Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


mitől szinesek a virágok?

2011.02.19

MITŐL SZÍNES AZ ÉLŐVILÁG?

orhidea.jpg punkosdi-rozsa.jpg
Általában hajlamosak vagyunk arra, hogy ami mindennapi tapasztalat, azt egyszerűen természetes és magától értetődő dolognak tartsuk. Így van ez a színekkel is. "A szín a természet mosolya, egy csöppnyi igazság" - mondta egy angol bölcs. És milyen igaza volt! Mennyivel kisebb élményt nyújt például a fekete-fehér televízió és film, mint a színes. Színek nélkül kiüresedne világunk. Talán fel sem tűnik, de sárga színnel ragyog a Nap, kék az ég és a tengerek színe, vörös vér kering az ereinkben, zöld színben pompáznak a lombok, hogy csak néhányat említsünk. Az egyes színekkel különböző érzelmi hatást is kiválthatunk. Más színű fénnyel világítják meg az iskolai tantermet, mással a bárokat, a húsos pultokat az élelmiszerüzletekben. Tárgyaink a megvilágító színtől függően más és más színűnek tűnnek, s bennünk is különböző hatásokat váltanak ki. A történelem folyamán a színeknek szimbolikus jelentése is kialakult. Egy időben, Kínában sárga ruhát csak a császár hordhatott, mert a sárga a legmélyebb bölcsesség, a legteljesebb megvilágosodás jelképe volt. A gyászoló kínaiak fehérbe öltöztek, jelezve, hogy az elhunytat a tisztaság és a fény országába kísérik. Mást jelentenek a színek a festőknek és a fizikusoknak, az irodalmároknak, a kémikusoknak, mást a pszichológusoknak és az ipari formatervezőknek. A színtan a fizika és az orvosi szakkönyvek önálló fejezetévé vált. De művészek is könyveket töltenek meg a színekkel kapcsolatos ismereteikkel. Mi a magyarázata annak, hogy az égboltot kéknek, a füvet zöldnek, a paradicsomot pirosnak, a grafitot feketének látjuk? Mitől színesek a lepkék, a madarak? Hogy ilyen kérdésekre válaszolhassunk, segítségül kell hívnunk a fizikát, a kémiát, a biológiát.

A színek

A szín mint jelenség csak részben függ fizikai-kémiai folyamatoktól. Függ a szem működésétől, s attól is, hogy mi megy végbe az agyban. A fény érzékelése összetett, fotokémiai, idegi és pszichológiai folyamatok eredménye. Az egészséges emberi szem színérzékelése rendkívül érzékeny, igen sokféle színárnyalatot képes megkülönböztetni. A tudósokat már a régmúlt időkből érdekli a különböző színek eredete. Annak ellenére, hogy a mindennapi életből és tudományos kísérletekből is rendkívül sok tapasztalat gyűlt össze a színekről, az eredetükre vonatkozó kielégítő magyarázatra viszonylag sokáig, a XVII. századig kellett várni. Newton (1666) előtt a színek keletkezéséről igen sok, egymásnak ellentmondó magyarázat forgott közkézen. Igaz, már akkor észrevették, hogy a testek színe függ a megvilágítástól - ugyanaz a test a nap különböző szakában más színűnek látszott -, de a testek színét a testek tulajdonságának vélték. A szivárvány jelenségét régről ismerik, sőt rögzítették kialakulásának körülményeit is. Descartes (1596- 1650) szökőkút szétporlasztott vízcseppjein megfigyelt már mesterséges szivárványt is, sőt ő maga, a vízcseppet vízzel telt gömb alakú üvegedénnyel modellezve, a szivárvány színeit kísérletileg is tanulmányozta. Ennek ellenére a színek keletkezése, azok sorrendjének oka még akkor sem volt világos. Newton távcső készítése közben figyelmes lett a lencsék karimáján vetítéskor megfigyelhető elszíneződésre, ami érdeklődését a színek tanulmányozásának irányába fordította. Besötétített szobába vékony nyíláson beszűrődő fény útjába prizmát helyezett, s a szemközti falon színes csíkok tűntek fel, elsőként állított elő tehát színképet. A spektrum elnevezés is tőle származik. A színkép azt is bizonyította, hogy a fehér fény színes fény keveréke. Megállapította, hogy a prizma a különböző színű fénysugarakat különböző módon töri meg (a jelenséget diszperziónak nevezzük), s ha azokat lencsével újra összegyűjtjük, ismét fehér fényt kapunk. A spektrum színei tovább már nem bonthatók. Newton alapvető kísérlete két fontos felfedezést tartalmazott:

