Dacă vedeți acest mesaj, înseamnă că avem probleme cu încărcarea resurselor externe pe site-ul nostru.

If you're behind a web filter, please make sure that the domains *.kastatic.org and *.kasandbox.org are unblocked.

Conţinutul principal

Pigmenți luminoși și fotosintetici

Proprietăți ale luminii. Modul în care clorofilele și alți pigmenți absorb lumina.

Introducere

Dacă vreodată ai stat prea mult la soare și te-ai ars, probabil ești deja conștient de energia imensă a soarelui. Din păcate, corpul uman nu poate folosi prea mult din energia soarelui, în afară de producerea puținei vitamine D (o vitamină sintetizată în piele în prezența luminii soarelui).
Plantele, pe de altă parte, sunt experți în captarea energiei luminoase și folosirea acesteia pentru a forma zaharuri prin intermediul unui proces numit fotosinteză. Acest proces începe cu absorbția luminii de către niște molecule organice specializate numite pigmenți, care se găsesc în cloroplastele celulelor plantelor. Mai departe, vom considera lumina ca o formă de energie și vom vedea cum pigmenții - precum clorofila care dă culoarea verde a plantelor- absorb această energie.

Ce este energia luminoasă?

Lumina este o formă de radiație electromagnetică, un tip de energie care se transmite prin unde. Alte tipuri de radiații electromagnetice pe care le întâlnim în viața noastră de zi cu zi includ undele radio, microundele și radiografiile. Împreună, toate tipurile de radiații electromagnetice alcătuiesc spectrul electromagnetic.
Fiecare undă electromagnetică are o anumită lungime de undă, sau o distanță de la un maxim la următorul, diferite tipuri de radiații au intervale caracteristice diferite ale lungimilor de undă (după cum se arată în diagrama de mai jos). Tipurile de radiații cu lungimi de undă mare, cum ar fi undele radio, transportă mai puțină energie decât tipurile de radiații cu lungimi de undă scurte, cum ar fi razele X.
Imagine modificată din "Electromagnetic spectrum," de Inductiveload (CC BY-SA 3.0), și "EM spectrum," de Philip Ronan (CC BY-SA 3.0). Imaginea modificată este licențiată sub licența CC BY-SA 3.0
Spectrul vizibil este singura parte a spectrului electromagnetic care poate fi perceput de ochiul uman. Acesta include radiații electromagnetice a căror lungime de undă este între 400 nm și 700 nm. Lumina vizibilă de la soare apare albă, dar este de fapt formată din mai multe radiații luminoase cu lungimi de undă diferite (culori) . Poți vedea aceste culori diferite când lumina albă trece printr-o prismă: pentru că diferitele lungimi de undă ale luminii sunt refractate cu unghiuri diferite pe măsură ce trec prin prismă, se resfiră și formează ceea ce vedem ca un curcubeu. Lumina roșie are cea mai mare lungime de undă și cea mai mică energie, în timp ce lumina violetă are cea mai scurtă lungime de undă și cea mai mare energie.
Deși lumina și alte forme de radiații electromagnetice acționează ca unde în cele mai multe condiții, se pot comporta ca particule în altele. Fiecare particulă de radiație electromagnetică, numită foton, are o anumită cantitate de energie. Tipurile de radiații cu lungimi scurte de undă au fotoni cu energie înaltă, în timp ce tipurile de radiații cu lungimi de undă mare au fotoni cu energie redusă.

Pigmenții absorb lumina utilizată în fotosinteză

În fotosinteză, energia solară este convertită în energie chimică de către organismele fotosintetice. Cu toate acestea, diversele lungimi de undă ale soarelui nu sunt utilizate în mod egal în fotosinteză. În realitate, organismele fotosintetice conțin molecule de absorbție a luminii numite pigmenți care absorb doar raze cu lungimi de undă specifice ale luminii vizibile, reflectând în același timp altele.
Setul de lungimi de undă absorbite de un pigment reprezintă spectrul de absorbție al acestuia. În diagrama de mai jos, poți vedea spectrul de absorbție a trei pigmenți cheie în fotosinteză: clorofila a, clorofila b și β-caroten. Setul de lungimi de undă pe care un pigment nu le absoarbe se va reflecta, iar lumina reflectată este ceea ce vedem ca fiind culoare. De exemplu, plantele par verzi deoarece conțin multe molecule clorofilă a și b care reflectă lumina verde.
Absorbția optimă a luminii la lungimi diferite de undăvpentru pigmenți diferiți. Imagine modificată din "The light-dependent reactions of photosynthesis: Figure 4," by OpenStax College, Biology (CC BY 3.0)
Majoritatea organismelor fotosintetice au o varietate de pigmenți diferiți, astfel încât pot absorbi energie dintr-o gamă largă de lungimi de unde. Mai departe ne vom uita la două grupuri de pigmenți importanți în plante: clorofile și carotenoizi.

