نقاشی جهان به رنگ سرخ

اخترشناسان برای جست وجوی رنگدانه های فتوسنتزی روی سیاره یی دیگر در یک منظومه شمسی دیگر، باید آماده باشند تا آن سیاره را در هر یک از مراحل احتمالی تکامل خویش ببینند. برای مثال شاید اتفاقی سیاره یی را مشاهده کنند که شبیه زمین دو میلیارد سال پیش خودمان است. آنها باید این احتمال را هم بدهند که فتوسنتزکنندگان فراشمسی ممکن است قابلیت هایی را تکامل داده باشند که همتاهایشان در اینجا تکامل نداده اند، مثل شکست آب با استفاده از فوتون هایی با طول موج بلندتر. بلندترین طول موجی که تاکنون در فتوسنتز روی زمین مشاهده شده، حدود ۱۰۱۵ نانومتر (در فروسرخ) در باکتری های غیراکسیژنی ارغوانی رنگ است. بلندترین طول موج مشاهده شده برای فتوسنتز اکسیژنی هم حدود ۷۲۰ نانومتر در یک ساینوباکتری دریایی است. اما قوانین فیزیک هیچ حد و مرز مطلقی ندارند. بسیاری از فوتون های طول موج بلند هم می توانسته اند مثل اندکی فوتون طول موج کوتاه به کاربرد مشابهی دست یابند.عامل محدودکننده نه احتمال تشکیل رنگدانه هایی نوظهور، که طیف نوری موجود در سطح سیاره است که عمدتاً به نوع ستاره بستگی دارد.
اخترشناسان ستارگان را بر اساس رنگ دسته بندی می کنند که خود با دما، اندازه و عمر ستاره ارتباط دارد. تنها انواعی خاص از ستارگان به قدر کافی عمر می کنند تا فرصت تکامل حیات پیچیده را فراهم سازند. اینها ستارگان F، G، K و M هستند (به ترتیب از داغ ترین به سردترین). خورشید ما یک ستاره نوع G است. ستارگان F بزرگ ترند، درخشان تر و آبی تر می سوزند و میلیاردها سال طول می کشد تا سوخت شان را کامل مصرف کنند. ستارگان K و M کم سوتر، کوچک تر و سرخ ترند و عمر بیشتری دارند. اطراف هر کدام از این ستارگان یک ناحیه زیست پذیر وجود دارد؛ گستره یی از مدارها که سیاره ها در آنها می توانند دمایی داشته باشند که وجود آب مایع ممکن باشد. این ناحیه زیست پذیر در منظومه شمسی ما حلقه یی است که مدارهای زمین و مریخ را دربرمی گیرد. برای ستاره یی از نوع F ناحیه زیست پذیر برای یک سیاره هم اندازه زمین دورتر است و برای ستاره K و M نزدیک تر. یک سیاره در ناحیه زیست پذیر ستاره F و K، به اندازه زمین پرتوهای مرئی می گیرد. چنین سیاره یی می تواند مثل زمین به آسانی پشتوانه فتوسنتز اکسیژنی باشد.
