Energia neeldumise seisukohast oleks taimedel kindlasti veelgi kasulikum olla punase või rohelise asemel must. Ja päikesepatareid on tõepoolest üsna tumedad.

Kuid nagu Rory märkis, toodavad suurema energiaga footonid ainult soojust. Selle põhjuseks on asjaolu, et fotosünteesi abil toimuvad keemilised reaktsioonid vajavad ainult teatud kogust energiat ja suurema energiaga footonite poolt saadavat ülemäärast kogust ei saa lihtsalt kasutada teise reaktsiooni jaoks ¹ , vaid need annavad soojust. Ma ei tea, kui palju vaeva see tegelikult põhjustab, kuid on veel üks punkt:

Nagu selgitatud, ei määra päikeseenergia muundamise efektiivsust mitte energia footoni kohta, vaid saadaolevate footonite hulk. Nii et peaksite heitma pilgu päikesevalguse spektrile:

Kuid kiirgus on siiski energiatihedus meid huvitab footonite tihedus, seega peate selle kõvera jagama ühe footoni energiaga, mis tähendab, et korrutage see λ / (hc) -ga (see tähendab, et suuremad lainepikkused vajavad sama kiirguse saavutamiseks rohkem footoneid). Kui võrrelda seda kõverat, mis on integreeritud suure energiaga footonite (näiteks λ < 580 nm) ja madala energiaga, siis märkate, et vaatamata atmosfääri kadudele (punane kõver on see, mis päikesevalgusest on alles merepinnast) on palju rohkem "punaseid" footoneid kui "rohelisi", nii et lehtede punaseks muutmine raiskaks palju potentsiaalselt muundatud energiat ² .

Muidugi, see pole ikka veel seletust, miks lehed pole lihtsalt mustad - kogu valguse neelamine on kindlasti veelgi tõhusam, kas pole? Ma ei tea orgaanilise keemia kohta piisavalt, kuid arvan, et pole nii laia imendumisspektriga orgaanilisi aineid ja teist tüüpi pigmendi lisamine ei pruugi end ära tasuda. ³

¹⁾ Teoreetiliselt on võimalik , kuid see on äärmiselt mittelineaarne protsess ja seega liiga ebatõenäoline, et sellest tegelikult kasu oleks (vähemalt taimekeskkonnas)
²⁾ Kuna vesi neelab punast valgust tugevamalt kui roheline ja sinine valgus, on süvamere taimedel parem punane olla, nagu Marta Cz-C mainis.
³ Ja muid alternatiive, näiteks päikesepatareides kasutatavaid pooljuhte, taimedes tõenäoliselt ei kohta ...

Lisalugemine, soovitatud autor: Dave Jarvis:

• http://pcp.oxfordjournals.org/content/50/4/684.full
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3691134/
• http: // www. life.illinois.edu/govindjee/photosynBook/Chapter11.pdf
• https://www.heliospectra.com/sites/default/files/general/What%20light%20do % 20plants% 20need_5.pdf

Usun, et see on tingitud kompromissist suure hulga footonite neelamise ja liiga suure soojuse neelamise vahel. Kindlasti on see põhjus, miks lehed pole mustad - fotosünteesis olevaid ensüüme denatureeriks tekkiv liigne kuumus.

Siin on üsna lõbus artikkel, milles käsitletakse hüpoteetiliste taimede värve teiste tähtede ümber olevatel planeetidel.

Tähte liigitatakse nende spektraaltüübi järgi, mille määrab nende pinnatemperatuur. Päikese omad on suhteliselt kuumad ja spektri energiajaotuse tipud on spektri rohelises piirkonnas. Kuid enamus galaktika tähtedest on K ja M tüüpi tähed, mis kiirgavad peamiselt punast ja infrapuna.

See on selle arutelu jaoks asjakohane, kuna mis tahes fotosüntees nendes maailmades peaks jätkamiseks nende valguse lainepikkustega kohanema. Jahedate tähtede ümbruses olevatel planeetidel võib taimeelu (või selle ekvivalent) olla must!

OK, see pole päris taevas astrobioloogi prügi. See on tegelikult üsna asjakohane biosignatuuride ja elu otsimisel teistel planeetidel. Vaadeldavate planeetide peegeldusspektri (st primaarsest tähest peegelduva valguse) modelleerimiseks peame proovima ja arvestama võimaliku taimestikuga.

