فیزیک در برگ گیاه

مقدار کل انرژی خورشیدی که به زمین می رسد بسیار زیاد است گیاهان نزدیک به ۹۵ درصد از ۱۰۱۷ ژول انرژی خورشیدی را که در هر ثانیه به زمین می رسد, جذب می کنند

● روش کوآنتومی گیاهان برای افزایش کارایی

مقدار کل انرژی خورشیدی که به زمین می رسد بسیار زیاد است. گیاهان نزدیک به ۹۵ درصد از ۱۰۱۷ ژول انرژی خورشیدی را که در هر ثانیه به زمین می رسد، جذب می کنند.

تبدیل انرژی خورشیدی به کربوهیدرات ها در یک میلیاردیم ثانیه صورت می گیرد و بدین ترتیب از هدر رفتن انرژی به شکل گرما جلوگیری می شود. تا مدت ها قبل هنر گیاهان در مهار انرژی خورشیدی در پرده ای از ابهام بود. اما هم اکنون زیست فیزیکدان های دانشگاه کالیفرنیای برکلی نشان داده اند که گیاهان برای جذب قسمت اعظم انرژی خورشیدی از اصل محاسبات کوآنتومی استفاده می کنند (این اصل به پاسخ های مختلف در یک زمان اشاره می کند) تا کارایی خود را به حداکثر مقدار ممکن برسانند.

«جورج انگل» زیست فیزیکدان و هم گروهی هایش، باکتری سولفور سبز («Chlorobium tepidum» یکی از قدیمی ترین فتوسنتزکنندگان روی زمین) را در ۷۷ درجه کلوین (منهای ۳۲۱ درجه فارنهایت) فریز کرده و در ادامه فورانی از نور لیزر را در مدت زمان کوتاهی به آن تاباندند. پژوهشگران توانستند با دستکاری این امواج لیزر، جریان انرژی را درون سیستم فتوسنتزی این باکتری ردیابی کنند.

«انگل» در این باره می گوید؛ «ما همیشه دوست داشتیم بفهمیم پس از ورود انرژی به سیستم فتوسنتز گیاه چه بر سرش می آید. هنگامی که شما در میان بوته ها حرکت می کنید ممکن است به سمت چپ یا راست منحرف شوید، اما گیاهان اینگونه عمل نمی کنند. آنها بدون اینکه کوچک ترین برخوردی با یکدیگر داشته باشند مرتباً به سمت چپ یا راست منحرف شده و در آن واحد می توانند در هر دو جهت حرکت کنند و با کارایی بالا مسیرهای مختلفی را کشف کنند.»

از طرف دیگر، گیاهان از اصول مکانیسم های کوآنتومی برای انتقال انرژی از یک کروموفور (مولکول فتوسنتزکننده) به کروموفور دیگر استفاده می کنند. انرژی خورشید با کمک این کروموفورها جابه جا شده و در نهایت به جایی می رسد که مرکز واکنش نامیده می شود. عمل فتوسنتز در مرکز واکنش انجام می شود.

ذرات انرژی همانند امواج رفتار می کنند. انگل می گوید؛ «ما به شواهد بسیار قانع کننده ای از حرکت موجی شکل انرژی در میان این ترکیب های فتوسنتزکننده دست یافتیم.» نتایج این تحقیقات در شماره اخیر مجله نیچر چاپ شده است.

به کارگیری این فرآیندها به گیاهان امکان می دهد با کارایی بسیار بالایی انرژی نور خورشید را جذب کنند. لازم به یادآوری است که تمامی گیاهان از این مکانیسم برای انتقال انرژی استفاده می کنند. پژوهشگرانی که درصدد تقلید عمل فتوسنتز در محیط آزمایشگاه هستند، قادر خواهند بود با کمک این مکانیسم فتوسنتز را شبیه سازی کنند.

چنین چیزی قبلاً نیز در مورد سلول های فتوولتائیک صورت گرفته است. این سلول ها قادرند با انرژی خورشیدی الکتریسیته تولید کنند. لازم به ذکر است که با استفاده از این روش انتقال انرژی با کارایی بسیار بالاتری صورت خواهد گرفت. اما اینکه چگونه این کار صورت می گیرد سوالی است که به راحتی نمی توان به آن جواب داد.

● سلول فتوولتائیک

فتوولتائیک اصطلاحی است عمومی برای فناوری هایی که انرژی خورشید را با استفاده از یک ماده جامد نیمه هادی مستقیم به الکتریسیته تبدیل می کنند. این سیستم ها از سلول های خورشیدی از جنس سیلیسیوم یا مواد دیگر (از قبیل آرسنید گالیوم) و قطعات الکترونیکی حالت جامد استفاده می کنند و در آنها شمار اجزای متحرک کم یا هیچ است.

این سلول ها از بخش های استانداردی تشکیل شده است که می توان آنها را در یکدیگر ادغام کرد و سیستم هایی با اندازه های متفاوت ساخت. بنابراین می توان بازده نیرو را با موارد استفاده دلخواه تطابق داد. وقتی آفتاب به سلول می تابد موجب جریان الکترون در سیستم های برق شده و الکتریسیته تولید می کند.

● سازگاری برای کارایی

با توجه به موارد گفته شده تنها سوالی که باقی می ماند چگونگی انجام این واکنش در ساختمان پروتئینی گیاه است. ساختمان پروتئینی گیاه می بایست برای نقل و انتقال انرژی میان کروموفورها سازگاری لازم را پیدا کند تا از هدر رفتن انرژی به صورت گرما جلوگیری شود. اینکه چگونه این سازگاری صورت می گیرد و چگونه کنترل می شود، مبحثی است که در حال حاضر چیز زیادی درباره آن نمی دانیم. در داخل هر برگ بهاره سیستمی وجود دارد که گیاه را قادر می سازد از محاسبات کوآنتومی سریع و کارا بهره گرفته و نقش کلیدی را در ذخیره انرژی زمین بازی کند.

www.sciam.com,Apr.۲۰۰۷