تويت
الغالبية العظمى من الحياة على كوكبنا تستخدم الضوء الأحمر ذا الأطوال الموجية من 680 إلى 700 نانومتر في عملية التمثيل الضوئي، ولكن النوع الجديد المكتشف حديثًا يستخدم الضوء ذا الأطوال الموجية القريبة من الأشعة تحت الحمراء، 750 نانومتر بدلًا من الضوء الأحمر.
اكتُشف هذا النوع ضمن مجموعة واسعة من الزَّراقِم ’’البكتيريا الزرقاء cyanobacteria‘‘ (الطحالب الخضراء المزرقة) وهي واحدة من أكبر مجموعات البكتيريا على الأرض، إذ كانت موجودةً منذ عدة مليارات من السنين.
النوع الاعتيادي لعملية التمثيل الضوئي يستخدم الصبغة الخضراء (الكلوروفيل-A) لجمع الضوء ويستخدم طاقته لصنع المواد الكيميائية الحيوية والأكسجين.
الطريقة التي يمتص فيها الكلوروفيل الضوء؛ تعني أنّه يمكن استخدام الطاقة الناتجة من الضوء الأحمر فقط لعملية التمثيل الضوئي.
بما أن الكلوروفيل موجود في جميع النباتات، الطحالب، والبكتيريا الزرقاء التي نعرفها؛ فقد اعتُبر أن طاقة الضوء الأحمر تحدد (الحد الأحمر) لعملية التمثيل الضوئي، أي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للقيام بالكيمياء المطلوبة التي تنتج الأكسجين.
ومع ذلك عندما يتم زرع بعض البكتيريا الزرقاء تحت ضوء ذي تردد قريب من الأشعة تحت الحمراء، فإنّ الأنظمة التي تحتوي على الكلوروفيل-A القياسية تتوقف، وتنشط أنظمة أخرى تحتوي على نوع مختلف من الكلوروفيل يسمى الكلوروفيل-F.
حتّى الآن، كان يُعتقَد أنّ الكلوروفيل-F يحصد الضوء فقط. وتوضّح الدراسة الجديدة أنّ الكلوروفيل-F يلعب الدور الرئيسي في عملية التمثيل الضوئي تحت ظروف مظللة، باستخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء منخفض الطاقة للقيام بالكيمياء المعقدة، هذا هو التمثيل الضوئي ما وراء الحد الأحمر.
يقول البروفيسور بيل روذرفورد Bill Rutherford من قسم علوم الحياة في كلية إمبريال في لندن: «الشكل الجديد لعملية التمثيل الضوئي جعلنا نعيد التفكير في ما كنا نعتقد أنه ممكن. كما أنّه يغير كيفية فهمنا للأحداث الرئيسية في قلب عملية التمثيل الضوئي الاعتيادية».
يمثل التمثيل الضوئي القائم على الكلوروفيل-F، الذي تم اكتشافه حديثًا كنوع ثالث من عمليات التمثيل الضوئي التي تنتشر على نطاق واسع. ومع ذلك يُستخدم فقط في ظروف خاصة مظللة غنية بالأشعة تحت الحمراء، أما في ظروف الإضاءة العادية فيُستخدم الشكل الأحمر الاعتيادي لعملية التمثيل الضوئي.
كان يعتقد أن ضرر الضوء سيكون أشد ما بعد الحد الأحمر، لكن الدراسة الجديدة تظهر أنه ليس هنالك مشكلة في بيئات مستقرة ومظللة.
يقول الدكتور أندريا فانتوزي Dr. Andrea Fantuzzi من قسم علوم الحياة في كلية امبريال في لندن: «إن العثور على نوع من التمثيل الضوئي يعمل إلى ما وراء الحد الأحمر يغير فهمنا لمتطلبات الطاقة لعملية التمثيل الضوئي. ويوفر هذا رؤيةً ثاقبةً في استخدام الطاقة الضوئية وفي الآليات التي تحمي الأنظمة من الأضرار الناجمة عن الضوء».
يقول المؤلف المشارك البروفيسور إلمارز كراوز Professor Elmars Krausz من كلية بحوث الكيمياء في الجامعة الوطنية الأسترالية: «يمكن استخدام البكتيريا الزرقاء ذات الإضاءة المنخفضة لاستعمار المريخ والكواكب الأخرى لإنتاج الأكسجين وإنشاء محيط حيوي.
قد يبدو ذلك كخيال علمي، لكن وكالات الفضاء والشركات الخاصة حول العالم تحاول بشكل نشط تحويل هذا التطلع إلى حقيقة في المستقبل غير البعيد.
