Почему листья зелёные: как хлорофилл помогает растениям получать энергию

Всё объясняется тем, как хлорофилл взаимодействует с солнечным светом.

Поэтому зелёный свет сильнее рассеивается в тканях листа — именно его мы и видим.

Хотя он хуже подходит для фотосинтеза, чем красный и синий, часть его всё равно используется растением. Он проникает глубже внутрь листа и помогает клеткам, до которых красный и синий свет доходят хуже. Благодаря этому растение использует почти весь видимый солнечный свет.

Он находится внутри хлоропластов — специальных структур растительной клетки, где происходит фотосинтез.

В центре молекулы хлорофилла находится атом магния. Именно он помогает хлорофиллу поглощать свет и запускать первые реакции фотосинтеза. Молекула закреплена в мембранах хлоропласта с помощью длинной углеводородной цепочки — фитола, поэтому она всегда находится там, где нужна.

Если среда становится кислой, атом магния покидает молекулу. Тогда хлорофилл превращается в другое вещество — феофитин, и зелёный цвет становится оливковым или буроватым. Именно поэтому долго варёные зелёные овощи тускнеют: при нагревании клетки разрушаются, из них выходят органические кислоты, которые ускоряют этот процесс.

Хлорофилл — это не одна молекула, а целая группа похожих веществ. У растений и водорослей встречаются несколько его форм, самые известные из которых — a, b, c, d и f. Главную роль в фотосинтезе играет хлорофилл a — он есть у всех растений, водорослей и цианобактерий. Хлорофилл b помогает ему улавливать больше солнечного света. Вместе они позволяют растению использовать разные участки видимого спектра и эффективнее получать энергию.

Хлорофилл помогает растениям превращать энергию солнечного света в химическую энергию. Без него фотосинтез невозможен.

Как хлорофилл получает энергию света

Когда на молекулу хлорофилла попадает красный или синий свет, она поглощает его энергию. С этого начинается световая стадия фотосинтеза.

Сначала растение использует энергию света, чтобы расщепить воду. При этом выделяется кислород, которым мы дышим. Затем накопленная энергия помогает превратить углекислый газ и воду в глюкозу — сахар, который служит растению источником энергии и строительным материалом для роста.

Вместе с хлорофиллом работают каротиноиды — жёлтые и оранжевые пигменты. Они помогают поглощать солнечный свет и передают часть полученной энергии хлорофиллу. Кроме того, каротиноиды защищают клетки растения от слишком яркого солнца.

В упрощённом виде фотосинтез можно записать так:

Что происходит без хлорофилла

Без хлорофилла растение не может самостоятельно получать органические вещества из углекислого газа и воды. Поэтому растения, утратившие способность к фотосинтезу, добывают питательные вещества другим способом.

Одни паразитируют на других растениях, например заразиха. Другие, например петров крест, получают органические вещества через грибы, связанные с корнями деревьев. Такой способ питания называется микогетеротрофией.

Даже у декоративных растений с белыми или жёлтыми пятнами на листьях клетки без хлоропластов не участвуют в фотосинтезе. Они получают питательные вещества от соседних зелёных клеток, в которых хлорофилл продолжает работать.

Осенью световой день становится короче, температура снижается, и растение постепенно готовится к зиме. Первым начинает разрушаться хлорофилл, поэтому зелёный цвет исчезает.

Жёлтые и оранжевые оттенки появляются благодаря каротиноидам. Эти пигменты есть в листьях всё лето, но их скрывает хлорофилл. Когда зелёного пигмента становится меньше, каротиноиды становятся заметны. Именно поэтому берёзы, липы и многие другие деревья желтеют осенью. У разных видов деревьев каротиноидов разное количество, поэтому и осенняя окраска отличается.

Красные и пурпурные листья появляются по другой причине. Их окрашивают антоцианы — пигменты, которые растение начинает вырабатывать уже осенью. Этому способствует накопление сахаров в листьях, а также солнечная погода и прохладные ночи. Поэтому клёны особенно ярко краснеют в ясную осень, а у дубов и ясеней антоцианов обычно меньше, поэтому их листья чаще становятся бурыми, чем ярко-красными.

Растения с красными, фиолетовыми и даже почти чёрными листьями встречаются довольно часто. Но это не означает, что в них нет хлорофилла.

У пурпурного базилика, краснолистного барбариса и многих декоративных растений хлорофилл работает так же, как и у зелёных листьев. Просто зелёный цвет скрывают антоцианы. Фотосинтез при этом продолжается, хотя иногда немного менее эффективно. Зато антоцианы помогают защищать клетки растения от слишком яркого солнечного света. Похожим образом устроены и многие водоросли: хлорофилл у них тоже есть, но его цвет маскируют другие пигменты.

Может показаться, что чёрные листья были бы ещё выгоднее, ведь они поглощали бы почти весь солнечный свет. Но учёные считают, что всё не так просто. По одной из гипотез, слишком сильное поглощение света может привести к перегреву тканей. Кроме того, как уже упоминалось выше, зелёный свет проникает глубже в лист и помогает клеткам, расположенным под поверхностью, участвовать в фотосинтезе. Вероятно, поэтому зелёные листья оказались более выгодными для большинства растений.

Весной молодые листья обычно светло-зелёные. Это потому, что в их клетках ещё мало хлорофилла: хлоропласты продолжают развиваться, и зелёный пигмент накапливается постепенно.

У большинства цветковых растений хлорофилл под действием света образуется из вещества-предшественника — протохлорофиллида. По мере роста листа зелёного пигмента становится больше, поэтому его окраска постепенно становится ярче и насыщеннее.

Листья зелёные потому, что хлорофилл лучше поглощает красный и синий свет, чем зелёный. Именно этот пигмент делает фотосинтез возможным: с его помощью растения превращают энергию солнечного света в вещества, необходимые для роста и жизни. Осенью хлорофилл разрушается, поэтому становятся заметны другие пигменты — жёлтые каротиноиды и красные антоцианы.