Крахмал в листьях и в маргарине

Нашу краткую экскурсию на химический завод, содержащийся в растениях, завершим опытом с продуктом обмена веществ — крахмалом. Крахмал образуется в листьях из сахара, который возникает в результате фотосинтеза:

nС₆Н₁₂О₆®(C₆H₁₂O₆)_n + nН₂О

глюкоза  крахмал

При этом он получается и накапливается в соответствующих частях растений в виде мелких зернышек, которые хорошо видны под микроскопом при увеличении в 350 раз в хлоропластах (Хлоропласты — особые тельца в протоплазме клеток растений, окрашенные хлорофиллом в зеленый цвет, — Прим. перев.) нежных листьев мха или папоротника. Различным видам растений свойственна различная, характерная для них форма зерен крахмала.

Это используют при исследовании пищевых продуктов. По тому, как выглядит мука под микроскопом, определяют, из каких злаков она получена. Такое исследование, выполняемое в специальных лабораториях с помощью поляризационного микроскопа, позволяет обнаружить в муке даже следы примесей, которые могут быть добавлены к ней с целью подделки. Случалось, например, что к муке лучших сортов подмешивали муку из других, менее ценных злаков. Раньше бывали даже такие случаи жульничества, когда на рынках торговали мукой, разбавленной порошкообразным гипсом.

Соберем содержащие крахмал семена различных видов растений, острым ножом разрежем их пополам, затем срежем очень тонкий слой и поместим его на предметное стекло. При необходимости добавим каплю воды и полученную суспензию равномерно распределим на предметном стекле, накладывая на него сверху другое такое же стекло. Плавно изменяя настройку микроскопа, мы увидим сильно преломляющие свет слои зернышек; особенно четко они видны в случае картофельного крахмала.

Крахмал дает синюю окраску с раствором йода. Благодаря этой иодкрахмальной реакции не раз удавалось вывести на чистую воду жуликов, которые торговали бутербродами, выдавая за масло маргарин. Выпускаемый промышленностью маргарин по законным техническим условиям должен содержать добавку кунжутного масла. Последнее дает красное окрашивание с фурфуролом и соляной кислотой. С 1915 г. было разрешено заменять это масло картофельным крахмалом. Продажный маргарин содержит его в количестве 0,2 %.

Обнаружение крахмала в маргарине

При нагревании на малом огне газовой горелки или на водяной бане расплавим малое количество маргарина. Водный слой, образующийся внизу, под слоем жира, отберем пипеткой, поместим его в другую пробирку, разбавим вдвое содой и нагреем до кипения. После остывания добавим 2 капли раствора йода. Жидкость приобретает синий цвет.

Обнаружение крахмала в листе сирени

С помощью йода можно найти крахмал и в листьях живых растений. Используя эту реакцию, докажем, что растения способны к ассимиляции только на свету.

Вечером подготовим для опыта лист сирени — часть его (прямо на кусте) закроем с обеих сторон, завернув в алюминиевую фольгу или другой светонепроницаемый материал. На следующий день, после того, как лист в течение нескольких часов находился на ярком солнечном свету, срежем его и, погрузив на 2—3 часа в горячий денатурат, извлечем из него хлорофилл. В заключение опыта поместим лист в раствор йода. При этом в синий цвет окрасится только та часть листа, которая была на свету.

АГРОНОМ В РОЛИ ХИМИКА

Знаменитый французский физик Фредерик Жолио-Кюри однажды рассчитал, что энергии, которая за один только месяц расходовалась во время последней мировой войны для целей разрушения, хватило бы для обводнения всей Сахары с ее бесконечными песчаными пустынями, дюнами и безжизненными пространствами, усеянными щебнем и галькой. А ведь общая площадь этой громадной пустыни 6 000 000 км²! Это приблизительно в 20 раз больше, чем площадь Италии.

Нужны ли людям такие земли?

Каждую минуту только в странах социалистического содружества рождается 90 человек, в час — 5 400, в день — почти 130 000. На всей Земле ежегодно регистрируется 110 миллионов рождений, а умирает за то же время 60 миллионов людей. В 1917 г. население нашей планеты составляло 1,7 миллиарда человек, а в 1971 г. уже — 3,7 миллиарда. К 2000 г. это число удвоится.

Хватит ли на Земле хлеба для всех?

Ведь и сегодня еще миллионы людей страдают от голода. Они голодают там, где господствуют колониализм и эксплуатация человека человеком. Между тем при использовании всех имеющихся сегодня резервов Земля могла бы прокормить 12—15 миллиардов человек!

Использовать эти резервы нелегко — для этого предстоит еще немало потрудиться. Где же они скрыты?

Огромные пространства на Земле не освоены. В Бразилии не используется 97 % площади, в США посевная площадь сократилась на 23 %.

Миллионы земледельцев до сих пор пашут землю примитивными деревянными орудиями.

Огромный источник продуктов питания — океан — пока не освоен.

Люди употребляют в пищу лишь 1 % имеющихся на Земле видов растений.

В почву вносится только одна десятая часть необходимых ей удобрений.

В решении всех этих задач, в обеспечении все новых и новых миллионов людей продуктами питания огромная роль принадлежит науке. И в первую очередь человечеству поможет химия!

В будущем появится и станет непрерывно расширяться производство синтетических продуктов питания, прежде всего с целью удовлетворить потребность людей в белках. Статистика Организации объединенных наций свидетельствует о том, что 2 миллиарда человек в Азии и Африке сегодня получают лишь одну треть необходимых им животных белков. С другой стороны, по мнению советского ученого Н. М. Жаворонкова, при полном использовании всех питательных веществ из растений можно было бы прокормить 134 миллиарда человек.

