Z pewnością jeszcze bardziej korzystne byłoby, gdyby rośliny były czarne zamiast czerwonych lub zielonych, z punktu widzenia pochłaniania energii. I Ogniwa słoneczne są rzeczywiście dość ciemne.

Ale, jak wskazał Rory , fotony o wyższej energii wytwarzają tylko ciepło. Dzieje się tak, ponieważ reakcje chemiczne napędzane przez fotosyntezę wymagają tylko pewnej ilości energii, a nadmierna ilość dostarczana przez fotony o wyższej energii nie może być po prostu wykorzystana do innej reakcji ¹ , ale wytworzy ciepło. Nie wiem, ile problemów to faktycznie powoduje, ale jest jeszcze jeden punkt:

Jak wyjaśniono, o wydajności konwersji energii słonecznej decyduje nie energia przypadająca na foton, ale ilość dostępnych fotonów. Warto więc przyjrzeć się widmowi światła słonecznego:

Irradiancja to jednak gęstość energii interesuje nas gęstość fotonów, więc musisz podzielić tę krzywą przez energię na foton, co oznacza pomnożenie jej przez λ / (hc) (czyli wyższe długości fal potrzebują więcej fotonów, aby uzyskać to samo natężenie napromienienia). Jeśli porównasz tę krzywą zintegrowaną z fotonami o wysokiej energii (powiedzmy λ < 580 nm) z integracją z fotonami niskoenergetycznymi, zauważysz, że pomimo strat atmosferycznych (czerwona krzywa jest tym, co zostało ze światła słonecznego przy poziom morza) jest dużo więcej fotonów „czerwonych” niż „zielonych”, więc uczynienie liści czerwonymi marnuje dużo potencjalnie przetworzonej energii ² .

Oczywiście nadal nie ma wyjaśnienia, dlaczego liście nie są po prostu czarne - pochłanianie całego światła jest z pewnością jeszcze skuteczniejsze, prawda? Nie wiem wystarczająco dużo o chemii organicznej, ale przypuszczam, że nie ma substancji organicznych o tak szerokim spektrum absorpcji, a dodanie innego rodzaju pigmentu może się nie opłacać. ³

¹⁾ Teoretycznie to jest możliwe, ale jest to proces wysoce nieliniowy i przez to zbyt mało prawdopodobne, aby był w rzeczywistości użyteczny (przynajmniej w środowisku roślinnym)
²⁾ Ponieważ woda absorbuje czerwone światło silniej niż zielone i niebieskie, roślinom głębinowym rzeczywiście lepiej jest być czerwonym, jak wspomniała Marta Cz-C .
³ Inne alternatywy, takie jak półprzewodniki używane w ogniwach słonecznych, raczej nie występują w roślinach ...

Dodatkowa lektura, proponowana 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

Uważam, że dzieje się tak z powodu kompromisu między pochłanianiem szerokiego zakresu fotonów a nie absorbowaniem zbyt dużej ilości ciepła. Z pewnością jest to powód, dla którego liście nie są czarne - enzymy w procesie fotosyntezy w obecnym stanie byłyby denaturowane przez nadmiar ciepła, który zostałby uzyskany.

To może w pewnym stopniu wyjaśnić, dlaczego zielony jest odbijany, a nie czerwony, jak sugerowałeś - odbicie koloru o wyższej energii zmniejsza ilość energii cieplnej pozyskiwanej przez liście.

Jest całkiem zabawny artykuł tutaj, który omawia kolory hipotetycznych roślin na planetach wokół innych gwiazd.

Gwiazdy klasyfikuje się według ich typu widmowego, który jest podyktowany temperaturą powierzchni. Słońce jest stosunkowo gorące, a jego widmowa dystrybucja energii osiąga szczyt w zielonym obszarze widma. Jednak większość gwiazd w Galaktyce to gwiazdy typu K i M, które emitują głównie w czerwieni i podczerwieni.

Jest to istotne dla tej dyskusji, ponieważ każda fotosynteza na tych światach musiałaby dostosować się do tych długości fal światła, aby kontynuować. Na planetach wokół chłodnych gwiazd życie roślinne (lub jego odpowiednik) może być czarne!

OK, to nie do końca bułka z masłem na niebie astrobiologa. W rzeczywistości jest to całkiem istotne dla poszukiwań biosygnatur i życia na innych planetach. Aby modelować widmo odbicia planet, które obserwujemy (tj. Światło odbite od gwiazdy głównej), musimy spróbować wziąć pod uwagę każdą potencjalną roślinność.

Na przykład, jeśli weźmiemy widmo odbicia równe Ziemi, widzimy charakterystyczny szczyt na czerwonej „czerwonej krawędzi”, który jest spowodowany przez życie roślin na powierzchni.

NASA ma również krótką stronę na ten temat tutaj.

W grę wchodzą dwa czynniki. Po pierwsze, równowaga między ilością energii, jaką roślina może zebrać, a jej zużyciem. Nie jest to problem zbyt dużej ilości ciepła, ale zbyt wielu elektronów. Gdyby chodziło o ciepło, płatki niektórych kwiatów wybranych ze względu na czarną pigmentację byłyby obgotowane. ;)

Jeśli roślina nie ma wystarczającej ilości wody, jest za zimna, jest za gorąca, zbiera za dużo światła lub ma inne warunki, które uniemożliwiają prawidłowe funkcjonowanie łańcucha transportu elektronów, elektrony gromadzą się w procesie zwanym fotoinhibicją.

Te elektrony są następnie przenoszone na cząsteczki, na które nie powinny być przenoszone, tworząc wolne rodniki, siejąc spustoszenie w komórkach rośliny. Na szczęście rośliny wytwarzają inne związki, które zapobiegają niektórym uszkodzeniom, pochłaniając i przepuszczając elektrony, jak gorące ziemniaki. Te przeciwutleniacze są również korzystne dla nas, gdy je spożywamy.

To wyjaśnia, dlaczego rośliny gromadzą tyle energii świetlnej, ile pobierają, ale nie wyjaśnia, dlaczego są zielone, a nie szare lub ciemnoczerwone. Z pewnością istnieją inne pigmenty, które byłyby w stanie generować elektrony w łańcuchu transportu elektronów.

Odpowiedź jest taka sama, jak dlaczego ATP jest używany jako główna cząsteczka transportująca energię w organizmach zamiast GTP czy czegoś innego.

Chlorofil a i b to tylko pierwsza rzecz, która spełniła wymóg. Z pewnością jakiś inny pigment mógł zebrać energię, ale ten obszar przestrzeni parametrów nigdy nie musiał być badany.

Wiem, że to pytanie zostało zadane i udzielono na nie odpowiedzi wiele lat temu (z wieloma świetnymi odpowiedziami), ale nie mogłem nie zauważyć, że nikt nie podszedł do tego z ewolucyjnego perspektywa (podobnie jak odpowiedź na to pytanie) ...

Krótka odpowiedź

Pigmenty pojawiają się, gdy kolor nie jest wchłaniany (tj. wyglądają jak każda długość fali światła, którą odbijają).

Niebieskie światło było najdłuższą dostępną długością fali światła dla wczesnych roślin rosnących pod wodą, co prawdopodobnie doprowadziło do początkowego rozwoju / ewolucji fotosyntemów zależnych od chlorofilu, wciąż obserwowanych we współczesnych roślinach. Niebieskie światło jest najbardziej dostępnym, najbardziej wysokoenergetycznym światłem, które dociera do roślin, dlatego też rośliny nie mają powodu, aby nie wykorzystywać tego obfitego światła wysokoenergetycznego do fotosyntezy.

