Varför är växter gröna?

Vi frågade tre av våra studenter vid International Undergraduate Summer School, Poppy Smith, Lyvy Hall och Tom Hammond, varför växter är gröna.

”Det korta svaret är att växter ser gröna ut för oss, eftersom rött ljus är den mest användbara våglängden för dem.

Det längre svaret ligger i detaljerna kring fotosyntesen, det elektromagnetiska spektrumet, energi och ”speciella par” av klorofyllmolekyler i varje växtcell.

Växter kan i stort sett delas in i fyra huvudkomponenter: rötter, stjälk, blommor och blad. Bladen producerar växtens energi, eller mat, genom den process som kallas fotosyntes.

Växter (plus alger och vissa bakterier) absorberar ljus för att göra socker, vilket förser växten med energi och vissa andra användbara biokemiska produkter som växten behöver för att växa framgångsrikt.

Ljuset som kan ses av det mänskliga ögat (det synliga ljusspektrumet) består av regnbågens färger, som sträcker sig från lila till rött. Föremål uppfattas av människor som färgade när föremålet reflekterar ljuset tillbaka till våra ögon. Alla andra synliga våglängder absorberas och vi ser bara de reflekterade våglängderna.

Färgerna i det synliga ljuset bildar ett färghjul. Inom detta hjul är den färg som ett föremål verkar ha den färg som är komplementär till den färg som det absorberar starkast. Som sådan ser växter gröna ut eftersom de absorberar rött ljus mest effektivt och det gröna ljuset reflekteras.

Ljus och det elektromagnetiska spektrumet

Visibelt ljus är en del av det elektromagnetiska spektrumet, som är samlingen av allt ljus.

Ljuset rör sig i vågor och har därför en våglängd, som motsvarar avståndet mellan vågornas toppar. Synligt ljus har våglängder från 380 nanometer för lila till 730 nanometer för rött. För att sätta detta i perspektiv är ett människohår 100 000 nanometer tjockt.

Kortare våglängder har högre energi, ”vågens” frekvens är högre, så lila ljus har mer energi än rött ljus.

Hur växter använder ljus

Fotosyntes är i huvudsak den process där växten omvandlar atmosfärisk gas koldioxid (CO2) och vatten (H2O) till enkla sockerarter, och producerar syre (O2) som en biprodukt. För att göra detta behöver den energi och den får den energin från det ljus som den absorberar.

Då objektet absorberar ljus absorberar det också en del av den energi som ljuset bär med sig. När det gäller växter är det pigmentet klorofyll som absorberar ljuset, och det är kräsen när det gäller vilka våglängder det absorberar – oftast väljer det röda ljuset och en del blått ljus.

Den absorberade energin gör att elektronerna i objektet blir exciterade.

När elektroner är exciterade går de från en nivå med låg energi till en nivå med högre energi. Energin i ljuset gör elektronerna exciterade och tar bort energi från ljuset – detta är ett exempel på termodynamikens första lag – energi varken skapas eller förstörs den kan bara överföras eller förändras från en form till en annan.

Denna process äger rum i specifika avdelningar inom celler som kallas kloroplaster och är uppdelad i två steg;

1 – I det första steget sker en sekvens av reaktioner som är ”ljusberoende”. Kloroplasterna innehåller många skivor som kallas thylakoider, som är packade med klorofyll. Strukturer i thylakoiderna, som kallas fotosystem, utgör fotosyntesens centrala maskineri och i mitten av varje fotosystem finns ett ”speciellt par” av klorofyllmolekyler. Elektroner i dessa klorofyllmolekyler aktiveras när de absorberar solljus. Resten av klorofyllmolekylerna i kloroplasten har till uppgift att överföra energi till det speciella paret.

2 – En andra uppsättning reaktioner är ljusoberoende. Dessa använder den energi som fångats upp under det ljusberoende steget för att göra sockerarter. Dessa reaktioner sker i vätskan som badar thylakoiderna (stroma).

Under dessa reaktioner löses koldioxid upp i stroma och används i de ljusoberoende reaktionerna. Denna gas används i en serie reaktioner som resulterar i produktion av sockerarter. Sockermolekylerna används sedan av växten som föda på ett liknande sätt som hos människor, där överskottsocker lagras som stärkelse, redo att användas senare, ungefär som fettlagring hos däggdjur.

Därmed exciterar den röda änden av ljusspektrumet elektronerna i växternas blad, och det ljus som reflekteras (eller inte används) består av mer av våglängder i den komplementära (eller motsatta) färgen, grön.

Plantorna och deras blad ser alltså gröna ut eftersom det ”speciella paret” av klorofyllmolekyler använder den röda delen av det synliga ljusspektrumet för att driva reaktioner i varje cell. Det oanvända gröna ljuset reflekteras från bladet och vi ser det ljuset. De kemiska reaktionerna i fotosyntesen omvandlar koldioxid från luften till socker som ger växten näring, och som en biprodukt producerar växten syre.

Det är denna preferens för ljus i den röda änden av spektrumet som ligger bakom Dr Brande Wulff och hans grupps utveckling av teknik för hastighetsförädling. Tekniken, som först användes av NASA för att odla grödor i rymden, använder förlängd dagslängd, förbättrad LED-belysning och kontrollerade temperaturer för att främja snabb tillväxt av grödor.

Det snabbar upp växtförädlingscykeln: till exempel kan sex generationer vete odlas per år, jämfört med två generationer med traditionella förädlingsmetoder.

Då metoden förkortar förädlingscyklerna gör det möjligt för forskare och växtförädlare att snabbt genomföra genetiska förbättringar som ökad avkastning, sjukdomsresistens och klimattålighet i en rad grödor, t.ex. vete, korn, raps och ärter.”