مقدمه:

آیا تا به حال از خود پرسیده‌اید دلیل تغییر رنگ برگ‌ها در فصل پاییز از سبز به طیفی از رنگ‌های بسیار زیبای زرد، نارنجی و قرمز چیست؟ برگ‌ها رنگ‌های زیبای خود را از رنگدانه‌هایی می‌گیرند که از مولکول‌های ایجاد کننده‌ی رنگ در اندازه‌های مختلف ایجاد می‌شوند. در طول ماه‌های گرم سال گیاهان با کمک برگ‌های خود نور خورشید را به انرژی غذا تبدیل می‌کنند، فرآیندی که فوتوسنتز نام دارد. این فرآیند در درجه‌ی اول از رنگدانه‌هایی استفاده می‌کند که نور سبز را منعکس می‌کنند و این رنگ مشخصه را به برگ‌ها می‌دهند.

در فصل پاییز که روزها کوتاه‌تر و سردتر می‌شوند، بسیاری از درخت‌ها تولید انرژی غذا را متوقف می‌کنند و در نتیجه دیگر نیازی به رنگدانه‌های سبز ندارند. دیگر رنگدانه‌های برگ‌ها که برخی از آنها در فصل تابستان نیز در برگ حضور داشته‌اند قابل مشاهده می‌شوند. راز این رنگ‌های پنهانی پاییز را با جداسازی رنگدانه‌های برگ‌ها با روش کروماتوگرافی کاغذی کشف کنید. به نظرتان چه رنگ‌هایی مشاهده خواهید کرد؟

پیش‌زمینه:

انواع بسیاری از رنگدانه‌ها در برگ‌ها وجود دارد. کلروفیل باعث سبز شدن برگ‌ها می‌شود و به انجام فوتوسنتز در ماه‌های گرم و آفتابی کمک می‌کند. با رسیدن فصل پاییز رنگ سبز تولید کننده‌ی غذا کم می‌شود و رنگدانه‌های دیگر از جمله زرد، نارنجی و قرمز پدیدار می‌شوند.

رنگدانه‌های زرد Xanthophyll و رنگدانه‌های نارنجی Carotenoid نام دارند. در تابستان از این رنگدانه‌ها نیز در فوتوسنتز استفاده می‌شود اما کلروفیل که رنگدانه‌ی قوی‌تری است بر آنها غالب است. این رنگدانه‌ها نسبت به کلروفیل به زمان بیشتری برای شکستن نیاز دارند، به همین دلیل در برگ‌های پاییزی پدیدار می‌شوند. این رنگدانه‌ها همچنین در هویج، گل لاله، موز و سایر گیاهان رنگی وجود دارند. رنگدانه‌ی قرمز آنتوسیانین نیز در طول فصل تابستان تشکیل نمی‌شود بلکه تنها با گروه نهایی رنگ‌های پاییزی پدیدار می‌شود. این مولکول‌ها سبب ایجاد رنگ قرمز در سیب، توت فرنگی و میوه‌های دیگر می‌شوند.

اگرچه برگ مخلوطی از این رنگدانه‌هاست، شما می‌توانید این رنگ‌ها را با روش کروماتوگرافی کاغذی از هم جدا کنید. در این فرآیند رنگدانه‌ها حل و توسط یک نوار کاغذی جذب می‌شوند. حرکت مولکول‌های بزرگتر در کاغذ دشوارتر است و ممکن است این مولکول‌ها در بافت کاغذ گیر بیفتند، در حالی که مولکول‌های کوچکتر می‌توانند در طول کاغذ به راحتی حرکت کنند. در این فرآیند رنگدانه‌ها از نظر اندازه و رنگ از هم جدا می‌شوند.

مواد و وسایل مورد نیاز:

برگ‌هایی در مراحل مختلف تغییر رنگ (حدود ده برگ از هر رنگ مناسب است.)

