Bitkiler neden yeşil, siyah değil?

Kısa cevap

Yaprak yeşil görünür, çünkü klorofiller mavi ve kırmızı ışığı çok güçlü, yeşil ışığı ise zayıf soğurur; zayıf soğurulan yeşilin bir kısmı geri yansır ve gözümüze ulaşır. Ama yeşil ışık boşa gitmez: yaprağın içine daha derin sızar ve güçlü beyaz ışıkta, yüzeydeki hücrelerin doyduğu anlarda alt katmanlardaki kloroplastlarda fotosentezi kırmızı ışıktan bile daha verimli sürdürebilir. Bitkilerin bütün ışığı soğurup siyah olmamasını açıklayan önerilerden biri de, ışık toplayan anteninin güneş ışığındaki dalgalanmalara karşı sakin kalmasının, en çok ışığı toplamaktan daha önemli olmasıdır.

İki tepe, bir çukur

RH-03, yaprağı yeşil gösteren pigmentin klorofil olduğunu ve mavi ile kırmızıyı soğurduğunu anlatmıştı. Burada bu soğurmanın biçimine bakalım.

Yeşil bitkilerde iki klorofil türü birlikte çalışır.

PhotochemCAD veri tabanındaki ölçümlere göre dietil eterde çözülmüş klorofil a'nın en güçlü tepesi 428 nanometrede, ikinci tepesi 660 nanometrededir. Klorofil b'nin tepeleri 453 ve 643 nanometrededir. İki eğrinin arasında, 500 ile 600 nanometre arasında derin bir çukur vardır: bu bölgede klorofil a'nın soğurması en yüksek değerinin yalnız yüzde 1,4'üne, klorofil b'ninki yüzde 2,3'üne iner. Yeşil, klorofilin en az soğurduğu bölgedir.

Çözeltideki bu eğriler yaprağın kendisi değildir. Yaprakta klorofiller proteinlere bağlıdır, yanlarında karotenoidler bulunur ve ışık hücrelerin arasında saçılarak yolunu uzatır. Bu yüzden bir yaprak, çözeltideki klorofilin bıraktığı yeşilin önemli bir bölümünü de soğurur. Kromoforun bu renkleri neden soğurduğunun kimyası MA-01'in konusudur.

Yeşil yaprak yeşil ışığı kullanıyor mu?

Bitkiler fotosentezde görünür ışığın tamamına yakınını kullanır.

Yeşil ışığın yaprakta ne işe yaradığını anlamak için yaprağın içine bakmak gerekir. Işık yaprağa üst yüzeyden girer ve aşağı indikçe azalır.

Mavi ve kırmızı ışık üst katmanlardaki kloroplastlarda çabucak soğurulur. Güçlü güneş ışığında bu kloroplastlar zaten doymuştur; fazladan gelen ışığı kullanamazlar. Yeşil ışık ise zayıf soğurulduğu için aşağıdaki, daha az ışık alan kloroplastlara ulaşır ve orada iş görür.

Kartın sorusunun cevabı bu yüzden evettir. Yaprak yeşil ışığın bir kısmını yansıtır ve bu yüzden yeşil görünür; ama geri kalanını, özellikle derin katmanlarda, fotosentezde kullanır.

Neden siyah değil?

Bütün ışığı soğuran bir yaprak siyah görünürdü ve ilk bakışta daha çok enerji toplardı. Neden böyle değil?

Terashima ve arkadaşlarının cevabı bir dengedir: yeşili güçlü soğuran bir yaprakta bütün ışık üst katmanlarda tükenir, alt kloroplastlar karanlıkta kalır ve üsttekiler doyar. Yeşili zayıf soğurmak ışığı yaprağın içine daha eşit dağıtır.

Arp ve arkadaşları 2020'de başka bir açıdan baktı. Işık koşulları sürekli değişir ve hücrenin içi gürültülü bir ortamdır; ışık toplayan anten bu koşullarda da güvenilir çalışmak zorundadır. Ekip, bu gürültüyü bastıran bir anten modeli kurdu ve modelin öngördüğü soğurma çizgilerinin gerçek fotosentez yapan canlılarınkilerle örtüştüğünü gösterdi.

İki açıklama birbirini dışlamaz ve hiçbiri tartışmayı kapatmış değildir. Ortak noktaları şudur: en çok ışığı soğurmak, en iyi fotosentez anlamına gelmez.

Örnek — yaprak gölgesinde dört ten

Yaprağın yeşilini soğuramaması, altında duran her şeyin ışığını da değiştirir. Bir ağacın altındaki gölgede çekilen fotoğraflarda yüzlerin yeşile çalması buradan gelir. Bunu bir modelle hesapladık: PhotochemCAD'deki klorofil a ve b tayflarını 3'e 1 oranında karıştırıp bir süzgeç kurduk, D65 gün ışığını bu süzgeçten geçirdik ve dört teni bu ışıkta, bir kez gün ışığına ayarlı bir kamerayla, bir kez de ışığa uyum sağlamış bir göz modeliyle hesapladık.

Süzülen ışık sarımsı yeşildir: baskın dalga boyu 558 ile 560 nanometre arasındadır. Süzgeç yoğunlaştıkça etki büyür.

