Гортензия переменчивая

Для решения задачи важно знать, чем принципиально различаются составы глинистой и торфяной почвы, а также какие процессы протекают при известковании почвы (внесения в нее карбоната кальция CaCO₃).

Если растущую на торфяной почве гортензию, цветущую фиолетовыми цветками, поливать раствором алюмо-калиевых квасцов (KAl(SO₄)₂×12H₂O), то через некоторое время фиолетовый цвет соцветий сменится на синий.

То, что на цвет соцветий крупнолистой гортензии влияет кислотность почвы (а это, наверняка, одна из многих рабочих гипотез, сформулированных при решении этой задачи), отчасти верно, но не объясняет все цветовые переходы, упомянутые в задаче. Известкование почвы, то есть внесение соединений кальция (на личном подсобном хозяйстве почву чаще всего известкуют, внося карбонат кальция в виде мела и/или яичной скорлупы) понижает кислотность почв за счет того, что кальциевая соль слабой угольной кислоты (карбонат кальция) реагирует с более сильными кислотами (для простоты обозначим их HA), содержащимися в кислой почве, по схеме:

CaCO₃ + 2HA = CaA₂  + CO₂ + H₂O

Таким образом, можно точно сказать, что розово-красные цветы у гортензии будут проявляться для наименее кислой почвы. Однако объяснить только кислотностью различие цветов гортензии, произрастающей на глине и на торфе нельзя.

Предполагая, что какие-то растительные пигменты, входящие в состав лепестков гортензии, работают как кислотно-основные индикаторы, и, исходя из цветов (глина — синий, торф — лиловый, известкованная почва — красный), можно построить логическую цепочку, приводящую к тому, что кислотность глины будет выше кислотности торфа.

Рассуждения такие. Сравниваем показания лакмусового индикатора и метилового оранжевого. Лакмус в кислой среде дает красный цвет, в нейтральной — фиолетовый, в щелочной — синий (рис. 1). Метиловый оранжевый в кислой среде дает тоже красный цвет, в нейтральной — оранжевый, в щелочной — жёлтый.

Рис. 1. Кислотность различных видов почв. Рисунок с сайта cad-ogorod.ru

Получается, что в области, находящейся между самой кислой и самой щелочной средой, индикатор приобретает окраску, которая является смешением цветов, отвечающих самой кислой и самой щелочной среде: фиолетовый = красный + синий, оранжевый = красный + жёлтый. Однако в реальности, хотя и торфяные, и глиняные почвы относятся к кислым почвам, кислотность торфа выше — она определяется наличием гуминовых кислот, которые хоть и не являются сильными кислотами, но все же превосходят по силе содержащиеся в глине кремниевые кислоты и гидроксид алюминия.

Еще одна причина, позволяющая отбросить «прямое» воздействие кислотности почвы на окраску цветов гортензии, — это содержащаяся в подсказке информация о том, что при поливе раствором алюминиевых квасцов лиловые цветы гортензии синеют. Ведь если раствор квасцов и может увеличить кислотность почв, то только щелочных, а не кислых, как глина и торф. В этой подсказке, как и в составе торфа и глины, и содержится ключ к решению. Глины отличаются от торфа гораздо более высоким содержанием алюминия (в глинистых почвах содержание алюминия составляет около 6%, в торфе — не более 0,15%), и пигменты лепестков гортензии хотя и являются индикатором, но не кислотно-основным, а индикатором на алюминий.

Для цветов крупнолистой гортензии роль вещества-индикатора выполняет миртиллин (см. Myrtillin), относящийся к антоцианам. Миртиллин можно также обнаружить в ягодах чёрной смородины, черники, голубики, лепестках цветов мирта и суданской розы (гибискуса).

В свободном виде миртиллин — красный, и лепестки гортензии, не поглощающей из почвы алюминий, будут иметь розовый цвет. Особенностью миртиллина и ряда других антоцианов является то, что наличие в их структуре металлофильных гидроксильных групп –ОН (рис. 2) фенольной и спиртовой природы обуславливает способность растительных пигментов к взаимодействию с ионами металлов и образованию с металлами координационных соединений — металлоантоцианов (см. Metalloanthocyanin). Как правило, это надмолекулярные полимерные структуры, в которых ионы металлов связаны антоциановыми «мостиками».

Рис. 2. Структурная формула миртиллина. Рисунок c сайта en.wikipedia.org

При комплексообразовании с металлами и при образовании супрамолекулярных систем электронная структура антоцианов меняется, что приводит к тому, что меняется и их цвет. Продукт взаимодействия миртиллина с ионами алюминия (Al³⁺) синий, то есть цветы гортензии, миртиллин которых в максимальной степени связан с алюминием, будут голубыми (именно такой цвет и характерен для богатой алюминием глинистой почвы). Фиолетово-лиловый цвет цветков гортензии (смешение синего и красного цветов) характерен для случая, когда в лепестках содержится и свободный миртиллин, и комплекс миртиллина с алюминием. Это может происходить либо при незначительном содержании алюминия в почве (торф), либо если по каким-то причинам поглощение растениями алюминия затруднено.

