利用光能、二氧化碳和水生產糖和其他有機化合物。如果植物的葉子是黑色的,不是會更有效地吸收陽光嗎?它們為什麼是綠色的?
樹上的綠葉 – 說明性照片。圖片來源:Kumiko Shimizu,來自 Unsplash,免費許可
從物理學的角度來看,當我們看到黑色時,就意味著所有的光都被吸收了,所以從光吸收效率來看,黑色的葉子確實是最理想的。但由於某些原因,葉子無法達到 100%。
那為什麼植物的葉子是綠色的呢?
使用雙光源照射裝置測量光合作用。圖片來源:東京大學
簡短的回答是,因為綠光正在從他們身上逸出。
主要原因是 Rubisco* 酵素的效率低下,該酵素是二氧化碳 (CO2)光合作用的固定。 Rubisco 分子很大,固定 CO 的速度很慢2。為了有效率地利用陽光進行光合作用,需要大量的 Rubisco。
磨碎葉子並測量其成分錶明,Rubisco 佔葉子蛋白質的 30% 至 50%。
最大化 CO 的速度2Rubisco 的固定需要高濃度的 CO2目前在地球大氣層中還無法實現這一點。
此外,Rubisco 不僅可以修復 CO2還有氧氣 (O2)。氧2固定會產生一種抑制光合作用的化合物,因此需要消耗大量能量來解毒該化合物並回收該化合物中所含的碳。
為了讓大量 Rubisco 能夠處理高濃度的 CO2O 的抑制最小2,葉綠體需要薄而廣泛地分佈在更容易與空氣接觸的細胞表面。
此外,需要向所有葉綠體提供充足的光照。換句話說,除了吸收盡可能多的光之外,葉子還必須將光均勻地傳遞到表面深處的所有區域。這就是綠光發揮作用的地方。
綠光深入葉子內部
吸收光的是葉綠體中所含有的一種叫做葉綠素的色素。藍光和紅光非常容易被這些色素分子吸收,因此它們幾乎完全被葉子上表面附近柵欄組織中的葉綠體吸收。
然而,綠光較難被吸收,因此可以更深入地滲透到葉子中。這種穿透性的綠光在葉子組織內來回折射,反覆遇到葉綠體並逐漸被吸收。
藜屬一年生草本植物葉子的橫切面,從上到下顯示:表皮、柵欄組織、海綿組織、表皮。圖片來源:東京大學
這種現像在葉子底部由無定形細胞組成的海綿組織中尤其明顯。然而,當它來回移動時,一些光會從葉子中逸出而沒有被吸收。
這些逸出的光大部分是綠光,這就是為什麼葉子呈現綠色的原因。人眼在明亮的條件下對綠光最敏感,因此從樹葉逸出的光顯得極為鮮豔,給人一種根本沒有吸收綠光的錯覺。
然而,實際上,大量的綠光被吸收並有效地用於光合作用。普通葉子吸收約 90% 的紅光和藍光,以及大約 70-80% 的綠光。一旦被吸收,綠光實際上在驅動光合作用方面與紅光一樣有效,並且比藍光更有效。
雙光源照射裝置,用於研究植物葉子為什麼是綠色的。圖片來源:東京大學
儘管在過去的幾百萬年裡經歷了多次冰期和間冰期,但地球環境已經實現了穩定,植物也適應了這種環境。大氣中二氧化碳濃度急遽上升2工業革命以來的水平和相關的全球暖化使植物暴露在高溫、高二氧化碳的環境中2這是他們百萬年來從未經歷過的環境。
為了在這個新環境下保障地球百億人的糧食供應和生計,我們該創造什麼樣的植物?這是我希望透過我的研究來回答的問題。
關於植物葉子顏色的十大有趣事實
大多數植物是綠色的。但它們也可以是紅色、黃色、棕色或幾乎全白色。以下是關於植物葉子顏色的 10 個有趣事實:
- 葉綠素是大多數植物呈現綠色的色素。它吸收藍色和紅色波長的光,但反射綠光,賦予植物特有的綠色。
- 葉綠素有兩種形式:葉綠素a和葉綠素b。葉綠素a存在於所有植物中,而葉綠素b存在於高等植物中。
- 由於缺乏吸收或反射光的色素,缺乏葉綠素的植物通常呈現白色或黃色。
- 有些植物,例如錦紫蘇植物,葉子有多種顏色。這是由於其他色素的存在,例如花青素,它會產生紅色、紫色或藍色色調。
- 花青素也是某些樹木秋葉呈現紅色的原因,因為葉綠素分解,花青素變得更加明顯。
- 葉黃素是許多植物中發現的黃色色素,包括玉米、藏紅花和萬壽菊。它們有助於保護植物免受過度光照,並且還參與光合作用。
- 類胡蘿蔔素是植物葉子中發現的另一組色素,使葉子呈現橙色或黃色。它們還在光合作用中發揮作用,並保護植物免受過多的光照。
- 在陰涼處生長的植物通常有較大的葉子和更多的葉綠素,以幫助它們吸收盡可能多的光線。
- 有些植物,例如銀樹(Leucadendron argenteum),由於葉子表面的微小毛髮能夠反射光線,因此葉子呈現銀色光澤。
- 植物也會根據溫度、濕度和光線等環境因素改變顏色。例如,一些植物可能會因寒冷的溫度而變紅或紫色,或者綠葉可能因缺乏陽光而變黃。
來源:東京大學