Меню

Хлорофилл имеет зеленый цвет поскольку он поглощает

Или о том, как детский вопрос помог учёным в поисках жизни на других планетах.

Мы находимся в постоянном окружении целого океана растений, и почти все они зелёные. Даже когда мы говорим “зелёный цвет”, мы невольно ассоциируем эти слова со словом “растение”, растущее на земле. Почему же так происходит?

Зелёный цвет “вырабатывался” и “вырабатывается” сейчас у растений уже миллиарды лет. Дело в том, что в состав клеток растений входит хлорофилл. Это вещество поглощает энергию солнечного цвета в красном и синем диапазоне, а зелёный цвет зёрна хролофилла отражают. Именно поэтому мы и видим растения зелёными.

Зерна хлорофилла – зеленого цвета, и этим мизерным крохам удается совершить сказочное превращение.

Через корни они берут воду и неорганические вещества, а затем под воздействием энергии солнечных лучей, без колб и пробирок производят химическую реакцию, которая приводит к тому, что молекулы воды делятся на водород и кислород. К водороду добавляется углекислота и образуются углеводы, а кислород уходит в атмосферу. Благодаря этой вечной фабрике по производству кислорода, мы и дышим.

Кстати, осенью, когда увядают листья, можно увидеть, какими бы были растения без зеленых хлорофиллов, которые при увядании листьев разрушаются и дают на недолгое время поцарствовать другим цветам спектра.

Хлорофилл – это органическое соединение, в котором все сгруппировано вокруг центрального атома магния. Это соединение имеет сложную электронную структуру. Оказывается, что эта структура обеспечивает поглощение красного и синего света и почти не поглощает зеленый, поэтому хлорофилл и выглядит зеленым. То, что поглощается именно красный и синий свет (или другими словами, то, что поглощаются фотоны определенного диапазона по энергии) есть всего лишь специфика электронной конфигурации этого соединения. Интересно отметить, что гемоглобин, который практически идентичен хлорофиллу, только с заменой центрального атома с магния на железо, имеет ярко алый цвет!

Энергетический спектр солнечного света имеет пик в сине-зеленой области, что заставило ученых долго ломать голову, почему же растения не поглощают наиболее доступный зеленый свет, а напротив — отражают его? Оказалось, что процесс фотосинтеза зависит не столько от общего количества солнечной энергии, сколько от энергии отдельных фотонов и числа фотонов, составляющих свет.

Каждый синий фотон несет больше энергии, чем красный, но Солнце преимущественно излучает красные. Растения используют синие фотоны из-за их качества, а красные — из-за их количества. Длина волны зеленого света лежит как раз между красным и синим, но зеленые фотоны не отличаются ни доступностью, ни энергией, поэтому растения их не используют.

В процессе фотосинтеза для фиксации одного атома углерода (полученного из углекислого газа, CO2) в молекуле сахара требуется не менее восьми фотонов, а для расщепления водород-кислородной связи в молекуле воды (H2O) — всего один. При этом появляется свободный электрон, необходимый для дальнейшей реакции. Всего же для образования одной молекулы кислорода (O2) нужно разорвать четыре таких связи. Для второй реакции образования молекулы сахара требуется еще как минимум четыре фотона. Надо отметить, что фотон должен обладать некоторой минимальной энергией, чтобы принять участие в фотосинтезе.

То, каким образом растения усваивают солнечный свет — поистине одно из чудес природы. Фотосинтетические пигменты не встречаются в виде отдельных молекул. Они образуют кластеры, состоящие как бы из множества антенн, каждая из которых настроена на восприятие фотонов определенной длины волны. Хлорофилл в основном поглощает красный и синий свет, а каротиноидные пигменты, придающие осенней листве красный и желтый цвет, воспринимают другой оттенок синего. Вся собранная этими пигментами энергия доставляется к молекуле хлорофилла, находящейся в реакционном центре, где и происходит расщепление воды с образованием кислорода.

Комплекс молекул в реакционном центре может осуществлять химические реакции, только если он получает красные фотоны или эквивалентное количество энергии в какой-то другой форме. Чтобы использовать синие фотоны, пигменты «антенны» превращают их высокую энергию в более низкую, подобно тому как ряд понижающих трансформаторов уменьшает 100 тыс. вольт линии электропередач до 220 вольт стенной розетки. Процесс начинается, когда синий фотон попадает на пигмент, поглощающий синий свет, и передает энергию одному их электронов его молекулы. Когда электрон возвращается в исходное состояние, он испускает эту энергию, но из-за тепловых и колебательных потерь меньше, чем поглотил.

