قد تزدهر النباتات الغريبة على العديد من الأطوال الموجية للضوء

أربع مناظر للشمس

الأنواع المختلفة من النجوم لها درجات حرارة وأعمار مختلفة. تعيش نجوم الفئة M ذات اللون الأحمر الأكثر برودة لفترة طويلة ، بينما تتمتع النجوم الزرقاء الأكثر سخونة بعمر قصير نسبيًا. هذه الصور الأربع هي في الواقع أربع مناظر مختلفة لنجمنا ، الشمس. يسلط كل عرض بلون خاطئ الضوء على الانبعاثات الذرية في أنظمة درجات حرارة مختلفة للغلاف الجوي الشمسي العلوي. الأصفر هو 2 مليون كلفن ، والأخضر 1.5 مليون كلفن ، والأزرق مليون كلفن ، والأحمر من 60 إلى 80 ألف كلفن. (رصيد الصورة: مشروع ستيريو / ناسا)



يعلم الجميع أننا كبشر مدينون حرفيًا بالهواء الذي نتنفسه للخضرة من حولنا. عندما كنا أطفالًا في المدرسة ، تعلمنا أن النباتات (وكذلك الطحالب والبكتيريا الزرقاء) تؤدي 'الحيلة السحرية' البيولوجية المهمة جدًا والمعروفة باسم التمثيل الضوئي ، والتي تساعد على توليد الأكسجين الجوي الذي نتنفسه مع كل نفس.



تعمل النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء على تغيير كوكبنا بطريقة لا يمكن لغير الحياة القيام بها: فهي تستخدم التمثيل الضوئي لتغيير تكوين الغلاف الجوي للأرض تمامًا. منذ أيام عندما غبار الشياطين على المريخ يُشتبه في أن يكون التباين الموسمي للنباتات ، فقد تم اعتبار التمثيل الضوئي مفتاحًا لتحديد وجود الحياة على الكواكب الأخرى.

ينتج كل من الأكسجين الجوي (في وجود الماء السائل) وطيف الانعكاس لأوراق النبات علامات على الحياة - يطلق عليها اسم 'البصمات الحيوية' - يمكن رؤيتها من الفضاء. لذلك ، تعد البصمات الحيوية الضوئية أولوية في البحث عن الحياة على الكواكب في الأنظمة الشمسية البعيدة. السؤال الكبير هو ، هل ستستخدم عملية التمثيل الضوئي خارج المجموعة الشمسية نفس الصبغة الموجودة على الأرض؟



أعيننا حساسة للضوء الذي يقع في منطقة صغيرة جدًا من الطيف الكهرومغناطيسي المسمى

أعيننا حساسة للضوء الذي يقع في منطقة صغيرة جدًا من الطيف الكهرومغناطيسي تسمى 'الضوء المرئي'. يتوافق هذا 'الضوء المرئي' مع مدى طول موجي من 400 - 700 نانومتر (نانومتر) ونطاق لوني من البنفسجي إلى الأحمر.(رصيد الصورة: صورة الطول الموجي من الكون بواسطة فريدمان وكوفمان)

نطاق أوسع من أطوال موجات الضوء



من الواضح أن عملية التمثيل الضوئي هي أكثر من مجرد سحر بسيط. بعبارات أساسية ، تأخذ الكائنات الضوئية ثاني أكسيد الكربون2الماء (H2س) والطاقة الضوئية لإنتاج السكريات (أي الطعام الذي يجعل النباتات عنصرًا أساسيًا في نظامنا الغذائي). خلال هذه العملية ، تستخدم كائنات التمثيل الضوئي صبغًا ضوئيًا يسمى الكلوروفيل أ (كلوروفيل أ) لتقسيم جزيئات الماء وإنتاج الأكسجين. [ أهم 10 نباتات سامة ]

حتى وقت قريب ، اعتقد العلماء أن Chl a هو الصباغ الضوئي الوحيد المستخدم في عملية التمثيل الضوئي الأكسجين. يستخدم Chl a الفوتونات في الضوء المرئي بأطوال موجية من 400-700 نانومتر.