Почему известкование (то есть понижение кислотности почвы) не дает гортензии поглощать алюминий ни из торфа, ни из глины и заставляет ее цвести розовыми цветами? В кислых почвах (глина, торф) алюминий может присутствовать в виде иона Al³⁺, который растворим в воде, с водой может усваиваться корневой системой и, перемещаясь по системе капилляров гортензии, достигать её лепестков, в которых будет связываться с миртиллином, давая оттенок синего цвета той или иной глубины и насыщенности. При известковании кислотность почвы уменьшается, щелочность повышается, обуславливающие щелочную реакцию среды гидроксид-ионы ОН^– способствуют осаждению катиона алюминия в гидроксид алюминия:

Al³⁺ + 3OH⁻ = Al(OH)₃↓

Гидроксид алюминия нерастворим и не может усваиваться растением — независимо от того, богата или бедна почва алюминием.

Примечание 1. Металлоантоцианины устойчивы, поэтому если после известкования почвы, на которой растёт уже цветущая синими цветками крупнолистая гортензия, синий цвет не превратится в лиловый или розовый, это значит, что алюминий уже усвоился растением и в его лепестках уже содержится комплекс миртиллина с алюминием, который нельзя разрушить, переводя почвенный алюминий в нерастворимую форму. Заставить же розовые или лиловые цветы посинеть, вводя в почву дополнительный потенциально поглощаемый алюминий, ещё как можно.

Примечание 2. От сортов гортензии, в цветках которой нет миртиллина (например, практически всем известной садовой гортензией, цветущей белыми цветами), добиться цветовых переходов, увы, не удастся, поэтому не стоит пытаться проверить задачу, поливая квасцами растущую на вашем или соседском садовом участке гортензию метельчатую.

1. Оптимистичное послесловие. Чувствительность антоцианов, входящих в состав пигментов лепестков (а иногда и других органов) цветковых растений, к условиям произрастания — включающим обводненность почвы, ее кислотность и содержание в ней различных химических элементов — позволяет использовать растения в качестве индикаторов состояния окружающей среды. Изменение цвета лепестков может показать, насколько высока или низка кислотность почвы, и (при необходимости) можно скорректировать ее до оптимальных значений.

Образование металлоантоцианинов, окраска которых отличается от самих антоцианов, в ряде случаев позволяет определить, какие металлы накоплены в лепестках. Поэтому геологи используют некоторые растения в качестве биоиндикаторов присутствия залежей тех или иных металлов. Существует даже такой раздел науки — индикационная геоботаника. Эта область естествознания изучает растения, которые реагируют на все изменения условий внешней среды и, в том числе, помогают в геологоразведке. Например, цветы прострела (Pulsatilla) фиолетовые, но при наличии в почве никеля (то есть если неподалеку от мест произрастания этих цветов есть большие залежи никеля) становятся белые. Пустынное растение колючелист (Acanthophyllum) цветет розоватыми цветами, но на земле, богатой серой, вместо розоватых цветов у него появляются белые. У иван-чая (Chamerion angustifolium), растущего над урановыми месторождениями, розовые в норме лепестки становятся белыми, хотя в этом случае еще идет дискуссия о том, что является причиной такого обесцвечивания — поглощение иван-чаем урана и химические процессы образования уранантоцианинов или же радиоактивное излучение урановых месторождений.

2. Умеренно-пессимистичное послесловие. Высокая чувствительность растительных антоциановых пигментов к кислотности и наличию тех или иных металлов, а также способность этих пигментов разрушаться не позволяют использовать это многоцветье на практике. Так, красный цвет лесной и садовой клубники обусловлен антоцианами, но пигментом в клубничном смузи, клубничном мороженом или клубничном топинге на прилавке магазина или в кафе, как правило, служит выделяемый из красной свёклы бетанин (см. Betanin). Все плюсы антоцианов, которые позволили бы применять их как натуральные пищевые красители, — растворимость в воде и высокая интенсивность окраски в малых дозах, в которых они безопасны для человека, перечеркивается их чувствительностью к кислотности и компонентам пищевых продуктов. Чуть изменится состав того же клубничного мороженого — и будет оно пахнуть клубникой, а цвета будет отнюдь не клубничного, а в лучшем случае оранжево-апельсинового или вообще зелёного, и начнется у потребителя когнитивный диссонанс.

С другой стороны, возможность применения растительных антоцианов в качестве кислотно-основных индикаторов является неисчерпаемой темой для самостоятельного изучения принципа действия этих индикаторов и приготовления натуральных индикаторов из сока краснокочанной капусты (см. Использование краснокочанной капусты в качестве индикатора) или цветков пуансеттии (см. The chemistry of poinsettia plants).

О том, от чего зависит окраска растений, см. также:
Презентация лекции Олеси Шоевой «Пигменты растений».