цветом (рис. 3.6)
• Опустила листья в стакан с водой (рис. 3.7).Я оставила листья в воде, чтобы сернистый газ улетучился и листья приняли прежний цвет(рис. 3.8)Вывод по результатам опыта
• сернистый газ (S0 2 ) оказывает на антоцианы удивительное действие - они обесцвечиваются: красные и багряные листья превращаются в белые.

Сернистый газ вызывает переход антоцианов в бесцветную, так называемую лейкоформу . При определенных условиях они способны переходить в окрашенные формы;

• срок восстановления окраски листьями составил 21 час;
• полного восстановления окраски не произошло

2)Изучение индикаторных свойств антоцианов

1.Материалы: этиловый спирт для получения вытяжки, бензин, кислота(1% раствор HCl) ,щелочь (слабый раствор NaOH), пробирки.

2. Ход работы:

• Спиртовую вытяжку антоцианов я получила из листьев розы коричной и сирени обыкновенной (с ало - фиолетовой цветовой гаммой). Для этого я поместили в ступку листья одного растения, измельчила, добавила 5 мл этилового спирта, отфильтровала получившийся раствор в пробирку. То же самое проделала и с другим растением (рис. 3.9).
• Далее я добавила в пробирки бензин для того чтобы пигменты распределились по слоям (рис. 3.10).
• В одну пробирку я добавила раствор соляной кислоты, а в другую щелочь.
• Далее я наблюдала изменение окраски вытяжки, вызванное изменением кислотности среды (рис. 3.11).Вытяжка с кислотой приобрела алый оттенок, а вытяжка со щёлочью - фиолетовую.

Вывод по результатам опыта: антоцианы изменяют окраску в зависимости от рН среды, их спиртовые растворы можно использовать в качестве кислотно-щелочных индикаторов .

3)Разделение смеси спирторастворимых пигментов

1.Материалы: Спирт этиловый, бензин, листья желтого и зеленого оттенков.

2.Ход работы:

• Я приготовила спиртовую вытяжку пигментов листьев. Для этого я поместили в ступку листья, измельчила, добавила 5 мл этилового спирта, отфильтровала получившийся раствор в две пробирки по 3 мл.
• После чего в одну добавила 3 мл бензина (рис. 3.12) для того чтобы пигменты распределились по слоям (рис. 3.13)
• Наблюдения показали, что нижний слой из спирта имеет жёлтую окраску и содержит жёлтый пигмент ксантофилл. Верхний бензиновый слой зелёного цвета и содержит хлорофилл и каротин. Оранжево-красный цвет растениям даёт пигмент каротин, жёлтую - ксантофилл.
• Этот опыт проделывался насколько раз с листьями разных оттенков.

3. Вывод по результатам опыта:

• спиртовая вытяжка листа содержит хлорофилл и два желтых пигмента – каротин и ксантофилл.
• Цвет листа растения в первую очередь зависит от количественного соотношения этих пигментов, а также от возможного присутствия пигментов группы антоцианов.

4)Выделение водорастворимых пигментов (антоцианов)

1.Материалы: газовая плита, кастрюля, листья красных оттенков (богатые антоцианами) (рис. 3.14)

2.Ход работы:

• Я налила воду в кастрюлю
• Довела воду до кипения (рис. 3.15)
• Опустила листья в воду (рис. 3.16)
• Кипятила в течение 15 минут (рис. 3.17)
• Выложила листья из кастрюли и сфотографировала (рис.3.18-3.20)
• Налила полученный антоциановый раствор в прозрачный стакан. (рис. 3.21-3.22)

3. Вывод по результатам опыта:

• Антоцианы растворимы в воде, образуют с водой раствор красно-оранжевого цвета.
• После опыта листья приобрели серо-оранжевый оттенок. Поскольку разрушился хлорофилл, можем сделать вывод, что в листьях остались пигменты каротин и ксантофилл.

1. Распределение пигментов в листовых пластинках осенних листьев

1) Сканированное изображение побегов и листьев

В период со 2 по 29 октября 2015 года нами были собраны и отсканированы. побеги и отдельные листья листопадных деревьев. Работа проводилась с помощью фотосканера EPSON Scan 2580 PHOTO в кабинете биологии МБОУ Строчковская сош. Сканирование происходило сразу после сбора материала, чтобы структура листьев не успела измениться.

1.Сканированное изображение побегов и листьев Лещины обыкновеннй (Corylus avellana) (18.10.2015)

В зрелых листьях разрушающийся хлорофилл сохранился только в центральной части листа. На периферии остались только желтые пигменты (рис 3.23)

В этот же момент, на этом же растении, на более молодых побегах листья полностью зеленые (рис 3.24)

2. Сканированное изображение побегов и листьев Шиповника майского (Rósa majális) (15.10.2015)

На одном сложном листе, отдельные листочки могут иметь разную окраску(желтую.зеленоватую и красную) , содержать разные пигменты (рис 3.25)

3.Сканированное изображение листьев Ирги канадской (A. ovalis Me) (15.10.2015)

У старого листа ирги первоначально окрашивается черешок и жилки(рис 3.26), затем антоцианы начинают проявляться в основной ткани листовой пластинки(рис 3.27, 3.28)

4. Осина обыкновенная (Pópulus trémula)

На одном растении формируются листья с разной окраской, разными пигментами (рис 3.29)

5. Аро́ния черноплодная (Arónia melanocárpa)

Интенсивность окрашивания внешней поверхности листовой пластинки выше, чем нижней поверхности листа. Пигменты в листьях располагаются ближе к внешней поверхности (рис 3.30); рис 3.31-нижняя поверхность листа.

6. Сирень обыкновенная (siringa vulgaris)

Был установлен факт: 23% из обследованных растений siringa vulgaris изменяет окраску листьев с зеленой на сине-багряную, к концу октября в листьях накапливаются антоцианы (рис 3.32). У 28% растений листья, к этому же времени, приобрели желтую окраску(каротиноиды и флавоноиды)(рис 3.33)

7.Интересный факт был установлен в результате исследования листа

2) Микроскопическое исследование листьев с помощью с цифрового микроскопа

Перед началом исследования мной было освоено устройство и способы работы с цифровым микроскопом, а так же изучено и применено в работе программное обеспечение к нему.

Работа проводилась с помощью с помощью с цифрового микроскопа «Альтами» и программного обеспечения Altami VideoKit в кабинете биологии МБОУ Строчковская сош. Исследование происходило сразу после сбора материала, чтобы структура листьев не успела измениться.

1. Микроскопическое исследование листьев Шиповника майского(Rósa majális) проводилось 16.10.2015.

Листья шиповника майского могут быть ярко-красными и желтыми. Первые содержат много антоцианов, вторые каротиноидов и флованоидов. Мы рассмотрели и те и другие

Листья шиповника майского содержащие антоцианы. На фотографии видно, как пигменты наполняют клетки листа, часть их содержатся в межклеточном веществе (рис. 3.35).Сосудисто-волокнистые пучки окрашены в желтый цвет, то есть лишены антоциана и содержат каротиноиды или флованоиды (рис. 3.36)

Листья шиповника майского содержащие желтые пигменты.

2. Микроскопическое исследование листьев Клена платановидного (Acer platanoides L) проводилось 10.10.15

Листья клена платановидного равномерно окрашены желтыми пигментами и сосудисто-волокнистые пучки, и основная часть листа. На снимке видны клетки кожицы листа, они прозрачны и не препятствуют рассмотрению пигментов, хорошо выражены только их клеточные стенки с изгибами (рис. 3.37)

4. Результаты и их обсуждение.

1 Сроки листопада у одного растений одного вида имеют очень широкий диапазон.

2.У растений находящихся в близких условиях существования и относящихся к одной возрастной группе сроки листопада сильно варьируют.

3.Достоверно, что если раскраска листьев и листопад начинаются раньше – то полное раскрашивание листьев и наступление полного безлистного состояния наступает раньше.

4 Растения в угнетенном состоянии (ослабленные, больные, произрастающие в неблагоприятных условиях) - раньше вступают в стадию листопада.

