Informacija

Zašto biljke imaju zeleno lišće, a ne crveno?

Zašto biljke imaju zeleno lišće, a ne crveno?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Znam da su biljke zelene zbog klorofila.

Zasigurno bi bilo korisnije da biljke budu crvene nego zelene jer zelenom reflektiraju zeleno svjetlo i ne upijaju ga iako zeleno svjetlo ima više energije od crvenog.

Ne postoji li alternativa klorofilu? Ili je u pitanju nešto drugo?


Sigurno bi bilo još korisnije da biljke budu crne umjesto crvene ili zelene, sa stajališta apsorpcije energije. A solarne ćelije su doista prilično tamne.

Ali, kao što je Rory naznačio, fotoni veće energije proizvodit će samo toplinu. To je zato što kemijske reakcije koje pokreće fotosinteza zahtijevaju samo određenu količinu energije, a bilo koja prekomjerna količina koju isporučuju fotoni više energije ne može se jednostavno iskoristiti za drugu reakciju1 ali će dati toplinu. Ne znam koliko problema to zapravo uzrokuje, ali postoji još jedna stvar:

Kao što je objašnjeno, ono što određuje učinkovitost pretvorbe sunčeve energije nije energija po fotonu, već količina dostupnih fotona. Stoga biste trebali pogledati spektar sunčeve svjetlosti:

Ozračenost je gustoća energije, ali nas zanima gustoća fotona, tako da ovu krivulju morate podijeliti s energijom po fotonu, što znači pomnožiti je s λ/(hc) (to jest, veće valne duljine trebaju više fotona da postignu isto Ozračenost). Ako usporedite tu krivulju integriranu preko fotona visoke energije (recimo, λ < 580 nm) s integracijom preko fotona niske energije, primijetit ćete da unatoč atmosferskim gubicima (crvena krivulja je ono što je ostalo od sunčeve svjetlosti na razina mora) ima puno više "crvenih" fotona nego "zelenih", tako da bi lišće crvenilo potrošilo mnogo potencijalno pretvorene energije2.

Naravno, to još uvijek nije objašnjenje zašto listovi nisu jednostavno crni – apsorbirati svu svjetlost zasigurno je još učinkovitije, zar ne? Ne znam dovoljno o organskoj kemiji, ali pretpostavljam da ne postoje organske tvari s tako širokim spektrom apsorpcije i dodavanje druge vrste pigmenta se možda neće isplatiti.3

1) Teoretski to je moguće, ali to je vrlo nelinearan proces i stoga je malo vjerojatno da će biti od stvarne upotrebe (barem u biljnom mediju)
2) Budući da voda apsorbira crvenu svjetlost jače od zelene i plave svjetlosti, dubokomorskim biljkama doista je bolje da budu crvene, kao što je spomenula Marta Cz-C.
3 I druge alternative, poput poluvodiča koji se koriste u solarnim ćelijama, malo je vjerojatno da će se naći u biljkama...

Dodatna literatura, koju je predložio Dave Jarvis:


Vjerujem da je to zbog kompromisa između apsorbiranja širokog raspona fotona i neupijanja previše topline. Sigurno je to razlog zašto listovi nisu crni - enzimi u fotosintezi kako stoje bili bi denaturirani suvišnom toplinom koja bi se dobila.

Ovo može donekle pomoći u objašnjavanju zašto se zelena reflektira, a ne crvena, kao što ste sugerirali - reflektiranjem više energetske boje smanjuje se količina toplinske energije koju dobivaju lišće.


Ovdje je prilično zabavan članak koji govori o bojama hipotetskih biljaka na planetima oko drugih zvijezda.

Zvijezde su klasificirane prema njihovom spektralnom tipu koji je diktiran temperaturom njihove površine. Sunce je relativno vruće, a njegova spektralna raspodjela energije dostiže vrhunce u zelenom području spektra. Međutim, većina zvijezda u Galaksiji su zvijezde tipa K i M koje emitiraju uglavnom u crvenoj i infracrvenoj boji.

Ovo je relevantno za ovu raspravu jer bi se bilo kakva fotosinteza na ovim svjetovima morala prilagoditi ovim valnim duljinama svjetlosti kako bi se nastavila. Na planetima oko hladnih zvijezda biljni život (ili njegov ekvivalent) mogao bi biti crn!

OK, ovo nije potpuno smeće astrobiologa. To je zapravo prilično relevantno za potragu za biosignaturama i životom na drugim planetima. Kako bismo modelirali spektar refleksije planeta koje promatramo (tj. svjetlost reflektirana od primarne zvijezde) moramo pokušati uzeti u obzir svaku potencijalnu vegetaciju.