Однако молекула пигмента отдает полученную энергию не в форме фотона, а в форме электрического взаимодействия с другой молекулой пигмента, которая способна поглотить энергию более низкого уровня. В свою очередь второй пигмент выделяет еще меньшее количество энергии, и этот процесс продолжается до тех пор, пока энергия исходного синего фотона не понизится до уровня красного.

Реакционный центр как приемный конец каскада приспособлен к тому, чтобы поглощать доступные фотоны с минимальной энергией. На поверхности нашей планеты красные фотоны — самые многочисленные и при этом обладают самой низкой энергией среди фотонов видимого спектра.

Но для подводных фотосинтезаторов красные фотоны не обязательно должны быть самыми многочисленными. Область света, используемая для фотосинтеза, меняется с глубиной, т.к. вода, растворенные в ней вещества и находящиеся в верхних слоях организмы фильтруют свет. В результате получается четкое расслоение живых форм в соответствии с их набором пигментов. Организмы из более глубоких слоев воды имеют пигменты, настроенные на свет тех цветов, которые не были поглощены слоями, лежащими выше. Например водоросли и цианеи имеют пигменты фикоцианин и фикоэритрин, поглощающие зеленые и желтые фотоны. У аноксигенных (т.е. не производящих кислород) бактерий есть бактериохлорофилл, поглощающий свет дальней красной и ближней инфракрасной (ИК) областей, который только и способен проникать в мрачные водные глубины.

Организмы, приспособившиеся к слабой освещенности, обычно растут медленнее, поскольку им приходится прикладывать больше усилий для поглощения всего доступного им света. На поверхности планеты, где свет в изобилии, растениям было бы невыгодно производить лишние пигменты, поэтому они избирательно используют цвета. Такие же эволюционные принципы должны работать и в других планетных системах.

Так же как водные существа приспособились к свету, отфильтрованному водой, обитатели суши адаптировались к свету, отфильтрованному атмосферными газами. В верхней части земной атмосферы самые многочисленные фотоны — желтые, с длиной волны 560–590 нм. Количество фотонов постепенно уменьшается в сторону длинных волн и круто обрывается в сторону коротких. По мере прохождения солнечного света сквозь верхние слои атмосферы водяной пар поглощает ИК в нескольких полосах длиннее 700 нм. Кислород дает узкий ряд линий поглощения вблизи 687 и 761 нм. Всем известно, что озон (О3) в стратосфере активно поглощает ультрафиолет (УФ), но он также немного поглощает и в видимой области спектра.

Итак, наша атмосфера оставляет окна, через которые излучение может достигнуть поверхности планеты. Диапазон видимого излучения ограничен с синей стороны резким обрывом солнечного спектра в коротковолновой области и поглощением УФ озоном. Красная граница определяется линиями поглощения кислорода. Пик количества фотонов сдвинут от желтого к красному (примерно к 685 нм) из-за обширного поглощения озоном в видимой области.

Растения приспособлены к этому спектру, который в основном определяется кислородом. Но нужно помнить, что кислород в атмосферу поставляют сами растения. Когда первые фотосинтезирующие организмы появились на Земле, кислорода в атмосфере было мало, поэтому растения должны были использовать иные пигменты, а не хлорофилл. Только по прошествии времени, когда фотосинтез изменил состав атмосферы, хлорофилл стал оптимальным пигментом.

Надежные ископаемые доказательства фотосинтеза имеют возраст около 3,4 млрд лет, но и в более ранних ископаемых остатках есть признаки протекания данного процесса. Первые фотосинтезирующие организмы должны были быть подводными отчасти потому, что вода — хороший растворитель для биохимических реакций, а также потому, что она обеспечивает защиту от солнечного УФ-излучения, что было важно при отсутствии атмосферного озонового слоя. Такими организмами были подводные бактерии, которые поглощали инфракрасные фотоны. Их химические реакции включали водород, сероводород, железо, но не воду; следовательно, они не выделяли кислород. И только 2,7 млрд лет назад цианобактерии в океанах начали оксигенный фотосинтез с выделением кислорода. Количество кислорода и озоновый слой постепенно увеличивались, позволяя красным и бурым водорослям подниматься к поверхности. А когда для защиты от УФ достаточным оказался уровень воды на мелководьях, появились зеленые водоросли. В них было мало фикобилипротенов, и они были лучше приспособлены к яркому свету у поверхности воды. Спустя 2 млрд лет после того как кислород начал накапливаться в атмосфере, потомки зеленых водорослей — растения — появились и на суше.