Näiteks kui võtame Maal näeme punases "punases servas" iseloomulikku tippu, mis on tingitud taimede pindmisest elust.

NASA-l on sellel siin lühike leht.

Siin on kaks tegurit. Esiteks on tasakaal selle vahel, kui palju energiat saab taim koguda ja kui palju ta suudab ära kasutada. See pole liiga suure kuumuse, vaid liiga paljude elektronide probleem. Kui küsimus oleks kuumuses, oleks paljudel nende musta pigmentatsiooni jaoks valitud lilledel kroonlehed ära küpsenud. ;)

Need elektronid viiakse seejärel molekulidesse, kuhu neid ei tohiks üle kanda, tekitades vabu radikaale, tekitades taime rakkudes laastamist. Õnneks toodavad taimed muid ühendeid, mis hoiavad ära osa kahjustustest, absorbeerides ja möödudes elektronidest nagu kuumad kartulid. Need antioksüdandid on meile kasulikud ka siis, kui me neid sööme.

See seletab, miks taimed koguvad valgusenergia, mida nad teevad, kuid ei selgita, miks nad on rohelised, mitte hallid ega tumepunased. Kindlasti on ka teisi pigmente, mis suudaksid elektronide transpordiahelale elektrone genereerida.

Vastus sellele on sama, miks ATP kasutatakse peamise energiatranspordimolekulina. organismides, mitte GTP-s või muus.

Klorofüll a ja b olid just esimesed asjad, mis selle nõude täitsid. Kindlasti oleks energia võinud koguda mõni muu pigment, kuid parameetriruumi seda piirkonda polnud vaja kunagi uurida.

Ma tean, et see küsimus esitati ja sellele vastati mitu aastat tagasi (paljude suurepäraste vastustega), kuid ma ei suutnud jätta märkamata, et keegi pole sellele lähenenud evolutsioonilisest perspektiiv (nagu sellele küsimusele vastus) ...

Lühike vastus

Pigmendid ilmuvad mis tahes värvina, mis pole imendunud (st need paistavad olenevalt valguslaine (te) st, mida nad peegeldavad).

Sinine valgus oli varajaste veealuste taimede jaoks kõige kättesaadavam valguse lainepikkus, mis tõi kaasa klorofülli vahendatud fotosüteemide esialgse arengu / arengu, mida tänapäevastes taimedes ikka veel nähakse. Sinine valgus on kõige kättesaadavam, kõige rohkem suure energiaga valgus, mis jõuab jätkuvalt taimedeni, ja seetõttu pole taimedel põhjust mitte jätkata selle rikkaliku suure energiaga valguse kasutamist fotosünteesi jaoks. valgust, nii et taimed hõlmaksid ideaalis pigmente, mis suudaksid neelata kõige kättesaadavamat valgust. See on nii, kuna nii klorofüll a kui ka b neelavad peamiselt sinist valgust. Punase valguse neeldumine tekkis tõenäoliselt pärast taimede maale liikumist tänu suurenenud arvukusele (võrreldes vee all) ja suurema fotosünteesi efektiivsusega.

Pikk vastus

Varajane Taimed arendavad kaasaegset fotosüsteemi

Selgub, et nagu ka valguse eri lainepikkuste läbilaskvuse varieeruvus läbi atmosfääri, on teatud valguse lainepikkused ka sügavamatesse veesügavustesse tungivad. Sinine valgus liigub tavaliselt sügavamale sügavusele kui kõik muud nähtavad valguse lainepikkused. Seetõttu oleksid varaseimad taimed arenenud, et keskenduda EM spektri selle osa neelamisele.

Kuid märkate, et ka roheline tuli tungib suhteliselt sügavalt. Praegune arusaam on see, et kõige varasemad fotosünteesivad organismid olid veearheed ja nende arheed (nende iidsete organismide tänapäevaste näidete põhjal) kasutasid suurema osa rohelise tule neelamiseks bakteriorhopiini.

Varased taimed kasvasid nende lillakate bakteriorhopiini tootvate bakterite all ja pidid kasutama mis tahes valgust. Seetõttu arenes taimedes klorofüllisüsteem neile kättesaadava valguse kasutamiseks. Teisisõnu, tuginedes sinise / rohelise valguse sügavamale läbitungivusele ja ülaltoodud pelaagilistele bakteritele rohelise tule kättesaadavuse kadumisele, arendasid taimed välja fotosüsteemi, et see neelduks peamiselt sinises spektris, kuna see oli kõige kättesaadavam valgus neile .