رنگ رنگدانه به سادگی ممکن است بین نوار مرئی متغیر باشد.چون ستارگان M (که به کوتوله های سرخ هم شناخته می شوند) فراوان ترین ستارگان در کهکشان ما هستند و به آنها توجه خاصی می شود. این ستارگان نسبت به خورشید پرتو مرئی بسیار کمتری می تابانند و خروجی شان نزدیک فروسرخ به حداکثر می رسد. «جان ریون» زیست شناس دانشگاه داندی در اسکاتلند و «ری ولشتن کرافت» اخترشناس رصدخانه سلطنتی در ادینبورو اظهار کرده اند که فتوسنتز اکسیژنی در فروسرخ نزدیک نیز از لحاظ نظری ممکن است. یک ارگانیسم برای شکستن H۲O، به جای دو فوتونی که برای گیاهان زمینی کافی است، باید از سه یا چهار فوتون استفاده کند. فوتون ها مثل مراحل یک راکت با هم کار می کنند تا انرژی لازم برای یک الکترون را هنگام انجام واکنش های شیمیایی تامین کنند. در ستارگان M چالش دیگری هم برای حیات مطرح است؛ وقتی جوانند زبانه های شدید UV می تابانند. ارگانیسم ها می توانند در اعماق آب از پرتوهای آسیب زای UV بگریزند، اما آیا در آن صورت از نور محروم نمی شوند؟ اگر این طور باشد، شاید فتوسنتز پدیدار نشود. با پیر شدن ستارگان M تولید زبانه ها متوقف می شود و در آن نقطه است که حتی کمتر از خورشید ما پرتوUV گسیل می کنند. ارگانیسم ها برای حفاظت، به لایه ازن جاذب UV نیازی ندارند. آنها می توانند روی خشکی دوام بیاورند، حتی اگر اکسیژن تولید نکنند. خلاصه اینکه اخترشناسان بسته به سن و نوع ستاره باید چهار سناریو را در نظر بگیرند؛
▪ حیات غیرهوازی در اقیانوس؛
ستاره مادر یک ستاره جوان از هر نوع است. ارگانیسم ها الزاماً اکسیژن تولید نمی کنند؛ اتمسفر ممکن است عمدتاً از گازهای دیگر مثل متان باشد.
▪ حیات هوازی در اقیانوس؛
ستاره مادر یک ستاره پیرتر از هر نوع است. فرصت کافی سپری شده تا فتوسنتز اکسیژنی تکامل یابد و ساخت اکسیژن در اتمسفر آغاز شود.
▪ حیات هوازی در خشکی؛
ستاره مادر یک ستاره بالغ از هر نوع است. گیاهان خشکی را پوشانده اند. حیات روی زمین اکنون در این مرحله است.
▪ حیات غیرهوازی در خشکی؛
ستاره یک ستاره M خاموش است، بنابراین پرتوهای UV ناچیز است. گیاهان خشکی را پوشانده اند، اما ممکن است اکسیژن تولید نکنند.زیست نشانه های فتوسنتزی برای این موارد مختلف، به وضوح مثل هم نیستند. اخترشناسان با توجه به تجربه تصویربرداری ماهواره یی از زمین، انتظار دارند کل حیات اقیانوسی بیش از حد پراکنده باشد و نتوان آن را با تلسکوپ دید. پس دو سناریوی اول، زیست نشانه های قوی رنگی ایجاد نمی کنند. حیات تنها از طریق گازهای اتمسفری که تولید می کند، خود را نشان می دهد. بنابراین محققانی که رنگ های گیاه بیگانه را بررسی می کنند بر گیاهان خشکی متمرکزند، چه روی سیارات پیرامون ستارگان F، G و K با فتوسنتز اکسیژنی و چه روی سیاره های پیرامون ستارگان M با هر گونه فتوسنتز.
