Почему так мало продуктов синего цвета?
Хотя синие продукты существуют, они достаточно редки по сравнению с другими продуктами, чтобы кулинары использовали синие пластыри в качестве условного обозначения. Естественный цвет данной пищи обусловлен пигментами биологического происхождения. Есть ли какая-то эволюционная причина, по которой они редко бывают синими?
Краткий ответ
Синий цвет встречается не только у съедобных организмов — синий цвет редко встречается как в животном, так и в растительном царстве в целом. У животных синяя окраска создается за счет структурных оптических световых эффектов, а не за счет цветных пигментов. У некоторых растений синего цвета синий цвет создается синим пигментом, а именно антоцианами. Насколько мне известно, причина дефицита синих пигментов остается неизвестной.
Предыстория
Подавляющее большинство животных не способны производить синие пигменты, но причина этого, по данным NPR , неизвестна . Фактически, известно, что ни одно позвоночное не способно на это. Даже блестяще-голубые перья павлина или, например, голубой глаз не содержат синего пигмента. Вместо этого все они полагаются на структурные цвета , чтобы они выглядели синими. Структурные цвета обусловлены физическими свойствами тонко организованных микро- и наноструктур.
Голубые бабочки-морфо — отличный пример блестящего синего цвета, вызванного структурными цветами. Морфос имеет размах крыльев 6 дюймов — одна сторона тускло-коричневая, а другая — яркая, отражающая синяя. У бабочек есть крошечные прозрачные структуры на поверхности их крыльев, которые рассеивают свет именно так, как нужно, чтобы они казались ярко-синими. Но если вы измельчите крылья, пыль, лишенная отражающих призматических структур, будет просто серой или коричневой.
Точно так же ядовитая лягушка-дротик имеет синий цвет из-за иридифоров в ее коже, которые не содержат пигмента, а вместо этого имеют зеркальные пластины, которые рассеивают и отражают синий свет (источник: By Bio ).
Морфо и ядовитая лягушка-дротик. источники: Википедия и LJN Herpetology
Точно так же в царстве растений менее 10 процентов из 280 000 видов цветковых растений дают голубые цветы. На самом деле в растениях нет настоящего синего пигмента, а синий цвет в листве встречается еще реже, чем в цветах. Синие оттенки в растениях также генерируются цветочными трюками с обычными красными антоциановыми пигментами. Растения настраивают или модифицируют красные антоциановые пигменты, чтобы сделать цветы синими, включая сдвиги pH и смешивание пигментов, молекул и ионов. Эти сложные изменения в сочетании с отраженным светом через пигменты создают синий оттенок (источник: Mother Nature Network ).
Но почему синих пигментов так мало, насколько я знаю, кажется, неизвестно ( MNN , NPR , научные блоги )
Источники
- MNN
- NPR
- Фотобиология
Хотя ответ @AliceD - отличная простая демонстрация редкости синего цвета в нашем естественном мире, вероятно, есть более тонкая / техническая причина.
Короткий ответ
Синий свет был наиболее доступной длиной волны света для ранних растений, растущих под водой, что, вероятно, привело к первоначальному развитию / эволюции фотосистем, опосредованных хлорофиллом, которые все еще наблюдаются у современных растений. Синий свет является наиболее доступным, наиболее высокоэнергетическим светом, который продолжает достигать растений, и поэтому у растений нет причин не продолжать использовать преимущества этого обильного высокоэнергетического света для фотосинтеза.
Различные пигменты поглощают свет с разной длиной волны, поэтому в идеале растения должны включать пигменты, способные поглощать наиболее доступный свет. Это тот случай, когда и хлорофилл а, и Ь поглощают в основном синий свет. (Поглощение красного света, вероятно, развилось, когда растения переселились на сушу из-за его более высокой эффективности).
Пигменты выглядят как любой цвет, который не поглощается (т. е. они выглядят как длина волны света, которую они отражают). Поскольку синий пигмент будет отражать большую часть света, на который современные растения полагаются в своих фотосистемах, опосредованных хлорофиллом, синих пигментов у растений по-прежнему мало.
Атмосферная передача
Как показывает эта страница из Государственного университета Гумбольдта, синий и зеленый свет проходят через атмосферу к поверхности земли лучше, чем почти все другие длины волн света:
передача - это когда электромагнитная энергия может пройти через атмосферу и достичь поверхности. Видимый свет в значительной степени проходит (передается) через атмосферу.
Это означает, что синий и зеленый свет являются наиболее доступными длинами волн света.
Обратите внимание, что за синим/зеленым цветом следует остальная часть видимого спектра и NIR (ближний инфракрасный диапазон).
