Energia światła

[tracer274]

Promieniowanie fotosyntetyczne czynne (PAR) - światło z zakresu długości fal od 400nm do 700nm, wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy.

 

Istnieję wzór matematyczny pozwalający na obliczenie ilości energii przenoszonej przez pojedynczy foton o określonej długości fali. Pomnożenie wyniku przez liczbę Avogarda podaje dodatkowo ilość energii absorbowanej przez określoną liczbę cząstek barwnika rośliny.

 

Do obliczeń wykorzystuję się:

 

NA - liczba Avogarda - NA = 6,024 * 10^23

c - prędkość poruszania fotonów - c = 3 * 10^8 [J * s]

h - stała Plancka - h = 6,63 * 10^-34

λ - długość fali [lambda] - λ = [określona długość fali np. 453] * 10^-9 czyli 453 * 10^-9 w metrach

ϵ - energia fotonu

E - ilość energii absorbowanej przez barwnik

 

Wzór na energie fotonu ϵ = (h * c) / λ

Wzór na ilość energii absorbowanej E = ϵ *NA

 

--- Obliczanie Energii fotonu ---

 

Jedyną zmienną w wyżej wymienionych wzorach jest długość fali. Wzory można uprościć pomijając część powtarzalnych działań. Poniżej przestawione będą bardzo uproszczone działania wg. powyższych wzorów.

 

Dlatego przy obliczaniu energii fotonu wystarczy, Długość fali [λ] np 453 podzielić przez 100. Następnie mnożymy 6,63 [h] przez 3 [c] i dzielimy to przez 4,53 [λ].

Wynik wynosi 4,39 który trzeba pomnożyć przez 10^-19. Otrzymany wynik wyrażony jest w Dżulach [J] Oczywiście wynikiem będzie bardzo mała liczba więc lepiej zostać przy 4,39 * 10^-19 [J].

 

 

--- Obliczanie ilości energii absorbowanej przez 1 mol cząsteczek barwnika ---

 

Wynik z poprzedniego działania mnoży przez liczbę Avograda [NA]

 

Czyli (4,53 * 10^-19) * 6,024 * 10^23 = 27,28 * 10^4 [J], 272,8 [kJ].

--- Długości fal w maksimach absorpcji chlorofilu, energia ich fotonów oraz ilość absorbowanej energii ---

 

410nm - ϵ = 4,85 * 10^-19 [J]

430nm - ϵ = 4,63 * 10^-19 [J]

453nm - ϵ = 4,39 * 10^-19 [J]

642nm - ϵ = 3,10 * 10^-19 [J]

662nm - ϵ = 3,00 * 10^-19 [J]

 

410nm - E = 29,21 * 10^4 [J*mol^-1] = 292,1 [kJ*mol^-1]

430nm - E = 27,89 * 10^4 [J*mol^-1] = 278,9 [kJ*mol^-1]

453nm - E = 26,44 * 10^4 [J*mol^-1] = 266,4 [kJ*mol^-1]

642nm - E = 18,67 * 10^4 [J*mol^-1] = 186,7 [kJ*mol^-1]

662nm - E = 18,07 * 10^4 [J*mol^-1] = 180,7 [kJ*mol^-1]

 

Należy czytać to tak, 1 mol chlorofilu absorbuje 266,4kJ energii z pojedynczego fotonu o długości fali 453nm.

Edytowane 5 Lutego 2016 przez tracer274

[chroman91]

To jak teraz te energie odnieść do korzyści niosących naszym roślinom? Która energia jest korzystniejsza dla roślin? Im większa energia tym bardziej to korzystne dla naszych roślin? Chodź z drugiej strony wiadomo, że im mniejsza długość fali tym wyższa energia.

[tracer274]

  chroman91 napisał:

To jak teraz te energie odnieść do korzyści niosących naszym roślinom? Która energia jest korzystniejsza dla roślin? Im większa energia tym bardziej to korzystne dla naszych roślin? Chodź z drugiej strony wiadomo, że im mniejsza długość fali tym wyższa energia.

 

Konkretna wartość ładunku przenoszonego przez foton odpowiedniej długości fali jest punktem wyjścia do zrozumienia wpływu światła na roślinę. Prawda, że im mniejsza długość fali tym bardziej energetyczny jest ładunek, ale konkretne wartości są rzadko podane. Nie ma "energii" korzystnej i mniej korzystniej, bo to jest tylko wielkość matematyczna. Bardziej można tu powiedzieć od długości fali mniej i bardziej korzystnej dla rośliny.