Na primjer, ako uzmemo refleksijski spektar Zemlje, vidimo karakterističan vrh u crvenom "crvenom rubu" koji je posljedica površinskog biljnog svijeta.

NASA također ima kratku stranicu o tome ovdje.


Ovdje su u igri dva faktora. Prvo je ravnoteža između količine energije koju biljka može prikupiti i koliko može iskoristiti. Nije problem prevelike topline, već previše elektrona. Da je u pitanju vrućina, brojnim cvjetovima odabranim zbog svoje crne pigmentacije latice bi se iskuhale. ;)

Ako biljka nema dovoljno vode, previše joj je hladno, prevruće je, skuplja previše svjetla ili ima neko drugo stanje koje sprječava pravilno funkcioniranje lanca prijenosa elektrona, elektroni se gomilaju u procesu koji se naziva fotoinhibicija.

Ti se elektroni zatim prenose na molekule na koje se ne bi trebali prenositi, stvarajući slobodne radikale, izazivajući pustoš u stanicama biljke. Na sreću, biljke proizvode druge spojeve koji sprječavaju neke od oštećenja apsorbirajući i prolazeći oko elektrona poput vrućeg krumpira. Ovi antioksidansi su nam također korisni kada ih jedemo.

To objašnjava zašto biljke prikupljaju količinu svjetlosne energije koju čine, ali ne objašnjava zašto su zelene, a ne sive ili tamnocrvene. Sigurno postoje i drugi pigmenti koji bi mogli generirati elektrone za lanac prijenosa elektrona.

Odgovor na to je isti kao zašto se ATP koristi kao glavna molekula prijenosa energije u organizmima, a ne GTP ili nešto drugo.

Klorofil a i b bile su samo prve stvari koje su se pojavile i koje su ispunile zahtjev. Svakako je neki drugi pigment mogao prikupiti energiju, ali to područje parametarskog prostora nikada nije trebalo istraživati.


Znam da je ovo pitanje postavljeno i odgovoreno prije nekoliko godina (s mnogima Sjajno odgovore), ali nisam mogao ne primijetiti da se ovome nitko nije obratio iz jednog evolucijski perspektiva (kao odgovor na ovo pitanje)...

Kratak odgovor

Pigmenti se pojavljuju kao boja koja se ne apsorbira (tj. izgledaju kao valne duljine svjetlosti koje reflektiraju).

Plava svjetlost bila je najdostupnija valna duljina svjetlosti za rane biljke koje rastu pod vodom, što je vjerojatno dovelo do početnog razvoja/evolucije fotositema posredovanih klorofilom koji se još uvijek mogu vidjeti u modernim biljkama. Plavo svjetlo je najdostupnije, najvisokoenergetsko svjetlo koje i dalje dopire do biljaka, pa stoga biljke nemaju razloga ne i dalje iskorištavati ovo obilno svjetlo visoke energije za fotosintezu.

Različiti pigmenti apsorbiraju različite valne duljine svjetlosti, tako da bi biljke idealno uključile pigmente koji mogu apsorbirati najdostupniju svjetlost. To je slučaj kao i klorofil a i b apsorbiraju prvenstveno plavo svjetlo. Apsorpcija crvenog svjetla vjerojatno je evoluirala nakon što su biljke krenule na kopno zbog povećanog obilja (u usporedbi s podvodnim) i veće učinkovitosti u fotosintezi.


Dugi odgovor

Rane biljke razvijaju moderni foto-sustav

Ispostavilo se, baš kao i varijabilnost u propuštanju različitih valnih duljina svjetlosti kroz atmosferu, određene valne duljine svjetlosti su sposobnije prodrijeti u dublje dubine vode. Plava svjetlost obično putuje u dublje dubine od svih drugih vidljivih valnih duljina svjetlosti. Stoga bi najranije biljke evoluirale da bi se koncentrirale na apsorpciju ovog dijela EM spektra.

Međutim, primijetit ćete da zeleno svjetlo prodire i relativno duboko. Sadašnje shvaćanje je da su najraniji fotosintetski organizmi bile vodene arheje i (na temelju modernih primjera ovih drevnih organizama) te su arheje koristile bakteriorhopsin da apsorbiraju većinu zelenog svjetla.

