Влияния температурновлажностных метеорологических условий на качественный и количественный состав эфирных масел полыней Якутии Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 57.045, 577.19

ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ЭФИРНЫХ МАСЕЛ ПОЛЫНЕЙ ЯКУТИИ

© Б.М. Кершенгольц1, В.В. Аньшакова2, Г.В. Филиппова1, Е.Б. Кершенгольц1

1 Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН, пр. Ленина, 41,

Якутск, 677010 (Россия) E-mail: [email protected]

2Якутский государственный университет им. М. К. Аммосова, ул. Белинского,

58, Якутск, 677000 (Россия) E-mail: [email protected]

В работе представлены количественные зависимости содержания и структурного разнообразия биологически активных веществ в надземных органах трех видов полыни Якутии как от степени экстремальности экологических условий их произрастания, так и от их видовой специфичности.

Ключевые слова: биологически активные вещества, адаптационный потенциал, видоспецифичность полыни Якутии, экстремальные метеорологические условия произрастания, самоорганизация.

Введение

Установлено, что содержание и структурное разнообразие биологически-активных веществ (БАВ) в тканях растений и животных и, соответственно, их биологическая активность зависят от степени экстремальности экологических условий произрастания/обитания [1-5]. Вместе с тем остаются недостаточно изученными вопросы количественных закономерностей этих явлений, их видовая специфичность, а главное - экологобиологическая роль в процессах адаптации (в сохранении жизнеспособности) организмов к экстремальным условиям среды. Немаловажным является тот факт, что повышение устойчивости носит неспецифический характер в силу общности основных физиолого-биохимических механизмов адаптации к действию различных по природе стресс-факторов, т.е., развиваясь в ответ на действие одного экстремального фактора (например климатического), такая адаптация приводит к повышению устойчивости данного организма и к действию других экстремальных факторов (например радиационного или химиотоксического).

Мы изучили это явление на примере изменений состава фракции эфирных масел трех видов полыней, произрастающих в условиях Центральной Якутии, в зависимости от погодных условий вегетационного периода в 1997-1999 и 2001-2008 гг. Результаты за 1997-2005 гг. опубликованы в работах [6, 7].

Экспериментальная часть

Объекты исследования. Полынь эстрагон (Artemisia dracunculus L., сем. Asteraceae) встречается по всем районам Центральной и Южной Сибири, но преимущественно по степным. В Якутии произрастает в Центрально-Якутском, Верхне-Ленском, Оленекском, Яно-Индигирском, Арктическом районах [2, 8]. Цветет в июле-августе. Многолетнее эфироносное, ароматически пищевое, лекарственное растение. Эфирное масло светло-зеленого цвета с острым, приятным запахом содержит до 65% сабинена, 10% мирцена и другие вещества. В народной медицине настой травы применяют как противоцинготное средство и при водянке в качестве мочегонного средства, а также регулирующего пищеварение.

Полынь обыкновенная, чернобыльник (Artemisia vulgaris L., сем. Asteraceae) растет как полусорное на залежах, у дорог, по пустырям, берегам рек, на лесных полянах. Цветет с июля по сентябрь. В траве полыни обыкновенной содержится до 0,61% эфирного масла, в листьях - до 12 мг% каротина, 175 мг% аскорбино-

вой кислоты. В растении также найдены дубильные вещества, смолы. В траве полыни найден кумарин ско-порон (0,25%), изокумарин капиллярин, смолы, дубильные вещества и эфирное масло (0,7-1,0%), в состав которого входят терпены: а- и ß-пинен, мирцен и др. Растение широко применяется в народной медицине многих стран в качестве успокаивающего, противосудорожного средства, а также при заболеваниях органов пищеварения, верхних дыхательных путей и сахарном диабете.

Полынь якутская (Artemisia jacutica Drob., сем. Asteraceae) распространена в Центрально-Якутском, Яно-Индигирском, Арктическом районах. Встречается на солончаках, солонцах и остепненных лугах, на вершинах и склонах увалов, как сорное растение близ жилья. Многолетнее растение с деревянистым корнем. Имеет сильно выраженный полынный запах. Цветение наступает поздно - в первых числах августа. Проведенные исследования показали наличие в полыни якутской эфирного масла (до 6%), дубильных веществ, флавонои-дов, органических кислот, каротина и др. Содержание каротина в листьях полыни якутской в период вегетации составляет, по данным А. Д. Егорова до 31 мг%. Широко применяется в народной медицине саха для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, при глистных инвазиях у крупного рогатого скота и лошадей и т.д.

Методы исследования. Сущность метода заключается в перегонке из растительного сырья с водяным паром эфирного масла и последующем измерении его объема, выраженного в процентах по отношению к абсолютно сухому сырью [9]. Проводили определение содержания эфирного масла методом Клевенджера с использованием стандартного прибора.

Для анализа эфирных масел полыни был применен метод хромато-масс-спектрометрии [10]. Использовали хромато-масс-спектрометр фирмы Perkin Elmer (США), включающий газовый хроматограф Autosystem XL и масс-спектрометр Q-mass 910. Капиллярная хроматографическая колонка диаметром 0,25 мм, длиной 90 м, импрегнированная фазой РЕ-5. Способ ионизации - электронный удар. Диапазон температур в термостате 40-280 °С с подъемом температуры 8 °С/мин. Температура испарителя 300 °С. Точность установки температуры в термостате - 0,1 °С. Газ-носитель - гелий; скорость подачи - 3 мл/мин. Масс-спектры каждого хроматографического пика получены при энергии электронного удара 70 эВ, температуре ионизационной камеры 300°С, времени развертки спектра 0,5 с.

Обсуждение результатов

Обобщенные результаты по группам БАВ во фракции эфирных масел трех видов полыней представлены в таблице 1.

В целях количественной оценки температурно-влажностных погодных условий произрастания использовали гидротермический коэффициент экстремальности кэкстр, равный отношению средней температуры июля к количеству осадков (мм) в этот период вегетации растений.

Данные хромато-масс-спектрометрического анализа показали, что, как по общему содержанию БАВ во фракции эфирных масел, так и по структурному разнообразию, исследованные три вида полыней сохранили свою видоспецифичность за все годы наблюдений. Видоспецифичность состава БАВ фракций эфирных масел семи видов полыней можно увидеть и на Юго-Востоке Сибири (табл. 2).

Вместе с тем в рамках видоспецифичных пределов прослеживается прямая зависимость между общим содержанием БАВ (рис. 1), особенно их структурным разнообразием (рис. 2), и степенью экстремальности температурно-влажностных погодных условий в диапазоне величин кэкстр от 0,2 до 1,4. Особого внимания заслуживает тот факт, что среди девяти групп БАВ, обнаруженных во фракции эфирных масел, можно выделить такие, которые присутствуют хотя и видоспецифично, но почти во все годы исследования, независимо от величины кэкстр погодных условий. Например, для полыни чернобыльник это только производные камфоры. Для полыни эстрагон - производные бициклических непредельных и ароматических соединений, непредельные алифатические углеводороды и продукты их окисления. Производные пинена, моноцикличе-ских непредельных и ароматических соединений присутствуют во фракции эфирных масел полыни эстрагон во все годы, кроме наиболее экстремального 2001 г. Для полыни якутской - производные камфоры, пинена, феландрена, бициклических непредельных и ароматических соединений, а также азулены и другие поли-макроциклические соединения.

Таблица 1. Биохимический состав эфирных масел трех видов полыни, произрастающей в Центральной Якутии, в зависимости от экстремальности погодных условий произрастания (содержание мг/г / количество фракций)

Группы веществ Полынь чернобыльник

1997 1998 1999 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Производные 4,00 1,32 3,80 0,55 1,20 3,60 1,32 3,70 1,30 3,70 1,18

