Beginselen van de biologie
Hoe kan licht worden gebruikt om voedsel te maken? Het is gemakkelijk om aan licht te denken als iets dat bestaat en dat levende organismen, zoals mensen, in staat stelt om te zien, maar licht is een vorm van energie. Zoals alle energie kan licht reizen, van vorm veranderen en worden gebruikt om arbeid te verrichten. In het geval van fotosynthese wordt lichtenergie omgezet in chemische energie, die autotrofen gebruiken om koolhydraatmoleculen te bouwen. Autotrofen gebruiken echter slechts een specifieke component van het zonlicht (figuur 1).
De zon zendt een enorme hoeveelheid elektromagnetische straling (zonne-energie) uit. Mensen kunnen slechts een fractie van deze energie zien, die “zichtbaar licht” wordt genoemd. De manier waarop zonne-energie zich verplaatst kan worden beschreven en gemeten als golven. Wetenschappers kunnen de hoeveelheid energie van een golf bepalen door de golflengte te meten, de afstand tussen twee opeenvolgende, vergelijkbare punten in een reeks golven, zoals van top tot top of van golfdal tot golfdal (figuur 2).
Het zichtbare licht is slechts een van de vele soorten elektromagnetische straling die door de zon wordt uitgezonden. Het elektromagnetische spectrum is het bereik van alle mogelijke golflengten van straling (figuur 3). Elke golflengte komt overeen met een verschillende hoeveelheid vervoerde energie.
Elk type elektromagnetische straling heeft een karakteristiek golflengtebereik. Hoe langer de golflengte (of hoe uitgerekter deze lijkt), hoe minder energie er wordt overgedragen. Korte, strakke golven dragen de meeste energie. Dit kan onlogisch lijken, maar zie het als een stuk bewegend touw. Het vergt weinig inspanning van een persoon om een touw in lange, brede golven te bewegen. Om een touw in korte, strakke golven te laten bewegen, zou een persoon aanzienlijk meer energie moeten gebruiken.
De zon zendt een breed scala van elektromagnetische straling uit, waaronder röntgenstraling en ultraviolette (UV) straling (figuur 3) . De golven met een hogere energie zijn gevaarlijk voor levende wezens; röntgenstralen en UV-stralen kunnen bijvoorbeeld schadelijk zijn voor mensen.
Absorptie van licht
Lichtenergie komt in het fotosyntheseproces terecht wanneer pigmenten het licht absorberen. In planten absorberen pigmentmoleculen alleen zichtbaar licht voor fotosynthese. Het zichtbare licht dat door mensen als wit licht wordt gezien, bestaat in werkelijkheid uit een regenboog van kleuren. Bepaalde voorwerpen, zoals een prisma of een waterdruppel, verstrooien wit licht zodat het menselijk oog deze kleuren kan zien. Het zichtbare lichtgedeelte van het elektromagnetische spectrum wordt door het menselijk oog waargenomen als een regenboog van kleuren, waarbij violet en blauw een kortere golflengte en dus een hogere energie hebben. Aan de andere kant van het spectrum, naar rood toe, zijn de golflengten langer en hebben ze een lagere energie.
De golflengten van het licht die door een voorwerp worden weerkaatst en weerkaatsen, worden door onze ogen waargenomen. De golflengten van het licht die door een voorwerp worden geabsorbeerd, bereiken onze ogen niet. Dit betekent dat de kleur van een voorwerp het gevolg is van de golflengten die worden weerkaatst en niet van die welke worden geabsorbeerd. De appel in figuur 4 ziet er bijvoorbeeld rood uit (ervan uitgaande dat u niet kleurenblind bent). Dat komt doordat de rode golflengten van het licht door de appel worden weerkaatst en de andere golflengten (geel, groen, blauw, paars) door de appel worden geabsorbeerd.
Inzicht in pigmenten
Er bestaan verschillende soorten pigmenten, en elk daarvan absorbeert alleen bepaalde golflengten (kleuren) van zichtbaar licht. Pigmenten reflecteren de kleur van de golflengten die ze niet kunnen absorberen. Alle fotosynthetische organismen bevatten een pigment genaamd chlorofyl a, dat mensen zien als de gemeenschappelijke groene kleur die met planten wordt geassocieerd. Chlorofyl a absorbeert golflengten van beide uiteinden van het zichtbare spectrum (blauw en rood), maar niet van groen. Omdat groen wordt gereflecteerd, lijkt chlorofyl groen.
Andere pigmenttypen zijn chlorofyl b (dat blauw en rood-oranje licht absorbeert) en de carotenoïden. Elk type pigment kan worden geïdentificeerd aan de hand van het specifieke patroon van golflengten die het absorbeert van zichtbaar licht, het absorptiespectrum.
Veel fotosynthetische organismen hebben een mengsel van pigmenten; tussen deze pigmenten kan het organisme energie absorberen van een breder scala van golflengten van zichtbaar licht. Niet alle fotosynthetische organismen hebben volledige toegang tot zonlicht. Sommige organismen groeien onder water, waar de lichtintensiteit afneemt met de diepte, en bepaalde golflengten door het water worden geabsorbeerd. Andere organismen groeien in concurrentie om licht. Planten op de bodem van het regenwoud moeten elk beetje licht dat doorkomt kunnen absorberen, omdat de hogere bomen het meeste zonlicht tegenhouden (figuur 5).