Rane biljke rasle su ispod ovih ljubičastih bakterija koje proizvode bakteriorhopsin i morale su koristiti bilo koju svjetlost koju su mogle dobiti. Kao rezultat toga, u biljkama se razvio sustav klorofila kako bi koristio svjetlo koje im je dostupno. Drugim riječima, na temelju dublje penetracijske sposobnosti plave/zelene svjetlosti i gubitka dostupnosti zelenog svjetla za pelagične bakterije iznad, biljke su razvile fotosustav za apsorpciju prvenstveno u plavom spektru jer im je to svjetlo bilo najdostupnije.

  • Različiti pigmenti apsorbiraju različite valne duljine svjetlosti, tako da bi biljke idealno uključile pigmente koji mogu apsorbirati najdostupniju svjetlost. To je slučaj kao i klorofil a i b apsorbiraju prvenstveno plavo svjetlo.

  • Evo dva primjera grafikona (ovdje i ovdje) koji pokazuju apsorpcijski spektar tipičnih biljnih pigmenata:

Pa zašto su biljke zelene?

Kao što možete pretpostaviti iz gornjih paragrafa, budući da su biljke pod vodom rano dobile tako malo zelenog svjetla, razvile su se s fotosustavom posredovanim klorofilom koji nije imao fizička svojstva da apsorbira zeleno svjetlo. Kao rezultat, biljke reflektiraju svjetlost na tim valnim duljinama i izgledaju zelene.

Ali zašto biljke nisu crvene?…

Razlog za postavljanje ovog pitanja:

To bi se činilo jednako vjerojatnim s obzirom na gornju informaciju. Budući da crvena svjetlost nevjerojatno slabo prodire u vodu i uglavnom je nedostupna na nižim dubinama, čini se da rane biljke ne bi razvile način da je apsorbiraju i stoga bi također reflektirale crvenu svjetlost.

  • Zapravo, [relativno] blisko povezane crvene alge učinio razvijaju pigment koji reflektira crveno. Ove su alge razvile foto-sustav koji također uključuje pigment fikoeritrin koji pomaže apsorbirati dostupno plavo svjetlo. Ovaj pigment nije evoluirao kako bi apsorbirao niske razine dostupne crvene svjetlosti, pa ga stoga ovaj pigment reflektira i čini da ti organizmi izgledaju crveno.

    • Zanimljivo, prema ovdje, cijanobakterije koje također sadrže ovaj pigment mogu lako promijeniti svoj utjecaj na opaženu boju organizma:

      Omjer fikocijanina i fikoeritrina može se promijeniti iz okoliša. Cijanobakterije koje se uzgajaju u zelenom svjetlu obično razvijaju više fikoeritrina i postaju crvene. Iste cijanobakterije uzgojene u crvenom svjetlu postaju plavkasto-zelene. Ova recipročna promjena boje nazvana je "kromatska adaptacija".

  • Nadalje, (iako je još uvijek pod raspravom) prema radu Moreire et al (2000) (i potvrđeno od strane brojnih drugih istraživača) biljke i crvene alge vjerojatno imaju zajedničku fotosintetsku filogeniju:

    tri skupine organizama nastale su primarnom fotosintetskom endosimbiozom između cijanobakterije i eukariotskog domaćina: zelene biljke (zelene alge + kopnene biljke), crvene alge i glaukofiti (na primjer, Cyanophora).

Pa što daje?

Odgovor:

Jednostavan odgovor zašto biljke nisu crvene je jer klorofil apsorbira crvenu svjetlost.

To nas navodi da se zapitamo: Da li klorofil u biljkama stalno apsorbiraju crveno svjetlo (sprečavanje da biljke budu crvene) ili se ta karakteristika pojavila kasnije?

  • Ako je prvo bilo točno, onda biljke ne izgledaju crvene samo zbog fizičkih karakteristika koje su evoluirali pigmenti klorofila.

  • Koliko ja znam, nemamo jasan odgovor na to pitanje.

    • (ostali molimo komentirajte ako znate za bilo koji resurs koji raspravlja o tome).
  • Međutim, bez obzira na kada evoluirala apsorpcija crvenog svjetla, biljke su se ipak razvile da vrlo učinkovito apsorbiraju crvenu svjetlost.

    • Brojni izvori (npr. Mae et al. 2000, Brins et al. 2000, i ovdje), kao i brojni drugi odgovori na ovo pitanje, sugeriraju da se najučinkovitija fotosinteza događa pod crvenim svjetlom. Drugim riječima, crveno svjetlo rezultira najvećom "fotosintetskom učinkovitošću".

