Содержание
Ученые поняли, почему растения зеленые
Листья растений зеленые из-за содержащегося в них хлорофилла — пигмента, необходимого для фотосинтеза. Но почему пигмент именно зеленый? Какие факторы повлияли на это? Давайте разбираться.
Елена Ли
В ходе фотосинтеза из углекислого газа, воды и минеральных веществ растения создают для себя питательные вещества и бонусом для живых существ производят кислород. Процесс этот невозможен без поглощения солнечного света молекулами хлорофилла, который содержится в листьях растений. Энергия света поддерживает химические реакции.
На первый взгляд может показаться, что фотосинтез будет протекать эффективнее, если растение получит больше световой энергии. Пик излучения нашего светила приходится на голубой цвет (см. рисунок), однако атмосфера сильнее всего рассеивает именно его. Этим, кстати, объясняется, почему небо голубое. После прохождения атмосферы солнечный свет становится наиболее интенсивным в зелено-желтой области.
Почему же листья отражают зеленый свет и поглощают все остальные?
Физик Натаниэль Габор из Калифорнийского университета в Риверсайде уже несколько лет занимается изучением этого парадокса. Теперь, возглавив международную группу ученых, он поставил эксперимент, результаты которого опубликованы в журнале Science.
Исследователи создали систему, которая излучает свет разных длин волн, но поддерживает постоянную суммарную интенсивность. Оказалось, что все зависит от количества получаемой растениями энергии. Если фотосинтез сравнить с процессом наполнения воронки водой, а саму воду — с солнечной энергией, то чтобы процесс шел эффективно, уровень воды должен постоянно быть одинаковым: сколько поступило, столько и вылилось через нижнее отверстие.
Если скорость заполнения воронки водой превысит скорость ее вытекания, вода перельется через край. Придется бежать за тряпкой. Избыточная энергия в растительных клетках приводит к окислительным процессам, вредным для жизни растений.
Возможно, именно поэтому растения отражают наиболее интенсивный зеленый свет из спектра излучения Солнца — чтобы спастись от «лишней» энергии.
Кроме описанного механизма, существуют дублирующие способы защиты от избыточного излучения. Ученые полагают, что части растений двигаются не только вслед за Солнцем, но и отворачиваются от него, когда света больше, чем нужно. Кроме этого, в растительных клетках присутствует белок UVR8, чувствительный к губительному ультрафиолетовому излучению. Белок сигнализирует о попадании вредных лучей на поверхность листа, и запускаются защитные механизмы.
Что еще, кроме научного интереса, дадут миру результаты Габора и его команды? Открытый учеными простой принцип «лишней» энергии пригодится при проектировании солнечных элементов в системах «зеленой» энергетики. Вот так обычный детский вопрос помог решить часть серьезных «взрослых» проблем всего человечества.
Почему растения зелёные? Причины, фото и видео
Содержание:
Мир флоры разнообразен.
Нас окружают цветы, кустарники, деревья, травы множества оттенков, но преобладающим в цветовой гамме является зеленый. Но почему растения зеленые?
Причины зеленого цвета
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.
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.
Почему именно зеленый цвет?
Свет через призму
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.
Откуда в растениях яркие краски?
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.
Труды ученых о фотосинтезе и хлорофилле
Как открыли фотосинтез?
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.
Климент Аркадьевич Тимирязев
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.
Почему растения зелёные – интересное видео
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Почему растения зеленые? | Спросите Dr. Universe
Дорогая Надя,
Пышный тропический лес, поле подсолнухов, сад в вашем районе. Наша Земля является домом для всех видов растительной жизни. От деревьев до кошачьей мяты существуют тысячи различных видов растений. Большинство этих растений зеленые, но не все.
Вот что я узнал от своей подруги Линды Чалкер-Скотт. Она профессор садоводства в Вашингтонском государственном университете и много знает о том, как работают растения.
Чалкер-Скотт сказал, что растения зеленые, потому что они содержат хлорофилл, природный пигмент, придающий им цвет. Растение состоит из миллионов клеток. Внутри некоторых из этих клеток мы находим хлорофилл.
Если вы помните наш вопрос о том, почему небо голубое, то знаете, что солнечный свет — это сочетание всех цветов радуги. Этот свет отражается, отражается и поглощается таким образом, что позволяет нам видеть массу разных цветов.
Хлорофилл очень хорошо поглощает красный и синий свет.
Но он не поглощает зеленый свет. Вместо этого зеленый свет отражается обратно к нам, и это то, что видят наши глаза.
