Sicuramente sarebbe ancora più vantaggioso che le piante fossero nere invece che rosse o verdi, dal punto di vista dell'assorbimento energetico. E le celle solari sono davvero piuttosto scure.

Ma, come indicato da Rory, i fotoni di energia più elevata produrranno solo calore. Questo perché le reazioni chimiche alimentate dalla fotosintesi richiedono solo una certa quantità di energia e qualsiasi quantità eccessiva erogata da fotoni di energia superiore non può essere semplicemente utilizzata per un'altra reazione ¹ ma produrrà calore. Non so quanti problemi ciò causi effettivamente, ma c'è un altro punto:

Come spiegato, ciò che determina l'efficienza della conversione dell'energia solare non è l'energia per fotone, ma la quantità di fotoni disponibili. Quindi dovresti dare un'occhiata allo spettro della luce solare:

L'irradianza è una densità di energia, tuttavia siamo interessati alla densità dei fotoni, quindi devi dividere questa curva per l'energia per fotone, il che significa moltiplicarla per λ / (hc) (cioè lunghezze d'onda maggiori richiedono più fotoni per ottenere la stessa irradianza). Se confronti quella curva integrata sui fotoni ad alta energia (diciamo λ < 580 nm) con l'integrazione su quelli a bassa energia, noterai che nonostante le perdite atmosferiche (la curva rossa è ciò che resta della luce solare a livello del mare) ci sono molti più fotoni "rossi" rispetto a quelli "verdi", quindi rendere rosse le foglie sprecherebbe molta energia potenzialmente convertita ² .

Naturalmente, questo non c'è ancora una spiegazione del perché le foglie non siano semplicemente nere: assorbire tutta la luce è sicuramente ancora più efficace, no? Non ne so abbastanza di chimica organica, ma la mia ipotesi sarebbe che non ci siano sostanze organiche con uno spettro di assorbimento così ampio e l'aggiunta di un altro tipo di pigmento potrebbe non dare i suoi frutti. ³

¹⁾ Teoricamente che è possibile, ma è un processo altamente non lineare e quindi troppo improbabile che sia di reale utilità (almeno nel mezzo vegetale)
²⁾ Dal momento che l'acqua assorbe la luce rossa più forte della luce verde e blu, le piante di acque profonde fanno davvero meglio ad essere rosse, come ha menzionato Marta Cz-C .
³ E altre alternative, come i semiconduttori utilizzati nelle celle solari, è piuttosto improbabile che si incontrino nelle piante ...

Letture aggiuntive, proposte di Dave Jarvis:

• http://pcp.oxfordjournals.org/content/50/4/684.full
• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3691134/
• http: // www. life.illinois.edu/govindjee/photosynBook/Chapter11.pdf
• https://www.heliospectra.com/sites/default/files/general/What%20light%20do % 20plants% 20need_5.pdf

Credo che sia dovuto a un compromesso tra l'assorbimento di un'ampia gamma di fotoni e il non assorbire troppo calore. Certamente questo è un motivo per cui le foglie non sono nere: gli enzimi nella fotosintesi così com'è verrebbero denaturati dal calore in eccesso che si otterrebbe.

Questo può aiutare in qualche modo a spiegare perché il verde viene riflesso invece del rosso come hai suggerito: riflettere un colore ad energia più elevata riduce la quantità di energia termica acquisita dalle foglie.

C'è un articolo abbastanza divertente qui che discute i colori di piante ipotetiche su pianeti attorno ad altre stelle.

Le stelle sono classificate in base al loro tipo spettrale, che è dettato dalla loro temperatura superficiale. Il Sole è relativamente caldo e la sua distribuzione spettrale di energia raggiunge i picchi nella regione verde dello spettro. Tuttavia la maggior parte delle stelle nella Galassia sono di tipo K e M che emettono principalmente nel rosso e nell'infrarosso.

Ciò è rilevante per questa discussione poiché qualsiasi fotosintesi su questi mondi dovrebbe adattarsi a queste lunghezze d'onda della luce per poter procedere. Sui pianeti attorno a stelle fantastiche la vita vegetale (o il suo equivalente) potrebbe essere nera!

OK, questa non è del tutto spazzatura da astrobiologo. In realtà è abbastanza rilevante per la ricerca di firme biologiche e vita su altri pianeti. Per modellare lo spettro di riflettanza dei pianeti che osserviamo (cioè la luce riflessa dalla stella primaria) dobbiamo cercare di prendere in considerazione qualsiasi potenziale vegetazione.

