Химия цвета цветов

Этот цветок календулы оранжевый. Что значит быть оранжевым цветом? Когда световая энергия взаимодействует с молекулами цветка и наших глаз, мы воспринимаем цвет.

Когда фотон путешествует, он создает волны в электромагнитном поле.

Чтобы по-настоящему понять цвет, мы должны сначала понять свет.
Нас окружают заряженные частицы. То, как эти заряженные частицы притягиваются и отталкиваются друг от друга, называется электрическим полем . То, как взаимодействуют эти заряженные частицы, когда они находятся в движении, называется магнитным полем . Вместе эти два поля составляют так называемое электромагнитное поле.
Свет — это энергия, которая движется через электромагнитное поле. Свет интересен тем, что ведет себя и как частица, и как волна.
Частичная часть света называется фотоном. Отдельные фотоны могут различаться по количеству энергии, которую они несут. Свет также является волной, потому что при движении фотон создает волны в электромагнитном поле.

Количество энергии, которую несет отдельный фотон, влияет на форму создаваемых им волн. Расстояние между каждой рябью в волнах называется длиной волны. Если у фотона много энергии, рябь будет ближе друг к другу, то есть длина волны будет короче. Если у фотона меньше энергии, длина волны, которую он создает, будет больше.

Молекулы состоят из атомов. Электроны в атомах стремятся к наинизшему возможному энергетическому состоянию — они стараются быть как можно ближе к ядру. Чем дальше электрон от ядра, тем выше его энергия — точно так же, как когда вы растягиваете резиновую ленту. Когда атом приближается к другому атому, их электронные оболочки взаимодействуют. Электроны перемещаются так, чтобы существовать при наименьшей возможной энергии. Часто для достижения этого состояния требуется, чтобы атомы «делили» электроны в своих оболочках. Так атомы связываются друг с другом и образуют молекулы.
Атомы в молекулах всегда находятся в движении; вибрируют и вращаются вокруг своих молекулярных связей. Чем сильнее вибрирует молекула, тем выше ее энергетический уровень. Молекула также редко находится в одиночестве, поэтому на ее энергетический уровень также влияют другие молекулы в окружающей среде.
Когда фотон сталкивается с молекулой, то, что происходит дальше, зависит от двух вещей: во-первых, от количества энергии, которую несет фотон (его длина волны), и, во-вторых, от общего уровня энергии молекулы (насколько она движется).
Если уровень энергии фотона ВЫШЕ, чем энергия в молекуле, фотон будет поглощен атомами молекулы. То есть энергия фотона будет передаваться атомам в молекуле, заставляя их вибрировать, двигаться или вращаться.
Если энергетический уровень фотона НИЖЕ, чем энергетический уровень молекулы, фотон не будет поглощаться, а будет отражаться. То есть энергия фотона не будет воспринята атомами. Энергия будет отклонена.

В этом анимационном образовательном видео 1960-х годов исследуется взаимосвязь между молекулярной вибрацией и поглощением света.

Лепестки нашего цветка состоят из молекул, которые состоят из атомов. Электроны существуют в оболочках вокруг ядра каждого атома. Когда два атома делят электроны, они становятся связанными.

Когда фотон с достаточной энергией сталкивается с атомом, энергия фотона поглощается электронами атома, заставляя их прыгать на более далекую от ядра оболочку. Поскольку это возбужденное состояние неустойчиво, электрон быстро возвращается в прежнее положение.

Солнце излучает свет на всех длинах волн электромагнитного спектра, но большая часть солнечного света, достигающего поверхности Земли, находится в пределах видимого диапазона. Длина волны здесь измеряется в нанометрах (нм).

Молекулы в лепестках календулы поглощают фотоны с длиной волны 400-500 нм. Длины волн в видимом диапазоне больше этого (то есть те, которые имеют меньшую энергию) отражаются.

Люди, медоносные пчелы и колибри имеют белки опсины с разной чувствительностью к разным длинам световых волн благодаря «спектральной настройке».

Когда мы смотрим на объект, мы ощущаем уникальную фотонную сигнатуру, которую молекулы объекта поглощают и отражают. Мы видим молекулу «окрашенной», когда объект поглощает свет с длиной волны, соответствующей некоторой длине волны в видимой части электромагнитного спектра. Если молекула поглощает синий свет, объект отражает оранжевый свет, и мы видим объект оранжевым.
Для всех животных способность воспринимать цвет объектов зависит только от одной молекулы — сетчатки. Эта молекула чрезвычайно реактивна к фотонам, потому что она содержит несколько двойных связей с электронами высокой энергии.

Молекула сетчатки меняет форму, когда поглощает фотон. Ретиналь сам по себе (не связанный с белком опсином) поглощает фотоны с длиной волны от 370 до 380 нм.