Değerler, her tenin gün ışığındaki görünüşünden ΔE00 uzaklığıdır. Gün ışığına ayarlı bir kamerada en açık ten en çok kayar, çünkü kırmızılığı kaybolur: a\* değeri 10,6'dan kalın süzgeçte −7,1'e iner. BI-08'de gördüğümüz uyum sayesinde göz aynı sahnede yüzü neredeyse gün ışığındaki renginde görür; kamera ise görmez. Ağaç gölgesinde çekim yapan bir fotoğrafçı, beyaz dengesini sahnenin kendi ışığına göre ayarlamalı ya da yüze nötr bir yansıtıcıyla ışık vermelidir. Hesap bir modeldir: gerçek bir yaprak katmanında karotenoidler ve saçılma da vardır, klorofil oranı türden türe değişir.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. Klorofil a'nın tepeleri 428 ve 660, klorofil b'ninkiler 453 ve 643 nanometrededir; 500–600 nanometre arasındaki derin çukur yaprağın yeşil görünmesinin nedenidir.
2. Yeşil ışık yaprağın içine daha derin sızar; güçlü beyaz ışıkta alt kloroplastlarda fotosentezi kırmızı ışıktan bile verimli sürdürebilir. Kartın sorusunun cevabı evettir.
3. Bitkilerin siyah olmamasını ışığın yaprak içinde eşit dağılması ve antenin gürültüye karşı sakin kalması açıklamaya çalışır. Klorofil süzgecinden geçen ışık tenleri gün ışığına ayarlı bir kamerada ΔE00 4–17 kaydırır, uyum sağlamış bir gözde fark 0,4–1,5'tir.

Kendini sına

1. (Kolay) Klorofil a'nın iki soğurma tepesi hangi dalga boylarındadır?
2. (Kolay) Fotosentetik olarak etkin ışınım hangi aralığı kapsar?
3. (Orta) Yeşil yaprak yeşil ışığı kullanıyor mu?
4. (Orta) Güçlü beyaz ışıkta yeşil ışık neden kırmızı ışıktan daha verimli olabilir?
5. (Zor) Bir bitkinin bütün ışığı soğuran siyah bir yaprağı olsaydı hangi sorunlarla karşılaşabilirdi?
6. (Zor) Ağaç gölgesinde çekilen bir fotoğrafta en açık ten neden en çok kayar ve göz bu kaymayı neden görmez?

Cevaplar

1. Dietil eterdeki ölçüme göre 428 ve 660 nanometrede. Bkz. "İki tepe, bir çukur".
2. Kabaca 400 ile 700 nanometre arasını; yeşil ışık da bu aralıktadır. Bkz. "Yeşil yaprak yeşil ışığı kullanıyor mu?".
3. Evet; yaprak yeşilin bir kısmını yansıttığı için yeşil görünür, ama geri kalanı yaprağın derin katmanlarına iner ve oradaki kloroplastlarda fotosentezde kullanılır. Bkz. "Yeşil yaprak yeşil ışığı kullanıyor mu?".
4. Çünkü kırmızı ışık üst kloroplastlarda hızla soğurulur ve güçlü ışıkta bu kloroplastlar zaten doymuştur; yeşil ışık zayıf soğurulduğu için aşağıdaki, daha az ışık alan kloroplastlara ulaşır. Terashima ve arkadaşları ayçiçeği yapraklarında bunu gösterdi. Bkz. "Yeşil yaprak yeşil ışığı kullanıyor mu?".
5. Işık üst katmanlarda tükenir, alt kloroplastlar karanlıkta kalır ve üsttekiler doyar; Arp ve arkadaşlarının modeline göre de anten, güneş ışığının dalgalanmalarına karşı sakin kalamaz ve gürültü artar. Bkz. "Neden siyah değil?".
6. Çünkü klorofil süzgecinden geçen ışık sarımsı yeşildir ve en açık tenin kırmızılığını en çok siler; gün ışığına ayarlı kamera bunu olduğu gibi kaydeder. Uyum sağlamış göz modelinde ise fark 1,0'a iner, çünkü göz sahnenin beyazını yeniden ayarlar. Bkz. "Örnek".

Kaynaklar

• Scott Prahl, «Chlorophyll a in diethyl ether» ve «Chlorophyll b in diethyl ether», Oregon Medical Laser Center, omlc.org, PhotochemCAD 2.1a verileri.
• Du, H., Fuh, R.-C. A., Li, J., Corkan, L. A. ve Lindsey, J. S., «PhotochemCAD: A computer-aided design and research tool in photochemistry», Photochemistry and Photobiology 68(2): 141 vd., 1998.
• Terashima, I., Fujita, T., Inoue, T., Chow, W. S. ve Oguchi, R., «Green light drives leaf photosynthesis more efficiently than red light in strong white light: revisiting the enigmatic question of why leaves are green», Plant and Cell Physiology 50(4): 684–697, 2009.
• Arp, T. B., Kistner-Morris, J., Aji, V., Cogdell, R. J., van Grondelle, R. ve Gabor, N. M., «Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra», Science 368(6498): 1490–1495, 2020.

Sonraki adım

DO-05 yeşilin gidişine bakıyor: sonbaharda klorofilin çekilmesini, karotenoidlerin ortaya çıkmasını, antosiyaninlerin yeni üretilmesini ve iklimin etkisini anlatıyor ve sarı rengin sonbaharda yaprakta yeni mi oluştuğunu soruyor. Klorofilin rengini neden soğurduğunun kimyasını MA-01, gözün ışığa uyumunu BI-08 anlatır.