Miért zöldek a növények?
Három nemzetközi egyetemi hallgatót, Poppy Smith-t, Lyvy Hallt és Tom Hammondot kérdeztük arról, miért zöldek a növények.
“A rövid válasz az, hogy a növények számunkra azért tűnnek zöldnek, mert a vörös fény a leghasznosabb hullámhossz számukra.”
A hosszabb válasz a fotoszintézis részleteiben, az elektromágneses spektrumban, az energiában és az egyes növényi sejtekben lévő klorofillmolekulák “különleges párjaiban” rejlik.”
A növények nagyjából négy fő összetevőre oszthatók: gyökerek, szár, virágok és levelek. A levelek állítják elő a növény energiáját, vagyis táplálékát, amint azt minden GCSE tanuló tudja, a fotoszintézisnek nevezett folyamat során.
A növények (valamint az algák és bizonyos baktériumok) elnyelik a fényt, hogy cukrokat állítsanak elő, amelyek energiát és néhány más hasznos biokémiai terméket biztosítanak a növény számára, amelyekre a sikeres növekedéshez szüksége van.
Az emberi szem által látható fény (a látható fény spektruma) a szivárvány színeiből áll, a lilától a vörösig terjedően. A tárgyakat az ember akkor érzékeli színesnek, ha a tárgy visszaveri a fényt a szemünkbe. A fény minden más látható hullámhosszúsága elnyelődik, és mi csak a visszavert hullámhosszúságot látjuk.
A látható fény színei egy színkereket alkotnak. Ezen a keréken belül egy tárgy annak a színnek tűnik, amelyik komplementer színe annak a színnek, amelyet a legerősebben elnyel. Így a növények azért tűnnek zöldnek, mert a vörös fényt nyelik el a leghatékonyabban, a zöld fény pedig visszaverődik.
A fény és az elektromágneses spektrum
A látható fény az elektromágneses spektrum része, az összes fény összessége.
A fény hullámokban terjed, ezért van hullámhossza, amely megfelel a hullámcsúcsok közötti távolságnak. A látható fény hullámhossza 380 nanométertől a lila fény esetében a 730 nanométertől a vörös fény esetében a 730 nanométerig terjed. Hogy ezt szemléletessé tegyük, egy emberi hajszál vastagsága 100 000 nanométer.
A rövidebb hullámhosszúságok nagyobb energiával rendelkeznek, a “hullám” frekvenciája magasabb, így a lila fény több energiával rendelkezik, mint a vörös fény.
Hogyan használják a növények a fényt
A fotoszintézis lényegében az a folyamat, amelynek során a növény a légköri szén-dioxidot (CO2) és a vizet (H2O) egyszerű cukorrá alakítja, melléktermékként oxigént (O2) termelve. Ehhez energiára van szüksége, és ezt az energiát az elnyelt fényből nyeri.
A fény elnyelésével a tárgy a fény által hordozott energia egy részét is elnyeli. A növények esetében a klorofill pigment az, amely elnyeli a fényt, és válogatja, hogy milyen hullámhosszúságú fényt nyel el – többnyire a vörös fényt választja, és némi kék fényt.
Az elnyelt energia hatására az objektumban lévő elektronok gerjesztődnek.
Az elektronok gerjesztése során egy alacsony energiaszintről egy magasabb energiaszintre emelkednek. A fény energiája gerjesztetté teszi az elektronokat, és energiát von el a fényből – ez a termodinamika első törvényének egyik példája – az energia sem nem keletkezik, sem nem semmisül meg, csak átvihető vagy megváltoztatható egyik formából a másikba.
A folyamat a sejtek meghatározott rekeszeiben, a kloroplasztiszokban zajlik, és két szakaszra oszlik;
1 – Az első szakaszban a “fényfüggő” reakciók sorozata zajlik. A kloroplasztiszok sok, tilakoidnak nevezett korongot tartalmaznak, amelyek tele vannak klorofillal. A tilakoidokon belüli, fotoszisztémáknak nevezett szerkezetek alkotják a fotoszintézis központi gépezetét, és minden egyes fotoszisztéma középpontjában egy “különleges klorofillmolekula-pár” található. A klorofillmolekulák elektronjai a napfény elnyelésekor gerjesztődnek. A kloroplasztiszban lévő többi klorofillmolekula feladata egyszerűen az energia átadása a speciális pár felé.
2 – A reakciók másik csoportja fényfüggetlen. Ezek a fényfüggő lépés során nyert energiát cukrok előállítására használják fel. Ezek a reakciók a tilakoidokat fürdető folyadékban (a stróma) játszódnak le.
A reakciók során CO2 oldódik a strómában, amelyet a fényfüggetlen reakciókban használnak fel. Ezt a gázt egy sor olyan reakcióban használják fel, amelyek eredményeként cukrok keletkeznek. A cukormolekulákat a növény ezután az emberhez hasonlóan táplálékként használja fel, a felesleges cukrokat pedig keményítő formájában tárolja, készen állva a későbbi felhasználásra, hasonlóan az emlősök zsírraktározásához.
A fényspektrum vörös vége gerjeszti az elektronokat a növények leveleiben, a visszavert (vagy fel nem használt) fény pedig inkább a komplementer (vagy ellentétes) szín, a zöld hullámhosszából áll.
A növények és leveleik tehát azért néznek ki zöldnek, mert a klorofillmolekulák “különleges párja” a látható fényspektrum vörös végét használja az egyes sejtekben zajló reakciók működtetésére. A fel nem használt zöld fény visszaverődik a levélről, és mi ezt a fényt látjuk. A fotoszintézis kémiai reakciói a levegőből származó szén-dioxidot cukorrá alakítják a növény táplálására, és melléktermékként a növény oxigént termel.
Ez a vörös végű fény iránti preferencia áll Dr. Brande Wulff és csapata sebességnövelő technológiájának kifejlesztése mögött. A NASA által először az űrben termesztett növények termesztésére használt technika a növények gyors növekedésének elősegítése érdekében meghosszabbított nappalhosszúságot, fokozott LED-világítást és szabályozott hőmérsékletet alkalmaz.
Ez felgyorsítja a növények nemesítési ciklusát: a hagyományos nemesítési módszerek két generációjával szemben például évente hat generációs búzát lehet termeszteni.
A nemesítési ciklusok lerövidítésével a módszer lehetővé teszi a tudósok és a növénynemesítők számára, hogy a genetikai fejlesztéseket, például a terméshozam növekedését, a betegségekkel szembeni ellenállóképességet és az éghajlatváltozással szembeni ellenálló képességet számos növénykultúrában, például búzában, árpában, repcében és borsóban gyorsított ütemben hajtsák végre.”