Ретиналь связан с опсином, первым белком в сигнальном каскаде, который сообщает мозгу об обнаружении определенной длины волны света, которую наш мозг воспринимает как цвет. Немного разные версии белка опсина могут реагировать на фотоны с определенной длиной волны. Посредством очень незначительных химических изменений опсин может регулировать чувствительность к фотонам своей резидентной молекулы сетчатки. Ученые называют это «спектральной настройкой».

Молекулы сетчатки спрятаны внутри белков опсинов. Небольшие аминокислотные вариации в белке опсин могут изменить стабильность молекулы сетчатки. Чем менее стабильна сетчатка, тем больше ее реактивность смещена в сторону более коротких длин волн в спектре (синий).

У человека есть три вида опсинов, которые реагируют на различный диапазон длин волн света в диапазоне от 390 до 700 нм.
Как и у людей, у пчел также есть три типа опсинов, определяющих цвет, но они настроены на другой диапазон длин волн. Пчелы могут обнаруживать волны в диапазоне от 300 до 650 нм. Это означает, что они могут видеть ультрафиолетовый свет (УФ), но не красный цвет.
У колибри есть четыре опсина, определяющих цвет, которые расширяют диапазон обнаруживаемых длин волн в диапазоне от 370 до 700 нм. Это означает, что они могут видеть как ультрафиолет, так и красный цвет.

Почему все глаза используют белки опсины и молекулы сетчатки для обнаружения света?

Многие растения используют химию, чтобы использовать явление цвета. Самые ранние молекулы пигмента, вероятно, использовались примитивными бактериями около 3,4 миллиона лет назад. Эти бактерии использовали свои молекулы пигмента для сбора энергии фотонов для запуска химических реакций. Это процесс фотосинтеза. Считается, что эти ранние бактерии улавливали свет с длиной волны инфракрасного излучения. Сегодня растения с пигментной молекулой хлорофилла используют фотосинтез для получения энергии из световых волн в видимом диапазоне. Со временем эти пигменты стали привлекать опылителей.
каротиноиды

Лепестки нашего цветка календулы содержат большое количество молекул каротиноидного пигмента. Каротиноиды состоят из длинных цепочек чередующихся одинарных и двойных связей. Из-за этих связей атомы, составляющие эти цепи, имеют общие электронные оболочки по всей длине цепи. Это делает электроны очень реактивными по отношению к фотонам.
Известно более 700 встречающихся в природе каротиноидов. Изменения длины молекулы смещают диапазон длин волн поглощаемых фотонов. Чем длиннее цепочка, тем большую длину волны фотонов может поглотить молекула.

Бета-каротин имеет одиннадцать чередующихся двойных и одинарных связей, что приводит к делокализованным электронам, что делает молекулу очень реактивной к фотонам. Молекулам обычно требуется по крайней мере восемь таких связей для получения видимого цвета.

антоцианы

Другие молекулы в цветах, называемые антоцианами, также производят цвет из-за чередующихся двойных и одинарных связей, но с другой структурой, основанной на кольцах.
Антоцианы являются неустойчивыми соединениями. Такие условия, как температура, взаимодействие с другими молекулами и рН, могут изменить структуру антоцианов. Некоторые цветы держат свои антоцианы в вакуолях с определенным рН, чтобы обеспечить их стабильность. Другие стабилизируют их, образуя сложные комплексы с другими флавоноидными пигментами (например, флавонами, флавонолами) и ионами металлов, такими как железо и магний. Именно из-за этой нестабильности садоводам было так трудно создавать синие версии цветов, а также, возможно, почему синие цветы менее распространены в природе, чем цветы других цветов.

Увеличение количества гидроксильных групп (-ОН) в молекуле антоциана меняет ее видимый цвет с красного на синий. Цветы слева направо; Красная герань, астра Стокса и дельфиниум.

Концентрации и сочетания пигментов

Цветы бывают самых разных оттенков и цветов. Изменение количества каротиноидов приводит к различным оттенкам желтого, оранжевого или красного цвета. Изменение количества антоцианов может привести к различным оттенкам красного, фиолетового или синего. Дополнительные нюансы окраски цветов могут быть достигнуты с помощью различных концентраций обоих типов пигментов.

Многие цветы окрашены каротиноидными пигментами. Слева направо; Желтый цветок обезьяны, калифорнийский мак, нарцисс и подсолнух.

Ретиналь появляется из-за употребления в пищу каротиноидов.
Витамин А является важным питательным веществом, которое мы получаем из продуктов с каротиноидами, таких как папайя, манго и дыня. Например, когда мы едим каротиноид бета-каротин, он распадается пополам, образуя две молекулы витамина А. Затем каждая молекула витамина А превращается в ретиналь. Таким образом, одна и та же молекула пигмента, ответственная за создание цвета нашего цветка, также отвечает за нашу способность воспринимать цвет цветка.

Цвет этих алых обезьяноцветов является результатом различных комбинаций биологических пигментов.