Główna zawartość
Kurs: Biologia > Rozdział 13
Lekcja 2: Reakcje zależne od światłaŚwiatło i barwniki fotosyntezujące
Właściwości światła. Jak chlorofile i inne barwniki absorbują światło. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".
Wprowadzenie
Jeśli kiedykolwiek przebywałeś zbyt długo na słońcu i oparzyłeś się, zapewne zdajesz sobie sprawę z ogromnej siły energii słonecznej. Niestety ciało ludzkie tylko w niewielkim stopniu wykorzystuje energię słoneczną - produkując małe ilości witaminy D (witaminy syntetyzowanej w skórze pod wpływem promieniowania słonecznego).
Rośliny, z drugiej strony, są specjalistami w pochłanianiu energii słonecznej i wykorzystywaniu jej do wytwarzania cukrów poprzez fotosyntezę. Proces ten rozpoczyna się absorpcją światła przeprowadzaną przez wyspecjalizowane cząsteczki organiczne znajdujące się w chloroplastach komórek roślinnych, nazywane barwnikami, które można znaleźć w chloroplastach komórek roślinnych. W tym artykule zastanowimy się nad światłem jako formą energii i przyjrzymy się jak barwniki – takie jak chlorofile, które czynią rośliny zielonymi - absorbują tę energię.
Czym jest energia świetlna?
Światło jest formą promieniowania elektromagnetycznego, typu energii przenoszonej falowo. Inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego, które napotykamy w naszym życiu codziennym to fale radiowe, mikrofale i promieniowanie rentgenowskie. Łącznie, wszystkie typy promieniowania elektromagnetycznego stanowią widmo elektromagnetyczne.
Każda fala elektromagnetyczna charakteryzuje się określoną długością lub odległością jednego piku do następnego i różne typy promieniowania mają inne charakterystyczne zakresy długości fali (jak pokazano na wykresie poniżej). Typy promieniowania charakteryzujące się długimi falami, takie jak fale radiowe, przenoszą mniej energii niż typy promieniowania charakteryzujące się krótkimi falami, takie jak promieniowanie rentgenowskie.
Widmo widzialne jest jedyną częścią widma elektromagnetycznego, które jest zauważalne dla oka ludzkiego. Zawiera się w nim promieniowanie elektromagnetyczne, którego długość fali zawiera się w przedziale od 400 do 700 nm. Widzialne światło słoneczne obserwowane jest przez nas jako światło białe, ale tak naprawdę jest ono zbudowane z wielu długości fal (kolorów) światła. Możesz zauważyć te różne kolory - obserwując jak białe światło przechodzi przez pryzmat: ponieważ różne długości fal światła są zakrzywiane pod różnym kątem, kiedy przechodzą przez pryzmat, rozszczepiają się i tworzą to co obserwujemy jako tęczę. Światło czerwone ma najdłuższą długość fali i najmniej energii, podczas gdy fioletowe światło ma najkrótszą długość fali i największą energię.
Mimo, że światło i inne formy promieniowania elektromagnetycznego funkcjonują jako fale w wielu warunkach, potrafią także zachowywać się jak cząstki w innych warunkach. Każda cząstka promieniowania elektromagnetycznego, nazywana fotonem, ma pewną porcję energii. Typy promieniowania z krótkimi falami mają protony wysokoenergetyczne, podczas gdy typy promieniowania z długimi falami mają fotony niskoenergetyczne.
Barwniki absorbują światło wykorzystywane do procesu fotosyntezy
W fotosyntezie, energia słoneczna jest przemieniana dzięki organizmom fotosyntetyzującym do energii chemicznej. Jednak, nie wszystkie długości fal światła słonecznego są wykorzystywane w równym stopniu do procesu fotosyntezy. Organizmy fotosyntetyzujące zawierają absorbujące światło cząsteczki nazywane barwnikami, które absorbują tylko określone długości fal światła widzialnego, jednocześnie odbijając inne.
Zestaw długości fal pochłanianych przez dany barwnik nazywany jest widmem absorpcyjnym. Po prawej możesz zauważyć widma absorpcyjne trzech barwników kluczowych w procesie fotosyntezy: chlorofilu a, chlorofilu b i β-karotenu. Wszystkie długości fal, których barwnik nie absorbuje, są odbijane, zaś odbite światło jest tym co widzimy jako kolor. Na przykład rośliny mają zielony kolor, ponieważ posiadają wiele cząsteczek chlorofilu a i b, który odbija światło zielone.