Читайте также:  Как приготовить грядку под чеснок на зиму

Растительный мир претерпел значительные изменения — стремительно возросло разнообразие форм: от мхов и печеночников до сосудистых растений с высокими кронами, которые поглощают больше света и приспособлены к разным климатическим зонам. Конические кроны хвойных деревьев эффективно поглощают свет в высоких широтах, где солнце почти не поднимается над горизонтом. Тенелюбивые растения для защиты от яркого света вырабатывают антоцианин. Зеленый хлорофилл не только хорошо приспособлен к современному составу атмосферы, но и помогает поддерживать его, сохраняя нашу планету зеленой. Не исключено, что следующий шаг эволюции даст преимущество организму, живущему в тени под кронами деревьев и использующему фикобилины для поглощения зеленого и желтого света. Но обитатели верхнего яруса, видимо, так и останутся зелеными.

Фотосинтезирующие организмы не ограничиваются зеленым цветом: некоторые растения имеют красные листья, а различные водоросли и фотосинтезирующие бактерии переливаются всеми цветами радуги. А пурпурные бактерии кроме видимого света используют инфракрасное излучение Солнца.

На Земле самым «длинноволновым» организмом является пурпурная аноксигенная бактерия, использующая инфракрасное излучение донных термальных источников с длиной волны около 1015 нм. Рекордсмены среди оксигенных организмов — морские цианобактерии, поглощающие при 720 нм.

Недавно была открыта фотосинтезирующая бактерия, обитающая на глубине приблизительно 2,4 километра, куда дневной свет не проникает. Впервые биологи столкнулись с бактерией GSB1 в образцах воды, забранных от области горячих источников, называемой 9 North, которая расположена недалеко от берега Мексики. Эти бактерии процветают в воде с температурой около 300 градусов по Цельсию, выходящей из отверстия в океанском дне. Анализ ДНК идентифицировал найденный новый организм как члена семейства зелёных серных бактерий, которые полагаются исключительно на фотосинтез, чтобы жить. Бактерии GSB1 имеют сложную систему антенн, которая позволяет им собирать слабый свет, происходящий от гидротермальных источников. Эта энергия передаётся центру реакций, где и происходит фотосинтез.

Не существует верхнего предела длины волны, который определялся бы законами физики. Просто фотосинтезирующей системе приходится использовать большее число длинноволновых фотонов по сравнению с коротковолновыми.

Некоторые исследования показали, что ранняя Земля вполне могла иметь пурпурную растительность, а не зелёную как сейчас. Об этом говорит Шил Дасшарма (Shil DasSarma) из университета Мэриленда (University of Maryland).

Действительно, эволюция привела к тому, что наши глаза очень чувствительны к зелёному свету. Почему бы растениям не обладать такой же способностью? Причина, по мнению Шила, в том, что хлорофилл появился после того, как другая светочувствительная молекула — ретинол — уже присутствовала на ранней Земле. Ретинол, сегодня находимый, к примеру, в мембране фотосинтетических микробов, называемых галобактериями, поглощает зелёный свет и отражает назад красный и фиолетовый, комбинация которых и кажется нам фиолетовой.

Примитивные микробы, которые использовали ретинол для усвоения солнечного света, возможно, доминировали на молодой Земле, рассуждает Дасшарма. Так что первые биологические “горячие точки” на нашей планете вполне могли отличаться фиолетовой окраской.

Получается, что развитие сначала микроорганизмов, а затем и растений, использующих для фотосинтеза хлорофилл и, следовательно, красный и синий части спектра, явилось результатом их конкурентной борьбы с “фиолетовыми” микробами. Последние просто захватили зелёную часть спектра, и потому, чтобы выжить, “опоздавшие родиться” существа с хлорофиллом внутри были вынуждены приспособиться к “поеданию” той части спектра, которая осталась свободной. В общем — борьба за ресурс в чистом виде.

