強大的葉綠素分子：原理、功能與實際應用
什麼是葉綠素？ – 農夫也可以是科學家
什麼是葉綠素？ 它是植物不可缺少的元素，可以將光轉化為植物生長所需的可用能量。 但是，我們當中的一些人卻對所有科學中不為人所知的一面感到害怕。 因此，在本文中，我們會揭開這個令人著迷的話題的神秘面紗，以幫助種植者和新興科學家了解細節和全貌。
Fig 1 – Photo by Pixabay
葉綠素的作用是什麼？
仔細想想，我們吃的所有食物，不管是直接還是間接，都來自植物。 甚至我們食用的肉也來自草食動物或植食動物。 整個食物網的核心是一個分子：葉綠素。
葉綠素是植物細胞中的綠色色素，可啟動光合作用，即植物將陽光、二氧化碳和水轉化為富含能量的葡萄糖的過程。 這種能量促進植物生長，進而支持地球上所有其他形式的生命——無論是作為食物、氧氣或棲息地。
如果沒有葉綠素，光合作用就不可能發生，這意味著植物就不會生長，氧氣就不會釋放到大氣中，我們所知的食物鏈就會崩潰。 從微小的藻類到參天大樹，葉綠素是生命本身所需的分子。 這就是為什麼許多科學家認為它與水一起是維持地球生命最重要的物質之一。
葉綠素的化學式是什麼？
葉綠素不是單一分子，而是一類相關化合物。 植物中最常見的兩種類型是葉綠素 a 和葉綠素 b：
- 葉綠素 a: C₅₅H₇₂O₅N₄Mg
- 葉綠素 b: C₅₅H₇₀O₆N₄Mg
這些分子具有一個共同的結構：一個大的卟啉環與一個中心鎂離子（Mg²⁺）配位。 這種結構使它們能夠有效地吸收光能。 側鏈的細微變化使得葉綠素a和b能夠吸收不同波長的光，從而使植物能夠捕捉更大範圍的太陽輻射進行光合作用。
這些分子結構賦予了葉綠素非凡的能力，即將太陽能轉化為化學能——不僅為植物提供能量，也為地球上幾乎所有的生命提供能量。
圖2 – 所有食物的來源都可以追溯到植物 – 攝影：Lina Kivaka (Pexels)
葉綠素分子在哪裡？
葉綠素分子是植物光合作用過程的一部分，這在先前的文章中有提及（這裡）。 我們在之前的文章有提到光合作用發生在植物 > 植物細胞 > 葉綠體> 類囊體 > 內膜。
圖3 – 葉綠素是類囊體膜內進行光合作用的部分（點擊圖片展開）。
葉綠體內膜有一種「工廠」，能接收光線並將其轉化為可用的植物能量（ADP和NADPH）。 在這個工廠裡有PSII和PSI兩個組件，它們包含能吸收光線的葉綠素分子。
圖 4 – 類囊體膜中的光能工廠
什麼是分子？ 先來看些科學小知識
以水為例來理解分子是相對容易的。 “原子“是基本的、普遍存在的元素， 例如，氧原子和氫原子。 如果你將一個氧原子和兩個氫原子連接起來，你就會得到一個 H2O分子，也就是水。 而二氧化碳（CO2）是一個碳原子和兩個氧原子組成的。 所以，分子就是一群連接在一起的原子，其不同的連接方式就形成了特定的物質。
但是 H2O 是液體，CO2 是氣體。 它們的性質不同，但為什麼呢？ 因為它們的分子結構特性本質上是不同的：原子的質量、電荷以及每個原子內的次級粒子。
總之，葉綠素分子只是一堆連接在一起的原子。 它的分子結構決定了它獨特的性質，使其可以吸收光線並觸發光合作用。
圖 6 – 葉綠素分子
圖 5 – 原子和分子
什麼是葉綠素分子？ 葉綠素-a和葉綠素-b
如前所述，葉綠素的分子結構決定了它吸收光線的能力。 但不是任何顏色的光線都能被它吸收。 植物進化出了兩種類型的葉綠素，葉綠素-a和葉綠素-b。
葉綠素-a 和葉綠素-b 都存在於我們工廠的光系統II（PSII）和光系統I（PSI）中。 然而，葉綠素-b 在吸收藍光方面表現較佳，而葉綠素-a 在吸收紅光方面表現較佳。 它們基本上是相似的，除了它們的分子結構中有一小段不同（見圖7）。 但這種微小的差異改變了兩者的吸光能力。