● سیاه، سبز جدید است
بدون توجه به شرایط خاص،رنگدانه های فتوسنتزی همچنان باید قوانینی مشابه زمین را برآورده سازند؛ رنگدانه ها تمایل دارند فوتون هایی را جذب کنند که هم فراوان ترین اند و هم کوتاه ترین طول موج موجود (پرانرژی ترین) یا بلندترین طول موج موجود (که مرکز واکنش جذب می کند) را دارند. کلنجار با این پرسش که چگونه نوع ستاره رنگ گیاه را تعیین می کند، محققان رشته های مختلف را بر آن داشت تا تمام قطعات ستاره یی، سیاره یی و زیست شناختی را گرد هم آورند. «مارتین کوهن» اخترشناس ستاره یی دانشگاه کالیفرنیا، داده هایی را برای یک ستاره F (sigma Bootis)، یک ستاره K (epsilon Eridani)، یک ستاره فعال زبانه کش M (AD Leo) و یک ستاره خاموش M فرضی با دمای ۳۱۰۰ کلوین را گردآوری کرد. «آنتیگونا سگورا» اخترشناس دانشگاه آزاد ملی مکزیک هم شبیه سازی هایی کامپیوتری را از سیاره های شبه زمین در ناحیه زیست پذیر این ستارگان انجام داد. او با استفاده از مدل های بسط یافته توسط «الکساندر پاولف» که حالا در دانشگاه آریزونا است و «جیمز کاستینگ» از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا، رابطه میان پرتوهای ستاره یی و اجزای احتمالی اتمسفر را بررسی کرد (با این فرض که آتشفشان هایی روی این سیاره ها، گازهایی مشابه زمین متصاعد می کنند) تا برای هر دو حالت اکسیژن ناچیز و سطوح اکسیژن مشابه زمین، به استنباطی از شیمی اتمسفری سیارات برسد.
«جیوانا تینتی» فیزیکدان یونیورسیتی کالج لندن با استفاده از نتایج «سگورا» و اعمال مدلی که توسط «دیوید کریسپ» از JPL پاسادنا بسط یافته بود، میزان فیلتر شدن پرتو را محاسبه کرد. برای تفسیر این محاسبه ها به دانش ترکیبی پنج نفر از ما نیاز بود؛ «جانت سیفرت» زیست شناس میکروبی از دانشگاه رایس، «رابرت بلنکن شیپ» زیست شیمیدان از دانشگاه واشنگتن و «گووینجی» از دانشگاه ایلینویز، «ویکتوریا میدوز» دانشمند سیاره یی از دانشگاه واشنگتن و من یک زیست هواشناس از انستیتوی پژوهش های فضایی گدارد ناسا. ما دریافتیم فوتون هایی که به سطح سیاره های پیرامون ستارگان F می رسند، بیشتر آبی اند؛ با بیشترین فراوانی در ۴۵۱ نانومتر. پیرامون ستارگان K، اوج در سرخ و در ۶۶۷ نانومتر است، تقریباً مشابه زمین. ازن نقشی مهم دارد، نور ستاره F را آبی تر و نور ستاره K را سرخ تر از آنچه هست می کند. پرتوهای موثر برای فتوسنتز مثل زمین در محدوده مرئی است.
بنابراین گیاهان روی سیاره های ستاره F و K ممکن است رنگ هایی درست مثل گیاهان زمینی داشته باشند، اما با تغییراتی ظریف. برای ستارگان F، سیل فوتون های آبی پرانرژی به قدری شدید است که ممکن است لازم باشد گیاهان با استفاده از یک رنگدانه حائل مشابه آنتساینین، آن را منعکس کنند. یا اینکه ممکن است گیاهان بخواهند تنها آبی را درو کنند، سبز کم کیفیت تر را از طریق نور سرخ از دور خارج می کند. این پدیده یک حاشیه آبی متمایز در طیف نور بازتابی ایجاد می کند که در برابر مشاهده گران تلسکوپ به وضوح شاخص است. محدوده دماهای ستارگان M، تغییرات بسیار گسترده یی را در رنگ های گیاه بیگانه میسر می سازد. سیاره یی پیرامون یک ستاره M خاموش، حدوداً نیمی از انرژی را که زمین از خورشیدمان می گیرد، دریافت می کند. گرچه موجودات زنده چیزهای فراوانی برای درو کردن دارند اما اکثر فوتون ها فروسرخ نزدیک هستند. ممکن است تکامل از تنوع بیشتر رنگدانه های فتوسنتزی حمایت کند تا دامنه کامل نور مرئی و فروسرخ را برگزیند. با بازتاب کم نور، گیاهان شاید حتی به چشم ما سیاه به نظر برسند.

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

منبع : روزنامه اعتماد