Легко вообразить ситуацию, когда, скажем так, хлорофильные микроорганизмы развивались под богатым слоем микроорганизмов ретиноловых, забиравших у них зелёные лучи.

Почему же в результате красно-фиолетовые (по внешнему виду) организмы были вытеснены куда-то на обочину, в то время как зелёные завоевали планету? Шил объясняет это очень просто. Хотя хлорофилл использует далеко не пик солнечного спектра, зато, по сравнению с ретинолом, он применяет его куда более эффективно, как уже было сказано выше.

Предположение Дасшармы — только лишь предположение. Но оно имеет весомое обоснование. Так, скажем, ретинол имеет более простую структуру, чем хлорофилл. Ретинол легче воспроизвести в тех условиях, что существовали на ранней Земле (с низким уровнем кислорода). Кроме того, процесс, необходимый для того, чтобы сделать ретинол, очень подобен цепочке реакций, необходимых для синтеза жирных кислот, которая (цепочка), полагают учёные, была одним из ключевых условий для развития живых клеток. “Жирные кислоты были необходимы, чтобы сформировать мембраны в самых ранних клетках”, — говорит Дасшарма.

Наконец, галобактерии, которые используют ретинол для фотосинтеза, вообще-то — вовсе не бактерии. Эта группа организмов принадлежит надцарству по имени археи, чьё происхождение уходит так далеко назад во времени, что тогда у Земли ещё даже не было кислородной атмосферы! Всё это указывает на то, что ретинол возник раньше хлорофилла.

Однако не все учёные согласны с рассуждениями Дасшармы. Геохимик Дэвид Дес Марас (David Des Marais) из исследовательского центра Эймса (Ames Research Center) отмечает, что получение максимума энергии — это как обоюдоострый меч. Излишек энергии тоже может быть вредным, как и её недостаток. И растения на нашей планете вполне могли приспособиться к получению оптимального количества энергии.

Определяющим фактором является не разнообразие пигментов, а спектр света, достигающего поверхности планеты, который в свою очередь зависит от типа звезды.

Астрономы классифицируют звезды на основании их цвета, зависящего от их температуры, размера и возраста. Далеко не все звезды существуют достаточно долго для того, чтобы на соседних с ними планетах могла возникнуть и развиться жизнь. Долгоживущими являются звезды (в порядке уменьшения их температуры) спектральных классов F, G, K и М. Солнце относится к классу G. Звезды класса F больше и ярче Солнца, они горят, излучая более яркий голубой свет и сгорают примерно за 2 млрд лет. Звезды классов К и М меньше в диаметре, более тусклые, они краснее и относятся к категории долгоживущих.

Вокруг каждой звезды существует так называемая «зона жизни» — диапазон орбит, находясь на которых, планеты имеют температуру, необходимую для существования жидкой воды. В Солнечной системе такой зоной является кольцо, ограниченное орбитами Марса и Земли. У горячих F-звезд зона жизни находится дальше от звезды, а у более холодных К- и М-звезд она ближе. Планеты, находящиеся в зоне жизни F-, G- и К-звезд, получают примерно столько же видимого света, сколько Земля получает от Солнца. Вполне вероятно, что на них могла возникнуть жизнь на основе такого же оксигенного фотосинтеза, что и на Земле, хотя цвет пигментов может быть сдвинут в пределах видимого диапазона.

Звезды М-типа, так называемые красные карлики, представляют особый интерес для ученых, поскольку это наиболее распространенный тип звезд в нашей Галактике. Они излучают заметно меньше видимого света, чем Солнце: пик интенсивности в их спектре приходится на ближний ИК. Джон Равен (John Raven), биолог из Университета Данди в Шотландии, и Рэй Уолстенкрофт (Ray Wolstencroft), астроном Королевской обсерватории в Эдинбурге, предположили, что оксигенный фотосинтез теоретически возможен и при использовании фотонов ближнего ИК. При этом организмам придется использовать три или даже четыре ИК-фотона, чтобы разорвать молекулу воды, тогда как земные растения используют всего два фотона, которые можно уподобить ступеням ракеты, сообщающим энергию электрону для осуществления химической реакции.

Молодые М-звезды демонстрируют мощные УФ-вспышки, губительного действия которых можно избежать только под водой. Но водные толщи поглощают и прочие части спектра, поэтому находящимся на глубине организмам будет катастрофически не хватать света. Если так, то фотосинтез на этих планетах может и не развиться. По мере старения М-звезды уменьшается количество испускаемого ультрафиолета, на поздних стадиях эволюции его становится меньше, чем испускает наше Солнце. В этот период необходимость в защитном озоновом слое отсутствует, и жизнь на поверхности планет может процветать, даже если она не производит кислород.

Читайте также:  Как вкусно пожарить в духовке картошку

Вне зависимости от особенностей планеты фотосинтетические пигменты должны удовлетворять тем же требованиям, что и на Земле: поглощать фотоны с наименьшей длиной волны (высокоэнергичные), с наибольшей длиной волны (которые использует реакционный центр) или наиболее доступные. Чтобы понять, как тип звезды определяет цвет растений, пришлось объединить усилия исследователей разных специальностей.

Мартин Коэн (Martin Cohen), астроном из Калифорнийского университета в Беркли, собрал данные об F-звезде (сигма Волопаса), К-звезде (эпсилон Эридана), активно вспыхивающей М-звезде (AD Льва) и гипотетической спокойной М-звезде с температурой 3100 °К. Астроном Антигона Сегура (Antigona Segura) из Национального автономного университета в Мехико провела компьютерное моделирование поведения землеподобных планет в зоне жизни вокруг этих звезд. Используя модели Александра Павлова из Аризонского университета и Джеймса Кастинга (James Kasting) из Пенсильванского университета, Сегура изучила взаимодействие излучения звезд с вероятными компонентами атмосфер планет (полагая, что вулканы на них выбрасывают те же газы, что и на Земле), пытаясь выяснить химический состав атмосфер как лишенных кислорода, так и с его содержанием, близким к земному.

Используя результаты Сегура, физик из Лондонского университетского колледжа Джованна Тинетти (Giovanna Tinetti) рассчитала поглощение излучения в атмосферах планет с помощью модели Дэвида Криспа (David Crisp) из Лаборатории реактивного движения в Пасадене (Калифорния), применявшейся для оценки освещения солнечных панелей марсоходов. Интерпретация этих вычислений потребовала совместных усилий пяти специалистов: микробиолога Джанет Сиферт (Janet Siefert) из Университета Райса, биохимиков Роберта Бланкеншипа (Robert Blankenship) из Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Говинджи (Govindjee) из Иллинойского университета в гг. Эрбана и Шампейн, планетолога Виктории Медоуз (Victoria Meadows) из Университета штата Вашингтон и меня — биометеоролога из Годдардовского института космических исследований NASA.

Учёные пришли к выводу, что вблизи звезд класса F поверхности планет преимущественно достигают голубые лучи с пиком на 451 нм. Около К-звезд пик находится на 667 нм, это красная область спектра, что напоминает ситуацию на Земле. При этом важную роль играет озон, делая свет F-звезд более голубым, а свет К-звезд более красным, чем он есть на самом деле. Получается, что пригодное для фотосинтеза излучение в данном случае лежит в видимой области спектра, как и на Земле.

Таким образом, растения на планетах вблизи F- и K-звезд могут иметь почти тот же цвет, что и земные. Но у F-звезд поток богатых энергией голубых фотонов слишком интенсивен, поэтому растения должны хотя бы частично их отражать, используя экранирующие пигменты наподобие антоцианина, что придаст растениям голубоватую окраску. Впрочем, они могут использовать для фотосинтеза только голубые фотоны. В этом случае отражаться должен весь свет в диапазоне от зеленого до красного. Это приведет к характерному голубому обрыву в спектре отраженного света, что несложно будет заметить с помощью телескопа.

Широкий диапазон температур у звезд класса М предполагает разнообразие цвета их планет. Обращаясь вокруг спокойной М-звезды, планета получает вдвое меньше энергии, чем Земля от Солнца. И хотя для жизни этого, в принципе, достаточно — это раз в 60 больше, чем требуется тенелюбивым растениям на Земле, — большинство фотонов, идущих от этих звезд, относятся к ближней ИК-области спектра. Но эволюция должна способствовать появлению разнообразных пигментов, способных воспринимать весь спектр видимого и инфракрасного света. Поглощающие практически все излучение растения могут выглядеть даже черными.