Clorofilele

Există cinci tipuri principale de clorofile: clorofila a, b, c și d, plus o moleculă înrudită care se găsește în procariote numită bacterioclorofilă. În plante, clorofila a și clorofila b sunt pigmenții fotosintetici principali. Moleculele de clorofilă absorb componenta cu lungime de undă albastră și roșie, după cum arată vârfurile din spectrul de absorbție de mai sus.
Structural, moleculele clorofilelor includ o coadă hidrofobă (care „rejectează apă”) care se introduce în membrana tilakoidelor și un cap inelar de porfirină (o grupare circulară de atomi din jurul unui ion de magneziu) care absoarbe luminozitatea1.
Imagine modificată de la "Chlorophyll-a-2D-skeletal," by Ben Mills (public domain)
Deși atât clorofila a cât și clorofila b absorb lumină, clorofila a joacă un rol unic și esențial în transformarea energiei luminoase în energie chimică (așa cum poți vedea în articolul reacții dependente de lumină. Toate plantele fotosintetizatoare, algele și cianobacteriile conțin clorofilă a, pe când, doar plantele și algele verzi conțin clorofilă b, împreună cu câteva tipuri de cianobacterii2,3.
Datorită rolului central al clorofilei a în fotosinteză, toți pigmenții utilizați în plus față de clorofilă a sunt cunoscuți ca pigmenți accesorii- inclusiv alte clorofile, precum și alte clase de pigmenți precum carotenoidele. Utilizarea pigmenților accesorii permite absorbția unei game mai largi de lungimi de undă și, prin urmare, captarea unei cantități mai mari de energie din lumina soarelui.

Carotenoide

Carotenoidele sunt un alt grup important de pigmenți care absorb violetul și lumina albastru-verde (vezi graficul de mai sus). Carotenoidele colorate intens întâlnite în fructe – cum ar fi roșu la roșii (licopen), galbenul semințelor de porumb (zeaxanină) sau portocaliul unei coji de portocală (β-caroten) – sunt utilizate adesea pentru a atrage atenția animalelor, ceea ce poate ajuta la dispersarea semințelor plantei.
În fotosinteză, carotenoidele ajută la captarea luminii, dar au și un rol important în eliminarea excesului de energie dat de lumină. Atunci când o frunză este expusă complet la soare, aceasta beneficiază de o cantitate imensă de energie; în cazul în care energia nu este gestionată corespunzător, aceasta poate deteriora mecanismul fotosintezei. Carotenoidele din cloroplaste ajută la absorbția excesului de energie și la disiparea acestuia sub formă de căldură.

Ce înseamnă ca un pigment să absoarbă lumina?

Când un pigment absoarbe un foton, devine excitat, adică are energie suplimentară și nu mai este în stare normală, sau stabil. La un nivel subatomic, excitarea apare atunci când un electron este mutat într-o orbită de energie superioară care se află mai departe de nucleu.
Doar un foton cu cantitatea potrivită de energie pentru a muta un electron între orbite, poate genera excitarea unui pigment. De fapt, acesta este motivul pentru care pigmenți diferiți absorb componente cu lungimi de undă diferite ale luminii: „decalaje de energie” dintre orbite sunt diferite pentru fiecare pigment, adică fotonii de diverse lungimi de undă sunt necesari în fiecare caz pentru a oferi un impuls energetic care să corespundă decalajului 4.
Un pigment excitat este instabil și are disponibile diverse „opțiuni” pentru a deveni mai stabil. De exemplu, poate transfera energia suplimentară sau electronul său excitat unei molecule din vecinătatea sa. Vom vedea cum funcționează ambele procese în următoarea secțiune: reacțiile dependente de lumină.