Proč jsou rostliny zelené?

Ptali jsme se tří našich studentů z International Undergraduate Summer School: Poppy Smith, Lyvy Hall a Toma Hammonda, proč jsou rostliny zelené.

„Krátká odpověď zní, že rostliny nám připadají zelené, protože červené světlo má pro ně nejužitečnější vlnovou délku.

Dlouhodobější odpověď spočívá v detailech fotosyntézy, elektromagnetického spektra, energie a „speciálních párů“ molekul chlorofylu v každé rostlinné buňce.

Rostliny lze obecně rozdělit na čtyři hlavní části: kořeny, stonek, květy a listy. Listy vytvářejí energii neboli potravu rostliny v procesu zvaném fotosyntéza, který zná každý student maturitního ročníku.

Rostliny (a také řasy a některé bakterie) absorbují světlo a vytvářejí z něj cukry, které rostlině dodávají energii a některé další užitečné biochemické produkty, jež rostlina potřebuje k úspěšnému růstu.

Světlo, které je viditelné lidským okem (viditelné světelné spektrum), se skládá z duhových barev, které se táhnou od fialové až po červenou. Předměty jsou lidmi vnímány jako barevné, když předmět odráží světlo zpět k našim očím. Všechny ostatní vlnové délky viditelného světla jsou pohlceny a my vidíme pouze odražené vlnové délky.

Barvy viditelného světla tvoří barevný kruh. V rámci tohoto kola se objekt jeví jako barva komplementární k barvě, kterou nejsilněji pohlcuje. Rostliny tak vypadají zeleně, protože nejúčinněji pohlcují červené světlo a zelené světlo se odráží.

Světlo a elektromagnetické spektrum

Viditelné světlo je součástí elektromagnetického spektra, souboru veškerého světla.

Světlo se šíří ve vlnách, a proto má vlnovou délku, která odpovídá vzdálenosti mezi vrcholy vln. Viditelné světlo má vlnovou délku od 380 nanometrů pro fialovou až po 730 nanometrů pro červenou barvu. Pro představu, lidský vlas má tloušťku 100 000 nanometrů.

Kratší vlnové délky mají vyšší energii, frekvence „vlnění“ je vyšší, takže fialové světlo má větší energii než červené.

Jak rostliny využívají světlo

Fotosyntéza je v podstatě proces, při kterém rostlina přeměňuje atmosférický plyn oxid uhličitý (CO2) a vodu (H2O) na jednoduché cukry, přičemž jako vedlejší produkt vzniká kyslík (O2). K tomu potřebuje energii a tu získává z pohlceného světla.

Při pohlcování světla objekt také absorbuje část energie, kterou světlo nese. V případě rostlin je to pigment chlorofyl, který světlo absorbuje, a je vybíravý v tom, jaké vlnové délky absorbuje – většinou volí červené světlo a částečně modré světlo.

Absorbovaná energie způsobuje excitaci elektronů v objektu.

Při excitaci jsou elektrony povýšeny z úrovně nízké energie na úroveň vyšší energie. Energie ve světle způsobuje excitaci elektronů a odebírá energii světlu – to je příklad prvního termodynamického zákona – energie se nevytváří ani neničí, může se pouze přenášet nebo měnit z jedné formy na druhou.

Tento proces probíhá ve specifických oddílech uvnitř buněk zvaných chloroplasty a je rozdělen do dvou fází;

1 – V první fázi dochází k sekvenci reakcí, které jsou „závislé na světle“. Chloroplasty obsahují mnoho disků zvaných tylakoidy, které jsou naplněny chlorofylem. Struktury uvnitř tylakoidů známé jako fotosystémy tvoří základní stroj fotosyntézy a ve středu každého fotosystému se nachází „zvláštní pár“ molekul chlorofylu. Elektrony v těchto molekulách chlorofylu jsou excitovány při absorpci slunečního světla. Úkolem ostatních molekul chlorofylu v chloroplastu je pouze předávat energii speciálnímu páru.

2 – Druhá skupina reakcí je na světle nezávislá. Ty využívají energii zachycenou během kroku závislého na světle k výrobě cukrů. Tyto reakce probíhají v tekutině, která omývá tylakoidy (stroma).

Při těchto reakcích se ve stromatu rozpouští CO2, který se využívá v reakcích nezávislých na světle. Tento plyn se využívá v řadě reakcí, jejichž výsledkem je tvorba cukrů. Molekuly cukrů pak rostlina využívá jako potravu podobně jako člověk, přičemž přebytečné cukry ukládá ve formě škrobu, připraveného k pozdějšímu využití, podobně jako je tomu u savců při ukládání tuků.

Červený konec světelného spektra tedy excituje elektrony v listech rostlin a odražené (nebo nevyužité) světlo je tvořeno spíše vlnovými délkami komplementární (nebo opačné) barvy, zelené.

Rostliny a jejich listy tedy vypadají zeleně, protože „zvláštní pár“ molekul chlorofylu využívá červený konec viditelného světelného spektra k napájení reakcí uvnitř každé buňky. Nevyužité zelené světlo se od listu odráží a my toto světlo vidíme. Chemické reakce fotosyntézy přeměňují oxid uhličitý ze vzduchu na cukry, které rostlinu živí, a jako vedlejší produkt rostlina produkuje kyslík.

Právě tato preference světla na červeném konci spektra stojí za tím, že Dr. Brande Wulff a jeho tým vyvinuli technologii rychlého šlechtění. Tato technika, kterou poprvé použila NASA k pěstování plodin ve vesmíru, využívá prodlouženou délku dne, vylepšené LED osvětlení a řízenou teplotu k podpoře rychlého růstu plodin.

Urychluje cyklus šlechtění rostlin: například lze vypěstovat šest generací pšenice za rok ve srovnání se dvěma generacemi při použití tradičních metod šlechtění.

Zkrácením šlechtitelských cyklů umožňuje tato metoda vědcům a šlechtitelům rostlin urychlit genetická zlepšení, jako je zvýšení výnosů, odolnost vůči chorobám a odolnost vůči klimatickým změnám u řady plodin, například pšenice, ječmene, řepky olejné a hrachu.“