Ad esempio, se prendiamo uno spettro di riflettanza di sulla Terra, vediamo un caratteristico picco nel "bordo rosso" rosso dovuto alla vita vegetale superficiale.

Anche la NASA ha una breve pagina su questo qui.

Ci sono due fattori in gioco qui. Il primo è l'equilibrio tra quanta energia può raccogliere una pianta e quanta può usarne. Non è un problema di troppo calore, ma di troppi elettroni. Se fosse una questione di calore, alcuni fiori selezionati per la loro pigmentazione nera avrebbero i loro petali cotti. ;)

Se una pianta non ha abbastanza acqua, è troppo fredda, è troppo calda, raccoglie troppa luce o ha qualche altra condizione che impedisce il corretto funzionamento della catena di trasporto degli elettroni, gli elettroni si accumulano in un processo chiamato fotoinibizione.

Questi elettroni vengono quindi trasferiti a molecole a cui non dovrebbero essere trasferiti, creando radicali liberi, scatenando il caos all'interno delle cellule della pianta. Fortunatamente, le piante producono altri composti che prevengono alcuni dei danni assorbendo e facendo circolare gli elettroni come le patate bollenti. Questi antiossidanti sono utili anche per noi quando li mangiamo.

Questo spiega perché le piante raccolgono la quantità di energia luminosa che fanno, ma non spiega perché sono verdi e non grigie o rosso scuro. Sicuramente ci sono altri pigmenti in grado di generare elettroni per la catena di trasporto degli elettroni.

La risposta a questa domanda è la stessa del motivo per cui ATP viene utilizzato come principale molecola di trasporto di energia negli organismi piuttosto che in GTP o qualcos'altro.

La clorofilla aeb erano solo le prime cose che si sono verificate a soddisfare il requisito. Certamente qualche altro pigmento avrebbe potuto raccogliere l'energia, ma quella regione dello spazio dei parametri non ha mai avuto bisogno di essere esplorata.

So che questa domanda è stata posta e che ha avuto risposta diversi anni fa (con molte ottime risposte), ma non ho potuto fare a meno di notare che nessuno si era avvicinato a questo da un evolutivo prospettiva (come la risposta a questa domanda) ...

Risposta breve

I pigmenti appaiono come qualsiasi colore non sia assorbito (cioè, appaiono come qualsiasi lunghezza d'onda della luce che riflettono).

La luce blu era la lunghezza d'onda della luce più disponibile per le prime piante che crescevano sott'acqua, il che probabilmente ha portato allo sviluppo / evoluzione iniziale dei fotosistemi mediati dalla clorofilla ancora presenti nelle piante moderne. La luce blu è la luce più disponibile e ad alta energia che continua a raggiungere le piante, e quindi le piante non hanno motivo di non continuare a sfruttare questa abbondante luce ad alta energia per la fotosintesi.

Pigmenti diversi assorbono lunghezze d'onda diverse di luce, quindi le piante idealmente incorporerebbero pigmenti in grado di assorbire la luce più disponibile. Questo è il caso in cui sia la clorofilla a che b assorbono principalmente la luce blu. L'assorbimento della luce rossa si è probabilmente evoluto una volta che le piante si sono spostate sulla terraferma a causa della sua maggiore abbondanza (rispetto a quella sott'acqua) e della sua maggiore efficienza nella fotosintesi.

Risposta lunga

Presto Le piante sviluppano un moderno sistema fotografico

Si scopre che, proprio come la variabilità nella trasmissione di diverse lunghezze d'onda della luce attraverso l'atmosfera, certe lunghezze d'onda della luce sono più capaci di penetrare nelle profondità dell'acqua più profonde. La luce blu viaggia tipicamente a profondità più profonde di tutte le altre lunghezze d'onda visibili della luce. Pertanto, le prime piante si sarebbero evolute per concentrarsi sull'assorbimento di questa parte dello spettro elettromagnetico.

Tuttavia, noterai che anche la luce verde penetra relativamente in profondità. L ' comprensione attuale è che i primi organismi fotosintetici erano gli archei acquatici e (sulla base di esempi moderni di questi antichi organismi) questi archaea usavano batteriorhopsin per assorbire la maggior parte della luce verde.

