Привычная трава: как объяснить детям ее окраску? Что появилось раньше - курица или яйцо? А что говорит физика.

Известно, что самыми сложными нередко оказываются очень простые, практически детские, вопросы. На самом деле, взрослые льстят себе, считая, что подобные вопросы задают маленькие дети, потому что они мало знают. Просто дети не находятся в плену стереотипов, к тому же они любознательны, чего, увы, часто не скажешь о взрослых. Но спросите у взрослого, почему трава зелёная, а небо голубое, и, с высокой долей вероятности, точного ответа вы не получите.

Сначала о траве

Здесь всё относительно просто. Известно, что растения на Земле поглощают солнечную энергию, расщепляя её, «строя», таким образом, свои ткани. Другими словами, солнечный свет - это топливо, которое позволяет растениям жить.

Но если есть топливо, должна быть и печка, в которой оно сжигается. Такой печкой является особое вещество - хлорофилл. Именно в его клетках происходит усваивание солнечной энергии.

Крохотные, невидимые зёрнышки хлорофилла покрывают собой каждый лист, каждую зелёную иголочку. Их молекулы - настоящие фабрики, работу которых можно упрощённо описать следующими операциями:

1. Поглощение солнечного света.
2. Разложение его на составляющие.
3. Использование полученной энергии для расщепления углекислого газа.
4. Выработка сахаров, крахмалов и белков.
5. Отражение зелёного спектра солнечного цвета.

Таким образом, хлорофилловые зёрна, получив солнечные лучи и использовав их для своих целей, отражают обратно только ту часть спектра, которая воспринимается нашим глазом как зелёный цвет. И мы говорим: трава зелёная!

История голубого неба

С окрашиванием неба в голубой цвет всё немного сложнее. Вернее, ещё в середине XIX века учёным казалось, что здесь тоже нет загадок. Ведь уже тогда было известно, что наша атмосфера состоит из нескольких газов, преимущественно углекислого, азота и кислорода.

Знали физики уже и то, что солнечный свет, хотя и кажется белым, имеет в своём составе 7 цветов, известных всем и поныне, как цвета радуги. Белый цвет можно без проблем разложить на эти цвета, или, говоря языком науки, получить полный спектр.

Поэтому сразу выдвинули теорию, которая гласила: молекулы газов, составляющих атмосферу Земли, способны раскладывать белый солнечный свет на спектр и задерживать в себе большую его часть, пропуская к наблюдателю на поверхности планеты только сине-голубые лучи. Таким образом, человек на Земле видел бы небо голубоватым.

Все остались были довольны эти объяснением, пока английский учёный Д. Рэлей в самый последний год XIX века не провёл ряд опытов, в которых уверенно доказал: молекул воздуха и частиц пыли для подобного разложения недостаточно! Научный мир изумился…

Но, к счастью, тот же Рэлей вскоре нашёл и новое объяснение. Оказывается, фотоны света, встречаясь с молекулами воздуха, активируют их, и уже активированные молекулы, в свою очередь, испускают новые фотоны, но уже не белые, а синие и голубые. Вот почему мы видим наше небо голубоватым. И, кстати, даже если смотреть на планету из Космоса, она тоже выглядит голубым шариком: ведь «голубые» фотоны вылетают из атмосферы и вверх, и вниз.

Вот такой, совсем непростой ответ мы получили на обычный детский вопрос. Кстати, если отвечать на него маленьким детям, достаточно будет сказать, что голубым солнечный свет становится из-за того, что он фильтруется атмосферой Земли, как грязная вода очищается, проходя сквозь плотную бумажную салфетку.

А нам, взрослым, услышав от ребёнка, почему трава зелёная, а небо голубое, не стоит сразу смотреть на малыша «сверху вниз». Для начала подумаем: а знаем ли мы сами правильные ответы на такие незамысловатые вопросы? И, кстати, можем приготовиться к следующему возможному вопросу: «А почему же тогда небо на закате оранжевое?».

