Zasady biologii

Jak światło może być użyte do produkcji żywności? Łatwo jest myśleć o świetle jako o czymś, co istnieje i pozwala żywym organizmom, takim jak ludzie, widzieć, ale światło jest formą energii. Jak każda energia, światło może się przemieszczać, zmieniać formę i być wykorzystywane do wykonywania pracy. W przypadku fotosyntezy, energia świetlna jest przekształcana w energię chemiczną, którą autotrofy wykorzystują do budowy cząsteczek węglowodanów. Jednak autotrofy wykorzystują tylko określony składnik światła słonecznego (Rysunek 1).

Słońce emituje ogromną ilość promieniowania elektromagnetycznego (energii słonecznej). Ludzie mogą zobaczyć tylko ułamek tej energii, która jest określana jako „światło widzialne”. Sposób, w jaki energia słoneczna przemieszcza się może być opisany i zmierzony jako fale. Naukowcy mogą określić ilość energii fali mierząc długość fali, czyli odległość pomiędzy dwoma kolejnymi, podobnymi punktami w serii fal, np. od szczytu do szczytu lub od koryta do koryta (Rysunek 2).

Światło widzialne stanowi tylko jeden z wielu rodzajów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez Słońce. Widmo elektromagnetyczne to zakres wszystkich możliwych długości fal promieniowania (Rysunek 3). Każda długość fali odpowiada innej ilości niesionej energii.

Każdy rodzaj promieniowania elektromagnetycznego ma charakterystyczny zakres długości fal. Im dłuższa fala (lub im bardziej jest rozciągnięta), tym mniej energii jest przenoszona. Krótkie, napięte fale niosą najwięcej energii. Może się to wydawać nielogiczne, ale pomyśl o tym w kategoriach kawałka poruszającej się liny. Aby poruszyć linę w długich, szerokich falach, potrzeba niewiele wysiłku ze strony człowieka. Aby poruszyć linę krótkimi, ciasnymi falami, człowiek musiałby włożyć znacznie więcej energii.

Słońce emituje szeroki zakres promieniowania elektromagnetycznego, w tym promienie rentgenowskie i ultrafioletowe (UV) (rys. 3). Fale o wyższej energii są niebezpieczne dla istot żywych; na przykład, promienie rentgenowskie i UV mogą być szkodliwe dla ludzi.

Absorpcja światła

Energia świetlna wchodzi w proces fotosyntezy, gdy pigmenty absorbują światło. W roślinach, cząsteczki pigmentu absorbują tylko światło widzialne dla fotosyntezy. Światło widzialne postrzegane przez ludzi jako światło białe w rzeczywistości istnieje w tęczy kolorów. Niektóre obiekty, takie jak pryzmat lub kropla wody, rozpraszają światło białe, aby ujawnić te kolory ludzkiemu oku. Część widma elektromagnetycznego dotycząca światła widzialnego jest postrzegana przez ludzkie oko jako tęcza kolorów, przy czym fiolet i niebieski mają krótszą długość fali, a zatem wyższą energię. Na drugim końcu spektrum, w kierunku czerwieni, fale są dłuższe i mają niższą energię.

Długości fal światła, które są odbijane od obiektu i odbijają się od niego, są wykrywane przez nasze oczy. Długości fal światła, które są pochłaniane przez obiekt nie sprawiają, że to do naszych oczu. Oznacza to, że kolor, na jaki wygląda obiekt, wynika z długości fal, które są odbijane, a nie tych, które są pochłaniane. Na przykład, jabłko na Rysunku 4 wydaje się czerwone (zakładając, że nie jesteś ślepy na kolory). Dzieje się tak, ponieważ czerwone długości fal światła są odbijane od jabłka, a inne długości fal (żółte, zielone, niebieskie, fioletowe) są przez nie absorbowane.

Zrozumienie pigmentów

Istnieją różne rodzaje pigmentów, a każdy z nich absorbuje tylko pewne długości fal (kolory) światła widzialnego. Pigmenty odbijają kolor fal, których nie są w stanie zaabsorbować. Wszystkie organizmy fotosyntetyzujące zawierają pigment o nazwie chlorofil a, który ludzie postrzegają jako wspólny zielony kolor kojarzony z roślinami. Chlorofil a absorbuje fale z obu końców spektrum widzialnego (niebieskiego i czerwonego), ale nie z zielonego. Ponieważ zielony jest odbijany, chlorofil wydaje się zielony.

Inne typy pigmentów obejmują chlorofil b (który pochłania światło niebieskie i czerwono-pomarańczowe) oraz karotenoidy. Każdy typ pigmentu może być zidentyfikowany przez specyficzny wzór długości fal, które absorbuje ze światła widzialnego, co jest jego spektrum absorpcji.

Wiele organizmów fotosyntetyzujących posiada mieszankę pigmentów; pomiędzy nimi organizm może absorbować energię z szerszego zakresu długości fal światła widzialnego. Nie wszystkie organizmy fotosyntetyzujące mają pełny dostęp do światła słonecznego. Niektóre organizmy rosną pod wodą, gdzie natężenie światła maleje wraz z głębokością, a pewne długości fal są pochłaniane przez wodę. Inne organizmy rosną w warunkach konkurencji o światło. Rośliny na dnie lasu deszczowego muszą być w stanie zaabsorbować każdą odrobinę światła, która do nich dociera, ponieważ wyższe drzewa blokują większość światła słonecznego (Rysunek 5).