Если вы чем-то похожи на меня, возможно, вы ищете первые признаки весны. Здесь, где я живу, все еще немного снежно, но если мы присмотримся, то увидим немного зелени, торчащей из земли.
Эти растения греются на солнышке. Поскольку растения всасывают воду своими корнями, они также захватывают вещество из воздуха, называемое углекислым газом. Они используют эти ингредиенты, чтобы сделать специальные сахара, чтобы выжить. Этот процесс также приводит к выработке кислорода, которым мы дышим. Солнечный свет запускает всю эту реакцию, называемую фотосинтезом.
Это происходит не только на суше. Фотосинтез происходит и в наших океанах. Мелкие водоросли и растительные организмы, известные как фитопланктон, также используют хлорофилл для производства собственного топлива. Они также производят около половины кислорода нашей планеты.
А как насчет тех растений, у которых нет хлорофилла? Как они могли бы выжить, если бы не могли улавливать солнечный свет? Чалкер-Скотт рассказал мне о растениях, таких как индийская трубка, белая, и сосновая капля, коричневая.
У них нет инструментов, необходимых для получения солнечной энергии и приготовления пищи. Вместо этого они питаются корнями окружающих деревьев. Это паразиты растений.
Мы также находим растения с красными, пурпурными и желтыми листьями. У них все еще есть хлорофилл, сказал Чалкер-Скотт, но другие цвета маскируют зеленый цвет.
Какие растения, цветы и деревья растут на вашем заднем дворе или в вашем районе? Отправьте рисунок или изображение своей коллекции растений на адрес [email protected].
С уважением,
Dr. Universe
О СПРОСИТЕ DR. UNIVERSE
- Ask Dr. Universe связывает учащихся K-8 с исследователями из Университета штата Вашингтон посредством вопросов и ответов. Учащиеся могут задавать научные вопросы на странице ASK.
- Вы учитель, родитель или любопытный взрослый? Следите за новостями в Twitter или Facebook.
- Вы хотите перепечатать эти вопросы и ответы? Просто отправьте сообщение на Dr.Universe@wsu. edu
eduПочему растения зеленые? | Новости
Когда солнечный свет, падающий на лист, быстро меняется, растения должны защищать себя от возникающих внезапных всплесков солнечной энергии. Чтобы справиться с этими изменениями, фотосинтезирующие организмы — от растений до бактерий — разработали множество тактик. Однако ученые не смогли определить лежащий в основе принцип конструкции.
Международная группа ученых под руководством физика Натаниэля М. Габора из Калифорнийского университета в Риверсайде построила модель, которая воспроизводит общую особенность фотосинтетического сбора света, наблюдаемую у многих фотосинтезирующих организмов.
Натаниэль Габор — адъюнкт-профессор физики Калифорнийского университета в Риверсайде. (CIFAR)
Сбор света — это сбор солнечной энергии молекулами хлорофилла, связанными с белком. В фотосинтезе — процессе, посредством которого зеленые растения и некоторые другие организмы используют солнечный свет для синтеза пищи из углекислого газа и воды — сбор энергии света начинается с поглощения солнечного света.
Модель исследователей заимствует идеи из науки о сложных сетях — области исследований, изучающей эффективную работу сетей мобильных телефонов, мозга и энергосистемы. Модель описывает простую сеть, способную вводить свет двух разных цветов, но выдавать постоянную мощность солнечной энергии. Этот необычный выбор только двух входов имеет замечательные последствия.
«Наша модель показывает, что, поглощая только очень определенные цвета света, фотосинтезирующие организмы могут автоматически защищать себя от внезапных изменений — или «шума» — солнечной энергии, что приводит к удивительно эффективному преобразованию энергии», — сказал Габор, доцент физики и астрономии, который руководил исследованием, опубликованным сегодня в журнале Science. «Зеленые растения кажутся зелеными, а пурпурные бактерии кажутся пурпурными, потому что только определенные области спектра, которые они поглощают, подходят для защиты от быстро меняющейся солнечной энергии».
Видео.
Габор впервые задумался об исследованиях фотосинтеза более десяти лет назад, когда он был докторантом Корнельского университета.
Он задавался вопросом, почему растения отвергают зеленый свет, самый интенсивный солнечный свет. На протяжении многих лет он работал с физиками и биологами по всему миру, чтобы больше узнать о статистических методах и квантовой биологии фотосинтеза.
Ричард Когделл, известный ботаник из Университета Глазго в Соединенном Королевстве и соавтор исследовательской работы, призвал Габора расширить модель, включив в нее более широкий спектр фотосинтезирующих организмов, которые растут в условиях, когда падающий солнечный спектр очень интенсивен. разные.