5.У растений в имматурной и виргинильной стадий развития – позже происходит раскрашивание листьев и наступление полного безлистного состояния.

6.У растений подвергнутых обрезке позже происходит раскрашивание листьев и наступление полного безлистного состояния.

7.Растения с преобладанием красных пигментов более устойчивы к действию низких температур, у них длиннее листопадный период и более поздние сроки опадения листьев

8.Был установлен факт: 23% из обследованных растений siringa vulgaris изменяет окраску листьев с зеленой на сине-багряную, к концу октября в листьях накапливаются антоцианы. У 28% растений листья, к этому же времени, приобрели желтую окраску(каротиноиды и флавоноиды).При этом в большинстве источников высказывается мнение, что листья siringa vulgaris не изменяют своей окраски осенью.

9. Интересный факт был установлен в результате исследования листа Клен платановидный (Acer platanoides L) (рис 3.34):повреждение проводящей системы листа (сосудисто - волокнистых пучков) замедлило процесс изменения окраски листьев.

10.Выявлен внутривидовой полиморфизм некоторых видов по срокам листопада -

11. На переход растений в состояние покоя оказывает влияние и температура: для некоторых видов (преимущественно южного происхождения - ясеня, конского каштана, сирени, вишни) понижение ночных температур - главный сигнал к покою.

Заключение

Подводя итоги исследовательской работы, могу сделать вывод, что цель, которую я ставила – достигнута. Я изучила изменение окраски листьев и закономерности листопада у древесных листопадных растений и сравнила обоснованные и научно доказанные выводы с результатами исследования по данной теме.

Мы подтвердили выдвинутые в начале исследования гипотизы и установили взаимосвязь между сроками раскраски листьев, сроками листопада и эколого-фитоценотическими условиями их произрастания; также было подтверждено, что у растений с преобладанием красных пигментов длиннее листопадный период и более поздние сроки опадения листьев.

Мне удалось выделить пигменты осенних листьев и изучить их свойства. С помощью фотосканера и цифрового микроскопа я исследовала распределение пигментов в осенних листьях. В ходе проведенной работы мы получили некоторые данные, которые противоречат тем, что были найдены в изученной литературе, они требуют дальнейшего рассмотрения.

6.Список литературы и интернет источников

1. Бухвалов В.Н., Богданова Л.В., Купер Л.З. методы экологических исследований. М., 1995, 168 с.
2. Детари Л., Карцаги В., Биоритмы. М., Мир,160с.
3. Чернова И.М., Былова А.М. Экология. М., Просвещение, 255с.
4. Яковлев А.С., Яковлев И.А. Селекционно-генетический фонд лесовосстановления в дубравах Чувашской республики.// Экологический вестник Чувашии, вып. 13, Чебоксары, 1996, с.20-26.
5. Артамонов В.И. Занимательная физиология растений. – М.: Агропромиздат, 1991.
   Бердоносов С.С., Бердоносов П.С. Справочник по общей химии. – М.: АСТ Астрель, 2002.
6. Батурицкая Н.В., Фенчук Т.Д. Удивительные опыты с растениями. Книга для учащихся
   Головко Т.К. Дыхание растений (физиологические аспекты). – СПб: Наука, 1999.
   Детская энциклопедия. – М.: Академия педагогических наук РСФСР, 1959.
   Заленский О.В. Эколого-физиологические аспекты изучения фотосинтеза / Тимирязевские чтения. – Л.: Наука, 1977. Вып. 37. 57 с.
   Лебедева Т.С., Сытник К.М. Пигменты растительного мира. – Киев: Наукова думка, 1986.
   Ольгин О. Опыты без взрыва. – М.: Химия, 1986.
   Пчелов А.М. Природа и ее жизнь. – Л.: Жизнь, 1990.
   Эткинс П. Молекулы. – М.: Мир, 1991.
7. http://www.donnaflora.ru/viewtopic.php?p=32844 ПИГМЕНТЫ, ОПТИКА ЛИСТА И СОСТОЯНИЕ РАСТЕНИЙ (МЕРЗЛЯК М. Н. , 1998), БИОЛОГИЯ Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
8. Александр Владимирович Кожевников «Весна и осень в жизни растений» Издательство: Москва. Издательство Московского общества испытателей природы Год: 1950
9. http://zooflora.ru/rasteniya/listopad/
10. ЖИЗНЬ РАСТЕНИЙ ред. академик А. Л. Тахтаджян

