Хлорофилл – группа зелёных пигментов, которые поглощают энергию света и запускают световые реакции фотосинтеза. У растений он находится главным образом в мембранах тилакоидов внутри хлоропластов. Благодаря хлорофиллу световая энергия превращается в химическую форму, необходимую для последующего образования органических веществ из углекислого газа.
Где находится хлорофилл
Лист состоит из множества клеток, а особенно много хлоропластов содержат клетки внутренней ткани – мезофилла. Каждый хлоропласт окружён оболочкой и содержит систему плоских мембранных мешочков, называемых тилакоидами. Они собраны в стопки, похожие на маленькие пачки дисков.
Молекулы хлорофилла встроены в тилакоидные мембраны вместе с белками. Они не плавают свободно в клеточном соке и не являются отдельными зелёными крупинками. Пигменты и белки образуют фотосистемы – комплексы, которые улавливают свет и направляют его энергию в цепь реакций.
Хлоропласты есть не во всех частях растения. Корень, растущий в темноте, обычно не нуждается в большом количестве зелёного пигмента. В листьях и молодых зелёных побегах его много, потому что они получают свет и активно фотосинтезируют.
Как молекула работает со светом
Свет состоит из фотонов, энергия которых зависит от длины волны. Когда подходящий фотон поглощается молекулой хлорофилла, один из её электронов переходит в более высокое энергетическое состояние. В реакционном центре эта энергия используется для переноса электронов по цепи белков.
Световые реакции создают АТФ и НАДФН – временные носители химической энергии и восстановительной способности. Затем они участвуют в цикле Кальвина, где углекислый газ включается в органические молекулы. Подробная последовательность изложена в статье «Как происходит фотосинтез».
Кислород, выделяемый растением, образуется при расщеплении воды в световых реакциях. Распространённая фраза о том, что растения «делают кислород из углекислого газа», неточна. Углерод из углекислого газа входит в сахара, а молекулярный кислород происходит главным образом из воды.
Почему листья кажутся зелёными
Хлорофилл хорошо поглощает красный и сине-фиолетовый свет, но слабее использует зелёную часть спектра. Зелёный свет чаще отражается или проходит через ткань, поэтому попадает в глаза наблюдателя. Цвет листа – результат взаимодействия освещения, нескольких пигментов и строения ткани.
В фотосинтезе участвуют не только зелёные молекулы. Каротиноиды поглощают другие участки спектра и помогают передавать энергию фотосистемам. Они также защищают аппарат фотосинтеза от избытка света. Жёлтые и оранжевые оттенки каротиноидов часто скрыты преобладающим хлорофиллом.
Некоторые водоросли и фотосинтезирующие бактерии выглядят красными, бурыми или пурпурными. У них есть дополнительные пигменты, приспособленные к свету, доступному в конкретной среде. Зелёный цвет характерен для многих растений, но не является единственно возможным признаком фотосинтеза.
Хлорофилл a и хлорофилл b
У наземных растений главную роль играет хлорофилл a. Он находится в реакционных центрах фотосистем и непосредственно участвует в первичном преобразовании энергии. Хлорофилл b служит вспомогательным пигментом и расширяет диапазон используемого света.
Молекулы отличаются небольшой частью строения, поэтому их спектры поглощения не полностью совпадают. Это позволяет растению эффективнее использовать освещение, чем при наличии одного пигмента. Энергия, полученная вспомогательными молекулами, передаётся к реакционному центру.
В центре хлорофилла находится ион магния, окружённый большим кольцом атомов. Но из этого не следует, что простое внесение магния всегда сделает растение зеленее. Пожелтение может быть вызвано нехваткой разных элементов, болезнью, повреждением корней, недостатком света или естественным старением.
Что происходит осенью
При сокращении дня и изменении температуры листопадные растения готовятся к зиме. Хлорофилл постепенно разрушается, а ценные компоненты из листа возвращаются в многолетние части растения. Когда зелёная окраска ослабевает, становятся заметнее жёлтые и оранжевые каротиноиды.
Красные антоцианы устроены иначе: они находятся в клеточном соке и у некоторых видов образуются осенью заново. Итоговый цвет зависит от вида, погоды и состояния листа. Поэтому соседние деревья могут окрашиваться по-разному даже при одинаковой температуре.
Вечнозелёные растения тоже обновляют листья или хвою, но не сбрасывают весь фотосинтезирующий покров одновременно. Их ткани защищены от холода и потери воды, хотя зимой скорость процессов обычно снижается.
Значит ли больше хлорофилла больше фотосинтеза
Количество пигмента важно, но не определяет всё. Скорость ограничивают интенсивность света, доступность углекислого газа, температура, вода, состояние устьиц и работа ферментов. Очень яркий свет способен превысить возможности системы и повредить её, если защитные механизмы не справятся.
Лист в тени часто содержит относительно много пигмента и устроен так, чтобы собирать слабый свет. Солнечный лист может быть толще и иметь другие пропорции тканей. Поэтому сравнивать растения только по насыщенности зелёного цвета нельзя.
Хлорофилл не «питается солнцем» и сам не создаёт вещество из энергии. Он выполняет роль молекулярного приёмника в большой системе. Для роста нужны вода, углекислый газ и минеральные элементы, а готовые сахара используются для дыхания, построения целлюлозы и синтеза других соединений.
Фотосинтез связывает солнечную энергию с пищевыми цепями и влияет на состав атмосферы. Эта связь подробно раскрыта в материале о накоплении солнечной энергии в зелёном листе. Хлорофилл важен не сам по себе, а как часть клеточного механизма, поддерживающего большую часть жизни на Земле.
Итак, хлорофилл поглощает определённые длины волн, передаёт энергию фотосистемам и придаёт листьям зелёный цвет. Он расположен в точно организованных мембранах, работает вместе с белками и другими пигментами и не заменяет остальные условия, необходимые растению.
Выделенный из ткани пигмент сохраняет зелёный цвет, но вне целого хлоропласта уже не выполняет работу растения. Для устойчивого преобразования энергии нужна вся организованная система мембран, ферментов, переносчиков электронов и постоянное восстановление повреждённых компонентов.