Różne pigmenty pochłaniają różne długości fal światła, więc rośliny idealnie zawierałyby pigmenty, które mogą absorbować najwięcej dostępnego światła. Dzieje się tak, ponieważ zarówno chlorofil a i b pochłaniają głównie światło niebieskie. Absorpcja czerwonego światła prawdopodobnie wyewoluowała, gdy rośliny przeniosły się na lądzie ze względu na jego zwiększoną obfitość (w porównaniu z podwodnymi) i wyższą wydajność fotosyntezy.

Długa odpowiedź

Wczesna Rośliny opracowują nowoczesny system fotograficzny

Okazuje się, że podobnie jak zmienność w przepuszczalności różnych długości fal światła przez atmosferę, pewne długości fal światła są bardziej zdolne do penetracji głębszych głębin wody. Niebieskie światło zwykle przenosi się na głębsze głębokości niż wszystkie inne widzialne długości fal światła. Dlatego najwcześniejsze rośliny wyewoluowały, aby skoncentrować się na absorbowaniu tej części widma EM.

Zauważysz jednak, że zielone światło również przenika stosunkowo głęboko. Obecne rozumienie jest takie, że najwcześniejszymi organizmami fotosyntetyzującymi były archeony wodne i (w oparciu o współczesne przykłady tych starożytnych organizmów) te archeony używały bakteriorhopsyny do pochłaniania większości zielonego światła.

Wczesne rośliny rosły poniżej tych purpurowych bakterii produkujących bakterioropsynę i musiały używać dowolnego światła. W rezultacie system chlorofilu rozwinął się w roślinach, aby wykorzystywać dostępne im światło. Innymi słowy, w oparciu o głębszą zdolność penetracji światła niebieskiego / zielonego i utratę dostępności zielonego światła dla bakterii pelagicznych powyżej, rośliny wyewoluowały fotosystem do pochłaniania głównie w niebieskim spektrum, ponieważ było to najbardziej dostępne światło do nich .

• Różne pigmenty pochłaniają różne długości fal światła, więc idealnie byłoby, gdyby rośliny zawierały pigmenty, które mogą absorbować najwięcej dostępnego światła. Dzieje się tak, ponieważ zarówno chlorofil a i b pochłaniają głównie światło niebieskie.

• Oto dwa przykładowe wykresy (z tutaj i tutaj) przedstawiające spektrum absorpcji typowych barwników roślinnych:

  

Dlaczego więc rośliny są zielone?

Jak można się domyślić z powyższych paragrafów, ponieważ wcześnie pod wodą rośliny otrzymywały tak mało zielonego światła, ewoluowały wraz z fotosystemem z udziałem chlorofilu, który nie miał fizycznych właściwości do pochłaniania zielonego światła. W rezultacie rośliny odbijają światło o tych długościach fal i wydają się zielone .

Ale dlaczego rośliny nie są czerwone? ...

Powód, aby zadaj to pytanie:

Biorąc pod uwagę powyższe informacje, wydaje się to równie prawdopodobne. Ponieważ czerwone światło wnika w wodę niezwykle słabo i jest w dużej mierze niedostępne na mniejszych głębokościach, wydaje się, że wczesne rośliny nie rozwinęłyby środków do jego pochłaniania, a zatem odbijałyby również światło czerwone.

• W rzeczywistości [stosunkowo] blisko spokrewnione czerwone algi wyewoluowały pigment odbijający czerwień. Te algi rozwinęły fotosystem, który zawiera również pigment fikoerytrynę, który pomaga absorbować dostępne niebieskie światło. Ten pigment nie wyewoluował, aby pochłaniać niskie poziomy dostępnego czerwonego światła, dlatego też ten pigment odbija je i sprawia, że ​​organizmy te wydają się czerwone.

  • Co ciekawe, według tutaj cyjanobakterie, które również zawierają ten pigment, mogą łatwo zmienić jego wpływ na obserwowany kolor organizmu:

    Stosunek fikocyjaniny i fikoerytryny może ulec zmianie środowiskowej. Sinice, które rosną w zielonym świetle, zwykle wytwarzają więcej fikoerytryny i stają się czerwone. Te same sinice rosnące w czerwonym świetle stają się niebieskawo-zielone. Ta odwrotna zmiana koloru została nazwana `` adaptacją chromatyczną ''.