• Erinevad pigmendid neelavad erineva lainepikkusega valgust, nii et taimed hõlmaksid ideaalis pigmente, mis suudaksid neelata võimalikult palju valgust. See on nii, kuna nii klorofüll a kui ka b neelavad peamiselt sinist valgust.

• Siin on kaks graafikut (alates siin ja siin), mis näitab tüüpiliste taimepigmentide neeldumisspektrit:

  

Miks on taimed siis rohelised?

Nagu võite arvata ülaltoodud lõikudest, et kuna veealused taimed said varakult nii vähe rohelist valgust, arenesid nad klorofülli vahendatud fotosüsteemiga, millel puudusid füüsilised omadused rohelise valguse neelamiseks. Selle tulemusena peegeldavad taimed nendel lainepikkustel valgust ja on rohelised .

Kuid miks pole taimed punased? ...

Põhjus esitage see küsimus:

See näib ülaltoodud teavet arvestades olevat sama usutav. Kuna punane valgus tungib vette uskumatult halvasti ja on madalamal sügavusel enamasti kättesaamatu, näib, et varajased taimed ei arendaks vahendeid selle imamiseks ja peegeldaksid seetõttu ka punast valgust.

• Tegelikult arenesid [suhteliselt] tihedalt seotud punavetikad punast peegeldavat pigmenti. Need vetikad töötasid välja fotosüsteemi, mis sisaldab ka pigmenti fükoerütriini, mis aitab neelata olemasolevat sinist valgust. See pigment ei arenenud olemasoleva punase valguse madalat taset neelama ja seetõttu peegeldab see pigment seda ja muudab need organismid punasteks.

  • Huvitav on see, et vastavalt siin andmetele võivad seda pigmenti sisaldavad tsüanobakterid hõlpsasti muuta selle mõju organismi täheldatud värvusele:

    Fükotsüaniini ja fükoerütriini suhet saab keskkonnamuutustega muuta. Rohelises valguses kasvanud tsüanobakterid arendavad tavaliselt rohkem fükoerütriini ja muutuvad punaseks. Samad punases valguses kasvanud sinivetikad muutuvad sinakasroheliseks. Seda vastastikust värvimuutust on nimetatud "kromaatiliseks kohanemiseks".

• Lisaks (kuigi see on endiselt arutelu all) vastavalt tööle autorid Moreira jt (2000) (ja seda kinnitavad arvukad teised teadlased) taimedel ja punavetikatel on tõenäoliselt ühine fotosünteesiv fülogeen:

  sinivetika ja eukarüootse peremeesorganismi vahelises primaarses fotosünteesilises endosümbioosis tekkis kolm organismirühma: rohetaimed (rohevetikad + maataimed), punavetikad ja glaukofüüdid (näiteks Cyanophora).

Mis siis annab?

Vastus:

Lihtne vastus, miks taimed pole punased, on kuna klorofüll neelab punast valgust .

See sunnib meid küsima: Kas taimede klorofüll neelas alati punast valgust (takistades taimedel punast) või kas see omadus ilmus hiljem tugev >?

• Kui esimene oli tõsi, siis taimed ei paista punastena lihtsalt klorofüllipigmentide füüsikaliste omaduste tõttu.

• Minu teada pole meil sellele küsimusele selget vastust.

  • (palun kommenteerige teisi, kui teate mingeid ressursse, mis seda arutavad).

• Kuid olenemata millal punase valguse neeldumine arenes, taimed arenesid sellegipoolest punast valgust väga tõhusalt neelama .

  • Mitmed allikad (nt Mae jt 2000, Brins jt 2000 ja siin) ning arvukad muud vastused sellele soovitada, et kõige tõhusam fotosüntees toimub punase tule all. Teisisõnu annab punane tuli kõrgeima "fotosünteesi efektiivsuse".

    • See NIH leht viitab selle põhjusele:

    ka klorofüll a neelab valgust diskreetsete lainepikkuste korral, mis on lühemad kui 680 nm (vt joonis 16-37b). Selline neeldumine tõstab molekuli ühte mitmest kõrgemast ergastatud olekust, mis laguneb 10 ⁻¹² sekundi jooksul (1 pikosekund, ps) esimesse ergastatud olekusse P *, kusjuures lisaenergia kaob soojusena. Fotokeemiline laengu eraldamine toimub ainult reaktsioonikeskme klorofülli a, P * esimese ergastatud oleku korral. See tähendab, et kvantsaagis - fotosünteesi hulk neeldunud footoni kohta - on sama kõigi nähtava valguse lainepikkuste puhul, mis on lühemad kui 680 nm.

