备课素材：叶绿素为什么很少吸收绿光-2025-2026学年高一上学期生物人教版必修1

叶绿素为什么很少吸收绿光 高中生物学必修一图5-12： 很多同学看后，提出：为什么叶绿素很少吸收绿光？ 大多数植物的叶子都是绿色的，这是幼儿园的小朋友都知道的常识。但是如果我继续追问，为什么植物的叶子是绿色，你还能回答吗？你也许会说，植物的细胞里面有很多叶绿体，而叶绿体中含有很多叶绿素，因为叶绿素是绿色的，所以植物就是绿色的。 没错。但是我还可以继续追问，为什么叶绿素是绿色的呢？这是因为叶绿素是一种能够吸收可见光中红光和蓝光的色素，基本上不会吸收绿光，叶绿素会把绿色光反射出去，这就是植物的叶子呈现出绿色的原因。 那么，这个问题追问到底了吗？当然没有。虽然从光学原理上，这个答案看起来顺理成章，但从生物能量获取的角度来看，就变得有点儿奇怪了。既然叶绿体的作用就是吸收并且转化阳光的能量，那植物为什么要放弃绿色光里的能量呢？如果能把所有的可见光全部都吸收掉，不就可以获得更高的能量转化效率吗？ 光线的不同颜色，代表着不同频率的光波。光波的频率越高，蕴含的能量就越大。在可见光的范围内，紫色光的频率最高，因此能量最高，红色光的频率最低，因此能量也最低。绿光的波长处于红光和紫光之间，所以，它蕴含的能量比红光强，比紫光弱。当阳光穿过地球大气层的时候，一些波长较短的光线会通过大气的折射和散射现象耗散掉，所以，在到达地表的阳光中，能量最强的恰恰就是波长570纳米左右的黄绿色的光。那这个问题就变得更加奇怪了。如果把植物看作一个工厂，可见光是各种原料，为什么叶绿体不去加工能量密度最高的绿色光，反而要去加工效率没有那么高的红光和蓝光呢？ 更神奇的一点，虽然叶绿素并不怎么吸收绿光，但是绿光一旦被吸收以后产生的光合作用效率非常高，甚至要比吸收红光更高。在早期生命演化的过程中，如果偶然产生了一种变异，让植物不仅能吸收和利用红蓝光里的能量，也能利用绿色光里的能量，那它就会获得一定的生存优势。如果生存优势存在，那么这种变异就一定可以发扬光大。可是，我们为什么没有见到这样的植物呢？这个问题，就是曾经困扰过很多生物学家的著名问题——叶绿素之谜。 对于这个问题，曾经有一种比较主流的解释是：植物在吸收能量的过程中，不仅要关注能量转化的效率，还需要考虑能量转化的稳定性。这就好像我们有木柴和汽油两种燃料可以作为壁炉的燃料，但是烧的时候，我们肯定不会把木柴和汽油混在一起放进炉子里去烧。因为如果这样做，汽油产生的火焰会很不好控制，搞不好还会把炉子烧坏了。 对于光能也是一样。植物在进行光合作用的时候，它的效率只与吸收光子的个数有关，与光子携带的能量没有关系。所以能量较高的绿色光光子被吸收之后，就会产生很多没有用处的能量。如果瞬间能量太高，就会导致细胞里产生大量自由基，而这些自由基会对细胞组织产生不必要的损害。绿色光就好像是倒进壁炉里的汽油，会让植物难以控制。科学家认为，最早出现在原始海洋中的蓝细菌，只吸收红光就足以维持生存，那么反射掉绿色光反而是一种不错的生存策略。 这个理论确实有一定的解释力，但它也有不小的缺陷，那就是它解释不了，为什么波长更短、能量更高的蓝紫色光反而比绿色光有着更高的吸收率。如果吸收高能量的光子不利于植物的生存，那它们就应该优先把伤害最大的紫色光反射出去才对。这样的话，更多的植物应该呈现出蓝色或者紫色，而不是现在的绿色。 对于生命而言，太阳光是一种最佳的能量来源。如何合理利用这种能量，是所有生物们共同的课题。科学家相信，早期可以进行光合作用的生命，它们利用阳光的方式一定是多样化的，反射绿色光一定不是生命唯一的选择。如果有呈现出其他颜色的“光和生命”生存到现在，一定有助于解开叶绿素之谜。于是，找到更多不同于绿色植物的光合生物，就成了解开这个谜题的关键。 20世纪80年代，麻省理工学院的印度籍科学家施拉迪亚·达萨马(Shiladitya DasSarma)在研究古细菌的时候，有了重大发现。 古细菌是一种看起来像是细菌的古老微生物，它们与细菌一样，都没有细胞核，也没有叶绿体、线粒体这样的细胞器，所以在很长一段时间里，科学家一直都把它们当作细菌来看待。但是，当科学家仔细比对了古细菌与细菌的DNA后发现，古细菌远比细菌古老得多，在进化树上也早就与细菌分道扬镳了。科学家把这种古细菌称作“古菌”。 古菌出现在地球上的时间非常早，科学家推测，大约在38亿年前它们就已经出现了。