Хлоропласты — это органеллы в клетках растений и водорослей, которые проводят фотосинтез. Они поглощают солнечный свет и используют его для синтеза продуктов питания из CO2 и воды. Хлоропласты имеют зеленый цвет, потому что они содержат пигменты хлорофилл a и хлорофилл b. Эти пигменты хлорофилла необходимы для фотосинтеза, поскольку они поглощают световую энергию. Хлорофиллы имеют особую молекулярную структуру, которая делает их зелеными. Понимание того, почему хлоропласты зеленые, дает представление о том, как фотосинтез работает на молекулярном уровне.
Хлоропласты — это пластиды, которые являются органеллами, обнаруженными в растениях и водорослях. Они считаются «кухнями» клеток растений и водорослей, где происходит фотосинтез. Хлоропласты имеют две мембраны — внешнюю и внутреннюю. Внутри внутренней мембраны находится жидкость, называемая стромой, которая содержит ферменты, ДНК, рибосомы и другие компоненты, участвующие в фотосинтезе. Также внутри внутренней мембраны находятся сложенные друг на друга дискообразные мешочки, называемые тилакоидами. Тилакоидные мешочки содержат пигменты хлорофилла и другие фотосинтетические компоненты. Во время фотосинтеза световая энергия поглощается пигментами в тилакоидных мембранах. Хлоропласты преобразуют эту световую энергию в химическую энергию, которую могут использовать растения или водоросли. В целом, хлоропласты обеспечивают растения и водоросли зеленым цветом и позволяют им синтезировать пищу.
Хлоропласты имеют зеленый цвет, потому что они содержат пигменты, называемые хлорофиллами. Существует два основных типа хлорофилла — хлорофилл a и хлорофилл b. Эти хлорофиллы расположены в тилакоидных мембранах внутри хлоропластов. Они имеют особую молекулярную структуру, которая позволяет им максимально поглощать длины волн фиолетово-синего и оранжево-красного света. Однако, поскольку зеленые длины волн меньше всего поглощаются хлорофиллами, они отражаются обратно. Это дает хлоропластам и оставляет их характерный зеленый цвет.
В частности, молекулы хлорофилла содержат сеть чередующихся одинарных и двойных связей между атомами углерода и азота. Эта сеть называется сопряженной системой. Сопряженная система позволяет возбуждать электроны до более высокого энергетического состояния, когда хлорофилл поглощает свет. Поглощенная энергия затем используется в фотосинтезе. Специфическая сопряженная система и молекулярная структура хлорофиллов a и b приводят к максимальному поглощению фиолетово-синих и оранжево-красных длин волн. Зелёные длины волн поглощаются меньше всего и отражаются, давая зелёный цвет.
Существует несколько основных типов пигментов хлорофилла:
Различные пигменты хлорофилла работают вместе, чтобы максимизировать поглощение света для фотосинтеза. Хлорофилл a является наиболее важным, в то время как другие типы расширяют диапазон света, который может быть использован. Однако все хлорофиллы отражают и пропускают зеленые длины волн, придавая хлоропластам и листьям зеленый цвет.
Зеленый цвет хлоропластов напрямую связан с определенными длинами волн света, поглощаемыми пигментами хлорофилла. Спектр поглощения хлорофилла показывает пики в фиолетово-синей и оранжево-красной областях видимого спектра света.
| Длина волны (нм) | Цвет | Поглощение |
|---|---|---|
| 380-450 | Фиолетово-синий | Высокий |
| 450-520 | Сине-зеленый | Очень низкий |
| 520-570 | Зеленый | Низкий |
| 570-590 | Желто-оранжевый | Умеренный |
| 590-750 | Оранжево-красный | Высокий |
Как видно из таблицы, хлорофиллы максимально поглощают свет в диапазонах длин волн от фиолетового до синего и от оранжевого до красного. Зеленые длины волн поглощаются гораздо слабее. Это приводит к тому, что зеленый свет отражается хлоропластами, а не поглощается, что приводит к их зеленому цвету.
Молекулярная структура хлорофилла заставляет его сильнее всего поглощать свет на синем и красном концах видимого спектра. Свет от средних зеленых длин волн поглощается неэффективно. Есть несколько причин, по которым зеленый свет отражается, а не поглощается:
По сути, зеленые фотоны не являются нужной энергией для молекулярного электронного перехода. Вместо этого сопряженная система и молекулярные орбитали хлорофилла «настроены» на синие и красные длины волн.
С эволюционной точки зрения, хлорофилл, поглощающий максимальное количество синего и красного света, при этом пропуская зеленый, мог обеспечить преимущества для ранних растений:
Поэтому некоторые исследователи выдвигают гипотезу, что эволюция отражающего зеленый свет хлорофилла помогла древним растениям процветать, обеспечивая лучшее освещение. захват, визуальный контраст и взаимодействие с опылителями.
Помимо хлорофилла, хлоропласты содержат другие связанные пигменты, которые помогают в фотосинтезе, расширяя спектр поглощения света. Ключевые вспомогательные пигменты включают:
Разнообразие фотосинтетических пигментов позволяет хлоропластам поглощать световую энергию во многих частях видимого спектра. Однако все пигменты пропускают и отражают некоторое количество зеленого света, что приводит к зеленому цвету хлоропластов.
Помимо цвета пигмента, физическая структура хлоропластов также вносит вклад в их зеленый вид. Тилакоиды расположены в стопках, называемых гранами, внутри хлоропластов. Эти граны образуют слоистые структуры, которые могут отражать и рассеивать свет. Исследования показывают, что структурный цвет хлоропласта может взаимодействовать с цветом пигмента, чтобы точно настроить конечный наблюдаемый зеленый цвет. Этот эффект может помочь хлоропластам отражать больше зеленого света, чем ожидается от одних только пигментов.
Поскольку зеленый цвет хлоропластов так взаимосвязан с пигментами хлорофилла, трудно создать хлоропласты, которые максимально поглощают зеленый свет. Некоторые ученые мутировали хлоропласты, чтобы уменьшить выработку хлорофилла, что привело к желтому или оранжевому цвету. Однако это также снижает эффективность фотосинтеза. Исследователи также исследовали флуоресцентные белки, чтобы заставить хлоропласты казаться красными при воздействии синего света. Но опять же, фотосинтез нарушается без нормальных пигментов и структур. В целом, изменение цвета хлоропластов оказалось сложной задачей, не нарушая способность хлоропластов проводить фотосинтез. Эволюция оптимизировала хлоропласты как для оптимального поглощения света пигментами хлорофилла, так и для отражения зеленого света.
Хлоропласты имеют зеленый цвет, потому что они содержат пигменты хлорофилла, которые оптимально поглощают фиолетовый, синий и красный свет, отражая зеленый свет. Специфическая молекулярная структура и сопряженная система хлорофиллов настроены на длины волн синего и красного цветов для максимального сбора фотосинтетического света. Зеленому свету не хватает надлежащей энергии для возбуждения электронов в хлорофилле, и он в основном отражается. Вспомогательные пигменты и структурные граны также способствуют отражению зеленого света. Зеленый цвет, вероятно, обеспечил преимущества для ранней эволюции растений. В целом, зеленые хлоропласты иллюстрируют элегантную оптимизацию поглощения света эволюцией для фотосинтеза вместе с отражением света, что повышает адаптивность и выживаемость. Понимание зеленого цвета хлоропластов дает представление о сложной конструкции и функции молекулярных машин, которые поддерживают практически всю жизнь на Земле.