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科普短文 | 植物为什么是绿色的?

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植物为什么是绿色的?

简短的答案是因为红色光是植物最有用的,而绿色对植物没有用,所以被反射到我们的眼睛,所以植物对我们人类来说是绿色的。如果我们展开一下,那么更长的答案需要我们对于植物细胞中光合作用的细节都要有一定的认识,这包括电磁光谱能量叶绿素分子的“特殊对”。 植物的结构大致可分为四个主要部分:根,茎,花和叶。每一位接受过初等义务教育的人都知道, 叶子可以通过太阳光制造植物的能量或食物,这一个将光能转化为“食物“的过程称为光合作用

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植物的基本结构 图源网络

其实不只是植物,还有其他的藻类和某些细菌,他们都有这种能力,即吸收光并制造出蔗糖 (sugar),进而为植物细胞提供能量,并为植物个体生长提供一些其他有用的生化产品。

颜色是如何产生的?

我们说植物是绿色的,那到底什么是“颜色”呢? 人眼可以看见的光(可见光谱)由不同的颜色组成(类似于彩虹),从紫色一直延伸到红色。当物体将一种颜色的光反射回我们的眼睛时,人类会将其感知对应的颜色。所有如果其他可见光波长都被吸收,那么剩下来的颜色就会反射到我们的眼睛,进而我们只看到被反射的光的颜色。更具体地说,可见光的颜色形成一个色轮。在该轮子内,一个物体“看上去”的颜色是与它最强烈吸收的颜色的互补的颜色(互补色理论,和化妆用的互补色类似)。这样,植物看起来绿色,因为它们最有效地吸收了红光,进而绿光被反射。

色轮

色轮光和电磁波

我们知道“颜色”是被人类的眼睛感知并被大脑所感知,那所谓的颜色是不是我们的大脑的“错觉”呢?如果不是“错觉”,那“颜色”的物理本质是什么呢?要回答“颜色”的本质,我们就有必要再来回顾下光的本质。可见光是电磁光谱的一部分,是所有光的集合。光以波传播,因此其波长对应于波峰之间的距离。可见光的波长从紫色的380纳米到红色的730纳米。如果你对纳米的尺度很陌生,那么你可以想象一下你的头发,人的头发是100,000纳米厚。相应颜色的波长越短,波的频率越高,光子的能量也越大,因此紫色的光比红色的光具有更多的能量。

光和光合作用

光合作用实质上是植物将大气中的二氧化碳(CO2)和水(H2O)转化为单糖,产生副产品氧气 (O2)的过程。为此,它需要能量,并且需要从吸收的太阳光中获取这种能量。

光合作用化学方程式 图源:光洋生物化学研究所

对于植物来说,是一种被叫做叶绿素(chlorophyll)的色素物质来具体吸收光子的能量的。然而叶绿素对吸收的波长很挑剔,它喜欢的主要是红光和一些蓝光。物体吸收的能量会导致物体中相应的化学分子的电子被激发,比如叶绿素吸收了光子的能量,它的电子就会被激发。当电子被激发时,它们被从低能级提升到高能级。相应的光中的能量由于使得电子被激发,进而光的自身能量就被消耗了。这是典型的热力学第一定律的一个例子,即能量既不会产生也不会破坏,只能将其从一种形式转移或改变为另一种形式。

该过程发生在称为叶绿体的一个植物细胞内的特定区室中,并分为两个阶段。

第一阶段看到一系列的反应,这些反应是“光依赖的”。叶绿体含有许多称为类囊体 (chloroplast)的圆盘,这些圆盘里面装有叶绿素分子。类囊体中被称为光系统(photosystems)的结构构成了光合作用的核心机制,而在每个光系统的中心是一对特殊的叶绿素分子。这对特殊的叶绿素分子中的电子在吸收阳光后被激发。叶绿体中其余叶绿素分子的工作只是将能量传递给这对特殊的叶绿素分子。

第二组反应与光无关。它们利用在光依赖的第一步骤中捕获的能量来制造糖。在这些反应过程中,二氧化碳(CO2)溶解在基质中,并用于与光无关的第二步反应中。CO2经历一系列的生化反应,最终会变成蔗糖。然后植物以与人类相似的方式将糖分子用作食物,多余的糖以淀粉的形式储存,以备将来使用,就像哺乳动物中的脂肪的储存一样。

总结起来,光谱的红色端激发植物叶子中的电子,并且反射未使用的光(互补色,绿色)。

因此,植物及其叶子看起来是绿色的,因为特殊的叶绿素分子对利用可见光谱的红色端来增强每个细胞内部的反应。未使用的绿色光从叶子表面反射,因此我们看到了该颜色的光。光合作用的化学反应将空气中的二氧化碳转化为糖以供应植物,而植物的副产品则产生氧气。一些植物学家,正是基于植物这种对光谱红色末端的光的偏爱,通过延长的日长(比如NASA最先在太空中种植农作物的技术),或者增强的LED照明和受控的温度来促进农作物的快速生长。

这些技术加快了植物的育种周期:例如,与传统育种方法的两代小麦相比,每年可种植六代小麦。通过缩短育种周期,也可以使科学家和植物育种者能够快速跟踪遗传改良,例如小麦,大麦,油菜 和豌豆等多种作物的增产,抗病性和气候适应性。


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