为什么植物以绿色为主,而不是其他的颜色?_量子科学论_知道日报_百度知道

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在地球上我们看到的大多数植物都是绿色的叶子,很少能看见其他稀奇古怪的颜色,其实这个问题跟太阳自身的光谱分布有关系,也与植物在适应环境中的选择进化有关系。

我们知道,生物在进化的过程中所发生的基因突变是向随机方向发展的,而基因又决定了生物的性状,所以说植物的叶子可以是太阳光谱中任意的一种颜色,但是基因突变导致的叶子所有颜色中,那个更加有利于植物生存的颜色会在大自然的选择中被保留下来,而那些竞争力不强的颜色就会被淘汰,这就是自然选择。

很显然,绿色的叶子更加有利于植物的生存,也就被保留了下来。但为什么是绿色呢?而不是其他颜色?

首先说下,为什么我们看到的叶子是绿色的

在地球上绝大多数的物体不能自然发光,我们能看到它们只是它们反射了太阳光。人类对光的认识可以追溯到古希腊时期,但真正对光进行科学的分析是在17世纪,在此之前我们一直认为太阳光是白色的,牛顿通过三棱镜为我们证明了太阳光是一种复合光,由多种不同的颜色组成。

之所以白色的复合光进入三棱镜以后能被分解成多种不同的颜色,是因为这些不同颜色的光所具有的波长不同,能量也不同,波长不同的光从一种介质进入另外一种介质的时候就会所具有的折射率也不同,其中波长最长的红色光折射率最小,波长最短的紫色光折射率最大,因此当光通过三棱镜后就被分解成由各种不同颜色组成的光谱。

太阳光由不同的颜色组成就解释了我们在生活中所看到的花花绿绿的世界,我们之所以能看到绿色的树叶简单来说是因为树叶吸收了太阳光中其他波长的光子,而不吸收或反射出了绿色波长的光子,这些光子被反射进入我们的眼睛,我们就看到了绿色的树叶。

上图可以看到植物的吸收光谱基本处在蓝光和红光,基本不吸收绿光,很少吸收黄光。因此我们平时所看到的树叶的颜色基本就出来绿色和黄色之间变化。

当然生活着看到的所有事物的颜色都是这个原理,它们不吸收某种波长的光子,我们就看到了相应波长的颜色。我们看的黑色和白色这两种情况是物体将照射到它身上所有可见光几乎全部吸收和反射的结果。下面的问题就是解释为何植物会选择这样的吸收光谱,绿光和黄光为什么不被植物喜欢?

太阳光谱

上文说了生物的进化会被自然环境所选择,而地球上能量的主要来源正是太阳光,因此太阳光的光谱分布直接就影响到了地球上所有生物的进化方向。我们知道太阳发光发热的原因是因为其核心的剧烈核聚变,在轻元素聚变为重元素的过程中所释放的能量会通过高能伽马射线和中微子的方式释放出来。

其中中微子可以不受阻碍的携带能量从太阳核心迅速的逃逸,而光子却不能!高能伽马射线会通过随机漫步的方式从核心花费数万年的时间传播到太阳表面,在这个过程中,伽马射线会通过与太阳中带电粒子的碰撞而损失能量,损失的能量会加热太阳的各个层。

例如:辐射层、光球层、对流层,这些层温度各不相同,但都会以黑体辐射的方式向外辐射能量,还有就是损失了能量的大量伽马射线也会分散到不同波长的光谱中。

因此,我们说太阳的光谱是连续的近似于黑体辐射的光谱,波长范围从X射线一直延续到了无线电波段,但是在可见光波段达到了峰值。也就是说,太阳光光谱的范围虽说很广,但是其可见光中的光子数量是最多的。

这就解释了为什么地球上的生物在进化的过程中大多以接收可见光的方式来观察外界或者利用太阳光能量,因为这个范围的光子数量和能量最多。这就是生物进化和环境的一种相互协调和融合,如果在宇宙中的其他地方,母恒星的质量更大的话,它所发出的蓝光和紫外线就越多,那么的生物也许会进化出利用紫外线的能力。

如果母恒星的质量更小,发出的光就会越红,因此那里的生物就会进化出能够利用红外线的能力。

以上就是太阳正整体光谱对生物进化的影响。接下来我们再看一下太阳光在可见光谱中的分布情况。

上图就是太阳光在可见光波段的光谱分布,大家可以看到在可见光谱中,绿光达到了峰值,而且绿光的波段范围也比较广,这说明在绿光区域拥有非常大的能量,如果植物选择吸收所有的可见光谱,夏天的暴晒,能量就会高到灼伤植物,最好的选择就是放弃中间的峰值绿光,而选择的两端数量较较少,能量最高的蓝光和能量最低的红光来进行光合作用,这样更加稳妥。

所以地球上的植物大多就以这样的策略进行进化,不仅保护了自己在太阳光下不被灼伤,而且也保障了光合作用所需的能量需求。

如果在星球,母恒星可见光谱峰值的变化,也会导致那里的植物选择性地吸收恒星光,以达到最优的光合作用效果。如果母恒星光谱整体都偏移到了红光,那么那里的植物就会吸收所有的光子来为自己提供能量,那么这些植物看起来就是黑色的。


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