камфоры 2 4 1 3 1 1 2 1 2 1 1

Производные 0/0 0,50 0/0 3,78 0,63 0/0 0,42 0/0 0,49 0/0 0,52

пинена 4 5 1 2 3 1

Производные 0/0 1,63 0/0 1,38 0,75 0/0 1,30 0/0 1,30 0/0 0,70

феландрена 9 7 1 2 2 1

Непредельные алифатические 0/0 1,07 0/0 0,39 0/0 0/0 0,61 0/0 0,66 0/0 0/0

углеводороды и продукты их 6 8 2 4

окисления

Производные моноцикличе- 0/0 0/0 0/0 0,09 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0

ских непредельных и арома- 2

тических соединений

Дииновые 0/0 0/0 0/0 0,06 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0

соединения 1

Производные бициклических 0/0 0,30 0/0 0,93 0,52 0/0 0,23 0/0 0,25 0/0 0,57

непредельных и ароматиче- 4 2 1 2 2 1

ских соединений

Азулены и другие полимак- 0/0 0,98 0/0 0,31 1,00 0/0 0,62 0/0 0,60 0/0 1,03

роциклические углеводоро- 8 3 2 3 3 1

ды, спирты и кетоны

Прочие 0,51

14

ВСЕГО: 4,00 5,80 3,80 8,00 4,10 3,60 4,50 3,70 4,60 3,70 4,00

2 35 1 45 6 1 13 1 16 1 5

Кэкстрем 0,37 1,36 0,32 5,75 0,44 0,21 0,62 0,27 0,69 0,27 0,41

Полынь эстрагон

Производные 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0

камфоры

Производные 2,90 1,43 3,10 0/0 3,90 3,10 3,60 3,20 3,60 3,13 3,85

пинена 1 3 1 2 1 3 1 3 1 2

Производные 0/0 6,91 0/0 0,10 0/0 0/0 0/0 0/0 0,90 0/0 0/0

феландрена 6 1 1

Непредельные алифатические 0,84 0,57 0,90 2,04 0,71 0,87 0,94 0,90 0,94 0,87 0,80

углеводороды и продукты их 1 1 1 4 1 1 1 1 1 1 1

окисления

Производные моноцикличе- 28,35 10,67 27,92 0/0 26,0 25,8 28,05 26,1 28,3 26,0 27,0

ских непредельных и арома- 3 5 2 3 1 3 2 3 1 3

тических соединений

Дииновые 2,19 2,50 0/0 0,81 2,31 0/0 2,19 0/0 2,19 0/0 2,20

соединения 1 2 2 1 2 2 1

Производные бициклических 5,72 36,92 6,08 23,35 8,08 6,73 10,72 6,80 10,87 6,80 8,15

непредельных и ароматиче- 1 4 1 1 1 1 3 1 3 1 1

ских соединений

Азулены и другие полимак- 0/0 3,00 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0,20 0/0 0/0

роциклические углеводоро- 4 1

ды, спирты и кетоны

Прочие 0,70 4 0/0

ВСЕГо: 40,00 62,00 38,00 27,00 41,0 36,5 45,5 37,0 47,0 36,8 42,0

7 25 5 12 8 4 12 5 14 4 8

Кэкстрем 0,37 1,36 0,32 5,75 0,44 0,21 0,62 0,27 0,69 0,27 0,41

Продолжение таблицы 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Полынь якутская

Производные 6,85 5,29 6,40 2,33 6,85 6,40 7,00 6,50 7,20 6,40 7,17

камфоры 2 1 1 1 2 1 2 1 2 1 2

Производные 1,70 3,57 1,60 0,14 2,60 1,40 2,60 1,60 2,90 1,50 2,63

пинена 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Производные 7,70 8,30 7,89 0,77 7,70 6,09 7,70 7,00 7,80 6,70 7,50

феландрена 3 5 3 1 3 2 3 3 4 3 3

Непредельные алифатические углеводороды и продукты их окисления 0,12 1 2,87 5 0/0 5,30 6 0,82 1 0/0 1,47 1 0/0 1,87 1 0/0 0,70 1

Производные моноцикличе-ских непредельных и ароматических соединений 0/0 0,04 1 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 01 1 0/0 0/0