Океан растений окружает нас, и все они зелены. Зелена трава, зелены листья деревьев и цветов. Даже слова «растения» и «зелень» в сущности обозначают одно и то же. «Здесь очень зелено», - говорят люди, когда видят много деревьев, кустарников, зеленой травы.. «Домик утопает в зелени», «зеленая долина» - иными словами, тут много растений и все они зеленого цвета.

А почему растения зелены?

Знаменитый русский баснописец Крылов написал нравоучительную басню о корнях и листьях; он сравнивал листья с бездельниками, у которых только и есть за душой красивый наряд. А вот корни - это скромные труженики. Во времена Крылова так и считалось, что главное в растении - это корни, они кормильцы. А листья? Какой в прок! Разве что они красивы, но ведь это бесполезный на не больше!
И вдруг все перевернулось! Оказалось, что в зеле листе, как говорил замечательный русский ученый Климентий Аркадьевич Тимирязев, самая сущность раститель жизни, что растение - это прежде всего лист. Не было б на земле зеленых листьев - не было бы жизни.

Вот это мы сейчас и должны выяснить. И то, что узнаем, имеет прямое отношение к солнечному луч к окраске листьев и травы.
Мы дышим. Воздух - это смесь разных газов. Для людей, и для животных необходим кислород.
Без кислорода мы не прожили бы и трех минут, задохнулись бы.
Мы вдыхаем кислород и выдыхаем углекислый газ, а газ для нас вреден, но в воздухе его всегда очень немного сотые доли, и потому мы его не замечаем.
Горят дрова в топках; для того чтобы они горели, т нужен кислород, а во время горения тоже выделяется углекислота.
Расход кислорода огромный: сколько людей на земном шаре, сколько животных требуют его каждую секунду! никаких запасов не хватит!
А между тем состав воздуха не меняется, в нем остается достаточно кислорода для дыхания и всегда лишь ее доли углекислоты.
Но кто же пополняет воздух кислородом, кто очищает его от излишней углекислоты?

Зеленый лист! Он вбирает в свои клетки углекислоту, а выделяет в воздух кислород,
Это ему нужно. А для чего?
Солнце - главный источник жизни. Луч солнца падает на лист. В клетках листа есть зеленое вещество, которое называется хлорофилл. И в зеленой части растения - в листе, в траве - с помощью хлорофилла вырабатываются важнейшие питательные вещества, без которых не может обойтись ничто живое: ни человек, ни животное, ни само растение. Эти питательные вещества - крахмал, сахар, белок. Из них, главным образом, построено наше тело, тело животного и самих растений,
А вырабатывает их зеленый лист из углекислоты, которую берет из воздуха, и воды, которая всегда есть в клетках!
В зеленом листе, в его клетках с хлорофиллом работает удивительная фабрика. Она бывает, что называется, «на ходу» только тогда, когда на нее падает свет. Упал на лист свет - и началась великая работа жизни. Нет света - и замирает фабрика зеленого листа.
Нигде больше во всем мире со всем его многообразием, нигде, - только здесь, в зеленом листе, в зеленой части растения, вырабатываются важнейшие питательные вещества. Исчезни вдруг зеленый лист - и все на нашей планете Земля вымрет!
Мы, люди, получаем белок, крахмал, сахар и от самих растений и от животных, которых мы едим и которые, в свою очередь, питаются растениями.
Корова летом щиплет траву, зимой жует сено. Мы пьем молоко коровы, едим творог, сметану, масло. Молоко потому главная пища малышей, что в нем есть все те вещества, которые необходимы для их здоровья, для их развития, роста.
Мы едим коровье мясо, а в нем тоже есть главные питательные вещества. Куры клюют зерно, а зерно - тоже растение, и мясо курицы построено из важнейших питательных веществ, и куриные яйца.
И главный наш кормилец - зеленый лист.