وفقًا لباحث ما بعد الدكتوراة في وكالة ناسا ، ستيف ميلك ، المؤلف الرئيسي لدراسة جديدة ، 'كان من المفترض أنه نظرًا لمتطلبات الطاقة الصارمة لتقسيم جزيئات الماء ، لا يمكن استخدام الأطوال الموجية الأطول من الضوء (التي تحتوي على طاقة أقل) في عملية التمثيل الضوئي الأكسجين'.



تغير هذا الافتراض في عام 1996 عندما اكتشف Hideaki Miyashita وزملاؤه البكتيريا الزرقاء المسمى Acaryochloris marinathat يستخدم الكلوروفيل d (Chl d) بدلاً من Chl ato لأداء التمثيل الضوئي الأكسجين مع الفوتونات من الضوء المرئي إلى أطوال موجية تصل إلى 740 نانومتر في الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).

أثار هذا الاكتشاف العديد من الأسئلة حول الأطوال الموجية للضوء المطلوبة لعملية التمثيل الضوئي. تساءل العلماء عن مدى صعوبة قيام A. marina بتشغيل تفاعلات كيميائية حيوية باستخدام فوتونات منخفضة الطاقة. إنه يعيش في البيئات التي يوجد فيها القليل من الضوء المرئي ، لأنه يحصل على الفوتونات التي خلفتها الكائنات الحية Chl a.

ومع ذلك ، هل يمكن أن يفشل A. marinabe بانتظام في استخدام الفوتونات ذات الطول الموجي الأطول ، ويمكن أن تكون قدرته على استخدام NIR غير فعالة ، على حافة الآليات الجزيئية لـ التمثيل الضوئي الأكسجين قادرة على التعامل معها؟ أو هل يمكن لهذه الكائنات الفريدة أن تزدهر بالفعل على فوتونات منخفضة الطاقة؟

أظهر بحث جديد أن A. marinadoes لا تكافح على الإطلاق عند العيش على فوتونات منخفضة الطاقة. في الواقع ، تعتبر البكتيريا الزرقاء فعالة أو أكثر في تخزين الطاقة مثل الكائنات الحية التي تعتمد على Chl a في عملية التمثيل الضوئي.

استخدم ميلك وزملاؤه تقنية تسمى (PTRPA) لمقارنة قدرات التمثيل الضوئي لـ A. marinato a Chl وهي بكتيريا زرقاء تسمى Synechococcus leopoliensis. يتضمن PTRPA نبضات ليزر بأطوال موجية مضبوطة ويسمح للفريق بقياس كفاءة تخزين طاقة الفوتون (الطاقة المخزنة مقابل مدخلات الطاقة) للخلايا الزرقاء البكتيرية.

عند اختبار Chl d و Chl a عند الأطوال الموجية التي يحتاجها كل منهما لتقسيم جزيئات الماء ، أظهر الفريق أن تخزين طاقة الخلية الكاملة في A. marina كان بنفس كفاءة - وأحيانًا أكثر - كفاءة من خلايا S. leopoliensis باستخدام Chl a. لأول مرة ، أظهر الفريق أن عملية التمثيل الضوئي للأكسجين يمكن أن تعمل بشكل جيد في أطوال موجية أطول.

في عملية التمثيل الضوئي على الأرض ، تقوم النباتات بتحويل الطاقة من الشمس إلى طاقة كيميائية على شكل جلوكوز أو سكر. يمتص الكلوروفيل الموجود في النباتات المزيد من الضوء الأزرق والأحمر من ضوء الشمس ، وضوء أخضر أقل. الكلوروفيل أخضر ، لأنه يعكس الضوء الأخضر أكثر من الضوء الأزرق والأحمر.