假如将地球约46亿年的年龄缩短到一天，那么古菌出现的时间是在凌晨五六点钟，而人类则是在深夜23点58分才诞生的物种。 可想而知，38亿年前的地球环境必然与现在大不相同。如果有一些古老的生命一直存活到今天，那么它们要么发生了剧烈的演化，适应了新的环境，要么一定会躲在一些在今天看起来非常极端的环境里逃避着环境的变迁。从某种意义上讲，古菌的生存环境，一定程度地反映了远古地球的一些环境信息。印度科学家达萨马的工作，就是寻找那些生存着古菌的极端环境。 在加利福尼亚州旧金山湾，达萨马发现了一些古老的盐水池。这里的池水不仅含盐量极高，还呈现出一种绚丽的粉红色。池水呈现粉红色的原因，正是生活在池水中的古菌。除了这些古菌以外，这些高盐分的池水中几乎没有其他的生命，甚至连有机物质都没有。 达萨马深入研究后发现，这些古菌不依赖任何外部营养物质，它们是一些自养生命，靠光合作用获取能量。一种不是绿色的，但能够进行光合作用的生命就这样被找到了。 这类古菌名叫嗜盐杆菌，它们用来转化光能的物质叫作视黄醛。视黄醛这种物质其实并不罕见，它又叫作维生素A醛。食物中的维生素A和胡萝卜素经过肠道吸收以后，就能转化为视黄醛。在人类的视觉系统里，就是用视黄醛来感受绿色光的。嗜盐杆菌的细胞膜上布满了大量的视黄醛，这让它们的身体呈现紫色，大量嗜盐杆菌分布在水中时，看起来就是粉红色的了。              （我国山西运城盐湖） 这个发现让达萨马不由得开始认真思考叶绿素之谜。现在可以肯定的是，远古生命利用阳光的方式是多种多样的。这些紫色的嗜盐杆菌，它们出现的时间远早于呈现蓝绿色的蓝细菌。 那么究竟是什么原因，让生物在演化过程中抛弃了古老的视黄醛，选择了我们熟悉的叶绿素呢？更奇妙的一点在于，视黄醛在细胞中的生产过程与脂肪酸几乎完全一致，而脂肪酸后来成了构造细胞的重要材料。这很可能意味着，视黄醛曾经在生命活动中扮演过非常重要的角色。 2007年，达萨马在《科学美国人》杂志上发表了一篇文章，大胆地提出了自己的假设：嗜盐杆菌很可能是地球上最早利用光能的生物。它们利用视黄醛来转化绿光中的能量。合成视黄醛的难度要远低于叶绿素，所以视黄醛很可能才是早期光合生物的最优选择。 如果嗜盐杆菌大量存在于远古海洋当中，那么透过海水的绿色光就是比较匮乏的。这种情况下，如果有一种生命，能够充分利用红蓝光里的能量，就会拥有生存优势。这就很好地解释了叶绿素出现的原因。 如果嗜盐杆菌占领着整个海洋，那么大海就不会像现在这样呈现出蓝色。如果你从太空望向地球，你会看到一个被紫色海洋包裹着的星球，这就是著名的“紫色地球假说”。 那么，绿色植物后来又是如何成功逆袭的呢？这就与随后发生的大氧化事件有关了。 38亿年前的地球大气中，只有微量的氧气。生活在海洋中的古菌当然也都是厌氧菌。但当蓝细菌这样的生命出现后，就开始不断地向大气中释放氧气。这些氧气对于过惯了厌氧生活的古菌来说是致命的。好在还有一类甲烷细菌，它们可以通过释放甲烷来抑制氧气含量的升高，这才与蓝细菌释放的氧气保持了一个基本的平衡状态。 但大约在26亿年前，由于海水含氧量的提高，甲烷细菌所依赖的镍元素急剧减少，大量甲烷细菌也因此而大量死亡。失去甲烷细菌的遏制之后，大气中的氧含量也开始迅速增加，嗜盐杆菌由于氧气的增加逐渐退出了历史舞台。 植物继承了叶绿体之后，让地球变成了绿色。至于视黄醛，也并没有被淘汰，而是在脊椎动物演化出眼睛的过程中成为识别绿色的信号，也成为上古那场惊心动魄的争夺战中留下的一个痕迹。 虽然“紫色地球假说”还缺少必要的证据，但它却给科学家提供了一个看待生命的新思路。视黄醛的结构要比叶绿素简单得多，不需要氧气的参与，也能让生命获取到阳光中的能量。这就意味着，即使没有氧气，生命也依然可能存在。它们很可能类似嗜盐杆菌，可以利用阳光中的绿色光进行光合作用。 有生命的星球不仅可能会呈现蓝色或者绿色，紫色也变成了一个可能的选项。还有科学家认为，在某些星球上可能存在既有视黄醛也有叶绿素的生物，那么这种生物看起来可能就是全黑的，它会吸收掉所有的可见光。 不管过去的历史究竟如何，今天的地球是绿色的。可见光之所以叫作可见光，与人类古老的祖先演化出来的感光物质有关。在漫长的生物演化史中，视觉器官独立出现过很多次。而对于我们人类来说，人类有三种视锥细胞，分别对平均波长564纳米的黄绿色、534纳米的绿色和420纳米的蓝紫色最为敏感。也正因为如此，自古以来人类在众多颜色中，对于绿色和蓝色尤其关注。 学科网（北京）股份有限公司 $$