 قیچی

 لیوان شیشه‌ای محکم (سه یا چهار عدد)

 الکل صنعتی (ایزوپروپیل الکل)

 قاشق چوبی یا هر وسیله‌ی چوبی مناسب دیگر برای خرد کردن برگ‌ها

 چنگال

 کاسه‌ی بسیار کوچک یا جاشمعی سبک (سه یا چهار عدد)

 حوله کاغذی سفید محکم و سنگین با جذب بالا

 خط‌کش

 مداد

 خلال دندان

 بشقاب (یا هر سطح صاف دیگر برای محافظت از سطح کار در برابر رنگ)

 ظرف شیشه‌ای بلند (سه یا چهار عدد)

 گیره‌ی کاغذ بزرگ (۹ تا ۱۲ عدد)

آماده‌سازی:

برگ‌هایی در مراحل مختلف تغییر رنگ در فصل پاییز، ترجیحاً از یک درخت جمع کنید.

 این برگ‌ها را بر اساس رنگ در گروه‌های مجزا قرار دهید. (در هر گروه حداقل ده برگ بزرگ) مثلاً می‌توانید برگ‌ها را به سه گروه سبز، زرد و قرمز تقسیم کنید.

 برای هر گروه از برگ‌ها، سه تا چهار نوار کاغذی آماده کنید. هر نوار باید یک اینچ ضخامت داشته باشد. طول این نوارها باید به قدری بلند باشد که یک سر آنها به انتهای ظرف‌های شیشه‌‌ای بلند برسد و در این حالت مقداری از آن از ظرف بیرون بماند. حال با استفاده از مداد، خطی به فاصله‌ی یک اینچ از انتهای هر نوار روی آن رسم کنید.

روش کار:

برگ‌ها را با قیچی به قطعات کوچک‌تر ببرید. هر گروه از برگ‌ها را در ته یک لیوان بریزید.

 یک قاشق غذاخوری الکل به هر شیشه اضافه کنید.

 با یک قاشق چوبی به مدت پنج دقیقه برگ‌ها را بکوبید تا با الکل مخلوط شوند و محلولی تیره به دست بیاید. رنگ الکل چه تغییری کرده است؟

 محلول را به مدت ۳۰ دقیقه در مکانی تاریک در خانه قرار دهید.

 با یک چنگال تکه‌های باقی مانده در محلول‌ها را دور بریزید.

 هر کدام از محلول‌ها را داخل یک کاسه‌ی کوچک بریزید و آن را در مکانی تاریک در خانه قرار دهید تا الکل بیشتری تبخیر شود. با یک خلال دندان محلول‌ها را هم بزنید. در صورتی که غلظت آنها بیشتر شده است برای انجام مرحله‌ی بعدی آزمایش آماده هستید.

 محلول‌ها را با خلال دندان به خوبی هم بزنید. (برای هر محلول از یک خلال دندان جداگانه استفاده کنید تا رنگ‌ها با هم مخلوط نشوند.)

 با استفاده از خلال دندانی جداگانه برای هر محلول، خطی رنگی روی خطی که بر نوارهای کاغذی رسم کرده‌ بودید بکشید. از آنجا که برخی از رنگدانه‌های گیاه ایجاد لک می‌کنند، بهتر است این کار را روی یک بشقاب انجام دهید تا سطح کارتان کثیف نشود. برای هر رنگ، سه تا چهار نوار را به این شکل حاضر کنید.

 اجازه دهید نوارهای کاغذی خشک شوند.

 در حین خشک شدن نوارها، به مقدار کافی الکل در هر ظرف شیشه‌ای بریزید تا انتهای این ظرف‌ها پر شود. برای هر محلول رنگی یک ظرف نیاز خواهید داشت.

 حال طوری نوارهای کاغذی را در ظرف‌ها قرار دهید که انتهای رنگی آنها پایین باشد و سر پایینی نوار با الکل مماس شود. لبه ی بالایی نوارها را با گیره به لبه‌ی شیشه متصل کنید. دقت داشته باشید که نوارها نباید لبه‌ی ظرف را لمس کنند بلکه تنها در قسمت بالایی باید به ظرف متصل باشند. هر نوار کاغذی را به ظرف مخصوص خود متصل کنید و مراقب باشید در حین کار این نوارها با همدیگر تماس پیدا نکنند. 

