رمزگشایی از واکنش گیاهان به نور زیاد

عمادالدین قاسمی‌پناه ـ خبرنگار

هنگامی که میزان تابش نور خورشید بر یک برگ به‌سرعت تغییر می‌کند، گیاهان باید خود را از عواقب افزایش ناگهانی انرژی خورشیدی محافظت کنند. برای مقابله با این تغییرات، موجودات زنده فتوسنتزی، از گیاهان گرفته تا باکتری‌ها، شیوه‌های بی‌شماری دارند. با این حال، دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند قواعد علمی این فرایندهای اساسی را دریابند. حالا یک تیم بین‌المللی از دانشمندان به سرپرستی ناتانیل‌ام. گابور، فیزیک‌دان دانشگاه کالیفرنیا، مدلی را طراحی کرده‌اند که ویژگی عمومی فرآوری نور در فتوسنتز را بازتولید می‌کند. این مدل از طریق بررسی تعداد زیادی از موجوداتی که فرایند فتوسنتز را انجام می‌دهند، طراحی شده است.
ساینس دیلی در گزارشی نوشته است: فرآوری نور به معنی گردآوری انرژی خورشیدی به‌وسیله مولکول‌های کلروفیل متصل به پروتئین است. در فتوسنتز (فرایندی که گیاهان سبز و برخی موجودات زنده از نور خورشید برای تولید مواد غذایی از دی‌اکسیدکربن و آب استفاده می‌کنند) فرآوری انرژی نوری با جذب نور خورشید آغاز می‌شود.
این مدل، ایده خود را از علم شبکه‌های پیچیده (حوزه‌ای که عملکرد شبکه‌های تلفن همراه، مغز و شبکه برق را بررسی می‌کند) وام گرفته است. این مدل یک شبکه ساده را توصیف می‌کند که قادر است نور 2رنگ مختلف را دریافت کند، اما در عین حال میزان ثابتی از انرژی خورشیدی را بازتولید می‌کند.
گابور که به‌عنوان دانشیار رشته فیزیک و نجوم فعالیت می‌کند و این مطالعه را در مجله Science منتشر کرده است، می‌گوید: الگوی ما نشان می‌دهد که موجودات فتوسنتزی با جذب رنگ‌های بسیار خاص نور، می‌توانند به‌طور خودکار از خود در برابر تغییرات ناگهانی یا «اختلال» در انرژی خورشیدی محافظت کنند. گیاهان سبز به این دلیل سبزرنگ به‌نظر می‌رسند که عمل جذب تنها در مناطق خاصی از طیف که برای محافظت در برابر تغییر سریع انرژی خورشیدی مناسب است، انجام می‌شود. این موضوع در مورد باکتری‌های بنفش هم که به رنگ بنفش دیده می‌شوند، صدق می‌کند.
گابور ابتدا -بیش از یک دهه قبل، هنگامی که دانشجوی دکتری در دانشگاه کرنل بود- به فکر تحقیق در مورد فتوسنتز افتاد. او متعجب بود که چرا گیاهان، نور سبز را که بیشترین نور خورشید است، دفع می‌کنند. او طی چندین سال، با فیزیک‌دانان و زیست‌شناسان سراسر جهان همکاری کرد تا در مورد روش‌های آماری و زیست‌شناسی کوآنتومی فتوسنتز اطلاعات بیشتری کسب کند.
ریچارد کوگدل، گیاه‌شناس دانشگاه گلاسگوی انگلستان و همکارگابور در این مقاله پژوهشی، او را تشویق کرد که این مدل را توسعه دهد تا گروه وسیع‌تری از موجودات فتوسنتزی را که در محیط‌هایی رشد می‌کنند که طیف خورشیدی تابشی بسیار متفاوت است، دربرگیرد.
او می‌گوید: ما به طرز جالبی توانستیم نشان دهیم که این مدل علاوه بر گیاهان سبز، در مورد سایر موجودات فتوسنتزی هم کار می‌کند. این مدل همچنین یک ویژگی عمومی و اساسی را در مورد فرآوری نور فتوسنتزی توضیح می‌دهد. مطالعه ما نشان می‌دهد که چگونه با مشخص کردن نقطه‌ای که انرژی خورشیدی را جذب می‌کند، می‌توان اختلال در خروجی انرژی را به حداقل رساند. این اطلاعات می‌تواند برای افزایش کارایی سلول‌های خورشیدی هم مورد استفاده قرار گیرد.
گابور توضیح می‌دهد که گیاهان و سایر ارگانیسم‌های فتوسنتزی دارای روش‌های متنوعی برای محافظت از آسیب بر اثر قرار گرفتن بیش از حد در معرض آفتاب هستند. این روش‌ها، از مکانیسم‌های مولکولی رها‌کردن انرژی گرفته تا حرکت فیزیکی برگ برای ردیابی خورشید، متنوع هستند. گیاهان حتی در برابر نور ماورای بنفش، دقیقا مانند ضد‌آفتاب‌ها، دارای مکانیسم‌های محافظت مؤثر هستند.
او می‌گوید: در فرایند پیچیده فتوسنتز، واضح است که محافظت از موجود زنده در برابر نور بیش از حد، عامل مهمی در تولید موفق انرژی است و این موضوع الهام‌بخش ما در ساخت این مدل بود. مدل ما از قوانین ساده فیزیک پیروی می‌کند و با این حال، با مجموعه گسترده‌ای از مشاهدات زیست‌شناختی سازگار است.
گابور و همکارانش برای ساختن این مدل، از علم فیزیک شبکه‌ها گرفته تا جزئیات پیچیده زیست‌شناسی استفاده کردند و توانستند توضیحاتی روشن، کمّی و عمومی درباره موجودات فتوسنتزی بسیار متنوع ارائه دهند.
گابور می‌گوید: مدل ما نخستین توضیح برای این فرضیه است که چرا گیاهان سبز هستند. همچنین ما یک نقشه‌راه برای آزمایش این مدل از طریق سایر آزمایش‌های دقیق‌تر ارائه می‌دهیم.
گابور می‌گوید که فتوسنتز می‌تواند به‌عنوان یک سینک آشپزخانه که یک شیر آب و یک خروجی برای تخلیه آب دارد فرض شود. اگر جریان ورودی سینک بسیار بیشتر از جریان خروجی باشد، سینک ظرفشویی سرریز  و آب وارد آشپزخانه می‌شود. او می‌گوید: در فتوسنتز هم اگر ورود انرژی خورشیدی به شبکه دریافت نور به شکل قابل‌توجهی بیشتر از جریان خروجی باشد، شبکه فتوسنتزی باید به‌گونه‌ای عمل کند که جریان ناگهانی ورود انرژی را کاهش دهد. وقتی این شبکه نتواند این نوسانات را مدیریت کند، موجود زنده برای خارج کردن انرژی مازاد تلاش می‌کند. با انجام این کار، ارگانیسم تحت فشارهای اکسیداتیو قرار می‌گیرد و به سلول‌های گیاه یا سایر موجودات فتوسنتزی آسیب می‌رسد.


روش‌های متنوع برای محافظت
گیاهان و سایر ارگانیسم‌های فتوسنتزی دارای روش‌های متنوعی برای محافظت از آسیب بر اثر قرار گرفتن بیش از حد در معرض آفتاب هستند. این روش‌ها، از مکانیسم‌های مولکولی رها‌کردن انرژی گرفته تا حرکت فیزیکی برگ برای ردیابی خورشید، متنوع هستند