Что дает зеленый цвет растениям

Что дает зеленый цвет растениям

Если посмотреть на нашу планету из космоса, вся ее поверхность будет окрашена в 2 основных цвета: синий и зеленый. Синий – это моря и океаны, т.е. вода. Зеленый – это леса, луга и поля на которых растут различнейшие растения и все они окрашены в зеленый цвет. Почему происходит так, почему большинство растений имеют именно зеленый цвет?

Ответ кроется в крохотных пигментах, которые в очень большом количестве содержатся во всех растениях. Этим пигментом является – хлорофилл – вещество, поглощающее солнечный свет и вырабатывающее органические питательные вещества для растений.

Фотосинтез

Роль хлорофилла трудно переоценить, так как именно он является основой в процессе фотосинтеза – наверное, важнейшего процесса на нашей планете. Во время фотосинтеза молекулы хлорофилла совершают настоящее чудо – преобразование неорганических веществ в органические. Под воздействием солнечного света в пигментах происходит сложная химическая реакция, в результате которой вода и неорганические вещества, получаемые из корней растения преобразуются в органические питательные вещества (сахар, крахмал, белки, жиры, углеводы). Но самым важным моментом в фотосинтезе является поглощение углекислого газа и выработка кислорода – жизненно необходимого вещества для подавляющего большинства живых существ на Земле.

Сам хлорофилл зеленого цвета, но растения выглядят зелеными не потому. Дело в том, что во время фотосинтеза пигменты хлорофилла поглощают свет только синего и красного спектров, в то время как зеленый отражается, вот поэтому мы и видим растения зелеными.

Долгое время ученые не могли понять почему растения не поглощают зеленый свет, ведь именно он находится в пике энергетического спектра солнечного света. Оказалось, что эффективность фотосинтеза зависит не столько от общего количества света, сколько от энергии отдельных его спектров и количества фотонов (мельчайшая частичка света) содержащихся в них. Так наибольшим количеством фотонов обладает свет красного спектра, а фотоны синего спектра – самые богатые полезной энергией. Фотоны же зеленого спектра не выделяются ни количеством, ни качеством поэтому природа и решила не использовать их, чтобы не тратить силы зря.

Почему не все растения окрашены в зеленый цвет?

Дело в том, что во всех растениях кроме хлорофилла содержится еще целый ряд различных пигментов, которые могут поглощать и отражать совсем другие цвета спектра нежели зеленый пигмент. Так к примеру, каротин поглощает отражает желто-красную часть спектра, из-за чего листья в которых содержаться меньше хлорофилла и больше каротина выглядят желтыми или красными. Антоциан наоборот активно поглощает зеленые лучи, а остальные отражает. Листья растений в которых преобладает антоциан (кротон, кордилина), могут быть окрашены во все цвета спектра кроме зеленого. Еще есть ксантозин, поглощающий все спектры за исключением желтого.

Года в три-четыре каждый ребёнок задаёт простой вопрос: «почему трава зелёная?» В ответ можно услышать всё, что угодно – от «не приставай, мне некогда» до научно-популярной версии о фотосинтезе и зелёном хлорофилле. Но разве это ответ? Можете ли вы объяснить себе, почему трава всё-таки зелёная – а не розовая, оранжевая или цвета индиго? Конечно, вы скажете: потому что в хлоропластах растений содержится хлор – а в кристаллической форме он зелёный. Неплохо. Ну а дальше-то что? Почему в ходе эволюции выбор пал на него, а не на периодический элемент иного цвета? Вот вам и задачка… Но в истории развития жизни на Земле не было случайностей.

Читайте также:  Карандаши для черчения профессиональные

Доступным языком – о физике

Даже самые далёкие от точных наук люди знают, что жизнь на планете обязана своим существованием солнечным лучам. Глубоко в недрах нашей звезды происходят ядерные реакции синтеза гелия из водорода. В результате распада высвобождаются фотоны (кванты света). Они проявляют свойства волн и частиц одновременно: эти электромагнитные импульсы излучаются «порциями», однако не имеют ни массы, ни заряда. Их роль в нашей жизни куда важнее: они обеспечивают взаимодействие между электрическими зарядами элементарных частиц, составляющих атомы, затем молекулы и, наконец, клетки живого организма.