Miks jäid taimed roheliseks?

Miks pole taimed pärast maal liikumist / arengut arenenud rohelise tule kasutamiseks? Nagu siin räägiti, on taimed kohutavalt ebaefektiivsed ega saa kasutada kogu neile kättesaadavat valgust. Selle tulemusel pole drastiliselt erineva fotosüsteemi (st rohelisi neelavate pigmentide kaasamise) arendamiseks tõenäoliselt konkurentsieeliseid.

Nii et maa taimed neelavad jätkuvalt sinist ja punast valgust ning peegeldavad rohelist. Kuna roheline tuli jõuab Maale nii rikkalikult, jääb roheline tuli taimedel kõige tugevamalt peegelduvaks pigmendiks ja taimed näivad jätkuvalt rohelised.

• (Pange tähele, et muudki sellised organismid nagu linnud ja putukad näevad taimi tõenäoliselt väga erinevalt, kuna nende silmad saavad värve erinevalt eristada ja nad näevad rohkem tugevalt peegelduvat UV-valgust, mida meie oma ei suuda).

Bioloog John Berman on pakkunud arvamust, et evolutsioon ei ole inseneriprotsess ja seetõttu kehtivad sageli erinevad piirangud, mida insener või mõni muu disainer ei kehti. Isegi kui mustad lehed olid paremad, võivad evolutsiooni piirangud takistada liikide ronimist fitnessmaastiku absoluutselt kõrgeimasse tippu. Berman kirjutas, et klorofüllist paremini toimivate pigmentide saavutamine võib olla väga keeruline. Tegelikult arvatakse, et kõik kõrgemad taimed (embrüofüüdid) on arenenud ühisest esivanemast, mis on omamoodi rohevetikas - idee kohaselt on klorofüll arenenud ainult üks kord. ( viide)

Taimed ja muud fotosünteesivad organismid on suures osas täidetud pigmendi-valgu kompleksidega, mida nad toodavad päikesevalguse neelamiseks. Fotosünteesi saagise osa, mille nad sellesse investeerivad, peab olema proportsionaalne. Alumise kihi pigment peab saama energiakulude hüvitamiseks piisavalt valgust, mida ei saa juhtuda, kui must ülemine kiht neelab kogu valguse. Must süsteem saab seetõttu olla optimaalne ainult siis, kui see ei maksa midagi ( viide).

Punane ja kollane valgus on pikema lainepikkusega, madalama energiaga, sinine aga suurema energiaga. Tundub kummaline, et taimed koristaksid suurema energiaga rohelise tule asemel madalama energiaga punase valguse, välja arvatud juhul, kui arvestate, et nagu kogu elu, arenesid taimed esmakordselt ookeanis. Merevesi neelab kiiresti suure energiaga sinise ja rohelise valguse, nii et ookeani pääseb vaid madalama energiaga, pikema lainepikkusega punane valgus. Kuna varased taimed ja tänapäevalgi enamik taimeelu elasid ookeanis, oli nende pigmentide optimeerimine ookeanivees leiduvate punaste ja kollaste imamiseks kõige tõhusam. Ehkki kõrgeima energiaga sinise valguse püüdmise võime säilis, näib võimetus rohelist valgust korjata olla tingitud vajadusest neelata punase valguse madalamat energiat ( viide).

Veel mõned spekulatsioonid selle teema kohta: ( viide)

Minu vastusel on mitu osa.

Esiteks on evolutsioon valinud loomuliku valiku abil praeguse süsteemi (d) lugematute põlvkondade jooksul. Looduslik valik sõltub erinevate lahenduste efektiivsuse erinevustest (suurem või väiksem) (sobivus) praeguse keskkonna valguses (ho ho!). Siin on oluline nii päikeseenergia spekter kui ka kohalikud keskkonnamuutujad, nagu valguse neeldumine vees jne, nagu on välja toonud teine ​​reageerija. Lõppude lõpuks on see, mis teil on ja mis osutub (tüüpiliste roheliste taimede puhul), klorofüllid A ja B ning "heledad" ja "tumedad" reaktsioonid.