История развития жизни на Земле показывает, что ранние морские фотосинтезирующие организмы на планетах вблизи звезд классов F, G и K могли бы жить в первичной бескислородной атмосфере и развить систему оксигенного фотосинтеза, что позже привело бы к появлению наземных растений. Со звездами класса М ситуация сложнее. Результаты вычислений свидетельствуют о том, что оптимальное место для фотосинтезаторов находится на 9 м под водой: слой такой глубины задерживает губительный ультрафиолет, но пропускает достаточно видимого света. Конечно, мы не заметим эти организмы в наши телескопы, но именно они могли бы стать основой сухопутной жизни. В принципе, на планетах вблизи М-звезд растительная жизнь, используя различные пигменты, может быть почти столь же разнообразной, как и на Земле.

Но позволят ли будущие космические телескопы увидеть следы жизни на этих планетах? Ответ зависит от того, каково будет соотношение водной поверхности и суши на планете. В телескопы первого поколения планеты будут выглядеть как точки, о детальном изучении их поверхности не может быть речи. Все, что ученые получат — это суммарный спектр отраженного света. На основе своих вычислений Тинетти утверждает, что для идентификации растений по этому спектру не менее 20% поверхности планеты должны быть сушей, покрытой растениями и не закрытой облаками. С другой стороны, чем больше площадь морей, тем больше кислорода выделяют в атмосферу морские фотосинтезаторы. Поэтому чем ярче выражены пигментные биоиндикаторы, тем сложнее заметить кислородные биоиндикаторы, и наоборот. Астрономы смогут обнаружить либо те, либо другие, но не оба сразу.

Если космический телескоп зафиксирует темную полосу в спектре отраженного света какой-либо планеты, и эта полоса будет соответствовать одному из предсказанных цветов, то сидящий за монитором телескопа человек окажется первым, кто увидит следы живого на других планетах. Конечно, необходимо будет исключить все прочие интерпретации: например планета может быть покрыта цветными минералами. Сейчас мы ожидаем, что цвет растений на других планетах ограничивается зеленым, желтым и оранжевым. К сожалению, сказать что-либо точнее мы пока не можем. На Земле растения имеют характерную окраску благодаря хлорофиллу, что позволяет нам замечать с искусственных спутников области, покрытые растениями или водорослями. Будут ли растения на других планетах иметь столь же характерные свойства, мы пока не знаем.

Наличие жизни на других планетах — настоящей жизни, а не только ископаемых останков или микробов, с трудом выживающих в экстремальных условиях, — может быть обнаружено в самом ближайшем будущем. Но какие из звезд мы должны изучать в первую очередь? Сможем ли мы зарегистрировать спектры планет, расположенных близко к звездам, что особенно актуально в случае М-звезд? В каких диапазонах и с каким разрешением должны наблюдать наши телескопы? Понимание основ фотосинтеза поможет нам создать новые приборы и интерпретировать полученные данные. Проблемы такой сложности могут быть решены только на стыке различных наук. Пока мы находимся лишь в начале пути. Сама возможность поиска внеземной жизни зависит от того, насколько глубоко мы понимаем основы жизни здесь, на Земле.

источник

Мир флоры разнообразен. Нас окружают цветы, кустарники, деревья, травы множества оттенков, но преобладающим в цветовой гамме является зеленый. Но почему растения зеленые?

Растения по праву называют легкими планеты. Перерабатывая вредный углекислый газ, они дарят человечеству и окружающей среде кислород. Этот процесс носит название фотосинтез, а пигмент отвечающий за него – хлорофилл.

Именно благодаря молекулам хлорофилла неорганические вещества превращаются в органические. Самым важным из них является кислород, но в то же время в процессе фотосинтеза растениями вырабатываются белки, сахар, углеводы, жиры, крахмал.

Со школьной программы известно, что началом химической реакции является попадание на растение солнечного или искусственного света. Хлорофиллом поглощаются не все световые волны, а лишь определенной длины. Наиболее быстро это происходит от красных до сине-фиолетовых.

Зеленый же растениями не поглощается, а отражается. Именно это видно глазам человека, следовательно, представители флоры вокруг нас имеют зеленый цвет.

