Цветы бывают самых разных цветов, которые украшают наш мир и радуют наши чувства. Но как именно цветы производят свои яркие оттенки? Ключ кроется в пигментах — красочных соединениях, вырабатываемых самими цветами. Понимая, как работают пигменты и как цветы их контролируют, мы можем разгадать тайны палитры природы.
Цветы в основном получают свои яркие цвета из трех классов пигментов: беталаинов, антоцианов и каротиноидов. Каждый пигмент поглощает некоторые длины волн света и отражает другие, создавая цвет, который мы видим. Например, антоцианы отражают красновато-фиолетовый свет, поглощая другие цвета.
Эти пигменты вырабатываются в особых клеточных структурах внутри лепестков, называемых пластидами. Конкретная смесь пигментов, а также форма, размер и структура клеток влияют на конечный цвет. В некоторых случаях пигменты могут быть изменены после производства такими факторами, как pH или ионы металлов, что приводит к изменению цвета.
Цветы тщательно регулируют производство пигментов в ответ на факторы окружающей среды, особенно свет. Они используют производство пигментов для привлечения опылителей, защиты от стресса и выполнения фотосинтеза. Сравнивая родственные виды и анализируя генетические мутации, ученые раскрыли многие пути, которые растения используют для управления своими цветочными оттенками.
Присоединяйтесь к нам, когда мы исследуем биологическое волшебство, лежащее в основе палитры природы, и то, как цветы настраивают свои цвета!
Хотя дополнительные соединения вносят более тонкий вклад, большинство ярких цветов в природе возникают всего из трех основных классов пигментов:
Конкретный цвет отражает молекулярную структуру пигмента и взаимодействие с компонентами клетки. Например, антоцианы состоят из положительно заряженного катиона флавилия, связанного с сахаром. Эта заряженная структура поглощает более синий свет и отражает более длинные красноватые волны.
Каротиноиды, такие как лютеин, поглощают более синий свет благодаря своей длинной системе сопряженных двойных связей. Оранжевый каротиноид зеаксантин обладает гидроксильными группами, которые смещают поглощение в сторону немного более длинных волн.
Цветы производят свои красочные пигменты внутри органелл, называемых пластидами. Пластиды — это семейство отсеков в растительных клетках, которые выполняют ключевые функции, включая фотосинтез, синтез и хранение.
Основными пластидами, которые генерируют цветочные пигменты, являются:
Эти пластиды находятся среди клеток лепестков, листьев, стеблей и иногда плодов. Специфический набор пластид помогает определить окончательный цвет цветка.
Например, многие белые цветы на самом деле содержат бесцветные лейкопласты, где могли бы развиться хромопласты. Синие или фиолетовые цветы получают свой оттенок исключительно от вакуолярных антоцианов, поскольку их пластиды лишены каротиноидов.
Цветы также стратегически располагают пластиды, чтобы максимизировать отображаемый ими цвет. Пластиды могут быть сгруппированы по краям или в центральной области клеток лепестков.
Растительные пигменты производят цвет за счет своей способности дифференциально поглощать и отражать световые длины волн:
Наши глаза воспринимают отраженный свет, который производит цвет, который мы видим. Например:
| Пигмент | Поглощает волны | Отражает волны | Цвет, который мы видим |
|---|---|---|---|
| Антоцианы | Зеленые, желтые | Красные, пурпурные | Красный, пурпурный, синий |
| Каротиноиды | Фиолетовые, синие | Желтые, оранжевые | Желтый, оранжевый |
| Хлорофиллы | Зеленые, желтые | Синие, красные | Зеленый |
Конкретный оттенок цветка зависит от его смеси пигментов. Более интенсивные цвета возникают, когда поглощается более широкий диапазон длин волн. Ионы металлов или сдвиги pH могут настраивать поглощаемые длины волн.
Цветы тщательно контролируют выработку цветовых пигментов в ответ на сигналы окружающей среды. Свет, температура, питательные вещества и растительные гормоны помогают регулировать смесь:
Этот контроль окружающей среды помогает цветам подготовиться должным образом. Например, затененные участки приводят к появлению более бледных цветов, которые лучше подходят для привлечения опылителей. Повышенное УФ-излучение стимулирует выработку дополнительных антоцианов для защиты лепестков.
Изучая генетически родственные цветы с разной окраской, ученые обнаружили несколько ключевых биологических механизмов, лежащих в основе контроля пигмента:
Исследователи продолжают работать над картированием полной схемы, контролирующей цвет цветка. Достижения когда-нибудь могут позволить «рисовать» дизайнерские цветы!
Генетика, лежащая в основе оттенков цветков, сложна, но поучительна. Важные выводы были сделаны в результате сравнения родственных видов и анализа мутантов.
Например, биолог Джордж Белдт выделил два ключевых гена, контролирующих различия в цвете среди видов львиного зева. Он назвал их Rosy и Sulphur:
Львиный зев с нефункциональными генами Rosy или Sulphur показал явные эффекты:
| Генотип | Производимые пигменты | Цвет цветка |
|---|---|---|
| Rosy+/Sulphur+ (нормальный) | Антоцианы и каротиноиды | Красный |
| Rosy-/Sulphur+ (розовый мутант) | Только каротиноиды | Желтый |
| Розовый+/Сера- (мутант серы) | Только антоцианы | Пурпурный |
Другие распространенные мутации влияют на pH, транспорт металлов и структуру пластид. Каждая из них изменяет производимые пигменты и цвета, которые мы наблюдаем.
Цветы не эволюционировали в яркие цвета только для того, чтобы радовать наши глаза. Пигменты помогают цветам процветать многими ключевыми способами:
Анализ показывает, что цвета цветов настроены на зрительные системы их наиболее эффективных опылителей. Например, пчелы лучше всего видят в фиолетово-синем диапазоне.
Некоторые виды получают преимущество, имитируя яркие цвета полезных цветов. Например:
Другие цветы изменили цвет, чтобы воспользоваться устоявшимися предпочтениями опылителей. Например, спокойные лилии, вероятно, изменили цвет с белого на яркий оранжевый, чтобы лучше привлекать колибри.
Этот трюк проливает свет на эволюционные силы, формирующие цветочные цвета с течением времени. Естественный отбор благоприятствует любой мутации, которая лучше привлекает эффективных опылителей.
Калейдоскоп цветов цветов возникает из специализированных пигментов, созданных за многие века эволюции. Незначительные генетические изменения могут кардинально изменить палитру, как показывают умные имитаторы и хитрые обманщики. Однако за каждым уникальным оттенком остаются общие физические принципы поглощения света, клеточного контроля и реакции окружающей среды.
Поэтому в следующий раз, когда вы остановитесь и понюхаете розы, уделите минутку, чтобы оценить биологическое волшебство, стоящее за набором красок природы. Эти пигменты лепестков представляют как древнее происхождение, так и бесконечные будущие возможности.