• Ponadto (chociaż jest nadal przedmiotem debaty) zgodnie z pracą autorstwa Moreira i in. (2000) (i potwierdzone przez wielu innych badaczy) rośliny i krasnorosty prawdopodobnie mają wspólną filogenezę fotosyntetyczną:

  trzy grupy organizmów wywodzą się z pierwotnej endosymbiozy fotosyntetycznej występującej między sinicą a gospodarzem eukariotycznym: rośliny zielone (algi zielone + rośliny lądowe), krasnorosty i glaukofity (na przykład Cyanophora).

Co więc daje?

Odpowiedź:

Prosta odpowiedź na pytanie, dlaczego rośliny nie są czerwone, brzmi ponieważ chlorofil pochłania światło czerwone .

To prowadzi nas do pytania: Czy chlorofil w roślinach zawsze absorbował światło czerwone (zapobiegając pojawianiu się czerwieni na roślinach) czy też ta cecha pojawiła się później ?

• Jeśli to pierwsze było prawdą, rośliny nie wydają się czerwone tylko z powodu fizycznych cech, które wyewoluowały pigmenty chlorofilowe.

• O ile wiem, nie mamy jasnej odpowiedzi na to pytanie.

  • (inni prosimy o komentarz, jeśli znasz jakieś zasoby omawiające ten temat).

• Jednak niezależnie od tego, kiedy wyewoluowała absorpcja światła czerwonego, jednak rośliny wyewoluowały bardzo efektywnie absorbując światło czerwone .

  • Szereg źródeł (np. Mae i in. 2000, Brins i in. 2000 oraz tutaj), a także wiele innych odpowiedzi na to Pytanie sugeruje, że najskuteczniejsza fotosynteza zachodzi w świetle czerwonym. Innymi słowy, czerwone światło daje najwyższą „wydajność fotosyntezy”.

    • Ta strona NIH sugeruje powód tego:

    Chlorofil a także pochłania światło o dyskretnych długościach fal krótszych niż 680 nm (patrz rysunek 16-37b). Taka absorpcja podnosi cząsteczkę do jednego z kilku wyższych stanów wzbudzonych, które rozpadają się w ciągu 10 ^-12 sekund (1 pikosekunda, ps) do pierwszego stanu wzbudzonego P *, z utratą dodatkowej energii w postaci ciepła. Fotochemiczna separacja ładunku zachodzi tylko od pierwszego stanu wzbudzonego chlorofilu a, P * w centrum reakcji. Oznacza to, że wydajność kwantowa - ilość fotosyntezy przypadająca na zaabsorbowany foton - jest taka sama dla wszystkich długości fal światła widzialnego krótszych niż 680 nm.

Dlaczego rośliny pozostały zielone?

Dlaczego więc rośliny nie wyewoluowały, aby używać zielonego światła po poruszaniu się / ewolucji na lądzie? Jak omówiono tutaj, rośliny są strasznie niewydajne i nie mogą wykorzystać całego dostępnego światła. W rezultacie prawdopodobnie nie ma przewagi konkurencyjnej, aby rozwinąć drastycznie inny fotosystem (tj. Obejmujący pigmenty pochłaniające zieleń).

Więc rośliny na ziemi nadal absorbują niebieskie i czerwone światło i odbijają zieleń. Ponieważ zielone światło tak obficie dociera do Ziemi, zielone światło pozostaje najsilniej odbijanym pigmentem na roślinach, a rośliny nadal wydają się zielone.

• (Należy jednak pamiętać, że inne organizmy, takie jak ptaki i owady, prawdopodobnie postrzegają rośliny bardzo inaczej, ponieważ ich oczy mogą inaczej rozróżniać kolory i widzą więcej silnie odbitego światła UV, niż nasze).