Większość organizmów fotosyntetyzujących posiada rozmaite odmiany różnorodnych barwników, pozwalających im absorbować energię z szerokiego zakresu długości fal. W tym artykule przyjrzymy się dwóm grupom barwników, które są ważne dla roślin: chlorofilom i karotenoidom.
Chlorofile
Wyróżniamy pięć typów chlorofili: chlorofil a, b, c i d, oraz cząsteczki pokrewne, które znaleźć możemy u prokariota nazywane bakteriochlorofilem.
W roślinach, chlorofil a i chlorofil b są głównymi barwnikami fotosyntetycznymi. Cząsteczki chlorofilu absorbują niebieskie i czerwone długości fal, jak pokazują piki w widmie absorpcji przedstawionym powyżej.
W budowie cząsteczek chlorofilu wyróżniamy hydrofobowy (“bojący się wody”) ogon, który umieszczony jest w błonie tylakoidu oraz głowę pierścienia porfirynowego (kolistą grupę atomów otaczających jon magnezu), który absorbuje światło
Pomimo, że chlorofil a i chlorofil b absorbuje światło, chlorofil a odgrywa wyjątkową i kluczową rolę w przemianie energii świetlnej na energię chemiczną (możesz przeczytać o o tym więcej w artykule o reakcjach zależnych od światła). Wszystkie rośliny fotosyntetyzujące, algi i cyjanobakterie zawierają chlorofil a, natomiast jedynie rośliny i algi zielone zawierają chlorofil b, a wraz z nimi kilka niezwykłych typów cyjanobakterii
Ze względu na główną rolę chlorofilu a w fotosyntezie, wszystkie barwniki wykorzystywane dodatkowo wraz z chlorofilem a znane są jako barwniki wspomagające—włączając inne chlorofile, tak jak i inne klasy barwników takich jak karotenoidy. Wykorzystanie barwników wspomagających pozwala szerszemu zakresowi długości fal na pochłonięcie i więcej energii może zostać pochłonięte ze światła słonecznego.
Karotenoidy
Karotenoidy są kolejną kluczową grupą barwników wspomagających, które absorbują filetowe oraz niebiesko-zielone światło (spójrz na wykres widma powyżej). Jasno-kolorowe karotenoidy, które znaleźć możemy w owocach—takie jak czerwień pomidorów (likopen), żółć nasion kukurydzy (zeaksantyna) lub pomarańcz skórki pomarańczowej (β-karoten)—są często wykorzystywane, do wabienia zwierząt, dzięki czemu pomagają one rozsiewać nasiona roślin.
W fotosyntezie, karotenoidy pomagają pochłaniać światło ale także pełnią ważną rolę w pozbywaniu się nadmiaru energii słonecznej. Kiedy liść jest wystawiony na pełne słońce otrzymuje sporą porcję energii, jeśli ta energia nie zostanie odpowiednio zagospodarowana może zniszczyć elementy istotne dla procesu fotosyntezy. Karotenoidy w chloroplastach pomagają absorbować nadmiar energii i rozpraszać ją w postaci ciepła.
Co oznacza dla barwnika absorpcja światła?
Kiedy barwnik absorbuje foton światła, staje się wzbudzony, co oznacza, że posiada dodatkową energię i nie jest już w swoim zwyczajnym, podstawowym stanie. Na poziomie subatomowym, wzbudzenie następuje, kiedy elektron jest wybijany na orbital o wyższej energii, który jest położony dalej od jądra.
Tylko foton z odpowiednią energią by wybić elektron z jednego orbitalu na drugi może wzbudzić barwnik. Dlatego też różne barwniki absorbują różne długości fali światła: "przerwy energetyczne"pomiędzy orbitalami są inne w różnych barwnikach, co oznacza, że fotony o różnych długościach fal są niezbędne w każdym przypadku do zapewnienia zastrzyku energii, który dokładnie wpasuje się w przerwę energetyczną
Wzbudzony barwnik jest niestabilny i posiada różne "warianty" możliwości by stać się bardziej stabilnym. Na przykład może przekazać dodatkową energię lub wzbudzony elektron do sąsiedniej cząsteczki. W kolejnym rozdziale zobaczymy jak funkcjonują oba te procesy: light-dependent reactions.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji