綠光的波長、能量在可見光中居中,為什麼植物不利用綠光進行光合作用?


先說一下這個現象的本質,不談因果。

1)可見光只是電磁波譜中很窄的一段,這個分類對人類有意義,這是因為這個頻段的電磁波可以被肉眼感知到。推廣一點,這個分類對我們這個太陽系或者具有類似恆星(黃矮星)的太陽系具有比較大的意義。這類天體的輻射頻段集中在 350 nm 到 700 nm 的波長範圍,相應於紫外到紅外。因此可見光佔了太陽輻射能量的很大一部分。
http://en.wikipedia.org/wiki/Sun
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Solar_Spectrum.png

2)大部分綠色植物進行光合作用所需的光能由葉綠素類的有機分子吸收得來。葉綠素分子對紫光和紅光的吸收效率最高,這是由其結構導致--分子內正好存在跟紫光和紅光共振的電子激發。既然紅光和紫光被吸收掉了,綠色就凸顯出來了。
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Chlorofilab.png
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Spectra_Chlorophyll_ab_oenin_(1).PNG

3)物質對某種光的吸收對應於其本身的某種激發或運動形式。比如說紅外吸收對應於分子的振動-轉動,可見-紫外吸收對應於電子激發,更短的吸收,比如X射線會導致內層電子激發或者電離。一般來說,紅外吸收不會有效的導致化學變化,分子吸收完後哆嗦幾下能量就耗散掉了,此外,紅外或波長更長的波每個光子攜帶的能量不高,從而導致吸收一個光子能儲存的太陽能不多;而紫外或更高能量的吸收會對分子本身結構造成破壞,甚至是不可修復的。因此看上去可見光吸收對於大多數碳基有機分子來說是最靠譜的。

4)為什麼不吸收綠光?目前還不是很清楚。。。我們不知道為什麼多數植物進化成綠色。。現在有一些假說,但還沒有一個公認的解釋

http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll#Why_green_and_not_black.3F


葉綠素偏愛紅色的和藍紫色的光線,胡蘿蔔素只會捕獲藍光,而那些無人問津的綠光就被葉片反射回來,或者透射過去。植物不吃「沒有營養」的綠色光,所以我們的世界變成了綠色的世界,事情就是這麼簡單。當然,不是所有的植物都不喜歡綠光,生活在海水裡的紅藻就對黃綠光情有獨鍾,那是因為它們體內吸收光能的物質是藻膽蛋白,「吃掉黃綠光,反射紅光」,讓紅藻穿上了紅色的外套。

當然了,這些都是結果和現象。

如果要追原因,關鍵在於不同顏色光的能量密度是不同的。有一種解釋是,紅色光子,能量低,但是數量很多,所以植物準備了吸收紅光的色素;藍紫光呢,數量雖然不多,但是能量很高,所以植物也為它們準備了色素。而綠光呢,能量中庸,數量中庸,結局就是被忽略了。

不過,演化歷程中有很多偶然事件,也許不吸收綠光只是偶然現象。真正的答案只有用大尺度的時間來檢驗了。


這主要是由葉綠體內光合色素的化學特性所決定的。
葉片是進行光合作用的主要器官,而葉綠體是進行光合作用的主要細胞器(光呼吸中乙醇酸循環一部分在葉綠體內進行,其餘在過氧化物酶體和線粒體內進行)。葉綠體約含75%的水分。在干物質中,以蛋白質、脂類、色素和無機鹽為主。蛋白質佔30—45%,是葉綠體的結構基礎,最重要的功能是代謝過程中的催化劑。色素占乾重的8%左右,與蛋白質相連成為複合體,在光合作用中起著決定性的作用。脂類則是維持膜結構的「大功臣」。
高等植物的光合色素主要有兩類:葉綠素(主要有葉綠素a和葉綠素b)和類胡蘿蔔素(胡蘿蔔素和葉黃素)。在顏色上,葉綠素a呈藍綠色,葉綠素b呈黃綠色,胡蘿蔔素呈橙黃色,而葉黃素呈黃色。
太陽光不是單一的光,到達地表的光波長大約從300nm的紫外光到2600nm的紅外光,其中只有波長大約在390-770nm之間的光為可見光。
葉綠素吸收光的能力極強。將葉綠素溶液置於光源和分光鏡之間,發現,光譜中某些波長的光被吸收,因此,在光譜上就出現了黑線或者是暗帶,該光譜即成為吸收光譜。葉綠素吸收光譜最強的區域有兩個:波長在640-660nm的紅光部分和波長在430-450nm的藍紫光部分。在光譜的橙光、黃光和綠光部分僅有不明顯吸收帶,尤以對綠光吸收最少。胡蘿蔔素與葉黃素的最大吸收帶在藍紫光部分,不吸收紅光等長波的光。
資料來源:潘瑞熾主編,植物生理學,北京,高教出版社。


提問者搞反了關鍵的一點。
是因為植物反射了綠色的光,動物才在這個波長附近進化出了視覺,因為動物就是靠這個來找吃的。

所以整個電磁波頻譜中,植物進化出大體上不會拿哪個波長的光來做光合作用,動物就會進化出那個波長的視覺。


這個問題挺有意思的,呵呵
在人的角度綠光是響應度最高的顏色,但對於植物不一定,如果植物有眼睛那他們的可見光的波長是微波頻段也說不定呢:)
他們現在所用的光合作用波長說不定就是他們的可見光中段波長啊:)


2015.7.14更新:剛剛才發現這個問題在知乎還有一個一樣的,不過那個問題火得多,也有更多種多樣的說法,見

為什麼很多植物吸收能量較高和較低的藍紫光與紅色光,卻將綠色光反射? - 自然科學

————————————————————————————————————————

前面很多答案都在談現象和本質,這偏題了,題目問的是原因。

如 @張蕊蕊 只指明了光合色素對光的偏好決定了植物對光的偏好,但並沒有講為什麼光合色素偏好紅光、藍紫光。

註:題主所說綠光的能量在可見光中居中這個說法也是不嚴謹的。

首先,對於這個問題,有幾點背景知識是要注意的,講完這個再來講原因。

嫌長懶得看的可以只看加粗部分。

全知大神們可以跳過①②④。


?太陽輻射強度隨波長的分布

虛線部分請忽略掉。

從實線部分看,可見光顯然是輻射強度最強的,這直接導致了地球生物感知光的範圍在此之中,畢竟能感知強度大能量高信息多(在適宜的範圍內)的電磁波總意味著更優秀更有競爭力的進化個體。


註:由於每個人對顏色的感覺有所差異,下圖只能代表一般水平。

那麼結論是:在太陽光中,強度最大的是波長約為500nm的——綠光!

看到這裡是不是有點奇怪了……別急……


直觀地感受一下,就是下圖

圖片是網上找的,我個人感覺這張圖做的有點不科學,它紅光附近輻射能力高了點。


?光合作用的實質

一句話:利用光合色素,將二氧化碳(或硫化氫)和水轉化為有機物,並釋放出氧氣(或氫氣)的生化過程。同時也有將光能轉變為有機物中化學能的能量轉化過程。

?那麼問題來了!


既然光合作用利用光能,而太陽輻射中綠光又最強,那為什麼大多數植物拒絕使用綠光呢?

別急……我想這個「為什麼」就是題主的重點。


?光合色素及其作用

一句話:在光合作用中參與吸收、傳遞光能或引起原初光化學反應。

簡單地說:吸收、傳遞、轉化光能。

包括:葉綠素、反應中心色素和輔助色素。

其中,反應中心色素的作用:將光能轉化為電能。


葉綠素吸收光譜:

類胡蘿蔔素吸收光譜:

藻紅素、藻藍素在常見的高等植物中不常見。只看類胡蘿蔔素就好了。

註:以上兩圖就把可見光波譜的峰值標在了藍色區域。這一點各地不同資料里各有不同,但綠光在太陽光中占很高比例是無可非議的。


?原因解釋

背景介紹完了,在這裡我只提供一種我比較信服的說法,如有不同意見歡迎批評討論!