Дииновые соединения 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0 0/0

Производные бициклических 6,26 7,87 5,09 0,18 6,66 4,89 7,36 5,00 7,43 4,70 6,00

непредельных и ароматических соединений 1 5 1 1 2 1 3 1 3 1 1

Азулены и другие полимак- 5,27 30,06 4,97 19,7 5,37 4,72 8,87 4,90 10,70 4,70 5,00

роциклические углеводороды, спирты и кетоны Прочие 3 5 3 5 0,58 11 3 3 4 3 4 2 3

ВСЕГо: 27,90 58,0 26,0 29,0 30,0 23,5 35,0 25,0 38,0 24,0 29,0

11 24 9 26 12 8 14 9 16 8 11

Кэкстрем 0,37 1,36 0,32 5,75 0,44 0,21 0,62 0,27 0,69 0,27 0,41

Таблица 2. Состав фракции эфирных масел в тканях разных видов полыни на Юго-Востоке Сибири (составлено нами по материалам [2])

Вещество Вид полыни

горькая эстрагон холодная Гмелина метельчатая Сиверса чернобыльник

1 2 3 4 5 6 7 8

Туйиловый спирт + +

Туйон + + +

Пинен + 30%-Р-пинен, 4%-а-пинен а-пинен

Кадинен +

Фелландрен +

Хамазулоген +

Бисаболол +

Уксусный эфир туйилового +

спирта

Изовалерьяновый эфир туй- +

илового спирта

Пальметиновый эфир туй- +

илового спирта

Сабинен до 65%

Мирцен до 10% 10% +

1-фенхон 8-10%

Цинеол 18-20%

Борнеол 43% +

Азулен (Хамазулен, Проха- + +

мазулоген)

Изовалерьяновая кислота +

Флавоноиды +

Сесквитерпеновые лактоны +

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 б 7 8

Кумарин (Скополетин) +

Кумарин (Умбеллиферон) +

органические кислоты +

п-Масляный альдегид +

Метилгептен +

Камфен

Кумарин (Скопарон) +

Пинеол +

Абсинтин, Анабсинтин + +

Артабсинтин, Артабсин + +

Аскорбиновая кислота + + +

Дигидроматрикариевый +

эфир

Общее содержание до 2% До 0.8% 0.12-0.6% 0.22-0.56% до 1% 0.22-0.4% до 0.61%

Общее количество до 11 3-4 4-5 7-8 8-9 до 8 3-6

фракций

Рис. 1. Зависимость структурного разнообразия в надземных органах полыни от экстремальности метеорологических условий произрастания (температурно-влажностного коэффициента 1 °С/влажность) в летние сезоны 1997-2008 гг.

Рис. 2. Зависимость содержания эфирных масел в надземных органах полыни от экстремальности метеорологических условий произрастания (температурно-влажностного коэффициента 1 °С/влажность) в летние сезоны 1997-2008 гг

С другой стороны, это фракции БАВ, которые появляются только при высоких значениях кэксгр погодных условий (выше 0,4^0,5). Для полыни чернобыльник это производные пинена, феландрена, бициклических непредельных и ароматических соединений, азулены и другие полимакроциклические соединения (при кэкстр>0,5), непредельные алифатические углеводороды и продукты их окисления (при кэкстр>0,6), производные моноциклических непредельных и ароматических соединений, дииновые и другие органические соединения (при кэкстр>5). Для полыни эстрагон - дииновые соединения (при кэкстр>0,4), производные феландрена (при кэкстр> 1,3), азулены (при 5>кэкстр>1) и прочие органические соединения (при кэкстр>5). Для полыни якутской - непредельные алифатические углеводороды и продукты их окисления (при кэкстр>0,4), производные моноциклических непредельных и ароматических соединений (при 5>кэкстр>1) и прочие органические соединения (при кэкстр>5). Причем первые из них составляют, как правило, значительную массовую долю всех БАВ, а структурное разнообразие особенно вторых резко возрастает при повышении кэкстр погодных условий. Эти факты можно интерпретировать с позиций механизма сохранения способности организмов растений к самоорганизации (к адаптации и сохранению жизнеспособности) даже в условиях выраженной экстремальности среды. Как известно из теории самоорганизации систем [11, 12], для сохранения способности систем к самоорганизации в изменяющихся условиях среды в них должно возникать в особые периоды вре-