«Удивительно, но затем мы смогли показать, что модель работает и с другими фотосинтезирующими организмами, помимо зеленых растений, и что модель определила общее и фундаментальное свойство фотосинтетического сбора света», — сказал он. «Наше исследование показывает, как, выбирая, где вы поглощаете солнечную энергию по отношению к падающему солнечному спектру, вы можете минимизировать шум на выходе — информацию, которую можно использовать для повышения производительности солнечных элементов».
Соавтор Риенк ван Гронделл, влиятельный физик-экспериментатор из Амстердамского свободного университета в Нидерландах, работающий над первичными физическими процессами фотосинтеза, сказал, что группа обнаружила, что спектры поглощения некоторых фотосинтетических систем выбирают определенные области спектрального возбуждения, которые подавляют шум и максимизируют запасенная энергия.
«Этот очень простой принцип проектирования может также применяться при разработке солнечных элементов, созданных руками человека», — сказал ван Гронделл, имеющий большой опыт фотосинтетического сбора света.
Габор объяснил, что растения и другие фотосинтезирующие организмы используют широкий спектр тактик для предотвращения повреждения из-за чрезмерного пребывания на солнце, начиная от молекулярных механизмов высвобождения энергии и заканчивая физическим движением листа для отслеживания движения солнца. Растения даже разработали эффективную защиту от ультрафиолета, как в солнцезащитном креме.
«Очевидно, что в сложном процессе фотосинтеза защита организма от чрезмерного воздействия является движущим фактором успешного производства энергии, и это вдохновение мы использовали для разработки нашей модели», — сказал он. «Наша модель включает в себя относительно простую физику, но она согласуется с огромным набором наблюдений в биологии. Это удивительно редко. Если наша модель выдержит дальнейшие эксперименты, мы можем найти еще большее соответствие между теорией и наблюдениями, что даст более полное представление о внутренней работе природы».
Чтобы построить модель, Габор и его коллеги применили простую физику сетей к сложным деталям биологии и смогли сделать четкие, количественные и общие утверждения о весьма разнообразных фотосинтезирующих организмах.
«Наша модель — это первое основанное на гипотезе объяснение того, почему растения зеленые, и мы даем дорожную карту для проверки модели с помощью более подробных экспериментов», — сказал Габор.
Фотосинтез можно представить себе как кухонную раковину, добавил Габор, куда вода поступает из крана, а слив позволяет воде вытекать.
Если поток в раковину намного больше, чем поток наружу, раковина переполняется, и вода разливается по всему полу.
«При фотосинтезе, если поток солнечной энергии в светособирающую сеть значительно больше, чем исходящий, фотосинтетическая сеть должна адаптироваться, чтобы уменьшить внезапный переток энергии», — сказал он. «Когда сеть не справляется с этими колебаниями, организм пытается выбросить лишнюю энергию. При этом организм подвергается окислительному стрессу, который повреждает клетки».
Исследователи были удивлены тем, насколько общей и простой является их модель.
«Природа всегда будет вас удивлять», — сказал Габор. «Что-то, что кажется таким сложным и запутанным, может работать на основе нескольких основных правил. Мы применили модель к организмам в разных фотосинтетических нишах и продолжаем воспроизводить точные спектры поглощения. В биологии из каждого правила есть исключения, причем настолько, что найти правило обычно очень сложно. Удивительно, но мы, похоже, нашли одно из правил фотосинтетической жизни».
Габор отметил, что за последние несколько десятилетий исследования фотосинтеза были сосредоточены в основном на структуре и функции микроскопических компонентов процесса фотосинтеза.
«Биологи хорошо знают, что биологические системы обычно не настроены точно, учитывая тот факт, что организмы мало контролируют свои внешние условия», — сказал он. «Это противоречие до сих пор не устранено, потому что не существует модели, связывающей микроскопические процессы с макроскопическими свойствами. Наша работа представляет собой первую количественную физическую модель, разрешающую это противоречие».
Затем, при поддержке нескольких недавних грантов, исследователи разработают новый метод микроскопии, чтобы проверить свои идеи и усовершенствовать технологию фотобиологических экспериментов с использованием инструментов квантовой оптики.
«Есть многое, что нужно понять о природе, и она выглядит только красивее, когда мы разгадываем ее тайны», — сказал Габор.
К Габору, Когделлу и ван Гронделлу в исследовании присоединились Тревор Б.