في عملية التمثيل الضوئي على الأرض ، تقوم النباتات بتحويل الطاقة من الشمس إلى طاقة كيميائية على شكل جلوكوز أو سكر. يمتص الكلوروفيل الموجود في النباتات المزيد من الضوء الأزرق والأحمر من ضوء الشمس ، وضوء أخضر أقل. الكلوروفيل أخضر ، لأنه يعكس الضوء الأخضر أكثر من الضوء الأزرق والأحمر.(رصيد الصورة: ناسا أميس)

التمثيل الضوئي الفضائي؟

هذا الاكتشاف يجعل A. marina و Chl d مثيرة جدًا للاهتمام للعلماء الذين يحاولون العثور على حياة على كواكب خارج المجموعة الشمسية تدور حول النجوم خارج نظامنا الشمسي. [أغرب الكواكب الغريبة]

أوضحت نانسي كيانغ من معهد جودارد لدراسات الفضاء (GISS) التابع لناسا ، أن Chl d توسع الإشعاع الشمسي المفيد لعملية التمثيل الضوئي الأكسجين بنسبة 18٪ - مما يعني أن الحياة يمكن أن تستخدم المزيد من الأطوال الموجية للضوء (أي المزيد من أنواع النجوم المنتجة للضوء) للبقاء على قيد الحياة. . هذا يعني الكثير من الأشياء الرائعة.

شدد كيانغ على الآثار التي يمكن أن تترتب على النتائج في البحث عن الحياة كواكب غريبة ومستقبل الحياة هنا على الأرض. على سبيل المثال ، قال Kiang أن A. marina يبدو أنها تطورت مؤخرًا نسبيًا ، حيث احتلت مكانًا خفيفًا ينتج عن الفوتونات المتبقية من الكائنات الحية Chl a. نظرًا لأنه يمكن أن يستخدم إشعاعًا شمسيًا أكثر من الكائنات الحية Chl a ، فهل يمكن أن يتطور كوكبنا ليتفوق Chl d على Chl a؟

وقالت أيضًا ، 'الكواكب التي تدور حول نجوم قزمة حمراء قد لا تحصل على الكثير من الضوء المرئي ، لكنها ستحصل على الكثير من ضوء NIR. لذلك ، نحن نعلم الآن أنه لا يزال من المنطقي البحث عن الأكسجين التمثيل الضوئي على هذه الكواكب ، ويمكننا البحث عن بصمات الأصباغ في NIR.

أخيرًا ، قال كيانغ إن هذا الاكتشاف قد يكون له تداعيات على تطوير مصادر الطاقة المتجددة.

وأشارت إلى أن `` المحاكاة الحيوية لعملية التمثيل الضوئي لا تزال مهمة في تطوير الطاقة المتجددة ، ولكن لم يطور أحد حتى الآن نظامًا اصطناعيًا جيدًا مثل الطبيعة لتقسيم المياه ''. بالنسبة للطاقة المتجددة التي تعتمد على ضوء الشمس ، هل الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة المستخدمة مع Chl d تعني أننا لا نحتاج إلى مثل هذه المحفزات الاصطناعية القوية لإنتاج وقود الهيدروجين والوقود الحيوي؟

يقول الباحثون إن النتائج يمكن أن تغير فهمنا تمامًا للتفاعل البيولوجي الضروري للمحيط الحيوي الحديث للأرض. قد تفتح النتائج أيضًا أبواباً جديدة لمستقبل البشرية في مجالات مثل الطاقة المتجددة. لكن بالنسبة لوكالة ناسا ، يمكن أن يكون للدراسة أيضًا آثار على مستقبل الحياة على الأرض وما وراءها بعيدًا حقًا.

أجرى هذا العمل زميل برنامج ما بعد الدكتوراه في وكالة ناسا ستيفن بي ميلكي ، تحت إشراف نانسي كيانغ في GISS ، في مختبر ديفيد موزيرال في جامعة روكفلر في مدينة نيويورك ، وبالتعاون مع روبرت بلانكينشيب في جامعة واشنطن في سانت. Louis، MO، and Marilyn Gunner في City College of New York.

تم توفير هذه القصة ل ProfoundSpace.org بواسطة مجلة علم الأحياء. تابع موقع ProfoundSpace.org للحصول على أحدث أخبار علوم الفضاء والاستكشاف على Twitter تضمين التغريدة و على موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك .