Waarom zijn planten groen?

We vroegen drie van onze International Undergraduate Summer School-studenten; Poppy Smith, Lyvy Hall en Tom Hammond, waarom planten groen zijn.

“Het korte antwoord is dat planten er voor ons groen uitzien, omdat rood licht voor hen de meest bruikbare golflengte is.

Het langere antwoord ligt in de details van fotosynthese, het elektromagnetische spectrum, energie en “speciale paren” chlorofylmoleculen in elke plantencel.

Planten kunnen grofweg in vier hoofdcomponenten worden verdeeld: wortels, stengel, bloemen en bladeren. De bladeren maken de energie van de plant, oftewel het voedsel, in, zoals iedere GCSE-student weet, het proces dat fotosynthese wordt genoemd.

Planten (plus algen en bepaalde bacteriën) absorberen licht om suikers te maken, die de plant energie leveren en enkele andere nuttige biochemische producten die de plant nodig heeft om succesvol te groeien.

Licht dat door het menselijk oog kan worden waargenomen (het zichtbare lichtspectrum) bestaat uit de regenboog van kleuren, die zich uitstrekt van paars tot rood. Voorwerpen worden door de mens als gekleurd waargenomen wanneer het voorwerp licht naar onze ogen terugkaatst. Alle andere zichtbare golflengten van het licht worden geabsorbeerd, en wij zien alleen de weerkaatste golflengten.

De kleuren van het zichtbare licht vormen een kleurencirkel. Binnen dat wiel is de kleur die een voorwerp lijkt te hebben, de kleur die complementair is aan de kleur die het voorwerp het sterkst absorbeert. Zo zien planten er groen uit omdat ze rood licht het sterkst absorberen en het groene licht wordt weerkaatst.

Licht en het elektromagnetisch spectrum

Zichtbaar licht maakt deel uit van het elektromagnetisch spectrum, de verzameling van al het licht.

Licht reist in golven en heeft dus een golflengte, die overeenkomt met de afstand tussen de pieken van de golven. Zichtbaar licht heeft golflengten van 380 nanometer voor paars, tot 730 nanometer voor rood. Om dit in perspectief te plaatsen: een menselijke haar is 100.000 nanometer dik.

Kortere golflengten hebben een hogere energie, de frequentie van de ‘golf’ is hoger, dus paars licht heeft meer energie dan rood licht.

Hoe planten licht gebruiken

Fotosynthese is in wezen het proces waarbij de plant het atmosferische gas kooldioxide (CO2) en water (H2O) omzet in eenvoudige suikers, waarbij zuurstof (O2) als bijproduct wordt geproduceerd. Daarvoor heeft de plant energie nodig en die haalt hij uit het licht dat hij absorbeert.

Door licht te absorberen, absorbeert het voorwerp ook een deel van de energie die door het licht wordt overgebracht. In het geval van planten is het het pigment chlorofyl dat het licht absorbeert, en het is kieskeurig in welke golflengten het absorbeert – meestal kiest het voor rood licht, en een beetje blauw licht.

De geabsorbeerde energie zorgt ervoor dat de elektronen in het object worden geëxciteerd.

Wanneer elektronen worden geëxciteerd, promoveren ze van een niveau van lage energie naar een niveau van hogere energie. De energie in het licht maakt de elektronen aangeslagen en onttrekt energie aan het licht – dit is een voorbeeld van de eerste wet van de thermodynamica – energie wordt noch gecreëerd noch vernietigd, het kan alleen worden overgedragen of veranderd van de ene vorm in de andere.

Dit proces vindt plaats in specifieke compartimenten binnen cellen, chloroplasten genaamd, en wordt in twee fasen gesplitst;

1 – In de eerste fase vindt een opeenvolging van reacties plaats die “lichtafhankelijk” zijn. Chloroplasten bevatten vele schijven, thylakoïden genaamd, die vol zitten met chlorofyl. Structuren binnen de thylakoïden, die fotosystemen worden genoemd, vormen de kernmachine van de fotosynthese en in het centrum van elk fotosysteem bevindt zich een “speciaal paar” chlorofylmoleculen. De elektronen in deze chlorofylmoleculen worden aangeslagen bij de absorptie van zonlicht. De taak van de rest van de chlorofylmoleculen in de chloroplast is eenvoudigweg energie door te geven aan het speciale paar.

2 – Een tweede reeks reacties is lichtonafhankelijk. Deze gebruiken de energie die bij de lichtafhankelijke stap is opgevangen om suikers te maken. Deze reacties vinden plaats in de vloeistof waarin de thylakoïden baden (het stroma).

Tijdens deze reacties lost CO2 op in het stroma en wordt gebruikt in de lichtonafhankelijke reacties. Dit gas wordt gebruikt in een reeks reacties die resulteert in de productie van suikers. Suikermoleculen worden vervolgens door de plant gebruikt als voedsel op een vergelijkbare manier als bij mensen, waarbij overtollige suikers worden opgeslagen als zetmeel, klaar om later te worden gebruikt, ongeveer zoals vetopslag bij zoogdieren.

Daarom exciteert het rode eind van het lichtspectrum de elektronen in de bladeren van de planten, en het gereflecteerde (of ongebruikte) licht bestaat uit meer golflengten van de complementaire (of tegengestelde) kleur, groen.

Planten en hun bladeren zien er dus groen uit omdat het “speciale paar” chlorofylmoleculen het rode uiteinde van het zichtbare lichtspectrum gebruikt om reacties in elke cel aan te drijven. Het ongebruikte groene licht wordt door het blad weerkaatst en wij zien dat licht. De chemische reacties van de fotosynthese zetten kooldioxide uit de lucht om in suikers die de plant voeden, en als bijproduct produceert de plant zuurstof.

Het is deze voorkeur voor licht aan de rode kant van het spectrum die ten grondslag ligt aan de ontwikkeling van de snelkweektechnologie door Dr. Brande Wulff en zijn team. Bij deze techniek, die voor het eerst door de NASA werd gebruikt om gewassen in de ruimte te kweken, wordt gebruik gemaakt van een langere daglengte, verbeterde LED-verlichting en gecontroleerde temperaturen om een snelle groei van de gewassen te bevorderen.

Hierdoor wordt de kweekcyclus van planten versneld: zo kunnen bijvoorbeeld zes generaties tarwe per jaar worden gekweekt, vergeleken met twee generaties met behulp van traditionele kweekmethoden.

Door de veredelingscycli te verkorten, stelt de methode wetenschappers en plantenveredelaars in staat genetische verbeteringen zoals een grotere opbrengst, resistentie tegen ziekten en klimaatbestendigheid in een reeks gewassen, zoals tarwe, gerst, koolzaad en erwten, snel door te voeren.”