 

No np taki przykład. W pełnym lecie gdy słońce jest wysoko na niebie, widmo składa się w przewadze światła niebieskiego. Roślina rośnie wtedy wykorzystując silny kop energetyczny bo ma z czego. Zimą i jesienią natomiast światło jest mocno ograniczone w fale niebieskie a jest przewaga czerwonej fali. Jednym z powodów jest oczywiście ustawienie słońca wobec ziemi, ale głównym powodem jest to, że występuję w tych porach wysokie zachmurzenie. Światło niebieskie bardziej zasobne w energie jest blokowane przez chmury, gdzie widmo czerwone się przez nie przebija. Stąd jest to jeden z powodów dlaczego w zimie trzeba doświetlać rośliny. Rośliną dostarczana jest zbyt mała ilość energii to przeprowadzenia procesów poszczególnych procesów życiowych.

Edytowane 5 Lutego 2016 przez tracer274

[MarcinS]

Z tego co mnie uczyli na zajęciach z fizjologii roślin to niebieskie światło faktycznie ma większą energię. Jednak po zaabsorbowaniu fotonu niebieskiego światła roślina traci część energii (chyba w postaci ciepła) w efekcie czego zysk energetyczny jest taki sam jakby zaabsorbowała kwant czerwonego światła. W związku z tym nie jest tak, że kiedy roślina będzie miała więcej światła niebieskiego to zyska na tym więcej energii.

 

PS.

informacje o ilości energii niesione przez światło o danej długości fali są nie do końca miarodajne bo nie uwzględniają współczynnika absorbcji przez chlorofil, a ten nie wynosi nigdy 100%.

Edytowane 5 Lutego 2016 przez MarcinS

[tracer274]

  MarcinS napisał:

Z tego co mnie uczyli na zajęciach z fizjologii roślin to niebieskie światło faktycznie ma większą energię. Jednak po zaabsorbowaniu fotonu niebieskiego światła roślina traci część energii (chyba w postaci ciepła) w efekcie czego zysk energetyczny jest taki sam jakby zaabsorbowała kwant czerwonego światła. W związku z tym nie jest tak, że kiedy roślina będzie miała więcej światła niebieskiego to zyska na tym więcej energii.

 

Tak zgadza się ale z tego co wiem tylko po części. Proces w o którym piszesz powstaję gdy roślina dostaję nadmiar światła i z jakiegoś powodu energie z niego nie może podać dalej. Grozi to powstaniem tlenu singletowego, który może powodować uszkodzenia białek. Żeby sobie z tym poradzić roślina używa wydalania termicznego (barwniki pomocnicze karotenoidów), fluorescencje i fotodychanie. Jeśli mechanizmy obronne zawiodą roślina ma problem, ale wszystko to się dzieje dopiero po wytworzeniu nadmiaru energii z powodu zbyt dużego naświetlenia, a nie sądzę by można powiedzieć, że roślina nie jest wstanie pobrać całej energii światła niebieskiego tylko dlatego że jest niebieskie, chyba że już w nie ma miejsca na energie przez nie przenoszone.

 

  MarcinS napisał:

PS.

informacje o ilości energii niesione przez światło o danej długości fali są nie do końca miarodajne bo nie uwzględniają współczynnika absorbcji przez chlorofil, a ten nie wynosi nigdy 100%.

 

Prawda.

Edytowane 5 Lutego 2016 przez tracer274

[MarcinS]

  Cytat

Tak zgadza się ale z tego co wiem tylko po części. Proces w o którym piszesz powstaję gdy roślina dostaję nadmiar światła i z jakiegoś powodu energie z niego nie może podać dalej.

 

To nie takie proste. Owszem przy wysokim natężeniu światła roślina będzie chroniła się przed nadmiarem energii, ale ja nie o tym mechanizmie piszę.

 

Niebieskie światło ma większą energię i powoduje przejście chlorofilu na wyższy stan wzbudzenia. Z tego stanu energia nie może być przekazana dalej, musi zostać częściowo zamieniona w ciepło, aż chlorofil osiągnie niższy stan wzbudzenia, taki sam jak podczas absorpcji światła czerwonego, o niższej energii. Dopiero z tego stanu wzbudzenia energia może być przekazana dalej.

