درو کردن نور

نخستین گام در تلاش برای درک چگونگی عملکرد فتوسنتز روی سیاره های دیگر، توصیف آن روی زمین است. طیف انرژی نور خورشید در سطح زمین در آبی- سبز به اوج می رسد، به همین خاطر دانشمندان مدت ها سرشان را می خارانند که چرا گیاهان رنگ سبز را بازتاب می کنند و با این کار آنچه را که به نظر می رسد بهترین نور موجود باشد، به هدر می دهند. پاسخ آن است که فتوسنتز نه به کل مقدار انرژی نور که به انرژی هر فوتون و تعداد فوتون هایی که نور را می سازند، بستگی دارد. درحالی که فوتون های آبی نسبت به فوتون های قرمز انرژی بیشتری حمل می کنند، اما خورشید بیشتر نوع قرمز را می تاباند. گیاهان برای کیفیت از فوتون های آبی و برای کمیت از فوتون های قرمز استفاده می کنند. فوتون های سبز که بین این دو قرار می گیرند، نه انرژی دارند و نه تعداد. بنابراین گیاهان این گونه سازش یافته اند که میزان کمتری از آنها را جذب کنند. فرآیند فتوسنتزی مبنا، که یک اتم کربن را (که از دی اکسیدکربن به دست آمده) وارد یک مولکول ساده قند می کند، حداقل به هشت فوتون نیاز دارد. یک فوتون لازم است تا پیوند اکسیژن-هیدروژن در آب شکسته شود و بدین وسیله یک الکترون برای واکنش های زیست شیمیایی به دست آید. کلاً چهار پیوند این چنینی باید شکسته شود تا یک مولکول اکسیژن ایجاد شود. هر کدام از آن فوتون ها برای یک واکنش نوع دوم و تشکیل قند، حداقل با یک فوتون دیگر همراه می شود. هر فوتون باید یک حداقل مقدار انرژی داشته باشد تا واکنش ها را به راه بیندازد.
راهی که گیاهان از آن طریق نور خورشید را درو می کنند، خود یک اعجاب طبیعت است. رنگدانه های فتوسنتزی (مثل کلروفیل) مولکول هایی منزوی نیستند. هر کدام از آنها در شبکه یی مثل یک آنتن چندشاخه به نحوی تنظیم شده اند که فوتون های یک طول موج خاص را بگیرند. کلروفیل اختصاصاً نور آبی و سرخ را جذب می کند و رنگدانه های کاروتنوئید ته رنگ نسبتاً متفاوتی از آبی را می گیرد. کل این انرژی به یک مولکول کلروفیل خاص در مرکز یک واکنش شیمیایی سرازیر می شود که در آن آب می شکند و اکسیژن آزاد می شود.
این فرآیند سرازیر شدن، کلید آن است که رنگدانه ها چه رنگی را انتخاب می کنند. مجموعه مولکول ها در مرکز واکنش، تنها در صورتی می تواند واکنش های شیمیایی انجام دهد که یک فوتون قرمز یا یک مقدار معادل انرژی به شکلی دیگر دریافت کند. برای بهره بردن از فوتون های آبی، رنگدانه های این آنتن به اتفاق هم، انرژی بیشتر (از فوتون های آبی) را به انرژی کمتر (سرخ تر) تبدیل می کنند. این فرآیند زمانی آغاز می شود که یک فوتون آبی به یک رنگدانه جاذب آبی برمی خورد و به یکی از الکترون های مولکول انرژی می دهد. وقتی آن الکترون دوباره به حالت اصلی اش برمی گردد، این انرژی را آزاد می کند، اما به خاطر افت انرژی در اثر گرما و ارتعاش ها، نسبت به انرژی جذب شده انرژی کمتری را آزاد می کند.
مولکول رنگدانه انرژی خود را نه به شکل یک فوتون دیگر که به صورت یک برهم کنش الکتریکی آزاد می کند که یک مولکول رنگدانه دیگر می تواند آن انرژی را در سطح پایین تر جذب کند. این رنگدانه هم به نوبه خود مقدار انرژی کمتری را آزاد می کند و به همین ترتیب فرآیند ادامه می یابد تا اینکه انرژی فوتون آبی ابتدایی به قرمز فروکاسته شود. آرایش رنگدانه ها می تواند سبز-آبی، سبز یا زرد را هم به قرمز تبدیل کند. مرکز واکنش، به عنوان انتهای دریافت کننده این آبشار، برای جذب کم انرژی ترین فوتون های موجود سازش می یابد. روی سطح سیاره ما، فوتون های قرمز فراوان ترین و کم انرژی ترین فوتون در طیف مرئی هستند.
برای فتوسنتزکنندگان زیر آب، فوتون های قرمز الزاماً فراوان ترین نیستند. آشیان های نوری به خاطر فیلتر شدن نور توسط آب (با مواد معلق و خود ارگانیسم های سطح آب) با عمق تغییر می کند. نتیجه، لایه بندی آشکار اشکال حیاتی بنابر آمیزه رنگدانه های آنهاست. ارگانیسم های لایه های پایین تر آب رنگدانه هایی دارند که برای جذب رنگ های نور باقیمانده از لایه های بالاتر سازش یافته اند. برای مثال جلبک ها و ساینوباکتری ها (باکتری های سبز-آبی) رنگدانه هایی دارند به نام فیکوبیلین ها که فوتون های سبز و زرد را درو می کنند. باکتری های مولد غیراکسیژنی، کلروفیل هایی دارند که نور انتهای سرخ و نزدیک فروسرخ را جذب می کنند؛ که این تمام آن چیزی است که تا آن اعماق تاریک نفوذ می کند.
ارگانیسم هایی که با شرایط کم نور سازش یافته اند، به رشد کندتر تمایل دارند، چون باید برای دروی آن مقدار نوری که برایشان موجود است، بیشتر تلاش کنند. در سطح سیاره ما که نور فراوان است تولید رنگدانه های اضافی برای گیاهان مضر است، بنابراین آنها در استفاده از نورشان انتخابی عمل می کنند. اصول تکاملی مشابهی هم در دنیاهای دیگر برقرار است.
درست همان طور که موجودات آبزی با نور فیلترشده آب سازش یافته اند، ساکنان خشکی هم با نور فیلترشده توسط مولکول های گازهای جو سازش یافته اند. در بالای اتمسفر زمین، فوتون های زرد (در طول موج ۵۶۰ تا ۵۹۰ نانومتر) فراوان ترین نوع هستند. تعداد فوتون ها در طول موج های بلندتر به تدریج و در طول موج های کوتاه تر به تندی کاهش می یابد. با عبور نور خورشید از لایه های بالایی جو، بخار آب نور فروسرخ را در چندین طول موج و فرای ۷۰۰ نانومتر جذب می کند. اکسیژن در ۶۸۷ و ۷۶۱ نانومتر خطوط جذبی ایجاد می کند . همه می دانیم که ازن، امواج فرابنفش (UV) را در استراتوسفر به شدت جذب می کند، اما کمتر کسی می داند که اندکی از گستره نور مرئی را هم جذب می کند.
برای جمع بندی، اتمسفر ما حد و مرز دریچه هایی را تعیین می کند که پرتوها از آن راه می توانند به سطح سیاره برسند. دریچه پرتو مرئی در حاشیه آبی، با افت شدت فوتون های طول موج کوتاه تابشی خورشید و جذب UV توسط ازن و در حاشیه سرخ با خطوط جذبی اکسیژن تعریف می شود. اوج فراوانی فوتون، با جذب کنندگی وسیع نور مرئی توسط ازن، از زرد به قرمز تغییر می یابد (حدود ۶۸۵ نانومتر). گیاهان با این طیف که عمدتاً توسط اکسیژن تعیین شده سازش یافته اند، در عین حال گیاهان همانی هستند که اکسیژن را به اتمسفر فرستادند تا کار را آغاز کنند. وقتی ارگانیسم های فتوسنتزی ابتدایی برای نخستین بار روی زمین نمایان شدند، اتمسفر فاقد اکسیژن بود؛ بنابراین آنها باید از رنگدانه هایی متفاوت از کلروفیل استفاده کرده باشند. تنها با گذشت زمان و تغییر ترکیب اتمسفر توسط فتوسنتز، کلروفیل به عنوان بهترین گزینه پدیدار شد.
شواهد فسیلی قاطع فتوسنتز به ۴/۳ میلیارد سال پیش برمی گردد، اما فسیل های قدیمی تر نشانه هایی را در خود دارند که می تواند بیانگر فتوسنتز باشد. فتوسنتزکنندگان ابتدایی مجبور بودند کار خود را زیر آب آغاز کنند، تا حدی به خاطر اینکه آب محلول خوبی برای واکنش های زیست شیمیایی است و تا حدی به این دلیل که حفاظی در برابر پرتو UV خورشید فراهم می کند. این فتوسنتزکنندگان نخستین باکتری های زیرآبی بودند که فوتون های فروسرخ را جذب می کردند. واکنش های شیمیایی آنها به جای آب شامل هیدروژن، سولفیدهیدروژن یا آهن می شد، بنابراین آنها گاز اکسیژن تولید نمی کردند. فتوسنتز مولد اکسیژن (اکسیژنی)
۷/۲ میلیارد سال پیش توسط ساینوباکتری ها در اقیانوس آغاز شد. سطوح اکسیژن و لایه ازن به تدریج ساخته شدند و امکان پدید آمدن جلبک های سرخ و قهوه یی میسر شد. با امن شدن آب های کم عمق از شر UV، جلبک های سبز تکامل یافتند. آنها فاقد فیکوبیلین بودند و با نور روشن آب های سطحی بهتر سازش یافتند. گیاهان خشکی هم در نهایت از جلبک های سبز نشأت گرفتند و آنگاه انفجار پیچیدگی در حیات گیاهی پیش آمد، از خزه ها و گیاهان جگری در خشکی گرفته تا گیاهان آوندی با چترهایی بلند که نور بیشتری را می گرفتند و برای اقلیم های خاص سازش های خاصی داشتند مثل تکامل درختان مخروطی با تاج هایی مخروطی شکل که باعث می شود در عرض های جغرافیایی بالا با زاویه تابش کم خورشید، نور کافی بگیرند. گیاهان سازگار با سایه، دارای آنتساینین به عنوان کرم ضدآفتاب در برابر نور بیش از حد است. کلروفیل سبز نه تنها با ترکیب فعلی اتمسفر مناسبت خوبی دارد که به حفظ این ترکیب هم یاری می رساند . شاید تکامل در گام دیگر از ارگانیسمی حمایت کند که با استفاده از فیکوبیلین هایی که نور سبز و زرد را جذب می کنند، از سایه زیر چتر درختان بهره می برند. اما ارگانیسم های آن بالا احتمالاً هنوز سبز باقی می مانند.

نانسی کیانگ
ترجمه؛ الهیار امیری
www.sciam.com, ۷Apr.۲۰۰۸

منبع : روزنامه اعتماد