اسرار‌ گیاهان ‌در ‌سیارات ‌‌دیگر

 اگرچه ممکن است در این مسیر نتوانیم تمدن‌هایی را که از نظر فنی و تکنیکی پیشرفته هستند، بیاییم اما بدون تردید می‌توانیم علائم و نشانه‌های فیزیکی و شیمیایی فرایندهایی که پایه و اساس حیات موجودات هستند و به عنوان اثرات و نشانه‌های زیستی شناخته شده‌اند را در خارج از زمین نیز جستجو کنیم. فضانوردان در خارج از منظومه شمسی بیش از 200 دنیای دیگر را کشف کرده‌اند که به دور ستاره‌های دیگر در حال حرکت هستند و در حقیقت سیارات خارج از منظومه شمسی هستند. اگرچه در حال حاضر هنوز شواهدی مبنی بر این که این سیارات سکونتگاه موجودات زنده هستند، یافت نشده است اما به نظر می‌رسد برای اثبات یا عدم اثبات این موضوع لازم است تحقیقات بیشتری در این زمینه انجام شود.

طی چند ماه گذشته ، ستاره‌شناسان براساس نتایج به دست آمده از بررسی مسیر نور در فضای اطراف یک سیاره، وجود بخار آب در سیاره‌ای خارج از منظومه شمسی را به اثبات رساندند و به‌همین علت امروزه آژانس‌های فضایی در سراسر دنیا در تلاش هستند تلسکوپ‌های جدیدی را طراحی کنند که می‌توانند براساس بررسی طیف نور در اطراف سیارات، نشانه‌هایی از حیات موجودات را در سیاراتی که ابعادشان در حدود ابعاد کره زمین است، بیابند. فتوسنتز، فرآیندی طبیعی است که انجام آن می‌تواند اثرات و نشانه‌های زیستی آشکاری را به همراه داشته باشد؛ اما آیا امکان انجام چنین فرآیندی در سیارات دیگر نیز وجود دارد؟

فتوسنتز فرآیندی است که در سطح زمین با موفقیت انجام می‌شود و تقریبا می‌توان گفت که پایه و اساس زندگی همه موجودات زنده است. اگرچه برخی از موجودات زنده در حضور گرما و متان آزاد شده در اثر پدیده‌های گرمابی اقیانوسی قادر به حیات هستند، اما بسیاری از زیستگاه‌های سطح زمین وابسته به نور خورشید هستند. گازهای جوی به وجود آمده در نتیجه فعالیت‌های زیستی مانند اکسیژن و ترکیبات آن مانند ازن و همچنین رنگ‌هایی که نشان‌دهنده وجود رنگدانه‌های اختصاصی مانند کلروفیل سبز هستند، از آثار و نشانه‌های زیستی فرآیند فتوسنتز هستند. جستجوی چنین رنگدانه‌هایی برای اثبات وجود حیات در سیارات دیگر قدمتی طولانی دارد. صد سال پیش ستاره‌شناسان در تلاش بودند با دستیابی به اطلاعات و شواهدی علمی، تیرگی‌های فصلی مریخ را به رشد پوشش گیاهی در سطح این سیاره نسبت دهند. آنها به همین علت برای یافتن نشانه‌هایی از وجود گیاهان سبز در این سیاره طیف نور انعکاسی از سطح مریخ را مورد بررسی و مطالعه قرار دادند؛ اگرچه بسیاری از محققان با چنین نظریه‌ای مخالف بودند. آنها براین باور بودند که اگر پوشش گیاهی در سطح مریخ وجود داشته باشد، سبزرنگ نبوده و به رنگ قرمز روشن خواهد بود. البته امروزه نتایج به دست آمده از بررسی‌ها و مطالعات علمی انجام شده نشان داده است که در مریخ هیچ نوع پوشش گیاهی سطحی وجود ندارد و تیرگی‌های فصلی ایجاد شده، ناشی از وجود طوفان گرد و خاک در این سیاره است؛ اما باید توجه داشت که اگر موجودات زنده فتوسنتز‌کننده هم در سطح مریخ وجود داشته باشند، الزاما به رنگ سبز نخواهند بود، حتی در سطح زمین نیز علاوه بر گیاهان سبز، موجودات زنده فتوسنتزکننده دیگری وجود دارند. بسیاری از گیاهانی که در خشکی می‌رویند، دارای برگ‌هایی قرمزرنگ هستند و علاوه بر این، جلبک‌های ساکن اعماق آب‌ها و باکتری‌های فتوسنتزکننده به رنگ‌های مختلفی دیده می‌شوند؛ اما براستی گیاهان در سیارات دیگر چه رنگی دارند؟ پاسخ این سوال نیازمند بررسی چگونگی سازگاری فرآیند فتوسنتز با نور دریافت شده از ستاره‌هایی است که این سیارات در اطراف آنها در حال حرکت هستند، بدون شک منشاء این نور ستاره‌ای است که از بسیاری جهات با خورشید متفاوت است و از سوی دیگر این نور برای رسیدن به سطح سیارات از فضایی عبور می‌کند که از ترکیبی متفاوت با ترکیب جوی اطراف کره زمین برخوردار است.

شکار نور توسط گیاهان‌

اولین قدم برای بررسی چگونگی انجام فرایند فتوسنتز در سیارات دیگر، بررسی چگونگی انجام آن در سطح زمین است.

فتوسنتز به مجموع مقدار انرژی نورانی دریافتی بستگی ندارد، بلکه انجام این پدیده وابسته به انرژی و تعداد فوتون‌هایی است که نور را تشکیل می‌دهند و به همین علت، با وجود این‌که بیشینه انرژی دریافتی از نور خورشید توسط گیاهانی که در سطح زمین می‌رویند به رنگ‌های آبی و سبز تعلق دارد،این گیاهان نور سبز را منعکس می‌کنند و از آنجایی که فوتون‌های آبی در مقایسه با فوتون‌های قرمز انرژی بیشتری دارند، خورشید اغلب فوتون‌های قرمز رنگ را در محیط اطراف منتشر می‌کند. فوتون‌‌های آبی به‌علت ویژگی‌های کیفی و فوتون‌‌های قرمز به علت ویژگی‌های کمی حائز اهمیت هستند و فوتون‌های سبزرنگ که در محدوده بین این دوگروه قرار می‌گیرند. از نظر انرژی و همچنین از نظر تعداد نمی‌توانند تامین‌کننده نیازهای گیاهان باشند و به همین علت گیاهان اغلب مقدار کمتری از این فوتون‌ها را جذب می‌کنند.

مرحله مقدماتی فرآیند فتوسنتز که یک اتم کربن به دست آمده از دی‌اکسید‌کربن در کنار مولکول ساده‌ای از قندها قرار می‌گیرد حداقل به انرژی معادل هشت فوتون نوری نیاز دارد. شکست پیوند میان هیدروژن و اکسیژن در آب و آزاد شدن الکترون مورد نیاز برای انجام واکنش‌های شیمیایی نیز به یک فوتون انرژی نیاز دارد.

تشکیل یک مولکول اکسیژن نیز مستلزم شکست چهار پیوند شیمیایی بین اتم‌های اکسیژن و هیدروژن است. در مرحله دوم این واکنش‌ها که منجر به تشکیل قند می‌شود، این فوتون‌ها حداقل دو برابر می‌شوند که هر یک از آنها برای این‌که بتوانند واکنشی شیمیایی را راه‌اندازی کنند به حداقل انرژی نیاز دارند. چگونگی به دام انداختن انرژی خورشید توسط گیاهان یکی از شگفتی‌های طبیعت است. رنگدانه‌هایی مانند کلروفیل که در انجام عمل فتوسنتز در گیاهان نقش موثری دارند، مولکول‌های مجزایی نیستند، بلکه این مولکول‌ها به صورت شبکه‌ای از حسگرها عمل می‌کنند که هر یک از آنها جذب فوتون‌هایی در یک طول موج مشخص را برعهده دارند. کلروفیل ترجیحا فوتون‌های نوری قرمز و آبی را جذب می‌کند.

این در حالی است که رنگدانه‌های کاروتنوئید که سبب زردی و قرمزی برگ‌های درختان در فصل پاییز می‌شوند نوعی فوتون‌های آبی‌رنگ متفاوت را به دام می‌اندازند. همه انرژی دریافتی در یک مولکول کلروفیل اختصاصی در مرکز انجام واکنش‌های شیمیایی جمع‌آوری می‌شود که سبب شکسته‌شدن پیوند میان اتم‌های تشکیل‌دهنده مولکول‌های آب و آزاد شدن اکسیژن خواهد شد.