Глоссарий

• Ввозрастные группы деревьев: p – всходы; j – ювенильные особи; im – имматурные особи; v – виргильные особи; g – генеративные особи; s – сенильные особи. RAL 1012 Желтый лимон

  RAL 1013 Белая устрица

  RAL 1014 Слоновая кость

  RAL 1015 Легкий слоновый

  RAL 1016 Кадмий лимонный

  RAL 1017 Желтый шафран

  RAL 1018 Кадмий желтый средний

  RAL 1019 Серо- бежевый

  RAL 1020 Желтая маслина

  RAL 1021 Золотистый

  RAL 1023 Желтый глубокий

  RAL 1024 Желтая охра

  RAL 1027 Желтое карри

  RAL 1028 Желтая охра

  RAL 1032 Яично-желтый

  RAL 1033 Желтый георгин

  RAL 1034 Желтая пастель

  RAL 2000 Желто- оранжевый

  RAL 2001 Красно- оранжевый

  RAL 2002 Ярко-красный

  RAL 2003 Оранжевая пастель

  RAL 2004 Чистый оранжевый

  RAL 2008 Яркий красно- оранжевый

  RAL 2009 Оранжевый глубокий

  RAL 2010 Бледно- оранжевый

  RAL 2011 Глубокий оранжевый

  RAL 2012 Оранжевый лосось

  RAL 3000 Красное пламя

  RAL 3001 Красный насыщенный

  RAL 3002 Красно-багдяный

  RAL 3003

  Темно-багряный

  RAL 3004 Фиолетово- красный

  RAL 3005 Красное вино

  RAL 3007 Черно- красный

  RAL 3009 Красная окись

  RAL 3011 марс коричневый

  RAL 3012 Бежево-красный

  RAL 3013 Красный томат

  RAL 3014 Старая роза

  RAL 3015 Легкий розовый

  RAL 3016 Красный коралл

  RAL 3017 Роза

  RAL 3018 Красная земляника

  RAL 3020 Железноокислая светло-красная

  RAL 3022 Красный лосось

  RAL 3027 Красная малина

  RAL 3031 Красный восточный

  RAL 4001 Красная сирень

  RAL 4002 Фиолетово- красный

  RAL 4003 Фиолетовый вереск

  RAL 4004 Фиолетовый кларет

  RAL 4005 Синяя сирень

  RAL 4006 Фиолетовый насыщенный

  RAL 4007 Сине-багряный

  RAL 4008 Фиолетовый

  RAL 4009 Фиолетовая пастель

  RAL 5000 Фиолетово-синий

  RAL 5001 Зелено- синий

  RAL 5002 Ультрамарин

  RAL 5003 Синий сапфир

  RAL 5004 Черно- синий

  RAL 5005 Синий насыщенный

  RAL 5007 Бриллиантово-синий

  RAL 5008 Серо-синий

  RAL 5009 Сине- голубой

  RAL 5010 Синий

  RAL 5011 Синяя сталь

  RAL 5012 Легкий синий

  RAL 5013 Синий кобальт

  RAL 5014 Синяя птица

  RAL 5015 Синее небо

  RAL 5017 Бледно- синий

  RAL 5018 Бирюзово-синий

  RAL 5019 Синий капри

  RAL 5020 Синий океан

  RAL 5021 Синяя вода

  RAL 5022 Синяя ночь

  RAL 5023 Глубокий голубой

  RAL 5024 Синяя пастель

  RAL 6000 Зеленый воск

  RAL 6001 Зеленый изумруд

  RAL 6002 Зеленый лист

  RAL 6003 Зеленая маслина

  RAL 6004 Сине- зеленый

  RAL 6005 Зеленый мох

  RAL 6006 Серая маслина

  RAL 6007 Бутылочно- зеленый

  RAL 6008 Коричнево-зеленый

  RAL 6009 Зеленая ель

  RAL 6010 Зеленая трава

  RAL 6011 Зеленая резеда

  RAL 6012 Черно- зеленый

  RAL 6013 Зеленый тростник

  RAL 6014 Желтая маслина

  RAL 6015 Черная маслина

  RAL 6016 Бирюзово- зеленый

  RAL 6017 Весенний зеленый

  RAL 6018 Желто- зеленый

  RAL 6019 Зеленая пастель

  RAL 6020 Зеленый хром

  RAL 6021 Бледно- зеленый

  RAL 6022 Серая маслина

  RAL 6024 Зеленый насыщенный

После тепловой обработки окраски пищевых продуктов может сохраняться или изменяться, причем чаще всего эти изменения нежелательны. Технология обработки продуктов предусматривает сохранение нативного цвета их или придание желаемого оттенка различными способами.

