Чому рослини вибрали зелений колір?
Року у три-чотири кожна дитина задає просте питання: «чому трава зелена?» У відповідь можна почути все, що завгодно – від «не чіпляйся, мені ніколи» до науково-популярної версії про фотосинтезі і зелений хлорофіл. Але хіба це відповідь? Чи Можете ви пояснити собі, чому трава все-таки зелена – а не рожева, оранжева або кольору індиго? Звичайно, ви скажете: тому що в хлоропластах рослин міститься хлор – а в кристалічній формі він зелений. Непогано. Ну а далі-то що? Чому в ході еволюції вибір упав на нього, а не на періодичний елемент іншого кольору? Ось вам задачка… Але в історії розвитку життя на Землі не було випадковостей.
Доступною мовою про фізику
Навіть найбільш далекі від точних наук люди знають, що життя на планеті зобов’язана своїм існуванням сонячним променям. Глибоко в надрах нашої зірки відбуваються ядерні реакції синтезу гелію з водню. У результаті розпаду вивільняються фотони (кванти світла). Вони проявляють властивості хвиль і частинок одночасно: ці електромагнітні імпульси випромінюються «порціями», проте не мають ні маси, ні заряду. Їх роль у нашому житті куди важливіше: вони забезпечують взаємодію між електричними зарядами елементарних часток, що складають атоми, потім молекули і, нарешті, клітини живого організму.
Фотони можуть жити тільки в русі зі швидкістю світла у вакуумі. Народжуючись у сонячному ядрі, вони спершу несуть в собі колосальний імпульс. Але щоб крізь сонячну мантію пробитися до поверхні зірки, ці частинки витрачають майже мільйон років! Тому не дивлячись на те, що з цього моменту світло долає відстань до Землі всього за 8,3 хвилини, ми насолоджуємося теплими променями, які чекали зустрічі з нами ще до середини Плейстоцену.
Так ось: в цілому імпульс фотонів капітально зменшується ще до прощання з рідною зіркою, а при проходженні земної атмосфери кванти світла вже чекають нові перешкоди. В озоновому шарі фотони стикаються з молекулами, з-за чого змінюються імпульс і довжина хвиль – тобто, світло розкладається на спектр (дисперсія). Найнебезпечніші для земних мешканців довжини хвиль озоновий шар не пропускає – включаючи велику частину ультрафіолету. Тому ми розрізняємо кольори веселки починаючи від фіолетового і закінчуючи червоним. Иинфракрасную довжину хвилі ми все ще відчуваємо, як тепло, а слабке мікрохвильове та інші випромінювання нас зовсім не турбують.
Кожному з видимих кольорів відповідає довжина хвилі світла, яку відображають матеріальні об’єкти (всі інші нею поглинаються). Здавалося б, нічого загадкового: рослини використовують хлорофіл, який поглинає всі кольори крім зеленого. Але все навпаки: спочатку рослини свідомо вибрали колір, а потім підібрали до нього потрібний «наповнювач». Тут нам доведеться звернутися до багатого досвіду агрономів і ботаніків. Численні досліди і дослідження розкривають деякі секрети рослин, про які чомусь не розповідають у школі на уроках біології.
Фотони і рослини
Взагалі для фотосинтезу підходять хвилі будь-якої довжини, включаючи невидимі нашому оку. Сучасні рослини пристосувалися використовувати випромінювання в діапазоні від 400 (фіолетовий) до 700 нм (червоний). Причому для нормального функціонування рослин (ріст, цвітіння, плодоношення, запасання поживних речовин) необхідно присутність у спектрі усіх цих кольорів у певних пропорціях. Це пояснюється тим, що деякі хімічні реакції можуть початися при опроміненні речовини світлом низької або середньої частоти (теплі кольори веселки), а іншим для ініціювання реакції потрібно світло з частотою вище певного порогового значення (холодні кольори).
Якщо зелене світло може передати досить великі імпульси – який же сенс рослинам від нього відмовлятися? Однак факт є факт: 80-90% енергії рослини виробляють за рахунок поглинання синіх і червоних фотонів. Сині при цьому більш інтенсивні, зате червоних – переважна більшість. Решта 10-20% припадають на інші кольори, а сам зелений в якості «основного наряду» був обраний, очевидно, за свою високу проникаючу здатність: у той час як синій і червоний майже повністю поглинаються верхніми ярусами листя, зелений здатний проникати крізь них і «вдихати життя» в нижні яруси, якими б густими вони ні були. Це означає, що перші водорості, які тільки вибиралися на сушу, вже планували своє подальше завоювання континентів і перетворення в багатоярусні ліси – від мохів та трав до чагарників і дерев.
Де ж гарантія, що рослини просто відображають або пропускають крізь себе більшу частину зеленого світла? – Її і не буде, адже і це не зовсім правда. Це все людське зір, яке не можна назвати найнадійнішим (в порівнянні з деякими тваринами), дає нам «зелену картинку». Цей колір ми бачимо однорідним через недосконалість свого зорового аналізатора. Насправді ж це накладання світлових хвиль різної довжини – переважно жовтих і синіх. А як же інакше? Частина кольорових пігментів (каротин, антохлор, ксантофилл) спеціалізуються на поглинанні синіх фотонів, відображаючи заломлені промені в червоно-жовтому «форматі». Інші пігменти (хлорофіл та антоціани) поглинають червонуваті фотони, відбиваючи промені приблизно кольору морської хвилі. Накладаючись, вони утворюють смарагдове (принаймні, так його бачать люди).
По мірі скорочення світлового дня і зміни кута освітленості (що впливає на заломлення світла ще в шарах атмосфери), фотонів з великою частотою (і малою довжиною хвилі) стає все менше. Деякий час рослини намагаються пристосуватися до цього і переключають увагу виключно на збір «висококалорійних» порцій світла. Поглинаючи сині і зелені фотони, листя рослин починають відображати відповідно жовтий або червоний кольори. Коли синіх фотонів стає критично мало, рослини скидають листя.
Якими можуть бути рослини з інших планет?
Як ви здогадуєтеся, все залежить від особливостей світлового спектру, який формується під час проходження атмосфери або рідкої середовища. Якщо кисню та озонового шару на планеті немає, то від пекучого ультрафіолету рослини може врятувати тільки товща води – вони, очевидно, будуть поглинати максимум інфрачервоного випромінювання, а самі придбають темно-червоний колір (на нашій планеті так надходить пурпурова аноксигенная бактерія). Населений супутник яскравої зірки класу F повинен отримувати дуже багато світла, тому рослини на ньому відображали б синій колір – щоб уникнути перегріву. А планета, освітлювана тьмяною зіркою класу М («червоний карлик»), повинна відчувати дефіцит світла – і, щоб максимально використовувати його, рослини, напевно, зроблять вибір на користь чорного забарвлення. Та ви тільки уявіть собі ці три фіолетових очі, повні надії: «Мама-мама, а чому трава чорна?»