Также обратите внимание, что большая часть ультрафиолета в значительной степени поглощается атмосферными газами (в первую очередь озоном) и поэтому плохо передается.
Волновые свойства
Важно понимать, что (от U. Wisconsin ):
Более энергичные волны имеют более короткие длины волн, в то время как менее энергичные волны имеют более длинные волны.
В результате синий свет (будучи наиболее доступной длиной волны света с самой высокой энергией) кажется оптимальной длиной волны света для фотосинтеза .
Обратите внимание, что хотя доступный ультрафиолетовый свет более энергичен и может стимулировать фотосинтез , он часто слишком энергичен и может вызвать повреждение клеток . Так что зачастую организмам лучше всего отражать УФ.
Более подробную информацию о физике световой энергии можно найти здесь .
Фотосинтез
Фотосинтезирующие организмы содержат пигменты (обычно хлорофиллы на основе гема/порфирина и различные каротиноиды ), которые поглощают световую энергию. По сути, энергия фотона света поднимает поглощающий пигмент в более высокое энергетическое состояние (называемое возбужденным состоянием ), а затем пигмент высвобождает эту нестабильную энергию, чтобы вернуться в свое основное состояние — эта избыточная энергия и есть то, что приводит в действие биохимические реакции. фотосинтеза. Подробнее см. здесь .
Вот два примера графиков ( отсюда и отсюда ), показывающие спектр поглощения типичных растительных пигментов:
Как вы можете видеть, растения эволюционировали, чтобы иметь пигменты, которые поглощают в основном синий свет (за которым следует красный свет). Эти пигменты отражают зеленый свет и поэтому кажутся зелеными.
Однако ряд источников (например, Mae et al. 2000, Brins et al. 2000 и здесь ) предполагают, что, хотя растения поглощают больше синего света, чем другие длины волн, наиболее эффективный фотосинтез не происходит при использовании синего света. Вместо этого красный свет приводит к максимальной эффективности фотосинтеза.
Одна из причин, которую они (в данном случае Бринс и др.) обнаружили, заключалась в том, что ксантофиллы рассеивали избыточную энергию, связанную с синим светом, вызывая снижение скорости фотосинтеза синего света.
Эта страница NIH предполагает, что высокоэнергетический свет даже не нужен растениям:
Хлорофилл а также поглощает свет с дискретными длинами волн короче 680 нм (см. рис. 16.37b). Такое поглощение переводит молекулу в одно из нескольких более высоких возбужденных состояний, которые в течение 10-12 секунд (1 пикосекунда, пс) распадаются до первого возбужденного состояния P* с потерей дополнительной энергии в виде тепла. Фотохимическое разделение зарядов происходит только от первого возбужденного состояния реакционного центра хлорофилла а, Р*. Это означает, что квантовый выход — количество фотосинтеза на один поглощенный фотон — одинаков для всех длин волн видимого света короче 680 нм.
Однако все это может оказаться напрасным, ведь солнечного света для растений достаточно. Снова со страницы NIH:
Однако даже при максимальной интенсивности света, с которой сталкиваются фотосинтезирующие организмы (тропическое полуденное солнце, ≈1,2 × 10 20 фотонов/м2/с), каждый хлорофилл реакционного центра поглощает примерно один фотон в секунду, чего недостаточно для поддержания фотосинтеза на достаточном уровне. для нужд завода. Для повышения эффективности фотосинтеза, особенно при более типичных интенсивностях света, организмы используют дополнительные светопоглощающие пигменты.
Другими словами, растения не полностью фотосинтетически эффективны и обычно не используют весь доступный им свет. Из Википедии :
Фотосинтез увеличивается линейно с интенсивностью света при низкой интенсивности, но при более высокой интенсивности это уже не так (см. Кривая фотосинтез-освещенность). Выше примерно 10 000 люкс или ~ 100 Вт / квадратный метр скорость больше не увеличивается. Таким образом, большинство растений могут использовать только ~ 10% полной интенсивности солнечного света в полдень.
Итак, вкратце:
Так что дает?...
Эволюция
Таким образом, учитывая все это, остается вопрос: почему поглощается в основном синий свет, а не зеленый?
Ответ, хотя и несколько предположительный, вероятно, связан с доступностью света для ранних растений. Ранние растения развивались, как и все живое, под водой.
Оказывается, точно так же, как изменчивость пропускания различных длин волн света через атмосферу, определенные длины волн света более способны проникать в более глубокие глубины воды. Синий свет обычно распространяется на более глубокие глубины, чем все другие видимые длины волн света. Следовательно, самые ранние растения эволюционировали, чтобы сконцентрироваться на поглощении этой части электромагнитного спектра.