Фотоны могут жить только в движении со скоростью света в вакууме. Рождаясь в солнечном ядре, они сперва несут в себе колоссальный импульс. Но чтобы сквозь солнечную мантию пробиться к поверхности звезды, эти частицы тратят почти миллион лет! Поэтому не смотря на то, что с этого момента свет преодолевает расстояние до Земли всего за 8,3 минуты, мы наслаждаемся тёплыми лучами, котрые ждали встречи с нами ещё в середины Плейстоцена.

Так вот: в целом импульс фотонов капитально уменьшается ещё до прощания с родной звездой, а при прохождении земной атмосферы кванты света уже ожидают новые препятствия. В озоновом слое фотоны сталкиваются с молекулами, из-за чего изменяются импульс и длина волн – то есть, свет разделяется на спектр (дисперсия). Самые опасные для земных обитателей длины волн озоновый слой не пропускает – включая большую часть ультрафиолета. Поэтому мы различаем цвета радуги начиная от фиолетового и заканчивая красным. Иинфракрасную длину волны мы всё ещё ощущаем как тепло, а слабое микроволновое и другие излучения нас и вовсе не беспокоят.

Каждому из видимых цветов соответствует длина волны света, которую отражают материальные объекты (все остальные им поглощаются). Казалось бы, ничего загадочного: растения используют хлорофилл, который поглощает все цвета кроме зелёного. Но всё наоборот: сначала растения сознательно выбрали цвет, а потом подобрали к нему нужный «наполнитель». Здесь нам придётся обратиться к богатому опыту агрономов и ботаников. Многочисленные опыты и исследования раскрывают некоторые секреты растений, о которых почему-то не рассказывают в школе на уроках биологии.

Фотоны и растения

Вообще для фотосинтеза подходят волны любой длины, включая невидимые нашему глазу. Современные растения приспособились использовать излучение в диапазоне от 400 (фиолетовый) до 700 нм (красный). Причём для нормального функционирования растений (рост, цветение, плодоношение, запасание полезных веществ) необходимо присутствие в спектре всех этих цветов в определённых пропорциях. Это объясняется тем, что некоторые химические реакции могут начаться при облучении вещества светом низкой или средней частоты (тёплые цвета радуги), а другим для инициирования реакции требуется свет с частотой выше определённого порогового значения (холодные цвета).

Читайте также:  Гостиная в детском саду

Если зелёный свет может передать достаточно большие импульсы – какой же смысл растениям от него отказываться? Однако факт есть факт: 80-90% энергии растения вырабатывают за счёт поглощения синих и красных фотонов. Синие при этом более интенсивные, зато красных – подавляющее большинство. Остальные 10-20% приходятся на другие цвета, а сам зелёный в качестве «основного наряда» был выбран, очевидно, за свою высокую проникающую способность: в то время как синий и красный почти полностью поглощаются верхними ярусами листьев, зелёный способен проникать сквозь них и «вдыхать жизнь» в нижние ярусы, какими бы густыми они ни были. Это значит, что первые водоросли, которые только выбирались на сушу, уже планировали своё дальнейшее завоевание континентов и превращение в многоярусные леса – от мхов и трав до кустарников и деревьев.

Где же гарантия, что растения просто отражают или пропускают сквозь себя большую часть зелёного света? – Её и не будет, ведь и это не совсем правда. Это всё человеческое зрение, которое нельзя назвать самым надёжным (в сравнении с некоторыми животными), даёт нам «зелёную картинку». Этот цвет мы видим однородным из-за несовершенства своего зрительного анализатора. На самом же деле это наложение световых волн разной длины – преимущественно жёлтых и синих. А как же иначе? Часть цветных пигментов (каротин, антохлор, ксантофилл) специализируются на поглощении синих фотонов, отражая преломлённые лучи в красновато-жёлтом «формате». Другие пигменты (хлорофил и антоцианы) поглощают красноватые фотоны, отражая лучи приблизительно цвета морской волны. Накладываясь, они образуют изумрудный (по крайней мере, так его видят люди).

По мере сокращения светового дня и изменения угла освещённости (что влияет на преломление света ещё в слоях атмосферы), фотонов с большой частотой (и маленькой длиной волны) становится всё меньше. Некоторое время растения пытаются приспособиться к этому и переключают внимание исключительно на сбор «высококалорийных» порций света. Поглощая синие и зелёные фотоны, листья растений начинают отражать соответственно жёлтый или красный цвета. Когда синих фотонов становится критически мало, растения сбрасывают листву.

Какими могут быть растения с других планет?