«يمكن تسخير التمثيل الضوئي نظريًا مع هذه الأنواع من الكائنات الحية لإنتاج الهواء للبشر لغرض التنفس على سطح المريخ».
اكتُشف هذا النوع ضمن مجموعة واسعة من الزَّراقِم ’’البكتيريا الزرقاء cyanobacteria‘‘ (الطحالب الخضراء المزرقة) وهي واحدة من أكبر مجموعات البكتيريا على الأرض، إذ كانت موجودةً منذ عدة مليارات من السنين.
النوع الاعتيادي لعملية التمثيل الضوئي يستخدم الصبغة الخضراء (الكلوروفيل-A) لجمع الضوء ويستخدم طاقته لصنع المواد الكيميائية الحيوية والأكسجين.
الطريقة التي يمتص فيها الكلوروفيل الضوء؛ تعني أنّه يمكن استخدام الطاقة الناتجة من الضوء الأحمر فقط لعملية التمثيل الضوئي.
بما أن الكلوروفيل موجود في جميع النباتات، الطحالب، والبكتيريا الزرقاء التي نعرفها؛ فقد اعتُبر أن طاقة الضوء الأحمر تحدد (الحد الأحمر) لعملية التمثيل الضوئي، أي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للقيام بالكيمياء المطلوبة التي تنتج الأكسجين.
ومع ذلك عندما يتم زرع بعض البكتيريا الزرقاء تحت ضوء ذي تردد قريب من الأشعة تحت الحمراء، فإنّ الأنظمة التي تحتوي على الكلوروفيل-A القياسية تتوقف، وتنشط أنظمة أخرى تحتوي على نوع مختلف من الكلوروفيل يسمى الكلوروفيل-F.
حتّى الآن، كان يُعتقَد أنّ الكلوروفيل-F يحصد الضوء فقط. وتوضّح الدراسة الجديدة أنّ الكلوروفيل-F يلعب الدور الرئيسي في عملية التمثيل الضوئي تحت ظروف مظللة، باستخدام ضوء الأشعة تحت الحمراء منخفض الطاقة للقيام بالكيمياء المعقدة، هذا هو التمثيل الضوئي ما وراء الحد الأحمر.
يقول البروفيسور بيل روذرفورد Bill Rutherford من قسم علوم الحياة في كلية إمبريال في لندن: «الشكل الجديد لعملية التمثيل الضوئي جعلنا نعيد التفكير في ما كنا نعتقد أنه ممكن. كما أنّه يغير كيفية فهمنا للأحداث الرئيسية في قلب عملية التمثيل الضوئي الاعتيادية».
يمثل التمثيل الضوئي القائم على الكلوروفيل-F، الذي تم اكتشافه حديثًا كنوع ثالث من عمليات التمثيل الضوئي التي تنتشر على نطاق واسع. ومع ذلك يُستخدم فقط في ظروف خاصة مظللة غنية بالأشعة تحت الحمراء، أما في ظروف الإضاءة العادية فيُستخدم الشكل الأحمر الاعتيادي لعملية التمثيل الضوئي.
كان يعتقد أن ضرر الضوء سيكون أشد ما بعد الحد الأحمر، لكن الدراسة الجديدة تظهر أنه ليس هنالك مشكلة في بيئات مستقرة ومظللة.
يقول الدكتور أندريا فانتوزي Dr. Andrea Fantuzzi من قسم علوم الحياة في كلية امبريال في لندن: «إن العثور على نوع من التمثيل الضوئي يعمل إلى ما وراء الحد الأحمر يغير فهمنا لمتطلبات الطاقة لعملية التمثيل الضوئي. ويوفر هذا رؤيةً ثاقبةً في استخدام الطاقة الضوئية وفي الآليات التي تحمي الأنظمة من الأضرار الناجمة عن الضوء».
يقول المؤلف المشارك البروفيسور إلمارز كراوز Professor Elmars Krausz من كلية بحوث الكيمياء في الجامعة الوطنية الأسترالية: «يمكن استخدام البكتيريا الزرقاء ذات الإضاءة المنخفضة لاستعمار المريخ والكواكب الأخرى لإنتاج الأكسجين وإنشاء محيط حيوي.
قد يبدو ذلك كخيال علمي، لكن وكالات الفضاء والشركات الخاصة حول العالم تحاول بشكل نشط تحويل هذا التطلع إلى حقيقة في المستقبل غير البعيد.
«يمكن تسخير التمثيل الضوئي نظريًا مع هذه الأنواع من الكائنات الحية لإنتاج الهواء للبشر لغرض التنفس على سطح المريخ».