ВСЛЕД ЗА ЛИБИХОМ

В 1825 г. торговое судно впервые доставило в Гамбург чилийскую селитру. Груза было много — он был насыпан выше бортов, и никто не догадывался, зачем он нужен и какая цепь событий развернется дальше.

В то время уже не было недостатка в попытках повышения плодородия почвы. Первые успехи вскоре сменились разочарованием. Оказалось, что при внесении в почву только навоза или компоста урожайность удавалась повысить лишь до некоторого предела. Регулярное удобрение почвы зеленой массой растений требовало трехпольной системы ведения хозяйства, от которой стремились отказаться. Так называемое известкование почвы, удобрение ее глинистым или песчанистым мергелем вначале повышало урожаи. Однако при дальнейшем пересыщении почвы мергелем урожайность быстро снижалась. Недаром стали говорить, что «известь обогащает отца, но разоряет сына». Таким образом, одна только известь тоже не годилась в качестве удобрения. Почве не хватало каких-то других веществ.

Чего только не предлагали в качестве удобрения! Тут были и всевозможные отходы животного и растительного происхождения, и измельченная ветошь, и остатки кожи, и размолотые перья. Поступило даже предложение закапывать на полях покойников.

Авторы всех этих предложений не знали, что нужно растениям для роста. Для того чтобы получить представление об этом, необходимо было систематическое исследование растений вместе с окружающей их средой, почвой, на которой они живут, и воздухом, которым они дышат. Да, именно дышат! Это впервые установили в конце XVIII в. голландский ученый Ингенхауз, а также швейцарские исследователи Сеннебье и Соссюр. Растения поглощают углекислый газ из воздуха. Из почвы они получают воду, это точно, — а может быть, что-нибудь еще? Вероятно, в почвенной влаге растворены какие-то вещества, которые вместе с ней переходят в растения?

Прошло совсем немного времени, и на эти вопросы был найден ответ. Он содержался в работах немецкого ученого Либиха. Свою первую работу, посвященную связи между неорганической химией и химией растений, Либих опубликовал, будучи 20-летним студентом в Париже. За эту работу университет в Эрлангене присвоил ему докторскую степень. Именно Либих сделал решающий шаг от старого естествознания (философии природы) к химии в качестве самостоятельной науки, вооруженной собственными методами исследования. В его лаборатории в Гиссене был создан новый метод элементного анализа, позволяющий быстро определять состав органических соединений (Учениками Либиха в Гиссене были многие впоследствии прославленные химики, в том числе русские, первым из которых был А. А. Воскресенский, названный Д. И. Менделеевым «дедушкой русских химиков». Школу в Гиссене прошел и Н. Н. Зинин. Заслуги Либиха получили признание в России — в 1830 г. (в 27 лет) он был избран иностранным членом-корреспондентом Петербургской Академии наук. — Прим. перев.).

При анализе любого растения в нем удавалось обнаружить углерод, водород, кислород и азот. В золе, которая оставалась после сжигания растений, Либих нашел соединения других элементов, в том числе калия, кальция, магния, фосфора, серы, железа и кремния. Растения могли получить их только из почвы. При анализе почв присутствие этих элементов подтвердилось.

Так шаг за шагом Либих раскрыл существующую в природе закономерную связь явлений: растения постоянно извлекают из почвы минеральные вещества — человек убирает растения с поля — почва обедняется минеральными веществами — урожаи снижаются. «Продавая урожай со своего поля, крестьянин продает и само поле», — говорил Либих. Химик же должен помочь земледельцу возвратить его поле, он должен обеспечить его минеральными питательными веществами, которые были удалены из почвы вместе с урожаем. Расход питательных веществ нужно восполнить, добавляя их в почву в таком же количества путем внесения искусственных удобрений.

Оказалось, что растению необходимы калий, фосфор, кальций и, как нашел Либих только позднее, азот. Их-то и нужно вводить в почву в составе удобрений, потому что именно этими элементами она обедняется больше всего. Агрохимия — таким был подзаголовок изданной в 1840 г. книги Либиха «Органическая химия в приложении к земледелию и физиологии» — превратилась в самостоятельную науку и открыла новую эпоху в развитии сельского хозяйства.

Конечно, Либих не мог еще сказать, сколько минеральных удобрений нужно вносить в почву. Сейчас мы знаем, что это зависит от многих факторов. Однако для регулирования количества минеральных удобрений Либих предложил простой закон — так называемый закон минимума. Он гласит, что любое питательное вещество должно присутствовать в достаточном количестве. Если же какого-нибудь питательного вещества не хватает, то этот недостаток нельзя компенсировать избытком других питательных веществ. Следовательно, величина урожая зависит от того питательного вещества, которого меньше всего, то есть минимум. Отсюда и название закона — закон минимума.

Эта теория выросла из практики, и ее выводы нужно было проверить на практике. Запатентованное Либихом удобрение — смесь фосфатов, полученная из едкого кали и фосфорной кислоты — вначале была изготовлена и испытана в Англии. Однако этот опыт не привел к цели, потому что Либих не включил в состав своего удобрения азот. Он полагал, что этот элемент растения могут извлекать из воздуха. Либиху понадобилось провести целый ряд опытов на приобретенном им участке в Гиссене, чтобы полностью выяснить этот вопрос. В результате он изменил свое прежнее представление о значении азота. После этого уже первые опыты, в которых ошибка была исправлена, увенчались успехом.

Агрохимия добилась первой крупной победы. В наши дни урожайность сельскохозяйственных культур растет быстрее, чем численность населения. Наука обеспечила пищей миллионы людей. Возникла новая отрасль промышленности — производство минеральных удобрений. В ГДР ежегодно в почву вносится около 5 млн. т удобрений.