Teiseks, kuidas see viib rohelistena tunduvate roheliste taimedeni? Valguse neeldumine on midagi, mis toimub aatomi- ja molekulaarsel tasandil ning hõlmab tavaliselt konkreetsete elektronide energiaolekut. Teatud molekulides olevad elektronid on võimelised liikuma ühelt energiatasandilt teisele, jätmata aatomit või molekuli. Kui teatud taseme energia lööb molekuli, neeldub see energia ja üks või mitu elektroni liiguvad molekulis kõrgemale energiatasemele (energia säilitamine). Need suurema energiaga elektronid naasevad tavaliselt "põhiseisundisse", eraldades või ülekandes seda energiat. Üks võimalus energia kiirgamiseks on valgus protsessis, mida nimetatakse fluorestsentsiks. Termodünaamika teine ​​seadus (mis muudab igiliikurite masinate olemasolu võimatuks) viib väiksema energia ja pikema lainepikkusega valguse kiirgumiseni. (n.b. lainepikkus (lambda) on pöördvõrdeline energiaga; pika lainepikkusega punases valguses on footoni kohta vähem energiat kui lühikese lainepikkusega violetses (ROYGBIV, nagu teie tavalises vikerkaares näha).

Igatahes on klorofüllid A ja B keerulised orgaanilised molekulid (C, H, O, N koos Mg ++ pritsmega), millel on tsükli struktuur. Leiate, et paljudel orgaanilistel molekulidel, mis neelavad valgust (ja ka fluorestseerivad), on tsükli struktuur, milles elektronid "resoneerivad", liikudes ringi ümber kergelt. See on elektronide resonants, mis määrab antud molekuli neeldumisspektri (muu hulgas). Kahe klorofülli neeldumisspektri kohta leiate teavet klorofülli kohta Vikipeedia artiklist. Pange tähele, et need imenduvad kõige paremini nii lühikestel lainepikkustel (sinine, indigo, violetne) kui ka pikkadel (punane, oranž, kollane), kuid mitte rohelistel lainepikkustel. Kuna need ei neela rohelisi lainepikkusi, jääb see üle ja seda tajub teie silm lehe värvina.

Lõpuks, mis juhtub päikesespektri energiaga on ajutiselt neeldunud klorofülli elektronide poolt? Kuna see ei kuulu esialgsesse küsimusse, jätan selle lühikeseks (vabandused füsioloogide istutamise eest seal). "Valgusest sõltuvas reaktsioonis" lähevad energeetilised elektronid üle paljude vahemolekulide kaudu, et lõpuks vesi "jagada" hapnikuks ja vesinikuks ning tekitada energiarikkaid ATP ja NADPH molekule. Seejärel kasutatakse ATP-d ja NADPH-d "valgusest sõltumatu reaktsiooni" käivitamiseks, mis võtab CO2 ja ühendab selle teiste molekulidega glükoosi loomiseks. Pange tähele, et nii saate glükoosi (vähemalt mingil kujul, vegan või mitte) söömiseks ja hapniku hingamiseks.

Vaadake, mis juhtub, kui klorofüllid kunstlikult lahutamissüsteemist lahti ühendate. mis viib glükoosi sünteesini. http://et.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_fluorescence Pange tähele fluorestsentsi värvi UV-valguses!

Alternatiivid? Vaadake fotosünteetilisi baktereid.

Tobias Keinzler selgitab hästi, miks mustad taimed ei toimi, see on seletus, miks taimed on rohelised ja mitte mõne muu värviga.

Lehestiku värv põhineb nende bakterite (või arheede) värvil, mis ühinevad kloroplastideks. Või täpsemalt nende valgust neelavate pigmentide värv. looduses on fotosünteetiliste organismide värvivalik tohutult lai, taimed on rohelised, kuna klorofüll on roheline, sama kergesti võinuks see olla punane või lilla. http://www.ucmp.berkeley.edu/glossary/gloss3/pigments.html

On korralikke tõendeid, et kloroplastist esivanemad neelavad marginaale nähtavast spektrist, kuna halobakterid neelavad peamised koostisosad, kuna klorofülli kasutajad ei konkureerinud nendega otseselt, vaid neelasid järelejäänud valgust. Alles hiljem, kui nad ühendati suurematesse rakkudesse, hakkasid nad domineerima ja lõpuks taimede tekitama. Taimed ei ole rohelised, kuna parem on roheline, taimed on rohelised, kuna see on esimene arenenud efektiivne fotosünteesiv pigment, mis ei konkureerinud domineeriva fotosünteesiga.