Dlaczego rośliny są zielone?

Zapytaliśmy trzech studentów Międzynarodowej Szkoły Letniej: Poppy Smith, Lyvy Hall i Toma Hammonda, dlaczego rośliny są zielone.

„Krótka odpowiedź brzmi, że rośliny wyglądają dla nas na zielone, ponieważ światło czerwone jest dla nich najbardziej użyteczną długością fali.

Dłuższa odpowiedź leży w szczegółach fotosyntezy, widmie elektromagnetycznym, energii i „specjalnych parach” cząsteczek chlorofilu w każdej komórce roślinnej.

Rośliny można ogólnie podzielić na cztery główne elementy: korzenie, łodygę, kwiaty i liście. Liście wytwarzają energię rośliny, czyli pożywienie, w procesie zwanym fotosyntezą, o czym wie każdy uczeń GCSE.

Rośliny (plus algi i niektóre bakterie) absorbują światło, aby wytworzyć cukry, dostarczając roślinie energii i innych użytecznych produktów biochemicznych, których roślina potrzebuje, aby dobrze rosnąć.

Światło, które może być widziane przez ludzkie oko (spektrum światła widzialnego) składa się z tęczy kolorów, rozciągającej się od fioletu do czerwieni. Obiekty są postrzegane przez ludzi jako kolorowe, gdy obiekt odbija światło z powrotem do naszych oczu. Wszystkie inne długości fal światła widzialnego są absorbowane, a my widzimy tylko fale odbite.

Kolory światła widzialnego tworzą koło kolorów. W tym kole kolor, który wydaje się być obiektem, jest kolorem komplementarnym do tego, który najsilniej absorbuje. W związku z tym rośliny wyglądają na zielone, ponieważ najskuteczniej pochłaniają światło czerwone, a światło zielone jest odbijane.

Światło i widmo elektromagnetyczne

Światło widzialne jest częścią widma elektromagnetycznego, czyli zbioru wszystkich rodzajów światła.

Światło porusza się w falach, a zatem ma długość fali, która odpowiada odległości między szczytami fal. Światło widzialne ma długość fali od 380 nanometrów w przypadku fioletu, do 730 nanometrów w przypadku czerwieni. Aby przedstawić to w perspektywie, ludzki włos ma grubość 100 000 nanometrów.

Krótsze fale mają wyższą energię, częstotliwość „fali” jest wyższa, więc fioletowe światło ma więcej energii niż czerwone.

Jak rośliny wykorzystują światło

Fotosynteza jest zasadniczo procesem przekształcania przez roślinę atmosferycznego gazu dwutlenku węgla (CO2) i wody (H2O) w cukry proste, produkując tlen (O2) jako produkt uboczny. Aby to zrobić, potrzebuje energii i dostaje tę energię ze światła, które absorbuje.

Absorbując światło, obiekt również absorbuje część energii niesionej przez światło. W przypadku roślin, to pigment chlorofil absorbuje światło i jest wybredny co do długości fal, które absorbuje – najczęściej wybiera światło czerwone i trochę światła niebieskiego.

Zaabsorbowana energia powoduje, że elektrony w obiekcie stają się wzbudzone.

Gdy elektrony są wzbudzone, są one promowane z poziomu niskiej energii do poziomu wyższej energii. Energia zawarta w świetle powoduje wzbudzenie elektronów i usunięcie energii ze światła – jest to przykład pierwszego prawa termodynamiki – energia nie jest ani tworzona, ani niszczona, może być jedynie przenoszona lub zmieniana z jednej formy na inną.

Proces ten zachodzi w specyficznych przedziałach wewnątrz komórek zwanych chloroplastami i jest podzielony na dwa etapy;

1 – W pierwszym etapie zachodzi sekwencja reakcji, które są „zależne od światła”. Chloroplasty zawierają wiele dysków zwanych tylakoidami, które są wypełnione chlorofilem. Struktury wewnątrz tylakoidów znane jako fotosystemy tworzą podstawową maszynerię fotosyntezy, a w centrum każdego fotosystemu znajduje się „specjalna para” cząsteczek chlorofilu. Elektrony w tych cząsteczkach chlorofilu są wzbudzane podczas absorpcji światła słonecznego. Zadaniem pozostałych cząsteczek chlorofilu w chloroplaście jest po prostu przekazywanie energii w kierunku specjalnej pary.

2 – Drugi zestaw reakcji jest niezależny od światła. Wykorzystują one energię przechwyconą podczas etapu zależnego od światła do produkcji cukrów. Reakcje te zachodzą w płynie, który otacza tylakoidy (stroma).

Podczas tych reakcji CO2 rozpuszcza się w stromie i jest wykorzystywany w reakcjach niezależnych od światła. Gaz ten jest wykorzystywany w serii reakcji, w wyniku których powstają cukry. Cząsteczki cukru są następnie wykorzystywane przez roślinę jako pokarm w podobny sposób jak u ludzi, przy czym nadmiar cukrów jest przechowywany w postaci skrobi, gotowej do wykorzystania później, podobnie jak tłuszcz u ssaków.

Dlatego czerwony koniec widma światła wzbudza elektrony w liściach roślin, a światło odbite (lub niewykorzystane) składa się z większej ilości długości fal koloru komplementarnego (lub przeciwnego), zielonego.

Więc rośliny i ich liście wyglądają na zielone, ponieważ „specjalna para” cząsteczek chlorofilu wykorzystuje czerwony koniec spektrum światła widzialnego do zasilania reakcji wewnątrz każdej komórki. Niewykorzystane zielone światło jest odbijane od liścia i widzimy to światło. Reakcje chemiczne fotosyntezy zamieniają dwutlenek węgla z powietrza w cukry, aby nakarmić roślinę, a jako produkt uboczny roślina produkuje tlen.

To właśnie ta preferencja dla światła na czerwonym końcu widma stoi za dr Brande Wulffem i jego zespołem w rozwoju technologii hodowli prędkości. Technika po raz pierwszy zastosowana przez NASA do uprawy roślin w kosmosie wykorzystuje wydłużoną długość dnia, ulepszone oświetlenie LED i kontrolowaną temperaturę do promowania szybkiego wzrostu roślin.

Przyspiesza ona cykl hodowlany roślin: na przykład, sześć pokoleń pszenicy może być uprawianych w ciągu roku, w porównaniu do dwóch pokoleń przy użyciu tradycyjnych metod hodowlanych.

Skracając cykle hodowlane, metoda ta pozwala naukowcom i hodowcom roślin na szybkie wprowadzanie ulepszeń genetycznych, takich jak przyrost plonów, odporność na choroby i odporność na klimat w wielu uprawach, takich jak pszenica, jęczmień, rzepak i groch.”