Достаточно длительное время ученые бились над вопросом: почему зеленый спектр отражается? В итоге выяснилось, что природа просто не тратит силы зря, потому как этот мельчайшие частички света – фото этого цвета не обладают никакими выдающимися качествами, тогда как синие фотоны – источники полезной энергии, в красных содержится наибольшее количество. Как тут не вспомнить, что ничего в природе не делается просто так.

Биологи с уверенностью говорят о том, что произошли растения от чего-то, похожего на водоросли, а хлорофилл появился под воздействием эволюционных процессов.

В природе же другие цвета изменяются под воздействием света. Когда его становится меньше, листья и стебли начинают отмирать. Хлорофилл, отвечающий за яркий зеленый цвет, распадается. На смену ему приходят другие пигменты, отвечающие за яркие краски. Красные и желтые листья свидетельствуют о том, что преобладающим стал каротин. За желтый цвет еще отвечает пигмент ксантозин. Если в растении невозможно найти зеленый цвет, в том «вина» антоцианов.

Открытие процесса преобразования углекислого газа в кислород произошло случайно и было сделано английским химиком Джозефом Пристли. Ученый искал способ очистить «испорченный воздух» (так называли в то время углекислый газ). И в ходе экспериментов под стеклянный колпак, вместо мыши и свечи, было отправлено растение, которое, вопреки ожиданиям, выжило. Следующим шагом стало подсаживание к цветку в горшке мыши. И чудо произошло – животное не погибло от удушья. Так был сделан вывод о возможности преобразования углекислого газа в кислород.

Большое внимание и много времени роли хлорофила и процессу фотосинтеза посвятил русский естествоиспытатель Климент Аркадьевич Тимирязев. Его главные научные заслуги:

  • доказательство распространения закона сохранения энергии на процесс фотосинтеза, что отрицалось западными исследователями;
  • установления факта участия в фотосинтезе только поглощаемых растением световых лучей.

Работы К.А. Тимирязева заложили прочную основу для учения о превращении воды и углекислого газа в органические полезные вещества под воздействием света. Сейчас наука шагнула далеко вперед, некоторые исследования претерпели изменения (например, факт разложения световым лучом не углекислого газа, а воды), но можно с уверенностью говорить том, что именно им были изучены азы. Ознакомиться с трудом ученого позволит книга «Жизнь растения» – это увлекательные и познавательные факты о питании, росте, развитии и размножении зеленых растений.

Фотосинтез и хлорофил находятся в тесной связи, если говорить о том, почему растения именно зеленого цвета. Световой луч имеет несколько спектров, одни из которых поглощаются и участвуют в химическом процессе преобразования углекислого газа в кислород. Зеленый же отражается и отдает свой цвет листьям и стеблям – и это видно человеческому взору.

источник

С вопросом о том, почему же трава зеленая, сталкивается в среднем каждая молодая семья. Дети с определенного возраста интересуются всем окружающим миром, задают тысячи вопросов о птицах, деревьях, животных, и зелень непременно станет объектом их повышенного внимания. Этот, казалось бы, простой вопрос часто ставит родителей в тупик, которые должны слету вспомнить курс школьной программы и понятным ребенку языком объяснить процессы, происходящие в природе и приводящие в результате к зеленому окрасу травы и листьев.

Зеленая трава

Поэтому мы предлагаем заранее освежить в памяти все аспекты этого вопроса и рассмотреть его с биологической, физической и химической точек зрения. Но для начала вспомним о том, каково значение трав в жизни человека.

Травой, в первую очередь, называют те растения, у которых нет одревесневших стеблей. Большинство людей считают, что трава не бывает высокой, но это не так. Стоит вспомнить банан – высокое и мощное растение, высота которого достигает 6 метров. Но все же стебель банана не является древесиной, что и определяет его в разряд «травянистых».

Бананы – это тоже трава

С древних времен травы играют важную роль в жизни человека и имеют широкое практическое применение. Их издавна используют в медицине, кулинарии, для бытовых целей и как защиту от злых духов.

Алоэ

Например, алоэ и каланхоэ – лучшая первая помощь при порезах, ожогах и даже как средство лечения кашля. Знакомые каждому петрушка и укроп, свежий салат и щавель включены в рацион питания каждого человека, поскольку они наполнены витаминами, необходимыми для здоровья. Клевер снимает усталость, мята избавляет от головной боли, чабрец успокаивает нервы и оказывает расслабляющее действие на организм в целом.