畢竟用科學道理解釋實際現象只是個自圓其說的過程,有道理,大家就信你,而科學的進步也是在以對現象的觀察為基礎的情況下不斷完善和發展的過程。


反應中心色素將光能轉化為電能的過程:

這些色素被激發而失去電子,這些電子經過一系列傳遞,最終傳遞給一種帶正電的有機物NADP+。失去電子的葉綠素a變成一種強氧化劑,能夠從水分子中奪取電子,使水分子氧化生成氧分子和氫離子,葉綠素a由於獲得電子而恢復原狀。這樣,在陽光的照射下,少數處於特殊狀態的葉綠素a,不斷地丟失和得到電子,形成電子流,從而將光能轉換成電能。

一句話:類比光電效應。

與光電效應類似,將光能轉化為電能需要短波長的光(波長短的能量高),所以需要波長最短而在太陽輻射中能量又較強的藍紫光。


而其他的大多數光合色素,都只具有吸收、傳遞光能的作用,這一活動需要一定的溫度以達到酶的活性溫度,而植物體自身溫度一般是低於這個溫度的,所以除了葉片需要呼吸作用產生的熱量,還要吸收來自外界的熱量,所以波長相對較長且能量也比較高的紅橙光(波長長的熱效應強)被吸收。


而綠光雖然強度大,但是相對而言它在光能轉電能的過程中「性能」不如藍紫光,在熱效應上又不如紅光,因此正如 @史軍所說

中庸,結局就是被忽略了。

總之,我說的只是一家之言,公認的真正完美解釋目前還沒有,歡迎大家討論,也歡迎有不同意見的指正批評!


圖片來自網路,侵刪。

以上。


你這個問題挺有意思,也挺理想化。
物種是在綜合條件下得出最佳的進化結果:因為地球富含水和二氧化碳,而葉綠素則是能最簡單實現碳癢循環轉化的物質,所以植物就進化為主要依靠葉綠素來進行碳癢循環的模式。
另外,很多植物葉片內也含有類胡蘿蔔素等,也能吸收可見光譜中高能量的部分。
也許你還記得《阿凡達》里描述的納威人骨骼是碳纖維構成的,地球也富含碳,為何地球的動物的骨骼最終都以鈣為主要成分而不是碳纖維呢?因為對於地球上的動物,鈣更容易吸收和轉化,這就是綜合條件下進化的結果。
還有,為何不存在後腦勺也長眼睛的高等動物呢,被捕獵的動物最多進化成狹長的臉型以擴大視角範圍,後腦勺多長個眼睛不就安全得多嗎?我認為這仍然是綜合條件下進化的結果——人類出現之前,動物的生存領地一直足夠大,可以維持足夠的安全距離,所以後腦勺的眼睛就不是很有必要,雖然這會更好。


光譜里綠色區段太窄,所以吸收區段更寬的紫光和紅光更適合生長,於是自然進化中,吸收紫光紅光的生長的更好,存活率更高,久而久之,物競天擇,吸收綠光的植物逐漸被淘汰,剩下的就是現在吸收紫光和紅光的植物了


假設上帝創造了不吸收紫光的植物,它穿著防幅射服,基因過於穩定,滅絕了。但是吸紫光的挺過來了。假設上帝創造了不吸收紅光的植物,溫度適應性差,不能過冰河期,滅絕了。但是吸紅光的挺過來了。熱的時候前者死了,冷的時候後者死了,不冷不熱的時候,所有物種大繁殖,慢慢的吸中波的基因就丟失了。很簡單的事情,為什麼要搞這麼複雜呢?


或許是藍紫光和紅光能夠有更大的躍遷?呵呵,其實即便是說紅光,藍紫光中也不是所有的波長都能吸收,也都是在特定的範圍內對光合作用有著特定的影響,所以能量高不高低不低不重要,能夠起反應,能夠形成光迴路才是重要的。所以跟綠光(一定範圍的波長)沒啥關係。

啊對了,你要是真有興趣,上谷歌,打穀歌學術,再在裡面查查就好。


推薦閱讀:

冰河時期植物都凍死了,氧氣從哪來?

TAG:植物 | 光學 | 生物學 | 光合作用 |