Примером образования желательной окраски кулинарной продукции может быть серо-коричневый цвет мяса, который оно приобретает при тепловой обработке.

Для колбасных изделий желательна розоватая окраска. Она получается вследствие того, что при предварительном посоле мяса добавляют нитраты и нитриты натрия (или калия), которые, вступая в связь с пигментами мяса, образуют нитрозомиоглобин, сообщающий колбасам стойкий розовато-красный цвет.

Розоватая окраска или отдельные красноватые пятна в готовом кулинарном изделии снижают его органолептическую оценку.

При анализе причин появления аномальной окраски в изделиях из мяса сначала надо исключить нарушение режима термической обработки изделия. Если же термическая обработка проведена тщательно, то аномальная окраска, не соответствующая традиционной, может быть вызвана двумя причинами: сомнительной свежестью мяса или бульона.

В мясе сомнительной свежести (особенно при хранении его упакованным с ограниченным доступом воздуха) накапливаются первичные, вторичные, третичные амины и аммиак. Эти соединения ведут себя подобно нитратам и нитритам при посоле мясопродуктов, так как при тепловой обработке образуют устойчивые розовато-красные гемохромогены.

Вторая причина аномальной окраски – несвежесть бульона, в котором разогревают доброкачественные мясопродукты. Известно, что при хранении бульонов рН среды изменяется в кислую (прокисание) или щелочную (действие гнилостной микрофлоры) сторону. В щелочной среде гем денатурированного миоглобина имеет красную окраску (это легко проверить, сварив кусочек мяса с добавлением питьевой соды).

Подробнее о способах обработки продуктов для сохранения или изменения цвета в желаемом направлении см. в разделах по обработке каждой группы сырья.

Следовательно, появление аномальной окраски как при накоплении аминов и аммиака, так и при изменении среды в щелочную сторону является своего рода «индикатором неблагополучия» и требует устранения вызвавших это причин.

Для придания продуктам желаемого оттенка часто используют кислоты. Например, при припускании филе кур добавляют лимонный сок или лимонную кислоту, которые осветляют изделие и придают ему кремовый оттенок. С этой же целью мозги варят в подкисленной уксусом воде.

Кислая среда улучшает и делает более интенсивным цвет антоцианов (обусловливающих окраску вишен, слив, малины и др.) и пигментов свеклы. В то же время хлорофилл зеленых овощей в кислой среде становится бурым, что нежелательно.

Металл, из которого изготовлена посуда, влияет на окраску готового продукта. Например, в алюминиевой посуде не следует обрабатывать зеленые овощи и свеклу, предпочтительнее использовать емкости из нержавеющей стали.

Изменение окраски может быть обусловлено гидролитическим расщеплением соединений и освобождением красящих веществ (например, флавонов при варке лука, картофеля, белокочанной капусты).

Большое значение для изменения окраски имеет контакт с кислородом воздуха очищенных от кожицы продуктов, содержащих полифенольные соединения (картофель, грибы, яблоки). В этом случае происходит ферментативное потемнение продукта.