Каланхоэ

Таким образом, травы играют немаловажную роль в нашей жизни и, вместе с тем, несут нам огромную пользу. Но вернемся к главному вопросу, почему же трава зеленая?

Начнем с того, что каждая клетка травянистых растений содержит хлоропласты, в свою очередь содержащие хлорофилл.

В переводе с греческого, хлорофилл – это «зеленый лист», поскольку он имеет зеленый цвет и придает его травянистым растениям. Когда на траву попадают солнечные лучи, в ней начинается процесс фотосинтеза, во время которого происходит переработка углекислого газа в кислород, необходимый не только для всего живого на Земле, но и для существования жизни в принципе.

Процесс фотосинтеза

Главную роль в процессе фотосинтеза играет хлорофилл, поэтому травянистые растения отличаются именно зеленым окрасом.

Когда световой день идет на спад и трава получает намного меньше солнца, хлорофилл разрушается. Этот процесс начинается осенью, когда трава желтеет и засыхает.

С физической точки зрения, окрас травы зависит от пропорции полученных и поглощенных цветов по отношению к отражаемому цвету, проще говоря, трава приобретает тот цвет, который она отражает. Эти знания, кстати, мы часто практикуем и применяем в жизни. Например, летом человек надевает предпочтительно светлую одежду, чтобы «не нагреваться» на солнце.

Зеленая трава с точки зрения физики

Солнечный свет обладает полноценной палитрой цветов, в состав которой входят красный и оранжевый, желтый и зеленый, голубой, синий и фиолетовый цвета. Трава поглощает все перечисленные цвета, но отражает только зеленый цвет. Этому есть объяснение: для фотосинтеза травянистым растениям не требуются зеленые «солнечные» лучи. Для выработки энергии, которая в дальнейшем передается клеткам растений, хлорофилл выбирает красный и фиолетовый цвета. Зеленый же отдает слишком мало энергии и может только повредить пигмент. Поэтому зеленый цвет отражается от травы, и глаз человека его улавливает, воспринимая это как зеленый окрас.

Химия тоже не осталась в стороне при решении вопроса об окрасе травы и выдвинула собственное объяснение.

Как уже ранее отмечалось в разделе биологии, вещество хлорофилла имеет зеленый оттенок, придающий зеленый цвет и травянистым растениям. Но остается открытым вопрос, откуда появился зеленый окрас у хлорофилла.

Магний делает траву зеленой

Ученые выдвинули гипотезу, что окрас различных органических соединений зависит от содержания в них металлов. Например, как известно, гемоглобин содержит железо, которое окрашивает кровь в красный цвет. Также и с травянистыми растениями: к зеленому окрасу приводит магний, содержащийся в хлорофиллах.

Но эта гипотеза уже столкнулась с возражениями, поскольку замена магния в хлорофиллах на цинк не повлекла за собой изменения цвета травянистых растений, которые так и остались зелеными.

Объяснения, перечисленные выше, подходят для взрослого человека или хотя бы для школьника, знакомого с биологией, физикой и химией. Но подобного рода вопросы чаще задают дети младшего возраста, и ответить им лучше как можно проще и понятнее, опуская некоторые детали относительно поглощения и отражения, цветовой палитры, химического состава и прочего.

Стоит рассказать о том, что травянистые растения – это живые организмы, ровно как и люди, птицы и животные. И как любое живое существо, они должны ежедневно питаться. Питается трава главным образом солнечным светом. А в этом ей помогает хлорофилл – вещество, из которого состоят растения и оно зеленого цвета.

Благодаря нему, солнечный свет становится питательным для травы, поэтому хлорофилла в траве содержится много. А поскольку он зеленого цвета, то и у травы образуется зеленый окрас.

Конечно, это объяснение далеко от точного и развернутого, но оно будет понятным для ребенка, особенно если параллельно приводить наглядные примеры. С возрастом он расширит свои знания в этом вопросе во время школьного курса, но зато вы теперь избежите неловкой паузы, если чей-то ребенок внезапно спросит: «А почему трава зеленая?»

источник

Adblock
detector