Le prime piante crescevano al di sotto di questi batteri viola produttori di batterio-luppina e dovevano usare tutta la luce che potevano ottenere. Di conseguenza, il sistema della clorofilla si è sviluppato nelle piante per utilizzare la luce a loro disposizione. In altre parole, in base alla capacità di penetrazione più profonda della luce blu / verde e alla perdita della disponibilità di luce verde per i batteri pelagici sopra, le piante hanno sviluppato un fotosistema per assorbire principalmente nello spettro blu perché quella era la luce più disponibile a loro .

• Diversi pigmenti assorbono diverse lunghezze d'onda della luce, quindi le piante idealmente incorporerebbero pigmenti in grado di assorbire la luce più disponibile. Questo è il caso in quanto sia la clorofilla a che b assorbono principalmente la luce blu.

• Ecco due grafici di esempio (da qui e qui) che mostrano lo spettro di assorbimento dei pigmenti vegetali tipici:

  

Allora perché le piante sono verdi?

Come si può intuire dai paragrafi precedenti, poiché le prime piante sott'acqua hanno ricevuto così poca luce verde, si sono evolute con un sistema fotografico mediato dalla clorofilla che non aveva le proprietà fisiche per assorbire la luce verde. Di conseguenza, le piante riflettono la luce a queste lunghezze d'onda e appaiono verdi .

Ma perché le piante non sono rosse? ...

Motivo per fai questa domanda:

Ciò sembrerebbe altrettanto plausibile date le informazioni di cui sopra. Poiché la luce rossa penetra nell'acqua in maniera incredibilmente scarsa ed è in gran parte non disponibile a profondità inferiori, sembrerebbe che le prime piante non svilupperebbero un mezzo per assorbirla e quindi rifletterebbero anche la luce rossa.

• In effetti, le alghe rosse [relativamente] strettamente correlate hanno sviluppato un pigmento riflettente il rosso. Queste alghe hanno sviluppato un sistema fotografico che include anche il pigmento ficoeritrina per aiutare ad assorbire la luce blu disponibile. Questo pigmento non si è evoluto per assorbire i bassi livelli di luce rossa disponibile, quindi questo pigmento lo riflette e fa apparire questi organismi rossi.

  • È interessante notare che, secondo qui, i cianobatteri che contengono anche questo pigmento possono facilmente cambiare la sua influenza sul colore osservato dall'organismo:

    Il rapporto tra ficocianina e ficoeritrina può essere alterato dal punto di vista ambientale. I cianobatteri che vengono allevati alla luce verde in genere sviluppano più ficoeritrina e diventano rossi. Gli stessi cianobatteri cresciuti in luce rossa diventano verde-bluastri. Questo cambiamento di colore reciproco è stato chiamato "adattamento cromatico".

• Inoltre, (sebbene sia ancora in discussione) secondo il lavoro di Moreira et al (2000) (e corroborato da numerosi altri ricercatori) piante e alghe rosse probabilmente hanno una filogenesi fotosintetica condivisa:

  tre gruppi di organismi originati dall'endosimbiosi fotosintetica primaria tra un cianobatterio e un ospite eucariotico: piante verdi (alghe verdi + piante terrestri), alghe rosse e glaucofite (ad esempio, Cyanophora).

Allora, cosa succede?

Risposta:

La semplice risposta del motivo per cui le piante non sono rosse è perché la clorofilla assorbe la luce rossa .

Questo ci porta a chiederci: La clorofilla nelle piante sempre ha assorbito la luce rossa (impedendo alle piante di apparire rosse) o questa caratteristica è apparsa in seguito ?

• Se la prima era vera, allora le piante non appaiono rosse semplicemente a causa delle caratteristiche fisiche che i pigmenti di clorofilla si sono evoluti per avere.

• Per quanto ne so, non abbiamo una risposta chiara a questa domanda.

  • (altri si prega di commentare se si conoscono risorse che discutono di questo).

• Tuttavia, indipendentemente da quando l'assorbimento della luce rossa si è evoluto, le piante tuttavia si sono evolute per assorbire la luce rossa in modo molto efficiente .

  • Un certo numero di fonti (ad esempio, Mae et al. 2000, Brins et al. 2000 e qui) così come numerose altre risposte a questo domanda, suggeriscono che la fotosintesi più efficiente si verifica sotto la luce rossa. In altre parole, la luce rossa si traduce nella massima "efficienza fotosintetica".