мени («периоды с обострением» [13]) состояние «динамического хаоса», благодаря которому и становится возможным формирование при изменении условий среды новых адаптивных (диссипативных) состояний системы. По-видимому, вторая группа БАВ во фракции эфирных масел полыней, наиболее гетерогенная по структуре, хотя и незначительная по общему количеству («минорная группа БАВ»), как раз и выполняет эту функцию формирования «динамического хаоса», обеспечивающего адаптацию организмов при резком увеличении степени экстремальности (неадекватности) среды. По-видимому, именно по этой причине увеличение структурного разнообразия БАВ повышает общую устойчивость, обеспечивает выживание растений в условиях дефицита влаги. Причем сама величина интервала кэкстр, в котором сохраняется пропорциональность со структурным разнообразием БАВ вторичного происхождения, отражает, вероятно, величину адаптивного потенциала растений данного вида. При более высоких значениях эти характеристики либо перестают расти (у полыни чернобыльника), либо снижаются (у полыни якутской, особенно у полыни эстрагон), что, вероятно, указывает на снижение их адаптивного потенциала (см. рис. 1 и 2).

Выводы

1. Определены видоспецифичные группы БАВ во фракции эфирных масел Artemisia jacutica Drob., Artemisia vulgaris L., Artemisia dracunculus L., произрастающих в Центральной Якутии, которые присутствуют почти во все годы исследования, независимо от величины кэкстр погодных условий.

2. Установлено, что существует прямая зависимость между общим содержанием БАВ во фракции эфирных масел полыни, их структурным разнообразием и степенью экстремальности температурно-влажностных погодных условий в диапазоне величин кэкстр от 0,2 до 1,4.

3. Выявлены видоспецифичные группы БАВ во фракции эфирных масел Artemisia jacutica Drob., Artemisia vulgaris L., Artemisia dracunculus L., произрастающих в Центральной Якутии, которые появляются только при высоких значениях кэкстр погодных условий (выше 0,4^0,5), при этом их структурное разнообразие резко возрастает при повышении кэкстр.

Список литературы

1. Голдовский А.М. Закон множественности представителей отдельных групп веществ в растительном организме // Успехи современной биологии. 1941. Т. 14. Вып. 1. С. 140-146.

2. Телятьев В.В. Полезные растения Центральной Сибири. Иркутск, 1987. 400 с.

3. Брехман И.И., Нестеренко И.Ф. Природные комплексы биологически активных веществ: сахар и здоровье че-

ловека. Л., 1988. 93 с.

4. Алексеев В.Г. Устойчивость растений в условиях Севера: эколого-биохимические аспекты. Новосибирск, 1994. 152 с.

5. Макаров А. А. Биологически активные вещества в растениях Якутии. Якутск, 1989. 156 с.

6. Филиппова Г.В., Кершенгольц Б.М., Иванова И.К., Журавская А.Н., Каширцев В.А. Изменения качественного

и количественного состава эфирных масел полыней Якутии в зависимости от экстремальности погодных условий // Наука и образование. 2002. №1. С. 45-49.

7. Кершенгольц Е.Б. Экологические особенности состава биологически активных веществ растений и животных Якутии, их свойства и применение: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Якутск, 2005. 19 с.

8. Андреев В.Н., Галактионова Т.Ф. и др. Определитель высших растений Якутии. Новосибирск, 1974. 544 с.

9. Асатиани В.С. Ферментные методы анализа. М., 1969. 740 с.

10. Чалая О.Н., Каширцев В.А. Основы хроматографии: учебное пособие. Якутск, 1997. 155 с.

11. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой М., 2003. 288 с.

12. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. Динамическая теория информации: изд. 2-е, испр. и доп. М.,

2004. 288 с.

13. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Основания синергетики. Режимы с обострением, самоорганизация, темпомиры. СПб., 2002. 414 с.

Поступило в редакцию 11 июня 2009 г.