 ظرف‌های شیشه‌ای را به مدت سی دقیقه بی حرکت بگذارید و نوارهای کاغذی را زیر نظر بگیرید. رنگ روی نوارها چه تغییری می‌کند؟ 

 با رسیدن رنگ یک نوار کاغذی به قسمت بالایی نوار، تمام نوارها را از ظرف‌ها خارج کنید و اجازه دهید خشک شوند. 

 به نوارهای خشک شده خوب نگاه کنید. رنگ روی این نوارها چه تفاوتی با هم دارند؟ آیا نوارهای مربوط به محلول‌های مختلف رنگ‌هایی مخصوص به خود دارند یا رنگ‌هایی مشترک یا هر دو؟

 به ترتیب رنگ‌های روی نوارها دقت کنید. موقعیت یک رنگ خاص روی نوارهای مختلف چگونه است؟ ترتیب جداسازی رنگ‌ها روی نوارهای مختلف یکسان است یا متفاوت؟

 نکته: اگر رنگ‌های مورد استفاده کمرنگ هستند، می‌توانید از تعداد بیشتری برگ استفاده کنید و یا خط پر رنگ‌تری روی نوار کاغذی رسم کنید.

آزمایش‌های تکمیلی:

 می‌توانید با همین روش مولکول‌های رنگی بسیاری از گیاهان را با هم مقایسه کنید. به عنوان مثال می‌توانید از کلم قرمز، هویج، چغندر، اسفناج، گل‌ها و سایر گیاهان رنگی استفاده کنید. ترکیب رنگی این گیاهان چه تفاوتی با هم دارد؟

 اگر درختی با برگ‌های متنوع از نظر رنگ در دسترس‌تان هست، می‌توانید رنگ‌های بیشتری از مراحل تغییر رنگ برگ‌ها را بررسی کنید.

مشاهده و نتیجه‌گیری:

آیا توانستید چند رنگ مختلف روی نوارهای کاغذی خود مشاهده کنید؟ آیا متوجه این موضوع شدید که برخی رنگ‌های تشکیل دهنده‌ی محلول‌ها کاملاً با هم متفاوت هستند؟

اگر چه به نظر می‌رسد برگ درختان یک رنگ دارند، در واقع رنگ آنها متشکل از ترکیبی از مولکول‌های رنگدانه است. در این فعالیت علمی، کروماتوگرافی کاغذی رنگدانه‌ها را با توجه به اندازه‌ی مولکول‌هایشان جدا می‌کند. در نتیجه روی یک نوار کاغذی رنگ‌های متفاوتی در موقعیت‌های گوناگون مشاهده می‌کنید. همچنین ترتیب رنگ‌ها روی نوارهای مربوط به محلول‌های مختلف باید تقریباً یکسان باشد.

اما نوارهای رنگی مختلف تشکیل شده روی کاغذها چیست؟ این نوارها در واقع رنگدانه‌های مختلف داخل برگ‌ها هستند. رنگدانه-هایی که احتمالاً روی نوارهای کاغذی خود مشاهده کرده‌اید کلروفیل سبز، Xanthophyll زرد، Caroteniod نارنجی و آنتوسیانین قرمز هستند. رنگدانه‌هایی که مولکول‌های بزرگتری دارند معمولاً در نزدیکی انتهای نوار قرار می‌گیرند، در جایی که خط رنگی از محلول روی کاغذ کشیده شده بود، زیرا حرکت این مولکول‌های بزرگتر در طول بافت کاغذ دشوارتر است. رنگدانه های کوچکتر می‌توانند آسان‌تر به سمت بالای نوار کاغذی حرکت کنند و در نتیجه بیشتر در قسمت‌های بالایی کاغذ دیده می شوند.

از آنجا که رنگ برگ وابسته به ترکیب رنگدانه‌های داخل آن است، برگ‌هایی با رنگ‌های مختلف نوارهای کاغذی خاص خود را ایجاد می‌کنند. برای مثال، برگ‌های خیلی سبز احتمالاً هیچ رنگ قرمزی (آنتوسیانین) در نوار کاغذی خود ندارند.

تمیز کردن:

از آنجا که برخی از رنگدانه‌های گیاهان ایجاد لک می‌کنند، دقت داشته باشید که محلول‌های رنگی‌تان در هنگام دور ریختن روی سطحی ایجاد لک نکنند.