Почему листья зелёные: роль хлорофилла и фотосинтез в деталях
Листья зелёные потому, что содержат хлорофилл, пигмент, поглощающий красный и синий свет и использующий их энергию для синтеза органических веществ. Зелёная часть спектра при этом не поглощается, а отражается, именно её и видит наш глаз. Таким образом, зелёный цвет листьев не случаен: он прямое следствие того, какой свет нужен растению для работы.
Хлорофилл: строение и роль
Хлорофилл находится внутри клеток листа в особых органоидах, хлоропластах. У одной клетки их может быть от 20 до 100 штук. Молекула хлорофилла состоит из порфиринового кольца с атомом магния в центре и длинного углеводородного хвоста, который закрепляет молекулу в мембране.
Существует несколько типов хлорофилла. Хлорофилл-а поглощает свет преимущественно на длинах волн 430 нм (синий) и 662 нм (красный), хлорофилл-б смещён немного в сторону синего диапазона, к 453 нм и 642 нм. В итоге эффективно используется примерно 85–90% падающей синей и красной радиации, тогда как зелёный диапазон (500–560 нм) поглощается слабо. Именно поэтому отражённый зелёный свет попадает в глаза наблюдателя.
Почему растения не используют зелёный свет
Этот вопрос занимал биологов давно. Зелёный свет составляет значительную долю солнечного излучения, и, казалось бы, было бы выгодно поглощать и его. Одно из объяснений связано с эволюцией: древнейшие фотосинтезирующие организмы, цианобактерии, жили в воде, где синий и красный свет проникают глубже, чем зелёный. Адаптация к этим диапазонам закрепилась генетически.
Другая гипотеза предполагает, что частичное отражение зелёного выгодно как защитный механизм. При избытке освещения полное поглощение всех длин волн привело бы к фотоингибированию, повреждению фотосистем избытком энергии. Частичное «выбрасывание» зелёного диапазона снижает нагрузку на фотосинтетический аппарат в полуденный пик освещённости.
Дополнительные пигменты
Лист содержит не только хлорофилл. Каротиноиды, жёлтые и оранжевые пигменты, присутствуют в листьях всё лето, но маскируются зелёным цветом хлорофилла. Когда осенью синтез хлорофилла прекращается и он разрушается, каротиноиды становятся видны, отсюда золотые и оранжевые тона листопада. У некоторых растений присутствуют также антоцианы, красно-фиолетовые пигменты, они формируются в осенних листьях дополнительно и дают ярко-красный цвет кленов и вишен.
В России осенний листопад особенно зрелищен в средней полосе, где преобладают берёзово-осиновые леса. Осина благодаря высокому содержанию антоцианов краснеет интенсивнее других деревьев, а берёза желтеет из-за каротиноидов. Именно смешение этих пигментов и создаёт «золотую осень».
Фотосинтез: зачем нужен весь этот механизм
Хлорофилл поглощает квант света и переводит молекулу в возбуждённое состояние. Энергия возбуждения передаётся по цепочке молекул к реакционному центру фотосистемы, где запускается разделение зарядов: электрон отрывается и начинает движение по электронно-транспортной цепи. Это движение используется для синтеза АТФ и НАДФН, молекул-«аккумуляторов» клетки. В итоге из углекислого газа и воды синтезируется глюкоза, первичный источник органического вещества на Земле.
Ежегодно растения планеты усваивают таким образом около 120 миллиардов тонн углерода. Леса России, занимающие более 800 миллионов гектаров, вносят существенный вклад в этот процесс. Таёжные хвойные леса активно фотосинтезируют даже при рассеянном освещении, потому что хлорофилл в хвое особенно эффективно работает с синим диапазоном, который преобладает в пасмурные дни.
Растения с другим цветом листьев
Некоторые декоративные растения и отдельные дикорастущие виды имеют тёмно-красные или фиолетовые листья. В них хлорофилл присутствует, но замаскирован большим количеством антоцианов. Это не мешает фотосинтезу: красный пигмент поглощает зелёный свет, который хлорофилл не использует, и тем самым дополнительно собирает энергию. По сути, такие растения закрывают «пробел» в спектральной чувствительности.
Понимание того, почему листья зелёные, напрямую связано с агрономией и лесным хозяйством. Зная оптимальные спектры для фотосинтеза, специалисты подбирают параметры теплиц и искусственного освещения для выращивания культур. Отечественные разработки в области светодиодных фитоламп основаны именно на пиках поглощения хлорофилла-а и хлорофилла-б, что позволяет снизить энергопотребление теплиц при сохранении высокой урожайности.
