植物為什麼是綠色的

2021-02-12 中南林野生動植物保護協會

綠色是最讓人感覺生機勃勃的顏色，因為地球的陸地正被一群綠色的植物佔領著。有沒有想過，植物為什麼是綠色的呢？

首先我們來解決一個問題,我們是怎樣看到顏色的？

答案是看見光
黑洞中心是黑的，是因為黑洞吸收了所有的光  圖片來源:EHT


當你看見了某種顏色，是因為這種顏色的光進入了你的眼睛。
為什麼樹葉是綠色的？
我們很容易得到答案，因為樹葉反射了綠色的光。我們也都知道這綠色的來源——葉綠體，這關係到一套延續了20多億年的光合系統。
我們看到的樹葉是綠色的  圖片來源:https://www.engadget.com/amp/2017-04-10-leaf-veins-promise-longer-battery-life.html

現存所有的植物的綠色來源都是葉綠體，其起源於生活在海洋中的元祖的藍細菌，而現存所有的產氧光合生物都是藍細菌和藍細菌的內共生後代。

植物細胞裡的葉綠體  圖片來源：果殼

葉綠素a被包含在葉綠體的光反應中心裡，接受光子便活躍起來，完成整套光反應。而葉綠素a最容易吸收波長680nm附近的紅光，以及430nm附近的藍紫光。對綠光吸收最少，因此呈現出鮮明的綠色。
葉綠素對綠光吸收率很低  圖片來源：Wikipedia

顯然，如果葉綠體只有一種葉綠素a，那麼大部分的可見光便浪費了，因此植物還會合成其他光合色素——尤其是各種類胡蘿蔔素。這些類胡蘿蔔素能夠充分吸收460nm處的藍紫光，釋放出葉綠素易吸收的紅光，提高光合作用效率。
豐富的類胡蘿蔔素家族  圖片來源：混亂博物館

我們常吃的海帶是褐藻，這是一類不等鞭毛蟲，其細胞中的褐藻素吸收450nm到550nm的綠光，所以表現出了黃褐色。

褐藻素吸收綠光  圖片來源：混亂博物館


我們回到最初的問題，為什麼植物不像海帶一樣，製造吸收綠光的光合色素，提高光反應效率呢？畢竟太陽光在綠光波段的功率最大。
最上面的黑線代表陽光在地球表面的輻射，2條綠線代表了葉綠素對陽光的吸收率，很明顯它們避開了陽光輻射功率最大的波段，也就是綠色  圖片來源：萬物雜誌

對於這一問題有許多方向的解釋，最直接的:光反應並不是光合作用的全部，更關鍵的是其固定二氧化碳，將光能儲存到含碳有機物的暗反應。而暗反應的第一步便是將二氧化碳固定下來。

暗反應  圖片來源：Wikipedia

但大氣中的二氧化碳含量實在太少了，只佔大氣總體積的0.3%，而那固定二氧化碳的酶卻也相當不爭氣。這種酶叫「核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（RuBisCo）」，它的催化效率只有一般酶的0.3%左右，一秒鐘只能固定3分子的二氧化碳。為了滿足整個生態系統的消耗，全球的光合生物每秒要合成1噸左右的核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶，在植物葉片中可達乾重的60%。因此核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶很可能是世界上最多的蛋白質。

核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（RuBisCo） 圖片來源：Proteopedia

在暗反應效率如此低下的情況下，一味的加快光反應不但沒有任何意義，反而會積累過多的氧化劑，燒壞脆弱的反應鏈。所以陸地上植物不但捨棄了功率最高的綠光，一些幼嫩組織還要積累花青素等抗氧化劑保護自己。

高原上植物的幼嫩組織會產生更多花青素，從而顯示出藍紫色  圖片來源：@飛雪之靈,@空山1969

對於像褐藻，紅藻等生活在水中光合生物來說，水對光線的吸收，才是海洋生物顏色選擇的核心。海水散射了大量紅光等長波光，藍光和綠光就變得重要起來——所以它們合成了格外豐富的色素，以便吸收各自深度裡最豐富的光。這也是海帶能吸收綠光從而表現出黃褐色的原因。

藍光與綠光透過海水的能力較強  圖片來源：混亂博物館
而紅藻與植物關係雖近，卻因為富含「藻紅素」而帶有珊瑚似的粉紅色。  圖片來源：@閃光鱵

生命源於海洋，最初的光合菌，到內共生，到最初的植物，也誕生在了海洋。既然水中的光合生物需要綠光，那為什么元祖的藍細菌要進化出以葉綠素a為光反應中心的光合作用，拋棄綠光，優先利用紅光和藍光呢？
藍細菌  圖片來源：Wikipedia

對於這個懸案，我們不妨參照一個最近提出的「紫色地球假說」

紫色地球假說認為遠古海洋是紫色的  圖片來源：NASA


該假說認為其實地球上第一批學會光合作用的生物是一種古菌域的嗜鹽古菌，它們利用視黃醛（retinal）作為光反應核心進行光合作用。視黃醛主要吸收綠光，不吸收紅光和紫光，嗜鹽古菌因其富含視黃醛而呈現深紫色。
嗜鹽古菌菌落  圖片來源：萬物雜誌


嗜鹽古菌能利用陽光中功率最大的綠光，而且還可以生活在極端環境裡，這意味著，或許它們就是地球上最早利用光能的生物。

今天的嗜鹽古菌優先利用綠光，把許多鹽湖染成紅色。如果它們出現的比藍細菌早，也就會把原始海洋染成同樣的深紫色。藍細菌的祖先出現得比嗜鹽古菌更晚，只好優先利用嗜鹽古菌拋棄的紅光與藍光了，這說的就是葉綠素。（當然了，紫色地球假說還提出，產生葉綠素的生物生活在嗜鹽古菌的下方，因此只能接觸嗜鹽古菌過濾後的陽光。）
塞內加爾的玫瑰湖。嗜鹽古菌將其染成了玫瑰色  圖片來源：Massimo Brega


為什麼最終由藍細菌發展壯大而來的植物佔領了地球？

這就是另一個故事了。

（部分資料來源@混亂博物館，如有侵權，請留言聯繫我們刪除）

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團隊|宣教部

文字|決明

編輯|決明

圖片|網絡

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