      • Ova NIH stranica sugerira razlog za to:

      Klorofil a također apsorbira svjetlost na diskretnim valnim duljinama kraćim od 680 nm (vidi sliku 16-37b). Takva apsorpcija podiže molekulu u jedno od nekoliko viših pobuđenih stanja, koja se raspadaju unutar 10−12 sekundi (1 pikosekunda, ps) do prvog pobuđenog stanja P*, uz gubitak dodatne energije u obliku topline. Fotokemijsko odvajanje naboja događa se samo od prvog pobuđenog stanja reakcijskog centra klorofila a, P*. To znači da je kvantni prinos – količina fotosinteze po apsorbiranom fotonu – isti za sve valne duljine vidljive svjetlosti kraće od 680 nm.

Zašto su biljke ostale zelene?

Pa zašto biljke nisu evoluirale da koriste zeleno svjetlo nakon preseljenja/evolucije na kopnu? Kao što je ovdje objašnjeno, biljke su užasno neučinkovite i ne mogu iskoristiti svu svjetlost koja im je dostupna. Kao rezultat toga, vjerojatno nema konkurentske prednosti za razvoj drastično drugačijeg fotosustava (tj. koji uključuje pigmente koji upijaju zeleno).

Dakle, zemaljske biljke nastavljaju apsorbirati plavo i crveno svjetlo i reflektirati zeleno. Budući da zeleno svjetlo tako obilno dopire do Zemlje, zeleno svjetlo ostaje najjače reflektirani pigment na biljkama, a biljke i dalje izgledaju zelene.

  • (Međutim, imajte na umu da drugi organizmi kao što su ptice i kukci vjerojatno vide biljke vrlo drugačije jer njihove oči mogu drugačije razlikovati boje i vide više jako reflektirane UV svjetlosti koju naše ne mogu).

Biolog John Berman iznio je mišljenje da evolucija nije inženjerski proces, pa je često podložna raznim ograničenjima koja inženjer ili drugi dizajner nije. Čak i kad bi crno lišće bilo bolje, ograničenja evolucije mogu spriječiti vrste da se popnu na apsolutno najviši vrh u fitnes krajoliku. Berman je napisao da bi postizanje pigmenata koji djeluju bolje od klorofila moglo biti vrlo teško. Zapravo, smatra se da su sve više biljke (embriofiti) evoluirale od zajedničkog pretka koji je vrsta zelene alge - s idejom da je klorofil evoluirao samo jednom. (referenca)

Biljke i drugi fotosintetski organizmi uvelike su ispunjeni kompleksima pigmenta i proteina koje proizvode kako bi apsorbirali sunčevu svjetlost. Stoga dio prinosa fotosinteze koji ulažu u to mora biti proporcionalan. Pigment u najnižem sloju mora primiti dovoljno svjetla da nadoknadi svoje energetske troškove, što se ne može dogoditi ako crni gornji sloj apsorbira svu svjetlost. Crni sustav stoga može biti optimalan samo ako ništa ne košta (referenca).

Crveno i žuto svjetlo je duže valne duljine, niže energije svjetlosti, dok je plavo svjetlo veće energije. Čini se čudnim da bi biljke sakupljale crveno svjetlo niže energije umjesto zelenog svjetla više energije, osim ako ne uzmete u obzir da su, kao i sav život, biljke prvo evoluirale u oceanu. Morska voda brzo apsorbira visokoenergetsko plavo i zeleno svjetlo, tako da samo crveno svjetlo niže energije, duže valne duljine može prodrijeti u ocean. Budući da su rane biljke i većina biljnog svijeta danas živjele u oceanu, optimiziranje njihovih pigmenata da apsorbiraju crvene i žute boje koje su bile prisutne u oceanskoj vodi bilo je najučinkovitije. Iako je zadržana sposobnost hvatanja plave svjetlosti najveće energije, čini se da je nemogućnost prikupljanja zelene svjetlosti posljedica potrebe da se može apsorbirati niža energija crvene svjetlosti (referenca).

Još nekoliko špekulacija na tu temu: (referenca)


Moj odgovor ima nekoliko dijelova.

Prvo, evolucija je kroz prirodnu selekciju odabrala trenutni sustav(e) kroz bezbroj generacija. Prirodna selekcija ovisi o razlikama (većim ili manjim) u učinkovitosti različitih rješenja (fitness) u svjetlu (ho ho!) trenutnog okruženja. Ovdje je važan spektar sunčeve energije, kao i lokalne varijable okoliša kao što je apsorpcija svjetlosti vodom itd. kao što je istaknuo drugi ispitanik. Nakon svega toga, ono što imate je ono što imate i to se ispostavi (u slučaju tipičnih zelenih biljaka), klorofili A i B te "svjetlo" i "tamno" reakcije.

Drugo, kako to dovodi do zelenih biljaka koje izgledaju zelene? Apsorpcija svjetlosti je nešto što se događa na atomskoj i molekularnoj razini i obično uključuje energetsko stanje pojedinih elektrona. Elektroni u određenim molekulama mogu se kretati s jedne energetske razine na drugu bez napuštanja atoma ili molekule. Kada energija određene razine udari u molekulu, ta se energija apsorbira i jedan ili više elektrona prelazi na višu energetsku razinu u molekuli (očuvanje energije). Oni elektroni s većom energijom obično se vraćaju u "osnovno stanje" emitiranjem ili prijenosom te energije. Jedan od načina na koji se energija može emitirati je kao svjetlost u procesu koji se zove fluorescencija. Drugi zakon termodinamike (koji onemogućuje postojanje strojeva za vječne motore) dovodi do emisije svjetlosti manje energije i veće valne duljine. (n.b. valna duljina (lambda) obrnuto je proporcionalna energiji; crveno svjetlo duge valne duljine ima manje energije po fotonu od ljubičaste kratke valne duljine (ROYGBIV kao što se vidi u vašoj običnoj dugi)).

U svakom slučaju, klorofili A i B složene su organske molekule (C, H, O, N s malo Mg++) s prstenastom strukturom. Otkrit ćete da mnoge organske molekule koje apsorbiraju svjetlost (i fluoresciraju) imaju prstenastu strukturu u kojoj elektroni "rezoniraju" krećući se po prstenu s lakoćom. Rezonancija elektrona određuje apsorpcijski spektar određene molekule (između ostalog). Pogledajte članak Wikipedije o klorofilu za apsorpcijski spektar dvaju klorofila. Primijetit ćete da najbolje upijaju na kratkim valnim duljinama (plava, indigo, ljubičasta) kao i na dugim valnim duljinama (crvena, narančasta, žuta), ali ne i na zelenoj. Budući da ne upijaju zelene valne duljine, to je ono što ostaje i to je ono što vaše oko percipira kao boju lista.

Konačno, što se događa s energijom iz sunčevog spektra koju su privremeno apsorbirali elektroni klorofila? Budući da to nije dio izvornog pitanja, održat ću ovo kratko (ispričavam se fiziolozima biljaka). U "svjetlo-ovisnoj reakciji", energetski elektroni se prenose kroz brojne međumolekule da bi na kraju "podijelili" vodu na kisik i vodik i generirali energetski bogate molekule ATP i NADPH. ATP i NADPH se zatim koriste za pokretanje "svjetlo neovisne reakcije" koja uzima CO2 i kombinira ga s drugim molekulama za stvaranje glukoze. Imajte na umu da na ovaj način dobivate glukozu (barem na kraju u nekom obliku, veganski ili ne) za jelo i kisik za disanje.

Pogledajte što se događa kada umjetno odvojite klorofile iz prijenosnog sustava koji dovodi do sinteze glukoze. http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_fluorescence Obratite pažnju na boju fluorescencije pod UV svjetlom!

Alternative? Pogledajte fotosintetske bakterije.


Tobias Keinzler dobro objašnjava zašto crne biljke ne bi radile, ovo je objašnjenje zašto biljke zelena a ne neka druga boja.

Boja lišća temelji se na tome koja je boja bakterija (ili arheja) koje se ugrađuju kako bi postale kloroplasti. Ili točnije boja njihovih pigmenata koji upijaju svjetlost. u prirodi postoji ogroman raspon boja u fotosintetskim organizmima, biljke su zelene jer je klorofil zelen, jednako je lako mogao biti crven ili ljubičast. http://www.ucmp.berkeley.edu/glossary/gloss3/pigments.html

Postoje pristojni dokazi da preci kloroplasta apsorbiraju rubove vidljivog spektra jer halobakterija apsorbira glavne sastojke, jer se korisnici klorofila nisu izravno natjecali s njima, umjesto da su apsorbirali preostalo svjetlo. Tek kasnije, kada su se ugradile u veće stanice, počele su dominirati i na kraju dovele do biljaka. Biljke nisu zelene jer je zeleno bolje, biljke su zelene jer je to prvi učinkovit fotosintetski pigment koji se razvio i koji se nije natjecao s dominantnim fotosintetizatorom.


Gledaj video: Soda Bikarbona: Najbolji metod zaštite biljaka od gljivica i insekata. (Kolovoz 2022).