Однако вы заметите, что зеленый свет также проникает относительно глубоко. Текущее понимание состоит в том, что самыми ранними фотосинтезирующими организмами были водные археи, и (на основе современных примеров этих древних организмов) эти археи использовали бактериорхопсин для поглощения большей части зеленого света.
Ранние растения росли ниже этих пурпурных прокариот, продуцирующих бактериорхопсин, и им приходилось использовать любой свет, который они могли получить. В результате система хлорофилла развилась у растений, чтобы использовать доступный им свет. Другими словами, на основе более глубокой проникающей способности синего/зеленого света и потери зеленого света для пелагических прокариот выше, растения развили фотосистему, поглощающую в основном синий спектр, потому что это был наиболее доступный для них свет .
Так почему же растения не научились использовать зеленый свет после перемещения/развития на суше? Как было сказано выше, растения ужасно неэффективны и не могут использовать весь доступный им свет. В результате, скорее всего, нет никакого конкурентного преимущества в развитии совершенно другой фотосистемы (т. е. включающей пигменты, поглощающие зеленый цвет). Поэтому земные растения продолжают поглощать синий свет и отражать зеленый, а синяя пигментация остается редкостью в нашем мире.
Так что насчет нерастительных организмов?
Согласно Википедии :
Другими словами, большинство пигментов в нерастительных организмах происходит либо непосредственно, либо биохимически из рациона организма. Без прямого приема синих пигментов эти химические вещества недоступны или биохимически дороги в производстве (см. Крустацианин). В результате синие пигменты также редко встречаются у животных.
Хотя, как указывают источники AliceD, мы до сих пор не до конца понимаем, почему животные не производят больше синих пигментов.
Дело не в том, что не бывает синих продуктов, а в том, что английский язык не любит называть продукты «синими».
Между «цветами» в цветовом пространстве нет естественных границ, все цвета, которые мы называем (и учимся различать), определяются культурой. Итак, важно понимать, что цвет, который кто-то называет «синим», можно назвать «фиолетовым», «красным», «бордовым», «зеленым» или как-то еще.
Имея это в виду, мы можем взглянуть на продукты питания. Животная пища внутри представляет собой белок, а приготовленный белок обычно представляет собой бледно-сероватую слизь (хотя среда, приготовленная из мышц, все еще имеет красноватый цвет). Одним из редких примеров могут быть яйца с синей скорлупой. У растений практически все листья, которые мы едим, окрашены хлорофилом. Так что они вне уравнения.
Другие части растений, особенно плоды, имеют тенденцию окрашиваться одной из нескольких других групп пигментов. И основная группа этих пигментов, антоцианы, варьируется от синего до пурпурного и красного (они также меняются в зависимости от рН). Таким образом, множество продуктов имеют пурпурно-синий цвет, а также называются «синими» на других языках. Сливы, баклажаны, красный виноград, красная капуста и многие ягоды являются хорошими примерами для этого. Затем у вас есть несколько растений, которые бывают разных цветов, но основные сорта не синие - первыми приходят на ум картофель и кукуруза.
Другие оттенки синего менее распространены только потому, что они не покрываются основными группами пигментов, но если вы перейдете к уровню оттенков, то «королевский синий» — это всего лишь один из многих отсутствующих в спектре. Также обратите внимание, что все еще есть растения, которые имеют другие оттенки синего и употребляются в пищу, просто их обычно не считают «едой». Лаванда, цикори, горечавка и анютины глазки имеют синие цветы различных оттенков и традиционно используются в рецептах.
Так что особой эволюционной причины, по которой растения или животные не должны быть синими, нет — многие из них синие , и мы едим некоторых из синих. Это просто культурная или лингвистическая тенденция для англоговорящих людей не видеть свою еду синей.
Я бы сказал, что более уместным вопросом будет: почему мы можем легко идентифицировать синие пластыри, даже несмотря на то, что так мало продуктов синего цвета? (И основная часть этого ответа заключается в том, почему это вообще разумный вопрос.) И главный ответ на этот вопрос, вероятно, заключается в том, что достаточно большая бедная пищей область в цветовом пространстве в конечном итоге получила свой собственный цветовой термин, а именно синий.
Цвет — это область в цветовом пространстве, которую носители соответствующего языка соглашаются присвоить одному и тому же имени. Основные цвета — это цвета, которые вы уже знаете в детском саду и не считаете частным случаем другого цвета (например, аквамарин — это особый случай синего).
В своей эволюции языки шаг за шагом совершенствуют свою сегментацию цветового пространства, обычно начиная со светло-теплого и темного-холодного, затем разделяя красный, желтый и зеленый ( дальнейшее чтение ). Пятая сегментация обычно разделяет синий и зеленый – точнее, что-то подобное. После этого в английском языке есть белый, черный, красный, желтый, зеленый и синий.
