Почему растения зеленые?⁠⁠

Всем привет!

Периодически общаясь по роду своей деятельности с согражданами на околоботанические темы, в конце концов, я услышал такой вопрос: "Почему трава зеленая?". Или, перефразируя: "Почему растения на нашей планете зеленые?" Уверен, что некоторые читатели сразу дадут правильный ответ, но в тот момент подобный вопрос застал меня врасплох. Отшутиться тоже было нельзя. Немного поразмыслив, я понял, что правильного ответа я, пожалуй, сразу сказать не могу. Разные варианты, крутившиеся у меня в голове,  лишь отодвигали проблему на новый уровень, не давая необходимого ответа. Пришлось немного запастись терпением.

Начать придется издалека. С нашего Солнца и излучения, которое оно испускает.

Снимок Солнца 9 апреля 2013 года. Иллюстрация NASA/SDO

Видимый свет, как и любое другое излучение, испускается порциями – квантами. Эти кванты бывают разными, и среди прочих различий они отличаются по длине волны. Длины волн видимого человеческим глазом света умещаются в диапазоне примерно от 400 до 700 нм. Каждому цвету радуги соответствует своя определенная длина волны. Самая коротая - у фиолетового, а самая длинная - у красного. Свет с длинной волны несколько меньшей, чем у фиолетового, называется ультрафиолет. Он не виден глазом. Этот свет несет много энергии и поэтому опасен для живых организмов. А свет, длина волны которого, в свою очередь, несколько больше, чем у красного, называется инфракрасным. Энергия инфракрасного излучения относительно мала, и, хотя оно тоже не видно человеческим глазом, мы все же можем ощутить его в виде теплового излучения.

Спектр излучения Солнца, наблюдаемый выше атмосферы Земли и на уровне моря

Максимум интенсивности солнечного излучения приходится на видимую часть спектра. Конкретнее - на зеленый цвет. На первый взгляд, это кажется нелогичным! Ведь мы видим растения зелеными как раз из-за того, что именно зеленый цвет они преимущественно отражают, а поглощают остальные цвета. Почему же растения "выбирают" другие цвета спектра для поглощения?

Использование солнечного спектра в фотосинтезе растениями и бактериями

Если бы инженеры будущего проектировали на планете, подобной Земле, искусственные растения, они наверняка учли бы этот факт. Созданные ими растения использовали бы для фотосинтеза преимущественно зеленый цвет, с самой высокой интенсивностью. А еще лучше, если бы они использовали весь доступный видимый спектр целиком и были бы в таком случае черного цвета. Но биологическая эволюция не имеет сущности или цели, она не проектирует заранее будущие свои творения. Грубо говоря, она лишь использует уже существующие компоненты для решения текущих задач. Значит, и синий, и красный цвета, которые прежде всего поглощают растения, им нужны для чего-то конкретного, а не просто так.

Хлоропласты, содержащие хлорофилл, в клетках листа

Кванты синего цвета несут много энергии, а непосредственно для фотосинтеза достаточно излучения в красной области спектра. Таким образом, чтобы использовать синий цвет, у растений в хлоропластах существуют целые каскады из пигментов, проходя через которые квант синего цвета теряет часть своей энергии и становится безопасным для клетки квантом красного цвета, достаточным для фотосинтеза.

Экстракт хлорофилла в растворе освещённый белым светом (сверху) и ультрафиолетом, вызывающим его флюоресценцию (снизу)

Опять, на первый взгляд, какая-то нестыковка. Зачем клеткам тратить столько сил, чтобы погасить относительно большую энергию синих квантов, если достаточно использовать просто красные из солнечного спектра, которых намного больше?

Ключевое слово здесь - безопасность. Предшественники хлорофилла нужны были клеткам не для фотосинтеза, особенно такого сложного, как кислородный (он появился довольно поздно).  Прежде всего, они исполняли защитную функцию, рассеивая излишнюю энергию опасных для химии клетки квантов света либо в флюоресцентное свечение, либо в тепловую энергию. А использовать для фотосинтеза побочный продукт в виде красного свечения далекие предшественники растений научились уже потом.

Для человека это неочевидно, но вспомните свои ощущения, когда вы выходите из тени на солнечный свет. Насколько ярким он кажется! Так и растения не могут использовать и поглощать энергию всего спектра солнечного света. Он избыточен для них и даже может быть опасен, поэтому часть солнечного света они отражают, а часть трансформируют, переводя в более безопасное для них состояние. Благодаря этому бОльшая часть земных растений окрашена в зелёный цвет. Это свойство растений не возникло случайно, оно стало итогом причудливой и запутанной истории их возникновения, их эволюции.