    • Questa pagina NIH suggerisce il motivo alla base di questo:

    Clorofilla a anche assorbe la luce a lunghezze d'onda discrete inferiori a 680 nm (vedere la Figura 16-37b). Tale assorbimento solleva la molecola in uno dei numerosi stati eccitati superiori, che decadono entro 10 ^-12 secondi (1 picosecondo, ps) al primo stato eccitato P *, con perdita dell'energia extra sotto forma di calore. La separazione della carica fotochimica si verifica solo dal primo stato eccitato della clorofilla a, P * del centro di reazione. Ciò significa che la resa quantica - la quantità di fotosintesi per fotone assorbito - è la stessa per tutte le lunghezze d'onda della luce visibile inferiori a 680 nm.

Perché le piante sono rimaste verdi?

Allora perché le piante non si sono evolute per utilizzare la luce verde dopo essersi spostate / evolute sulla terra? Come discusso qui, le piante sono terribilmente inefficienti e non possono utilizzare tutta la luce a loro disposizione. Di conseguenza, è probabile che non vi sia alcun vantaggio competitivo nell'evoluzione di un fotosistema drasticamente diverso (cioè che coinvolge pigmenti che assorbono il verde).

Quindi le piante della terra continuano ad assorbire la luce blu e rossa e riflettono il verde. Poiché la luce verde raggiunge così abbondantemente la Terra, la luce verde rimane il pigmento più fortemente riflesso sulle piante e le piante continuano ad apparire verdi.

• (Tuttavia, nota che altri organismi come uccelli e insetti probabilmente vedono le piante in modo molto diverso perché i loro occhi possono distinguere i colori in modo diverso e vedono più della luce UV fortemente riflessa che i nostri non possono).

Il biologo John Berman ha espresso l'opinione che l'evoluzione non sia un processo di ingegneria, e quindi è spesso soggetta a varie limitazioni che un ingegnere o un altro progettista non è. Anche se le foglie nere fossero migliori, i limiti dell'evoluzione possono impedire alle specie di raggiungere la vetta più alta in assoluto nel panorama del fitness. Berman ha scritto che ottenere pigmenti che funzionano meglio della clorofilla potrebbe essere molto difficile. In effetti, si pensa che tutte le piante superiori (embrioni) si siano evolute da un antenato comune che è una sorta di alga verde - con l'idea che la clorofilla si sia evoluta solo una volta. ( riferimento)

Le piante e altri organismi fotosintetici sono in gran parte pieni di complessi pigmento-proteina che producono per assorbire la luce solare. La parte della resa fotosintetica che investono in questo, quindi, deve essere proporzionale. Il pigmento nello strato più basso deve ricevere abbastanza luce per recuperare i suoi costi energetici, cosa che non può accadere se uno strato superiore nero assorbe tutta la luce. Un sistema nero può quindi essere ottimale solo se non costa nulla ( riferimento).

La luce rossa e gialla è una lunghezza d'onda maggiore, una luce a energia inferiore, mentre la luce blu è un'energia più alta. Sembra strano che le piante raccolgano la luce rossa di energia inferiore invece della luce verde di energia superiore, a meno che non si consideri che, come tutta la vita, le piante si sono evolute per la prima volta nell'oceano. L'acqua di mare assorbe rapidamente la luce blu e verde ad alta energia, in modo che solo la luce rossa di minore energia e lunghezza d'onda maggiore possa penetrare nell'oceano. Poiché le prime piante e ancora la maggior parte della vita vegetale oggi, vivevano nell'oceano, ottimizzare i loro pigmenti per assorbire i rossi e i gialli che erano presenti nell'acqua dell'oceano era più efficace. Sebbene sia stata mantenuta la capacità di catturare la luce blu con la massima energia, l'incapacità di raccogliere la luce verde sembra essere una conseguenza della necessità di essere in grado di assorbire l'energia inferiore della luce rossa ( riferimento).

Altre speculazioni sull'argomento: ( riferimento)

Ci sono diverse parti nella mia risposta.

In primo luogo, l'evoluzione ha selezionato i sistemi attuali nel corso di innumerevoli generazioni attraverso la selezione naturale. La selezione naturale dipende dalle differenze (maggiori o minori) nell'efficienza delle varie soluzioni (fitness) alla luce (ho ho!) Dell'ambiente attuale. Qui è dove lo spettro dell'energia solare è importante così come le variabili ambientali locali come l'assorbimento della luce da parte dell'acqua, ecc. Come sottolineato da un altro risponditore. Dopo tutto quello, quello che hai è quello che hai e che risulta essere (nel caso delle tipiche piante verdi), le clorofille A e B e le reazioni "chiare" e "scure".