А почему же все-таки лист зелен, почему трава зеленая?
Благодаря хлорофиллу.

Все превращения происходят в зернах хлорофилла. А хлорофилл поглощает все цвета солнечного спектра, кроме зеленого, зеленый луч он отражает -и мы видим лист зеленым.

Вот почему трава зеленая. Вот почему лист зелен. Вот почему сама сущность растения -это лист! Зеленый лист, о котором долго и очень несправедливо думали, будто он лишь красивый, но бесполезный убор растения!
А оказалось, без этого «красивого убора» не было бы жизни на Земле!

А ведь хороший вопрос, почему трава зелёная? Интересовал ли вас ответ на этот вопрос или вы даже не задавались тем, что вам не под силу изменить или предугадать.

Года в три-четыре каждый ребёнок задаёт такой же вопрос свои родителям. В ответ можно услышать всё, что угодно – от «не приставай, мне некогда» до научно-популярной версии о фотосинтезе и зелёном хлорофилле. Но разве это ответ? Можете ли вы объяснить себе, почему трава всё-таки зелёная – а не розовая, оранжевая или цвета индиго? Конечно, вы скажете: потому что в хлоропластах растений содержится хлор – а в кристаллической форме он зелёный. Неплохо. Ну а дальше-то что? Почему в ходе эволюции выбор пал на него, а не на периодический элемент иного цвета? Вот вам и задачка… Но в истории развития жизни на Земле не было случайностей.

Доступным языком о физике

Даже самые далёкие от точных наук люди знают, что жизнь на планете обязана своим существованием солнечным лучам. Глубоко в недрах нашей звезды происходят ядерные реакции синтеза гелия из водорода. В результате распада высвобождаются фотоны (кванты света). Они проявляют свойства волн и частиц одновременно: эти электромагнитные импульсы излучаются «порциями», однако не имеют ни массы, ни заряда. Их роль в нашей жизни куда важнее: они обеспечивают взаимодействие между электрическими зарядами элементарных частиц, составляющих атомы, затем молекулы и, наконец, клетки живого организма.

Фотоны могут жить только в движении со скоростью света в вакууме. Рождаясь в солнечном ядре, они сперва несут в себе колоссальный импульс. Но чтобы сквозь солнечную мантию пробиться к поверхности звезды, эти частицы тратят почти миллион лет! Поэтому не смотря на то, что с этого момента свет преодолевает расстояние до Земли всего за 8,3 минуты, мы наслаждаемся тёплыми лучами, которые ждали встречи с нами ещё в середины Плейстоцена.

Так вот: в целом импульс фотонов капитально уменьшается ещё до прощания с родной звездой, а при прохождении земной атмосферы кванты света уже ожидают новые препятствия. В озоновом слое фотоны сталкиваются с молекулами, из-за чего изменяются импульс и длина волн – то есть, свет разделяется на спектр (дисперсия). Самые опасные для земных обитателей длины волн озоновый слой не пропускает - включая большую часть ультрафиолета. Поэтому мы различаем цвета радуги начиная от фиолетового и заканчивая красным. Иинфракрасную длину волны мы всё ещё ощущаем как тепло, а слабое микроволновое и другие излучения нас и вовсе не беспокоят.

Каждому из видимых цветов соответствует длина волны света, которую отражают материальные объекты (все остальные им поглощаются). Казалось бы, ничего загадочного: растения используют хлорофилл, который поглощает все цвета кроме зелёного. Но всё наоборот: сначала растения сознательно выбрали цвет, а потом подобрали к нему нужный «наполнитель». Здесь нам придётся обратиться к богатому опыту агрономов и ботаников. Многочисленные опыты и исследования раскрывают некоторые секреты растений, о которых почему-то не рассказывают в школе на уроках биологии.