  1. ) adott közegben a közeg törésmutatója a különböző színű fénysugarakra más és más,
  2. ) a fehér fény egyszerűszínekből összetett fény.

A körülöttünk lévő dolgokat vagy azért látjuk, mert maguk világítanak, vagy azért, mert megvilágítottuk őket. A testek a rájuk eső fény egy részét visszaverik (reflexió), a többit átengedik (transzmisszió) vagy elnyelik (abszorpció). E három folyamat egymáshoz viszonyított mértéke határozza meg az önállóan nem világító testek színét. A fekete színű test például a fény hullámhosszától függetlenül minden fényt elnyel, az áttetsző fehér test pedig szinte mindent visszaver. Ha a fehér fényből valamilyen oknál fogva hiányzik az egyik összetevő, akkor a megvilágított test a hiányzó szín kiegészíto (komplementer) színében látszik.

Hogyan állíthatunk elő színeket?

A fény és anyag kölcsönhatásakor az anyagnak átadott energia függ a fény színétől, a frekvenciájától. Ha atom vagy molekula nyel el fénykvantumot, megváltozik a magok és elektronok kölcsönös elrendeződése, megnövekszik a rendszer energiája. Abból a tényből, hogy a molekula akármilyen energiát nem vehet fel, arra következtethetünk, hogy a magok, és az elektronok rendszere nem lehet tetszőleges állapotban. Energiájuk csak meghatározott adagokban, kvantumosan változhat. A rendszernek az állapotváltozáshoz pontosan meghatározott energiára van szüksége, s ha ez nem túl nagy energiaadag, akkor elnyelheti a fényből is. Ha megtörténik az elnyelés, akkor az atom (vagy molekula) "gerjesztett" állapotba kerül. Egy egyszerű mechanikai rendszer, a rezgo húr is hasonlóan viselkedik. A kifeszített, mindkét végén rögzített húron állandósult hullámok, állóhullámok alakulnak ki. A rezgő húrnak is sokféle állandósult állapota lehet, de nem akármilyen. A rezgő húr is "kvantumos". A "sokféle, de nem akármilyen állapot" lehetősége miatt a rezgő húr az atomok és a molekulák, vagyis az atommagokból és elektronokból álló rendszerek kitűnő modellje. Ha gondolatban egy elektront egy L hosszúságú, minden erőhatástól mentes "egydimenziós dobozba" zárunk, akkor az elektron mozgásához egy vonalszakasz áll rendelkezésre. Az elektron az egydimenziós dobozban szabad, rá semmiféle vonzó vagy taszítóerő nem hat, helyzeti energiája nincsen. Változhat viszont a mozgási energiája. Az elektron energiájának az elektron úgynevezett de Broglie-hullámhosszával való kapcsolata lehetőséget ad arra, hogy összekapcsoljuk az elektron lehetséges állapotait a húrmodell el. Ahogy az L hosszúságú húron csak olyan mozgásállapotok alakulhatnak ki, amelyekre igaz, hogy a hullámhossz felének egész számú többszöröse adja a húr L hosszát, úgy az L hosszúságú vonaldarabra beszorított elektron mozgási energiája is meghatározott adagokban változhat. Az energiaadag nagysága fordítottan arányos a doboz L hosszával. Ez azt jelenti, hogy ha az elektron mozgásához kellően nagy térrész áll rendelkezésre, akkor energiáját kis adagokban változtathatja. Az ilyen "rendszer" már a látható fény viszonylag kis energiájú fotonjaival is gerjeszthető, s ha azokat elnyeli, akkor a fehér fény kiegészítő színében látszik. Ez a modell sikeresen használható festékek "színezésének" megértéséhez.

Festékek a növény- és állatvilágban

orhidea-jpg15 orhidea9 

Az élő természet rengeteg színárnyalatát mindössze háromféle vegyülettípus kialakulása, kölcsönhatása és bomlása okozza. Ezek a karotinoidok, porfirinek és flavonoidok. A színek eredetének elemzéséhez ezért segítségül kell hívnunk a kémiát. A teljesség igénye nélkül mutatunk néhány példát a környezetünkből ismert élővilágból minden vegyülettípusra. A karotinoidok okozzák például az árvácska, a pitypang virágjának, a sárgarigó és a kanári tollának, a homár páncéljának a színét. (A hátsó belső borítón néhány képpel illusztráljuk az élő természet sokszínűségét az írásban szereplő növények, állatok segítségével.) A sárgarépa festékanyaga a karotin mellett a vegyületcsoport egyik legismertebb tagja a likopin. Likopin legnagyobb mennyiségben a paradicsomban van, de kevesebb található a csipkebogyóban, a görögdinnyében és más gyümölcsökben is. Ez a vegyület felelős a piros színért. Valamennyi porfirin jellegű festékanyag alapját a porfin nevű gyűrűs vegyület képezi. A porfirinek két legfontosabb képviselője a hem és a klorofill. A hem a vér oxigénszállító molekulája vörös festékanyagának, a hemoglobinnak a nem fehérjetermészetű része. A gyűrű középpontjában egy darab két vegyértékű vasatom van, amely a porfinváz két hidrogénatomját helyettesíti, és a gyűrűkhöz különböző oldalláncokkal kapcsolódik. A növények zöld színéért a klorofill a felelős, ebben a molekulában a porfingyűrű közepén magnéziumatom található. A legtöbb virág és gyümölcs a színét a flavonoidoknak köszönheti. A flavon sárgára színez, a növények vörös, kék, bordó és ibolya színét pedig az antociánok okozzák. Az antociánok olyan vegyületek, amelyek egy színes flavonoid részből és egy színtelen cukorrészből állnak. Az antociánok a közeg pH-jától függően változtatják szerkezetüket és ennélfogva a színüket is. Ugyanaz a vegyület, amely savas közegben (pH = 3) piros, lúgos közeg (pH = 11) esetén kék, adja a vörös rózsa és a kék búzavirág színét. Csodálkozunk azon, ha a tavaly még kék jácint a következő évben vörös színű virágot hoz. A magyarázat egyszerű. Ha a hangyák véletlenül tartósan a jácint hagymája körül vernek tanyát, akkor a hangyasavval savanyított talaj a színekért felelős molekulában szerkezeti változást idézhet elő. A megváltozott szerkezetű molekulák a növény szirmára eső fehér fényből már másik összetevőt nyelnek el, így más kiegészítő szín mutatkozik. A kertészek ilyen módon a legváltozatosabb színű virágokat állíthatják elő, például megfelelő sókat a talajba keverve, mélyen beavatkozhatnak a természet munkájába.

Vajon mi a közös e szerkezetekben?

Ismeretes, hogy a molekulákban az elektronok és , kötő, lazító és nem-kötő molekulapályákon tartózkodnak. Mindhárom említett szerves molekulatípusban a molekulában úgynevezett konjugált kettőskötésekkel szemléltethető elektronelrendezés található. A molekula lehet lineáris (karotin), de a szénatomok záródhatnak gyűrűvé is (klorofill). Vagy együtt tartalmazhatnak hosszabb lineáris szakaszokat és a láncvégeken záródó gyűrűs elemeket is. Az ilyen molekulákban vannak olyan elektronok (delokalizált elektronok), amelyek mozgása a teljes molekulaméretre kiterjedhet. A molekula hosszában mozgó "szabad" elektronok állapota, és a két végén rögzített L hosszúságú húr mérete és állapotai között párhuzamot vonhatunk. A fentiekben már említett okok miatt a hosszabb molekulában az elektronok energiája kisebb adagokban változhat, a molekula kisebb frekvenciájú fény elnyelésére képes. Például a karotinoidok családjába tartozó, fokozatosan növekvő számú szénatomot tartalmazó molekulák színe a sárgától a vörös felé változik. A sárgarépa színe, a karotin a kék színű fény, a paradicsom vörös színe, a likopin pedig a zöldessárga színű fény elnyelésével alakul ki. A piros paprika színéért felelős kapszorubin molekulában is olyan hosszúságú konjugált lánc található, amely a zöld fény elnyelését teszi lehetővé, a paprikát a zöld szín kiegészítő színében, pirosnak látjuk.

A látás és a színérzet
labdarozsa.jpg lilaakac2.jpg

A karotinhoz nagyon hasonló szerkezetű molekulát, a retinált (hosszúsága fele a karotinénak) használja szemünk a fény felfogására, melyhez a szem a hasonló szerkezetű A-vitaminból jut hozzá. (Ezért okoz az A-vitamin hiánya szürkületi vakságot). A szemünkbe érkező fénysugár a különböző színérzékenységű csapokban (3-féle csap) eltérő erősségű elektromos jelet, idegáramot idéz elő. Az idegáram-erősségek aránya minden sugárzás esetén más és más, s az agyban minden egyes arány esetén más színérzet alakul ki. Ha a fényinger egyforma erősen hat mind a háromféle csapra, akkor fehér fényt észlelünk. A vörös fény a vörösre érzékeny csapokban erősebb idegáramot kelt, így vörös színérzet keletkezik. Ha a fényinger egyforma erősen hat a vörösre és a zöldre érzékeny csapokra, akkor sárga színt látunk. Ily módon valamennyi szín a vörös, a zöld és a kék keverésével áll elő. Ezért nevezzük az egészséges színlátást háromszínűnek, trikromatikusnak, és ezért kell háromszínű (RGB) jel a színes megjelenítők működtetéséhez.

Szerkezeti színek az élővilágban

A színek a biológiai rendszerekben, a madarak és rovarok világában gyakran festékszemcsékben, pigmentekben keletkeznek, a "kémiai színezés"-nél megismert hullámhosszfüggő fényelnyelés útján. Bizonyos esetekben azonban a színek keletkezése a fény egy meghatározott szerkezeten történő szelektív szóródásának, interferenciájának, illetve diffrakciójának következménye, ezért ezeket szerkezeti vagy struktúraszíneknek nevezzük. A természetben gyakran a különböző színezési lehetőségek kombinálása figyelhető meg. A továbbiakban néhány példát mutatunk a szerkezeti színeket "viselő" élőlényekre. A fényszórás játszik szerepet a kék színnek a kialakításában a kékszajkó, a kék szem (pl. a sziámi macskáé), a kékszilva, a kökény esetén. A fényinterferencia felelős azoknak a színeknek a kialakításáért, amelyek változnak a megfigyelés irányának (szögének) változtatásával, s fémes jellegűek. E színeket irizáló színeknek hívjuk. A kagylóhéjak szivárvány játéka, a kolibrik ragyogó színei, a pávatoll színének változása, és néhány Dél-Amerikában élő lepkefaj (Morpho-család) metálkék színei a legjobb példák e megoldásra. A fényelhajlás a CD-lemezen élénk spektrum megjelenését eredményezi, hasonlóan alakul az indigókígyó színe is bőre finomszerkezetén, amely kétdimenziós reflexiós diffrakciós rácsként működik.

Rajkovits Zsuzsanna
ELTE Anyagfizikai Tanszék

rododendron.jpg kek-rozsa.jpg

 

Hozzászólások

Hozzászólás megtekintése

Hozzászólások megtekintése

Uhrbrookkring 47, 2104 Geesthacht

(Burcharrd Márta, 2014.05.05 17:39)

Arra lennék kiváncsi, hogy miért illatosabbak a virágok délen mint északon.
Észako szépekk, dee nem olyan illatosak a virágok. Legyen az jázmin, rózsa, orgona, bármi.