Как вы догадываетесь, всё зависит от особенностей светового спектра, который формируется во время прохождения атмосферы или жидкой среды. Если кислорода и озонового слоя на планете нет, то от жгучего ультрафиолета растения может спасти только толща воды – они, очевидно, будут поглощать максимум инфракрасного излучения, а сами приобретут тёмно-красный цвет (на нашей планете так поступает пурпурная аноксигенная бактерия). Обитаемый спутник яркой звезды класса F должен получать очень много света, поэтому растения на нём отражали бы синий цвет – во избежание перегрева. А планета, освещаемая тусклой звездой класса М («красный карлик»), должна испытывать дефицит света – и, чтобы максимально использовать его, растения наверняка сделают выбор в пользу чёрной окраски. Да вы представьте только себе эти три фиолетовых глаза, полных надежды: «Мама-мама, а почему трава чёрная?»

Читайте также:  Можно ли оставлять гнилые яблоки под яблоней

Высшие растения и зелёные водоросли содержат Х. а и в, бурые и диатомовые водоросли — а и с, красные водоросли — Х. а и d. В фотосинтезирующих бактериях присутствуют близкие аналоги Х. — бактериохлорофиллы. По своему строению Х. близок к др. природным комплексам порфиринов (с железом) — дыхательным пигментам — цитохромам, красящему веществу крови — гему, а также простетическим группам некоторых ферментов — пероксидазы, каталазы.

Название «Х. » было дано французскими химиками П. Пельтье и Ж. Каванту зелёному спиртовому раствору смеси растительных пигментов в 1817. Впервые Х. а и в разделил в начале 20 в. рус. учёный М. С. Цвет с помощью разработанного им хроматографического метода. Химическую структуру Х. выяснили немецкие учёные Р. Вильштеттер, А. Штоль (1913), Х. Фишер (1930—40). Полный синтез Х. осуществил американский химик Р. Вудворд. Роль Х. в фотосинтезе доказана классическими работами К. А. Тимирязева. Пути биосинтеза Х. выяснены в трудах американских учёных Д. Шемина, С. Граника и др. ; большой вклад в изучение Х. внесли советские учёные Т. Н. Годнев и А. А. Шлык.

Основной путь биосинтеза Х. определяется конденсацией двух молекул d-аминолевулиновой кислоты с образованием порфобилиногена — производного пиррола, который в результате ряда ферментативных превращений даёт соединение, содержащее порфириновое ядро — протопорфирин IX. Из протопорфирина образуется непосредственный предшественник Х. — протохлорофиллид, уже содержащий атом магния. Путём последующих реакций восстановления и присоединения фитола из этого предшественника образуется Х. Стадия восстановления протохлорофиллида осуществляется у высших растений на свету, у низших растений — в темноте.

В хлоропластах и хроматофорах большая часть Х. (содержание его обычно составляет 0,5—1,5% на сухую массу) находится в виде светособирающей «антенны» и меньшая часть — в реакционных центрах, непосредственно участвующих в работе цепи фотосинтетического переноса электрона. Поглощая квант света, молекула Х. переходит в возбуждённое состояние (длительность жизни синглетного возбуждённого состояния около 10-9 сек) , которое может переходить в долгоживущее триплетное возбуждённое состояние с длительностью жизни до 10-3 сек. Возбуждённые светом молекулы Х. способны переносить электрон от молекулы-донора к молекуле-акцептору. Механизм этих реакций в модельных системах выяснен в работах советских учёных А. А. Красновского, В. Б. Евстигнеева и др. Способность возбуждённого Х. к переносу электрона обеспечивает функционирование реакционных центров фотосистем цепи фотосинтетического переноса электрона. Применение спектральной техники и низких температур показало, что в первичном фотоакте бактериохлорофилл, а возможно, и Х. активного центра отдают свой электрон молекуле-акцептору (убихинон, ферредоксин) . Этот первичный фотопроцесс сопряжён с цепью энзиматических реакций, ведущих к образованию восстановленных пиридиннуклеотидов и аденозинтрифосфата, обеспечивающих работу углеродного цикла. Т. о. , свет, поглощённый Х. , преобразуется в потенциальную химическую энергию органических продуктов фотосинтеза и молекулярного кислорода. Свет, поглощаемый Х. , вызывает в клетках также др. фотобиологические явления: индуцирует генерацию электрического потенциала на мембранах хлоропластов, влияет на движение одноклеточных организмов (фототаксис) и т. д.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector