چرا گیاهان سبز هستند؟

مدل جدیدی از فتوسنتز به اصل تکاملی حاکم بر موجودات برداشت‌کننده‌ی نور اشاره می‌کند که ممکن است در کل جهان مصداق داشته باشد.

از درختان غول‌پیکر جنگل‌های آمازون گرفته تا گیاهان خانگی و جلبک‌های دریایی، سبز رنگی است که بر سلسله‌ی گیاهان حاکم است؛ اما چرا رنگ سبز و نه رنگ آبی یا سرخ‌آبی یا خاکستری؟ پاسخ ساده آن است که گیاهان تقریبا تمام فوتون‌های موجود در مناطق قرمز و آبی طیف نور را جذب می‌کنند؛ ولی تنها حدود ۹۰ درصد از فوتون‌های سبز را جذب می‌کنند. اگر گیاهان مقدار بیشتری از این فوتون‌ها را جذب می‌کردند، به چشم ما به رنگ سیاه دیده می‌شدند. گیاهان سبز هستند؛ زیرا مقدار کمی از نوری که منعکس می‌کنند، به این رنگ است.

به‌نظر می‌رسد این کار اسراف باشد؛ زیرا بیشتر انرژی‌ای که خورشید می‌تاباند، در بخش سبز این طیف قرار دارد. زیست‌شناسان می‌گویند نور سبز ممکن است آن‌قدر قوی باشد که گیاه نتواند بدون واردآمدن آسیب از آن استفاده کند.

دانشمندان حتی پس از چندین دهه پژوهش مولکولی روی دستگاه برداشت نور گیاهان، نتوانسته بودند توضیح دقیقی برای رنگ گیاهان ارائه دهند؛ اگرچه آنان اخیرا در مجله‌ی Science سرانجام پاسخ کامل‌تری ارائه داده‌اند. دانشمندان مدلی برای توضیح این مسئله ساخته‌اند که چرا سیستم فتوسنتز گیاهان نور سبز را به‌هدر می‌دهد. آنچه آنان انتظار نداشتند، این بود که مدلشان بتواند رنگ‌های دیگر اشکال فتوسنتزی حیات را نیز توضیح دهد. یافته‌های آن‌ها به اصل تکاملی حاکم بر ارگانیسم‌های برداشت‌کننده‌ی نور اشاره می‌کند که ممکن است در کل جهان امکان‌پذیر باشد. همچنین، یافته‌ها بیانگر این موضوع است که حداقل گاهی اوقات ازنظر تکامل، پایداری سیستم‌ها بیش از کارآیی آن‌ها اهمیت دارد.

_{گیاهان خاکی سبز هستند؛ زیرا رنگ‌دانه‌های فتوسنتزی آن‌ها نور سبز را منعکس می‌کند؛ حتی اگر آن طول موج‌ها بیشترین انرژی را داشته باشند.}

ناتانیل گابور، فیزیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا، درحالی‌که مشغول کار روی جذب نور به‌وسیله‌ی نانولوله‌های کربنی بود، به این موضوع فکر کرد که جمع‌آوری‌کننده‌ی خورشیدی ایدئال یعنی آنچه انرژی حداکثر را از طیف خورشیدی جذب می‌کند، چگونه می‌تواند باشد. او به فکر دستگاهی بود که بیشترین انرژی نور سبز را بگیرد و دراین‌میان درباره‌ی گیاهان کنجکاو شد که کار برعکس را انجام می‌دهند و نور سبز را خارج می‌کنند.

گابور و همکارانش برای درک این موضوع که چرا گیاهان نور سبز را منعکس می‌کنند، با دقت بیشتری اتفاقات رخ‌داده در جریان فتوسنتز را بررسی کردند. مرحله‌ی اول فتوسنتز در کمپلس برداشت‌کننده‌ی نور رخ می‌دهد که شبکه‌ای از پروتئین‌ها است که در آن رنگ‌دانه‌ها تعبیه‌شده و آنتن (موج‌گیر) را تشکیل می‌دهند. رنگ‌دانه‌ها (کلروفیل در گیاهان سبز) نور را جذب می‌کنند و انرژی را به مرکز انرژی منتقل می‌کنند که در آنجا تولید انرژی شیمیایی برای استفاده‌ی سلول آغاز می‌شود. بهره‌وری این مرحله‌ی اول فتوسنتز تقریبا کامل است و تقریبا تمام نور جذب‌شده به الکترون‌هایی تبدیل می‌شود که سیستم می‌تواند از آن‌ها استفاده کند؛ اما این کمپلکس آنتن درون سلول‌ها دائما در حال حرکت است و به‌گفته‌ی گابور، مانند ژله می‌ماند. آن حرکات روی نحوه‌ی گردش انرژی در رنگ‌دانه‌ها اثر می‌گذارد و نویز (سیگنال‌های‌ناخواسته) و ناکارآمدی را وارد سیستم می‌کند. نوسان‌های سریع در شدت نوری که روی گیاه می‌تابد (برای مثال به‌دلیل تغییر در مقدار سایه) نیز ورودی را نویزدار می‌کند.

برای سلول، ورودی پایدار از انرژی الکتریکی همراه‌با خروجی پایدار از انرژی شیمیایی بهترین گزینه است. اگر تعداد بسیار کمی الکترون به مرکز واکنش برسد، می‌تواند موجب کمبود انرژی شود؛ درحالی‌که انرژی خیلی زیاد موجب تشکیل رادیکال‌های آزاد و انواع اثرهای شارژ بیش‌از‌حد می‌شود که به بافت‌ها آسیب می‌رساند.

گابور و تیم او مدلی برای سیستم‌های برداشت نور گیاهان طراحی کردند و آن را برای طیف خورشیدی اندازه‌گیری‌شده زیر سایبان برگ‌ها به‌کار بردند. کار آن‌ها نشان داد چرا سلول‌های خورشیدی نانولوله‌ای برای گیاهان به‌کار نمی‌آیند: این سیستم ممکن است ازنظر جمع‌آوری انرژی حداکثر در نور سبز بسیار کارآمد باشد؛ اما برای گیاهان مضر است؛ زیرا وقتی نورخورشید سوسو می‌زند و نویز حاصل از سیگنال ورودی می‌تواند نوسان‌های چنان شدیدی ایجاد کند که کمپلکس نتواند جریان انرژی را تنظیم کند.

_{مدل جدید پیش‌بینی می‌کند برای پایداری سیستم‌های نوری گیاهان سبز، آن‌ها باید عمدتا طول‌موج‌های نور قرمز و آبی را جذب کنند.}

درعوض، برای دستیابی به ورودی پایدار و ایمن، رنگ‌دانه‌های سیستم نوری باید به روش خاص و بسیار دقیقی تنظیم شوند. لازم است رنگ‌دانه‌ها برای کاهش نویز داخلی، نور را در طول‌موج‌های مشابهی جذب کنند؛ اما آن‌ها برای خنثی‌کردن نویزهای خارجی ناشی از نوسان‌ها در شدت نور نیز باید نور را در نرخ‌های مختلفی جذب کنند. بنابراین، بهترین نور برای جذب رنگ‌دانه‌ها در پرشیب‌ترین بخش‌های منحنی شدت طیف خورشیدی، یعنی بخش‌های قرمز و آبی طیف قرار دارد. پیش‌بینی‌های مدل با قله‌های جذب کلروفیل a و b مطابقت داشت که گیاهان سبز از آن‌ها برای برداشت نور قرمز و آبی استفاده می‌کنند. براین‌اساس، به‌نظر می‌رسد ماشین‌آلات فتوسنتز برای حداکثر کارآیی تکامل نیافته باشد؛ بلکه در جهت خروجی مطمئن و هموار تکامل یافته باشد.

ریچارد کوگدل، یکی از همکاران گابور، در ابتدا کاملا متقاعد نشده بود این رویکرد برای دیگر ارگانیسم‌های فتوسنتزکننده مانند باکتری‌های بنفش و باکتری‌های گوگردی سبز به‌کار آید که زیر آب زندگی می‌کنند. پژوهشگران با کاربرد این مدل درباره‌ی نور موجود در محلی که باکتری‌های مذکور در آن زندگی می‌کنند، قله‌های جذب بهینه را پیش‌بینی کردند. دوباره پیش‌بینی‌های آن‌ها با فعالیت رنگ‌دانه‌های سلول‌ها مطابقت داشت. گفتنی است گیاهانی وجود دارند مانند راش مسی که سبز به‌نظر نمی‌رسند؛ زیرا حاوی رنگ‌دانه‌هایی مانند کاروتنوئیدها هستند؛ اما این رنگ‌دانه‌ها کار فتوسنتز را انجام نمی‌دهند. آن‌ها معمولا از گیاه دربرابر نوسان‌های نوری محافظت می‌کنند.

پژوهشگران امیدوار هستند مدل آن‌ها بتواند در طراحی پنل‌های خورشیدی بهتر و دیگر دستگاه‌های خورشیدی کمک کند. همچنین، گابور دراین‌باره‌ فکر می‌کند روزی این مدل را به حیات خارج از زمین به‌کار گیرد. او می‌گوید: «اگر سیاره‌ی دیگری داشته باشیم و بدانیم ستاره‌ی آن چگونه است، آیا می‌توانیم حدس بزنیم حیات فتوسنتزی آن چگونه خواهد بود؟» در کد مدل او که دردسترس عموم است، گزینه‌ای وجود دارد که دقیقا همین کار را با هر طیف انتخاب‌شده‌ای انجام می‌دهد؛ البته در‌حال‌حاضر این تمرین کاملا فرضی است. گابور درپایان می‌گوید: «در ۲۰ سال آینده، احتمالا داده‌های کافی از سیاره‌ای فراخورشیدی خواهیم داشت تا بتوانیم به آن پرسش پاسخ دهیم.»