Biolog John Berman wyraził opinię, że ewolucja nie jest procesem inżynieryjnym, dlatego często podlega różnym ograniczeniom, którym nie jest inżynier lub inny projektant. Nawet jeśli czarne liście byłyby lepsze, ograniczenia ewolucji mogą uniemożliwić gatunkom wspinanie się na absolutnie najwyższy szczyt w krajobrazie fitness. Berman napisał, że uzyskanie pigmentów, które działają lepiej niż chlorofil, może być bardzo trudne. W rzeczywistości uważa się, że wszystkie rośliny wyższe (embriofity) wyewoluowały ze wspólnego przodka, którym jest rodzaj zielonych alg - przy założeniu, że chlorofil wyewoluował tylko raz. ( odniesienie)

Rośliny i inne organizmy fotosyntetyzujące są w większości wypełnione kompleksami pigment-białko, które wytwarzają w celu pochłaniania światła słonecznego. Dlatego część wydajności fotosyntezy, w którą inwestują, musi być proporcjonalna. Pigment w najniższej warstwie musi otrzymać wystarczającą ilość światła, aby zrekompensować swoje koszty energii, co nie może się zdarzyć, jeśli czarna górna warstwa pochłonie całe światło. Dlatego czarny system może być optymalny tylko wtedy, gdy nic nie kosztuje ( odniesienie).

Czerwone i żółte światło ma dłuższą długość fali i mniejszą energię, podczas gdy niebieskie światło ma wyższą energię. Wydaje się dziwne, że rośliny zbierałyby czerwone światło o niższej energii zamiast zielonego światła o wyższej energii, chyba że weźmie się pod uwagę, że jak każde życie, rośliny najpierw wyewoluowały w oceanie. Woda morska szybko pochłania wysokoenergetyczne niebieskie i zielone światło, dzięki czemu do oceanu może przenikać jedynie światło czerwone o niższej energii i dłuższej fali. Od wczesnych roślin i do dziś większość roślin żyła w oceanie, optymalizacja ich pigmentów w celu wchłonięcia czerwieni i żółci obecnych w wodzie morskiej była najbardziej skuteczna. Podczas gdy zdolność do przechwytywania niebieskiego światła o najwyższej energii została zachowana, niezdolność do zbierania zielonego światła wydaje się być konsekwencją potrzeby pochłaniania niższej energii światła czerwonego ( odniesienie).

Więcej spekulacji na ten temat: ( odniesienie)

Moja odpowiedź składa się z kilku części.

Po pierwsze, ewolucja wybrała obecny system (y) przez niezliczone pokolenia poprzez dobór naturalny. Dobór naturalny zależy od różnic (większych lub mniejszych) w skuteczności różnych rozwiązań (przystosowania) w świetle (ho ho!) Obecnego środowiska. Tutaj ważne jest widmo energii słonecznej, a także lokalne zmienne środowiskowe, takie jak absorpcja światła przez wodę itp., Na co wskazuje inny ratownik. W końcu to, co masz, to to, co masz i okazuje się, że (w przypadku typowych zielonych roślin) chlorofile A i B oraz reakcje „jasne” i „ciemne”.

Po drugie, jak to prowadzi do zielonych roślin, które wydają się zielone? Absorpcja światła to coś, co zachodzi na poziomie atomowym i molekularnym i zwykle obejmuje stan energetyczny poszczególnych elektronów. Elektrony w niektórych cząsteczkach są zdolne do przechodzenia z jednego poziomu energii na inny bez opuszczania atomu lub cząsteczki. Kiedy energia określonego poziomu uderza w cząsteczkę, energia ta jest pochłaniana i jeden lub więcej elektronów przemieszcza się na wyższy poziom energii w cząsteczce (zasada zachowania energii). Elektrony o wyższej energii zwykle wracają do „stanu podstawowego”, emitując lub przekazując tę ​​energię. Jednym ze sposobów emisji energii jest światło w procesie zwanym fluorescencją. Druga zasada termodynamiki (uniemożliwiająca posiadanie perpetuum mobile) prowadzi do emisji światła o mniejszej energii i większej długości fali. (nie dotyczy długości fali (lambda) jest odwrotnie proporcjonalna do energii; światło czerwone o długich falach ma mniej energii na foton niż fiolet o krótkiej fali (ROYGBIV, jak widać na zwykłej tęczy).