圖 7 – 葉綠素-a 和葉綠素-b，透過分子頭部的小顆粒來區分。
葉綠素是一種色素分子。
如前一段所提到的，兩種葉綠素分子都能吸收光線。 然而，葉綠素也能反射光線，主要在光譜的綠色區域，這就是植物呈現綠色外觀的原因。
分子與光互動的能力使其成為“色素分子”。 大多數能展示顏色的物體都有色素分子，如油漆和染料，但也有一些天然的色素分子，例如我們頭髮的顏色。
然而，也有一些物體，比如透明的玻璃或水，並沒有色素分子。
吸收圖表或敏感度曲線（見圖8）展示了葉綠素色素分子的作用。
- 葉綠素-a：主要吸收波長約為430奈米（藍光）和662奈米（紅光）。
- 葉綠素-b：主要吸收波長約為453奈米（藍光）和642奈米（橙光）。
同時請注意，在綠黃色區域有一個明顯的下降，這是因為葉綠素並不吸收綠色光，而是將其反射或透過葉片傳遞。
圖 8（葉綠素敏感性曲線）–圖片作者：Daniele Pugliesi CCA Share Alike 3.0
圖 9 – 葉綠素利用藍光和紅光進行光合作用。 在樹冠下方，遠紅光更加豐富，這就是光敏色素發揮作用的地方。
葉綠素如何與光相互作用：藍色和紅色波長的作用
這個問題的答案呈現了生物演化的迷人結果。
藍光
藍光在視覺光譜中的波長比其他顏色更短，波長更短意味著它含有更多能量 – 換句話說，藍光具有更大的能量效益。 植物已經進化出能夠利用這種高能量的方法。
直接面對太陽的葉子會收到光譜中各種顏色的照射（見圖10）。 然而，雖然沒有直接面對太陽，但面對著廣闊的藍天的葉子也能利用藍光（見圖11）。 這被稱為間接陽光照射；許多室內植物就是這樣做的。
紅光
那紅光呢？ 從圖8中可以看出，葉綠素-a擴大了光合作用可用光譜的範圍。
遠紅外光
前面介紹了植物如何演化以優化光能的收穫。 即使在濃密的樹冠底部，一些光合作用仍然會發生，因為少數藍光和紅光可以滲透樹冠。 然而，在葉子下最豐富的光譜是超過700奈米的遠紅外光（見圖12）。 這就是植物素和光形態形成過程中吸收遠紅外能量來增加葉綠素的生成，並促進莖生長的地方。 (見植物色素和光形態發生）
圖 10 – 陽光直射下的全光譜色彩 – 植物同時使用葉綠素-a 和葉綠素-b。
圖 11 – 遠離太陽（間接陽光）的葉片的藍天光譜 – Chlorphyll-b 仍可利用藍光。
圖 12 – 光合作用受到挑戰的樹冠下的光譜，但 700 奈米以上為遠紅外線，植物色素在此發揮了作用。
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葉綠素與生命循環
葉綠素啟動了光合作用，有助於植物生長，成為維持所有生命的食物或衍生食物。 從這種生命中產生富含氮的肥料（排泄物），開始了農田的整個過程。 光合作用還循環利用令人窒息的CO2並產生我們呼吸的寶貴氧氣。
這是一個典型的可持續生態系統模型 – 一切都始於葉綠素。
在這篇文章中，我們涵蓋了關於葉綠素的什麼、在哪裡以及如何，希望能幫助那些想要成為新手科學家的種植者。 我們希望我們為你解惑或填補了一些關於這個強大分子的知識，並說服你科學其實並不可怕。
圖 13 – Joshua J. Cotten 在 Unsplash 上拍攝的照片
結論：透過更好的光照監測來促進光合作用
了解葉綠素如何與光（尤其是藍光和紅光波長）相互作用有助於我們認識到植物健康生長真正需要什麼。 然而，僅有理論是不夠的。 實際上，生長燈的光譜品質差異很大，如果沒有準確的測量，就很難確保植物接收到進行光合作用的最佳光譜。
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