Фотоны и растения

Вообще для фотосинтеза подходят волны любой длины, включая невидимые нашему глазу. Современные растения приспособились использовать излучение в диапазоне от 400 (фиолетовый) до 700 нм (красный). Причём для нормального функционирования растений (рост, цветение, плодоношение, запасание полезных веществ) необходимо присутствие в спектре всех этих цветов в определённых пропорциях. Это объясняется тем, что некоторые химические реакции могут начаться при облучении вещества светом низкой или средней частоты (тёплые цвета радуги), а другим для инициирования реакции требуется свет с частотой выше определённого порогового значения (холодные цвета).

Если зелёный свет может передать достаточно большие импульсы – какой же смысл растениям от него отказываться? Однако факт есть факт: 80-90% энергии растения вырабатывают за счёт поглощения синих и красных фотонов. Синие при этом более интенсивные, зато красных – подавляющее большинство. Остальные 10-20% приходятся на другие цвета, а сам зелёный в качестве «основного наряда» был выбран, очевидно, за свою высокую проникающую способность: в то время как синий и красный почти полностью поглощаются верхними ярусами листьев, зелёный способен проникать сквозь них и «вдыхать жизнь» в нижние ярусы, какими бы густыми они ни были. Это значит, что первые водоросли, которые только выбирались на сушу, уже планировали своё дальнейшее завоевание континентов и превращение в многоярусные леса – от мхов и трав до кустарников и деревьев.

Где же гарантия, что растения просто отражают или пропускают сквозь себя большую часть зелёного света? – Её и не будет, ведь и это не совсем правда. Это всё человеческое зрение, которое нельзя назвать самым надёжным (в сравнении с некоторыми животными), даёт нам «зелёную картинку». Этот цвет мы видим однородным из-за несовершенства своего зрительного анализатора. На самом же деле это наложение световых волн разной длины – преимущественно жёлтых и синих. А как же иначе? Часть цветных пигментов (каротин, антохлор, ксантофилл) специализируются на поглощении синих фотонов, отражая преломлённые лучи в красновато-жёлтом «формате». Другие пигменты (хлорофил и антоцианы) поглощают красноватые фотоны, отражая лучи приблизительно цвета морской волны. Накладываясь, они образуют изумрудный (по крайней мере, так его видят люди).

По мере сокращения светового дня и изменения угла освещённости (что влияет на преломление света ещё в слоях атмосферы), фотонов с большой частотой (и маленькой длиной волны) становится всё меньше. Некоторое время растения пытаются приспособиться к этому и переключают внимание исключительно на сбор «высококалорийных» порций света. Поглощая синие и зелёные фотоны, листья растений начинают отражать соответственно жёлтый или красный цвета. Когда синих фотонов становится критически мало, растения сбрасывают листву.

Какими могут быть растения с других планет?

Как вы догадываетесь, всё зависит от особенностей светового спектра, который формируется во время прохождения атмосферы или жидкой среды. Если кислорода и озонового слоя на планете нет, то от жгучего ультрафиолета растения может спасти только толща воды – они, очевидно, будут поглощать максимум инфракрасного излучения, а сами приобретут тёмно-красный цвет (на нашей планете так поступает пурпурная аноксигенная бактерия). Обитаемый спутник яркой звезды класса F должен получать очень много света, поэтому растения на нём отражали бы синий цвет - во избежание перегрева. А планета, освещаемая тусклой звездой класса М («красный карлик»), должна испытывать дефицит света – и, чтобы максимально использовать его, растения наверняка сделают выбор в пользу чёрной окраски. Да вы представьте только себе эти три фиолетовых глаза, полных надежды: «Мама-мама, а почему трава чёрная?»

В один прекрасный день мы узнаем, что фламинго розовые, потому что в креветках, которые они едят, содержится много специальных красных пигментов - каротиноидов. Каротиноиды также встречаются в красных, оранжевых, желтых и других пищевых продуктах, таких как морковь, помидоры и яичные желтки. А еще они обуславливают цвет осенних листьев и травы. Как много интересного вокруг, не так ли?

Почему трава зеленая, а молоко белое?