 

Tu cytat z wikipedii:

Cząsteczka tego barwnika (chlorofilu) może absorbować zarówno kwant światła czerwonego (λmaks = 634 nm), przechodząc ze stanu podstawowego (trypletowego) do pierwszego stanu wzbudzonego (pierwszego stanu singletowego), jak i kwant światła niebieskiego, przechodząc ze stanu podstawowego do drugiego stanu wzbudzonego (drugiego stanu singletowego). Drugi stan wzbudzenia jest wyjątkowo nietrwały, cząsteczka chlorofilu szybko przechodzi do pierwszego stanu wzbudzenia, rozpraszając różnicę energii między stanami.

 

Na potwierdzenie ilustracja graficzna:

 

Tak więc roślina absorbując niebieskie światło ma z niego tyle samo "użytecznej" energii co z czerwonego.

[tracer274]

  MarcinS napisał:

Niebieskie światło ma większą energię i powoduje przejście chlorofilu na wyższy stan wzbudzenia. Z tego stanu energia nie może być przekazana dalej, musi zostać częściowo zamieniona w ciepło, aż chlorofil osiągnie niższy stan wzbudzenia, taki sam jak podczas absorpcji światła czerwonego, o niższej energii. Dopiero z tego stanu wzbudzenia energia może być przekazana dalej.

 

Potwierdzam, masz rację. . Musiałem sprawdzić w książkach, nigdy nie wierzę wikipedii, za dużo przypadkowych osób może to pisać. Jednakże mam napisane, że roślina traci "część" energii a nie wyrównuje je do stanu z czerwonym. Czy faktycznie jest tak, że liczba ta się zrównuje czy też traconą jest tylko część a mimo to wchłaniana jest większa część niż w przypadku czerwonego. Marnotrawstwo nie leży w zwyczaju matki natury.

 

Druga sprawa, czy np. światło czerwone w jakieś tam chwili może dojść do maksimum pierwszego stanu wzbudzenia, a czy np światła niebieskiego mimo redukcji nie trzeba będzie mniej by te maksimum osiągnąć.

 

Edit: Całą sprawą światła niebieskiego zająłem się po zainstalowaniu świetlówki tylko z silnym niebieskim widmem. W porównaniu do dwóch groluxów, rośliny stojące w wymieszanym widmie jednego groluxa i coralstara (niebieska) rosły szybciej i osiągały lepsze wybarwienie niż w poprzednim przypadku. Gdyby faktycznie tak było, że nie ma różnicy energetycznej pomiędzy widmem niebieskim i czerwonym, nie było by różnicy, a tu proszę jest.

Edytowane 6 Lutego 2016 przez tracer274

[MarcinS]

  Cytat

czy np światła niebieskiego mimo redukcji nie trzeba będzie mniej by te maksimum osiągnąć.

Wg mnie nie, mówimy tu o wzbudzeniu chlorofilu przez pojedyncze fotony światła a to cząstki elementarne, nie dzielą się na mniejsze podjednostki. Jeden zaabsorbowany foton=jedno wzbudzenie.

 

  Cytat

Marnotrawstwo nie leży w zwyczaju matki natury.

 

Tu bym polemizował. Gdzieś usłyszałem zdanie, pod którym jako osoba związana z naukami biologicznymi się w całości zgadzam: natura nie tworzy rozwiązań idealnych, tworzy wystarczająco dobre.

 

Sam fakt, że rośliny nie absorbują zielonego światła świadczy o sporym marnotrawstwie energii. I to nie jest to przez to, że nie istnieją barwniki które nie potrafią absorbować zielonego światła. Są, np fikobiliny. Jednak z jakiegoś powodu rośliny wyższe z tej długości fali korzystają w ograniczonym zakresie.

Prawdopodobnie w początkowej fazie ewolucji były inne czynniki ograniczające wzrost organizmów fotosyntetyzujących niż dostępność światła. Presja ewolucyjna faworyzowała rośliny lepiej znoszące np. stresy abiotyczne niż te prowadzące wydajniejszą fotosyntezę. W związku z tym u roślin wyższych utrwaliły się barwniki, które odbijają zielone światło. Takie rozwiązanie było wystarczająco dobre, żeby rośliny przetrwały i opanowały lądy. Z punktu widzenia roślin obecnie rosnących w cieniu, np. na dnie lasu nie jest to optymalne rozwiązanie, wciąż jednak wystarczająco dobre.

Prawdopodobnie gdyby życie powstało na planecie gdzie intensywność światła byłaby mniejsza to rośliny byłyby czarne - pochłaniałyby wszystkie długości światła w ramach maksymalizacji zdobywania energii.

Taki mały offtop.