W każdym razie chlorofile A i B to złożone cząsteczki organiczne (C, H, O, N z odrobiną Mg ++) o strukturze pierścieniowej. Przekonasz się, że wiele cząsteczek organicznych, które pochłaniają światło (a także fluorescencję) ma strukturę pierścieniową, w której elektrony „rezonują” z łatwością poruszając się po pierścieniu. To rezonans elektronów determinuje między innymi widmo absorpcyjne danej cząsteczki. Zapoznaj się z artykułem Wikipedii na temat chlorofilu, aby poznać spektrum absorpcji tych dwóch chlorofilów. Zauważysz, że najlepiej wchłaniają się przy krótkich falach (niebieska, indygo, fiolet), jak również przy długich falach (czerwona, pomarańczowa, żółta), ale nie na zielono. Ponieważ nie pochłaniają zielonych fal, to jest to, co pozostaje i to jest to, co twoje oko postrzega jako kolor liścia.

Wreszcie, co dzieje się z energią widma słonecznego, która ma został tymczasowo pochłonięty przez elektrony chlorofilu? Ponieważ nie jest to część pierwotnego pytania, postaram się to krótko (przepraszam fizjologów roślin). W „reakcji zależnej od światła” energetyczne elektrony są przenoszone przez szereg cząsteczek pośrednich, aby ostatecznie „rozszczepić” wodę na tlen i wodór i wytworzyć bogate w energię cząsteczki ATP i NADPH. ATP i NADPH są następnie używane do napędzania „niezależnej od światła reakcji”, która pobiera CO2 i łączy go z innymi cząsteczkami, aby stworzyć glukozę. Zwróć uwagę, że w ten sposób otrzymujesz glukozę (przynajmniej w jakiejś formie, wegańskiej lub nie) do jedzenia i tlenu do oddychania.

Spójrz, co się dzieje, gdy sztucznie odłączasz chlorofile od układu transferowego co prowadzi do syntezy glukozy. http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_fluorescence Zwróć uwagę na kolor fluorescencji w świetle UV!

Alternatywy? Spójrz na bakterie fotosyntetyczne.

Tobias Keinzler dobrze sobie radzi, wyjaśniając, dlaczego czarne rośliny nie działają. To jest wyjaśnienie, dlaczego rośliny są zielone , a nie mają inny kolor.

Kolor liści zależy od koloru bakterii (lub archeonów), które włączają się, by stać się chloroplastami. A dokładniej kolor ich pigmentów pochłaniających światło. w naturze istnieje ogromna różnorodność kolorów w organizmach fotosyntetyzujących, rośliny są zielone, ponieważ chlorofil jest zielony, równie dobrze mógł być czerwony lub fioletowy. http://www.ucmp.berkeley.edu/glossary/gloss3/pigments.html

Istnieją niezłe dowody, że przodkowie chloroplastów wchłaniają marginesy widma widzialnego, ponieważ halobacterium absorbują główne składniki, ponieważ użytkownicy chlorofilu nie konkurowali z nimi bezpośrednio, zamiast tego absorbowali resztki światła. Dopiero później, gdy zostały włączone do większych komórek, zaczęły dominować i ostatecznie dały początek roślinom. Rośliny nie są zielone, ponieważ zieleń jest lepsza, rośliny są zielone, ponieważ jest to pierwszy skuteczny pigment fotosyntetyczny, który wyewoluował, który nie konkurował z dominującym fotosyntezatorem.