Так же, как фламинго и морковь, травинки содержат специальное вещество, которое придает им зеленый цвет. Оно называется хлорофиллом.

Хлорофилл - это пигмент, участвующий в фотосинтезе. А фотосинтез - это такой процесс, благодаря которому растения кушают. Они поглощают воду и соли из почвы, а из воздуха - углекислый газ, и под действием солнечного света превращают их в сахар и кислород, которым мы дышим.

Примерно так терпеливому родителю следует отвечать на вопрос своего чада о том, почему трава зеленая. Но вот дальше, несомненно, посыплются все новые и новые вопросы! Например, о том, зачем растениям сахар.

В отличие от зверей, которые охотятся, чтобы получить пищу, растения умеют создавать себе еду самостоятельно с помощью солнечного света. Но если мы лишим цветочек света, то ему станет нечего кушать и он умрет. Кстати, малышу будет очень интересно наблюдать этот процесс, начиная от прорастания семечка и заканчивая значением воды и света в жизни растения. Почему бы вам не провести совместный научный эксперимент?

Почему небо синее, а трава зеленая?

С этим все вроде бы ясно, но почему же хлорофилл именно зеленого цвета? Дело в том, что каждый предмет на нашей планете имеет свой определенный цвет. Солнечный свет кажется белым, хотя он на самом-то деле состоит из целого спектра цветов: фиолетового, синего, голубого, зеленого, желтого, оранжевого, красного.

Когда белый свет попадает на какой-либо предмет, то часть его поглощается, а другая отражается от его поверхности. И когда мы смотрим на этот предмет, то видим только те цвета, которые он отражает.

Небо, например, поглощает все цвета, за исключением синего, поэтому в солнечный ясный день оно кажется нам голубым. А как насчет пасмурной погоды? Почему оно вдруг становится грозным и свинцово-серым? Все просто! В пасмурную погоду большая часть света просто не доходит до поверхности Земли - его задерживают капельки воды в атмосфере, что и придает небу серый оттенок.

Как мы узнаем цвета?

Вспомните, как вы играли с друзьями в мяч. Красный резиновый мяч поглощает весь свет за исключением красного. И когда вы смотрте на красный мяч, бегущий по траве, глаза видят мяч, отражающий красный свет. Они отправляют эту информацию в мозг, который и говорит тебе, что мяч красный.

Теперь, когда твои друзья спросят тебя, почему трава зеленая, ты расскажешь им, что трава зеленая, потому что она поглощает весь свет, за исключением зеленого, а зеленый отражается от травы. И когда он достигает твоих глаз, ты видишь у своих ног зеленую траву.

Версия для детей постарше

Разумеется, такой полусказочный рассказ мы можем озвучить только малышам-дошкольникам, а что мы ответим 10-12-летним отпрыскам, когда те спросят, почему трава зеленая? Здесь уже можно углубляться в основы молекулярной химии, физики и биологии. Так хлорофилл - это идеальный носитель и хранитель энергии. Кстати, именно это свойство растений лежит в основе создания и функционирования солнечных батарей. Окисляясь, молекула хлорофилла запасает энергию, а затем, восстанавливаясь, отдает ее.

Но тогда почему трава зеленая летом, а осенью желтеет? Все просто! Ближе к осени интенсивность солнечного света снижается, и хлорофилл уже не в силах выполнять свои функции, а потому он за ненадобностью разрушается и превращается в ксантофиллы и каротиноиды - пигменты, имеющие цвета от желтого, оранжевого до красного и коричневого. Кстати, с появлением этих пигментов связаны и процессы старения растений.

Не так уж сложно понять, как объяснить ребенку, почему трава зеленая, небо синее, а мяч красный. Достаточно лишь школьного курса химии, физики и биологии, немного терпения и безграничной родительской любви. Зато в награду за все ваши усилия вы получите маленького вундеркинда, способного поразить своими познаниями в области естественных наук любого взрослого.