Perché le piante sono verdi?

Abbiamo chiesto a tre dei nostri studenti della International Undergraduate Summer School, Poppy Smith, Lyvy Hall e Tom Hammond, perché le piante sono verdi.

“La risposta breve è che le piante ci sembrano verdi, perché la luce rossa è la lunghezza d’onda più utile per loro.

La risposta più lunga sta nei dettagli della fotosintesi, lo spettro elettromagnetico, l’energia e le “coppie speciali” di molecole di clorofilla in ogni cellula vegetale.

Le piante possono essere divise in quattro componenti principali: radici, fusto, fiori e foglie. Le foglie producono l’energia della pianta, o il cibo, come ogni studente GCSE sa, nel processo chiamato fotosintesi.

Le piante (più le alghe e alcuni batteri) assorbono la luce per produrre zuccheri, fornendo alla pianta energia e alcuni altri prodotti biochimici utili di cui la pianta ha bisogno per crescere con successo.

La luce che può essere vista dall’occhio umano (lo spettro della luce visibile) è costituita dall’arcobaleno dei colori, che si estende dal viola al rosso. Gli oggetti sono percepiti dall’uomo come colorati quando l’oggetto riflette la luce verso i nostri occhi. Tutte le altre lunghezze d’onda visibili della luce vengono assorbite, e noi vediamo solo le lunghezze d’onda riflesse.

I colori della luce visibile formano una ruota dei colori. All’interno di questa ruota, il colore che un oggetto appare è il colore complementare a quello che assorbe più fortemente. Così, le piante appaiono verdi perché assorbono la luce rossa in modo più efficiente e la luce verde viene riflessa.

La luce e lo spettro elettromagnetico

La luce visibile fa parte dello spettro elettromagnetico, l’insieme di tutta la luce.

La luce viaggia in onde, e quindi ha una lunghezza d’onda, che corrisponde alla distanza tra i picchi delle onde. La luce visibile ha lunghezze d’onda da 380 nanometri per il viola, fino a 730 nanometri per il rosso. Per mettere questo in prospettiva, un capello umano è spesso 100.000 nanometri.

Le lunghezze d’onda più corte hanno una maggiore energia, la frequenza dell'”onda” è più alta, quindi la luce viola ha più energia della luce rossa.

Come le piante usano la luce

La fotosintesi è essenzialmente il processo della pianta che converte il gas atmosferico biossido di carbonio (CO2) e acqua (H2O) in zuccheri semplici, producendo ossigeno (O2) come sottoprodotto. Per fare questo, ha bisogno di energia e la ottiene dalla luce che assorbe.

Assorbendo la luce, l’oggetto assorbe anche parte dell’energia trasportata dalla luce. Nel caso delle piante, è il pigmento clorofilla che assorbe la luce, ed è esigente riguardo alle lunghezze d’onda che assorbe – per lo più optando per la luce rossa e per qualche luce blu.

L’energia assorbita causa l’eccitazione degli elettroni nell’oggetto.

Quando gli elettroni sono eccitati, vengono promossi da un livello di bassa energia a un livello di energia superiore. L’energia nella luce rende gli elettroni eccitati e rimuove energia dalla luce – questo è un esempio della prima legge della termodinamica – l’energia non si crea né si distrugge, può solo essere trasferita o cambiata da una forma all’altra.

Questo processo avviene in compartimenti specifici all’interno delle cellule chiamate cloroplasti ed è diviso in due fasi;

1 – La prima fase vede una sequenza di reazioni che sono “luce-dipendenti”. I cloroplasti contengono molti dischi chiamati tilakoidi, che sono pieni di clorofilla. Le strutture all’interno dei tilakoidi, note come fotosistemi, formano il macchinario centrale della fotosintesi e al centro di ogni fotosistema si trova una “coppia speciale” di molecole di clorofilla. Gli elettroni in queste molecole di clorofilla sono eccitati all’assorbimento della luce solare. Il lavoro del resto delle molecole di clorofilla nel cloroplasto è semplicemente quello di passare l’energia verso la coppia speciale.

2 – Una seconda serie di reazioni sono indipendenti dalla luce. Queste usano l’energia catturata durante la fase dipendente dalla luce per produrre zuccheri. Queste reazioni avvengono nel fluido che bagna i tilakoidi (lo stroma).

Durante queste reazioni, la CO2 si dissolve nello stroma e viene usata nelle reazioni indipendenti dalla luce. Questo gas viene utilizzato in una serie di reazioni che portano alla produzione di zuccheri. Le molecole di zucchero sono poi utilizzate dalla pianta come cibo in modo simile agli esseri umani, con gli zuccheri in eccesso immagazzinati come amido, pronti per essere utilizzati in seguito, un po’ come lo stoccaggio del grasso nei mammiferi.

Quindi, l’estremità rossa dello spettro luminoso eccita gli elettroni nelle foglie delle piante, e la luce riflessa (o inutilizzata) è costituita da più lunghezze d’onda del colore complementare (o contrario), il verde.

Così, le piante e le loro foglie sembrano verdi perché la “coppia speciale” di molecole di clorofilla usa l’estremità rossa dello spettro della luce visibile per alimentare le reazioni all’interno di ogni cellula. La luce verde inutilizzata viene riflessa dalla foglia e noi vediamo quella luce. Le reazioni chimiche della fotosintesi trasformano l’anidride carbonica dell’aria in zuccheri per nutrire la pianta, e come sottoprodotto la pianta produce ossigeno.

È questa preferenza per la luce all’estremità rossa dello spettro che è alla base dello sviluppo del dottor Brande Wulff e del suo team della tecnologia di allevamento veloce. La tecnica, utilizzata per la prima volta dalla NASA per coltivare le colture nello spazio, utilizza una lunghezza del giorno estesa, un’illuminazione a LED potenziata e temperature controllate per promuovere una rapida crescita delle colture.

Accelera il ciclo di riproduzione delle piante: per esempio, si possono coltivare sei generazioni di grano all’anno, rispetto alle due generazioni con i metodi di riproduzione tradizionali.

Accorciando i cicli di riproduzione, il metodo permette agli scienziati e ai coltivatori di accelerare i miglioramenti genetici come l’aumento della resa, la resistenza alle malattie e la resilienza al clima in una serie di colture come il grano, l’orzo, la colza e il pisello”