Теперь языки разделяют существующий цвет, когда в нем есть соответствующее различие. И потенциальная пища была преобладающей вещью, которую люди различали на протяжении большей части своей истории. Если какой-либо фрукт меняет свой цвет с зеленого на синий, что указывает на то, что он стал съедобным, это не только что-то важное для сообщения, но и наличие слова для этого облегчает запоминание. Напротив, люди ежедневно смотрели на небо, но было ли оно зеленым или синим, им не нужно было общаться.
Следовательно, цвета продуктов были движущим фактором того, как мы сегментируем наше цветовое пространство. И здесь различие между синим/зеленым и фиолетовым/красным, по-видимому, определяется именно этим: большинство продуктов, которые опираются на синий цвет, просто остаются в пределах того, что мы называем фиолетовым (например, сливы и баклажаны), и часто переход от зеленого к пурпурному указывает на то, спелость. (А в случае с черникой переход от фиолетового к синему указывает на спелость.) Однако я не знаю ни одного продукта, который сразу же превращается из зеленого в синий. Таким образом, есть некоторые основания полагать, что наше цветовое пространство сегментировано таким образом, что на синей стороне сине-фиолетового водораздела мало пищи.
Еще один странный аспект заключается в том, что язык влияет на наше восприятие: если мы выучим слово для обозначения цвета с раннего возраста, мы также станем лучше различать этот цвет. Ярким примером этого являются люди химба, чей язык сегментирует цветовое пространство иначе, чем английский (и многие другие языки). Им гораздо труднее различать определенную пару оттенков синего и зеленого (потому что их язык не различает), но легче различать определенные оттенки зеленого (потому что в их языке это разные основные цвета)¹²³.
Итак, если бы в английском языке не было разделения на синее и зеленое, вы, вероятно, не задали бы этот вопрос — не только потому, что вам не хватило бы слов, но и потому, что вы бы даже не заметили³, что существует семейство оттенки зеленого, которые вы найдете во всевозможных технологических продуктах (и небе), но не в еде.
Есть несколько других цветов, которые вы редко встретите в еде, например, фуксия/пурпурный, неоново-зеленый и кирпично-красный. Почему вы не задали вопрос о них, и почему мы не используем эти краски для пластырей для кулинаров? Ответ, вероятно, состоит в том, что синий — это основной цветовой термин, но это только половина правды: поскольку синий — это основной цветовой термин, мы лучше различаем его, чем e. грамм. неоново-зеленый, поэтому он более эффективен в качестве цвета штукатурки.
Это оставляет вопрос:
Ответ на этот вопрос, естественно, скрыт в тумане истории. Однако появление некоторого рода сине-зеленого различия является общей чертой языков, предполагая, что это больше, чем просто случайность. Мое обоснованное предположение заключается в том, что то, что мы называем синим , — это просто самая большая область цветового пространства, в которой мало еды, по причинам, изложенным в ответах AliceD и TheForestecologist . Имейте в виду, что трудность с этим объяснением заключается в том, что оно несколько субъективно, как мы даже измеряем объем цветового пространства (и, таким образом, определяем наибольший ) таким образом, который отражает человеческое восприятие.
В отличие от других основных цветовых терминов, синий (или, точнее, различие между сине-зеленым), по-видимому, вызван введением соответствующего красителя³, а не пищи. Это, в свою очередь, предполагает, что новый цветовой термин начинался как идентификатор этого конкретного красителя (который на самом деле является обычным, см. индиго, берлинскую лазурь и т. д.). Таким образом, не имеет смысла, чтобы он покрывал цвет чего-то хорошо известного, включая еду. Например, если бы новый цветовой термин охватывал цвет сливы, люди скорее назвали бы новый краситель красителем сливы .и забудьте о новом термине (и краске) быстро. В результате неудивительно, что появляющийся цветовой термин начинается с территории, исключающей пищу. Конечно, это может измениться позже в процессе развития языка, но если цвет начинается как непищевой, есть некий психологический импульс, чтобы сохранить его таким: вы не привыкли есть синее, поэтому вы не начнете называя еду синей (см. также ответ Румтчо ).
Это соответствует серому, другому основному цветовому термину, который мы не любим использовать для описания еды, даже несмотря на то, что это, возможно, наиболее подходящий цвет для мяса в некоторых условиях, определенной рыбы, внутренней части баклажанов и т. д. Скорее мы склонны описать их любым остаточным оттенком пищи или как белым или черным.
Tenfour04
лесотехник
РБарриЯнг