Теорія неймовірності

Чому рослини зелені

Часто найбільш ґрунтовні та фундаментальні запитання в історії науки на перший погляд видаються безглуздими. Наприклад, чому всі живі організми старіють? Чи що таке маса? Чи вже геть наївне: чому трава зелена? Зазвичай останнє можна почути від малолітньої дитини, і, цілком імовірно, більшість із вас знає відповідь. Чи то пак думає, що знає. Бо, як завжди, за детальнішого розгляду все не так просто.

Почнімо з того, чому ми бачимо рослини зеленими.

З цим розібратися нескладно. Людське око розрізняє вузький діапазон електромагнітного випромінювання, що його називають видимим спектром. Мовою фізики видиме світло — це ділянка електромагнітного випромінювання між довжинами хвиль від 380 до 750 нанометрів. Певні діапазони в межах цієї ділянки відповідають за певний колір. Скажімо, хвилі з довжиною від 500 до 565 нанометрів, потрапляючи на світлочутливі клітини сітківки людського ока, генерують сигнали, які мозок сприймає як зелений колір. Діапазон від 440 до 485 нанометрів співвідносний із синім, а від 630 до 760 нанометрів — із червоним кольором. І так далі. Рослини здаються нам зеленими, тому що вони відбивають фотони зеленого світла та поглинають фотони всіх інших діапазонів із видимого спектра.

Але чому рослини відбивають саме хвилі зеленого діапазону, а не фіолетові чи жовті?

Перед тим, як озвучити відповідь, треба з’ясувати різницю між безпосередніми й остаточними причинами. Безпосередні причини є швидким, механістичним поясненням, чому щось відбувається так, як відбувається, тоді як остаточні причини пропонують ґрунтовніше та вичерпніше тлумачення. Наприклад, безпосередня причина того, що фрукти видаються нам солодкими, — реакція смакових рецепторів язика на фруктозу. Остаточне ж пояснення полягає в тім, що з еволюційного погляду фруктоза була водночас рідкісною та вкрай поживною, тож природний добір сприяв тим особинам, які мали до неї смак.

Отже, із безпосередньою причиною того, чому рослини видаються нам зеленими, все просто. Зеленого кольору рослинам надає хлорофіл — пігмент, необхідний для фотосинтезу. За допомогою хлорофілу рослини поглинають сонячне світло й перетворюють воду та вуглекислий газ на органічні сполуки, переважно вуглеводи.

Утім, якщо замислитися, то таке пояснення насправді нічого не пояснює. Ми лише замінили одне запитання іншим. Замість «чому рослини зелені?» ми перейшли до «чому зелений хлорофіл?» Або коли точніше: яка остаточна причина того, що молекули хлорофілу відбивають фотони винятково зеленого світла? Це тим більш дивно, позаяк загальна інтенсивність зеленого діапазону є піковою у видимому спектрі й рослинам мало би бути вигідно його поглинати, а не відбивати.

Річ у тім, що загальна інтенсивність окремого діапазону не відіграє ролі. Для фотосинтезу значно важливіша енергія окремих фотонів, які поглинають молекули хлорофілу. Наше Сонце випромінює дуже багато червоних фотонів, але більша довжина хвилі червоного світла означає, що окремо взятому червоному фотонові притаманна менша енергія. Натомість сині фотони переносять більше енергії, але останніх менше, зокрема через те, що досить багато їх розсіюється в атмосфері. У такий спосіб, шляхом адаптації до земних умов, рослини навчились отримувати вигоду з численних червоних фотонів і потужної енергії окремих синіх фотонів. Ось вам і остаточна відповідь на запитання, чому трава зелена: фотони зеленого світла не такі численні, як червоні, та позбавлені такої енергії, як сині; вони не відзначаються ні кількістю, ні якістю, тож природа вирішила їх не використовувати. Не марнувати на них зусилля.

Зв’язок між енергією окремих фотонів і виглядом земної біосфери дає змогу пофантазувати про вигляд імовірної біосфери на планетах довкола зірок, відмінних від нашого Сонця. Уявіть собі світ, який обертається в межах придатної для життя зони біля коричневого карлика, крихітної зорі завбільшки з Юпітер із надзвичайно низькою світністю. Інтенсивність світла, яке надходить від коричневого карлика, така незначна, що рослини на цій планеті майже напевно будуть… чорними. Для того щоби поглинати всю енергію, яку лише вдасться добути з вічно тьмяного світла.

Власне, на вигляді біосфери позначається не тільки розмір і світність зорі, а і її хімічний склад, як-от співвідношення вмісту вуглецю та кисню. Склад зорі корелює зі складом протопланетного диска, тобто частинок пилу, залучених до формування планет, а це відсилає до висновків про тектоніку окремо взятої кам’янистої планети та її вплив на виникнення чи не виникнення життя. Але це вже інша історія.