De ce sunt plantele verzi?

Am întrebat trei dintre studenții noștri de la Școala de vară internațională de licență; Poppy Smith, Lyvy Hall și Tom Hammond, de ce sunt plantele verzi.

„Răspunsul scurt este că plantele ne par verzi, deoarece lumina roșie este cea mai utilă lungime de undă pentru ele.

Răspunsul mai lung se află în detaliile fotosintezei, spectrul electromagnetic, energia și „perechile speciale” de molecule de clorofilă din fiecare celulă vegetală.

Plantele pot fi împărțite, în linii mari, în patru componente principale: rădăcini, tulpină, flori și frunze. Frunzele produc energia sau hrana plantei, așa cum știe orice elev de GCSE, prin procesul numit fotosinteză.

Plantele (plus algele și anumite bacterii) absorb lumina pentru a produce zaharuri, furnizând plantei energie și alte câteva produse biochimice utile de care planta are nevoie pentru a crește cu succes.

Lumina care poate fi văzută de ochiul uman (spectrul de lumină vizibilă) este alcătuită din curcubeul de culori, care se întinde de la violet până la roșu. Obiectele sunt percepute de oameni ca fiind colorate atunci când obiectul reflectă lumina către ochii noștri. Toate celelalte lungimi de undă vizibile ale luminii sunt absorbite, iar noi vedem doar lungimile de undă reflectate.

Culoarea luminii vizibile formează o roată a culorilor. În cadrul acestei roți, culoarea pe care pare să o aibă un obiect este culoarea complementară celei pe care o absoarbe cel mai puternic. Astfel, plantele arată verde pentru că absorb cel mai eficient lumina roșie, iar lumina verde este reflectată.

Lumina și spectrul electromagnetic

Lumina vizibilă face parte din spectrul electromagnetic, ansamblul tuturor luminilor.

Lumina se deplasează în unde și, prin urmare, are o lungime de undă, care corespunde distanței dintre vârfurile undelor. Lumina vizibilă are lungimi de undă de la 380 de nanometri pentru violet, până la 730 de nanometri pentru roșu. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, un fir de păr uman are o grosime de 100.000 de nanometri.

Lungimile de undă mai scurte au o energie mai mare, frecvența „undei” este mai mare, astfel încât lumina purpurie are mai multă energie decât lumina roșie.

Cum folosesc plantele lumina

Fotogeneza este, în esență, procesul prin care planta transformă gazul atmosferic dioxidul de carbon (CO2) și apa (H2O) în zaharuri simple, producând oxigen (O2) ca produs secundar. Pentru a face acest lucru, are nevoie de energie și obține această energie din lumina pe care o absoarbe.

Prin absorbția luminii, obiectul absoarbe, de asemenea, o parte din energia purtată de lumină. În cazul plantelor, pigmentul clorofilă este cel care absoarbe lumina și este pretențios cu privire la lungimile de undă pe care le absoarbe – optând în principal pentru lumina roșie și o parte din lumina albastră.

Energia absorbită face ca electronii din obiect să fie excitați.

Când electronii sunt excitați, ei sunt promovați de la un nivel de energie scăzută la un nivel de energie mai mare. Energia din lumină face ca electronii să fie excitați și elimină energia din lumină – acesta este un exemplu al primei legi a termodinamicii – energia nu este nici creată, nici distrusă, ea poate fi doar transferată sau schimbată de la o formă la alta.

Acest proces are loc în compartimente specifice din interiorul celulelor numite cloroplaste și este împărțit în două etape;

1 – În prima etapă are loc o secvență de reacții care sunt „dependente de lumină”. Cloroplastele conțin multe discuri numite tilacoizi, care sunt pline de clorofilă. Structurile din interiorul thylakoidelor, cunoscute sub numele de fotosisteme, formează mecanismul central al fotosintezei, iar în centrul fiecărui fotosistem se află o „pereche specială” de molecule de clorofilă. Electronii din aceste molecule de clorofilă sunt excitați la absorbția luminii solare. Sarcina restului moleculelor de clorofilă din cloroplast este pur și simplu de a transmite energie către perechea specială.

2 – Un al doilea set de reacții sunt independente de lumină. Acestea utilizează energia captată în timpul etapei dependente de lumină pentru a produce zaharuri. Aceste reacții au loc în lichidul care îmbăiază thylakoizii (stroma).

În timpul acestor reacții, CO2 se dizolvă în stroma și este utilizat în reacțiile independente de lumină. Acest gaz este utilizat într-o serie de reacții care au ca rezultat producerea de zaharuri. Moleculele de zahăr sunt apoi folosite de către plantă ca hrană într-un mod similar cu cel al oamenilor, excesul de zaharuri fiind stocat sub formă de amidon, gata să fie folosit ulterior, la fel ca și stocarea grăsimilor la mamifere.

Prin urmare, capătul roșu al spectrului de lumină excită electronii din frunzele plantelor, iar lumina reflectată (sau nefolosită) este alcătuită mai mult din lungimi de undă de culoarea complementară (sau opusă), verde.

Așadar, plantele și frunzele lor arată verde pentru că „perechea specială” de molecule de clorofilă utilizează capătul roșu al spectrului de lumină vizibilă pentru a alimenta reacțiile din interiorul fiecărei celule. Lumina verde nefolosită este reflectată de frunză și noi vedem acea lumină. Reacțiile chimice ale fotosintezei transformă dioxidul de carbon din aer în zaharuri pentru a hrăni planta, iar ca produs secundar, planta produce oxigen.

Este această preferință pentru lumina de la capătul roșu al spectrului care stă la baza dezvoltării tehnologiei de reproducere rapidă de către Dr. Brande Wulff și echipa sa. Tehnica folosită pentru prima dată de NASA pentru a cultiva plante în spațiu folosește o durată extinsă a zilei, un iluminat cu LED-uri îmbunătățit și temperaturi controlate pentru a promova o creștere rapidă a culturilor.

Accelerează ciclul de reproducere a plantelor: de exemplu, pot fi cultivate șase generații de grâu pe an, în comparație cu două generații folosind metodele tradiționale de reproducere.

Prin scurtarea ciclurilor de reproducere, metoda permite oamenilor de știință și amelioratorilor de plante să accelereze îmbunătățirile genetice, cum ar fi creșterea randamentului, rezistența la boli și rezistența la schimbările climatice într-o serie de culturi precum grâul, orzul, rapița și mazărea.”

Prin scurtarea ciclurilor de reproducere, metoda permite oamenilor de știință și amelioratorilor de plante să accelereze îmbunătățirile genetice, cum ar fi creșterea randamentului, rezistența la boli și rezistența la schimbările climatice într-o serie de culturi precum grâul, orzul, rapița și mazărea.