In secondo luogo, in che modo questo porta a piante verdi che appaiono verdi? L'assorbimento della luce è qualcosa che si verifica a livello atomico e molecolare e di solito coinvolge lo stato energetico di particolari elettroni. Gli elettroni in alcune molecole sono in grado di spostarsi da un livello di energia a un altro senza lasciare l'atomo o la molecola. Quando l'energia di un certo livello colpisce la molecola, quell'energia viene assorbita e uno o più elettroni si spostano a un livello di energia più elevato nella molecola (conservazione dell'energia). Quegli elettroni con energia più alta di solito tornano allo "stato fondamentale" emettendo o trasferendo quell'energia. Un modo in cui l'energia può essere emessa è la luce in un processo chiamato fluorescenza. La seconda legge della termodinamica (che rende impossibile avere macchine a moto perpetuo) porta all'emissione di luce di minore energia e maggiore lunghezza d'onda. (n.b. la lunghezza d'onda (lambda) è inversamente proporzionale all'energia; la luce rossa a lunghezza d'onda lunga ha meno energia per fotone rispetto al viola a lunghezza d'onda corta (ROYGBIV come si vede nel normale arcobaleno)).

Comunque, le clorofille A e B sono molecole organiche complesse (C, H, O, N con una spruzzata di Mg ++) con una struttura ad anello. Scoprirai che molte molecole organiche che assorbono la luce (e anche la fluorescenza) hanno una struttura ad anello in cui gli elettroni "risuonano" muovendosi con facilità intorno all'anello. È la risonanza degli elettroni che determina lo spettro di assorbimento di una data molecola (tra le altre cose). Consulta l'articolo di Wikipedia sulla clorofilla per lo spettro di assorbimento delle due clorofille. Noterai che si assorbono meglio alle lunghezze d'onda corte (blu, indaco, viola) e alle lunghezze d'onda lunghe (rosso, arancione, giallo) ma non nel verde. Poiché non assorbono le lunghezze d'onda verdi, questo è ciò che rimane ed è ciò che il tuo occhio percepisce come il colore della foglia.

Infine, cosa succede all'energia dello spettro solare che ha stato temporaneamente assorbito dagli elettroni della clorofilla? Dal momento che non fa parte della domanda originale, lo terrò breve (scuse ai fisiologi delle piante là fuori). Nella "reazione dipendente dalla luce", gli elettroni energetici vengono trasferiti attraverso un numero di molecole intermedie per "dividere" l'acqua in ossigeno e idrogeno e generare molecole ricche di energia di ATP e NADPH. L'ATP e il NADPH vengono quindi utilizzati per alimentare la "reazione indipendente dalla luce" che prende CO2 e la combina con altre molecole per creare glucosio. Nota che questo è il modo in cui ottieni glucosio (almeno alla fine in qualche forma, vegano o no) da mangiare e ossigeno da respirare.

Dai un'occhiata a cosa succede quando disaccoppi artificialmente le clorofille dal sistema di trasferimento che porta alla sintesi del glucosio. http://en.wikipedia.org/wiki/Chlorophyll_fluorescence Nota il colore della fluorescenza sotto la luce UV!

Alternative? Guarda i batteri fotosintetici.

Tobias Keinzler spiega bene perché le piante nere non funzionerebbero, questa è una spiegazione del perché le piante sono verdi e non di un altro colore.

Il colore del fogliame si basa su qualunque sia il colore dei batteri (o archaea) che vengono incorporati per diventare cloroplasti. O più specificamente il colore dei loro pigmenti che assorbono la luce. c'è una vasta gamma in natura per il colore negli organismi fotosintetici, le piante sono verdi perché la clorofilla è verde, avrebbe potuto facilmente essere rossa o viola. http://www.ucmp.berkeley.edu/glossary/gloss3/pigments.html

Ci sono prove decenti che gli antenati dei cloroplasti assorbono i margini dello spettro visibile perché halobacterium assorbe i principali costituenti, poiché gli utenti di clorofilla non competevano direttamente con loro invece assorbendo la luce rimanente. Fu solo più tardi, quando furono incorporati in cellule più grandi, che arrivarono a dominare e alla fine dare origine alle piante. Le piante non sono verdi perché il verde è meglio, le piante sono verdi perché è il primo pigmento fotosintetico efficiente ad evolversi che non ha competuto con il fotosintetizzatore dominante.