علائم و نشانه‌های زیستی‌

علاوه بر این که بازتاب نور توسط پوشش گیاهی می‌تواند از نشانه‌های حیات موجودات زنده در سطح سیارات مختلف باشد، عوامل دیگری نیز وجود دارد که شناسایی آنها در محیط پیرامون یک سیاره می‌تواند از علائم و نشانه‌های زیستی محسوب شود. حتی در سیاراتی که عاری از موجودات زنده هستند نیز نور تابیده شده از ستاره‌ای که این سیاره در اطراف آن در حال چرخیدن است، به طور طبیعی با شکستن پیوند میان مولکول‌های بخار آب مقدار اندکی اکسیژن در محیط اطراف آزاد می‌کند که اکسیداسیون سنگ‌ها و خاصیت‌های آتشفشانی سبب می‌شود گاز اکسیژن آزاد شده به سرعت مصرف شود. بنابراین اگر سیاره‌ای که در سطح آن مقداری آب مایع، یافته می‌شود حاوی مقدار قابل توجهی اکسیژن باشد می‌توان نتیجه گرفت که در سطح این سیاره منابع دیگری برای تولید اکسیژن وجود دارد که بهترین منبع برای تولید این گاز انجام فرایند فتوسنتز است. در محیط اطراف کره زمین، تابش نور سبب آزاد شدن اتم‌های اکسیژن می‌شود که در نتیجه ترکیب مجدد آن با یک مولکول اکسیژن گاز ازن به وجود می‌آید. ازن نیز یکی از دیگر نشانه‌های زیستی است که برخلاف اکسیژن که در محدوده طول موج‌های مرئی قابل بررسی است، این گاز در محدوده طول موج، مادون قرمز که بسیاری از تلسکوپ‌ها براساس آن عمل می‌کنند نیز قابل شناسایی است. ترکیب متان و اکسیژن یکی از ترکیبات شیمیایی است که در صورت عدم وجود فتوسنتز اغلب به سختی تشکیل می‌شود. چرخه فصلی افزایش و کاهش متان نیز می‌تواند یکی از بهترین نشانه‌های وجود حیات باشد. در یک سیاره غیر زنده سطح متان موجود در محیط تقریبا ثابت است و با گذشت زمان و شکست پیوندهای شیمیایی این مولکول در معرض تابش نور به تدریج مقدار متان در محیط کاهش می‌یابد.
متیل کلراید گازی است که از سوختن پوشش گیاهی و بویژه آتش‌سوزی جنگل‌ها در سطح زمین و همچنین تابش نوربر پلانکتون‌ها یا موجودات ریز و شناور آزاد در سطح دریاها به وجود می‌آید. اگرچه اکسیداسیون سبب تخریب ساختمان مولکولی این گاز می‌شود، اما ممکن است در سیارات دیگری که در خارج از منظومه شمسی قرار دارند تابش نسبتا جزئی نور از ستاره‌ای که این سیاره به دور آن در حال گردش است منجر به تشکیل مقادیر قابل توجهی از این گاز شود. فرسایش گیاهان نیز منجر به آزاد شدن گاز نیتروژن از مونوکسیدنیتروژن می‌شود. اگرچه منابع غیرزنده مانند صاعقه نیز می‌توانند منبعی برای گاز نیتروژن باشند اما اغلب مقدار نیتروژنی که از این منابع آزاد می‌شود بسیار ناچیز است. بنابراین می‌توان گفت که هر یک از این ویژگی‌ها می‌تواند به عنوان علائم و نشانه‌های زیستی برای جستجوی حیات در سیارات دیگر مورد استفاده قرار گرفته و وجود یا عدم وجود موجودات زنده در آنها را به اثبات برساند.

بررسی عوامل موثر در تعیین رنگ گیاهان

علی‌رغم وجود شرایط مختلف در اطراف هریک از سیارات، به نظر می‌رسد که شباهت‌های زیادی در چگونگی عملکرد رنگدانه‌هایی که در انجام فرآیند فتوسنتز نقش اساسی را بر عهده دارند وجود داشته باشد. این رنگدانه‌ها فوتون‌هایی را که از نظر تعداد بیشتر هستند و یا این که طول موج بیشتری دارند (انرژی کمتری دارند)‌ و یا دارای طول موج کوتا‌هتری هستند (انرژی بیشتری دارند)‌ جذب می‌کند. اما این که چگونه ستارگان می‌توانند در رنگ پوشش گیاهی سیارات تاثیرگذار باشند موضوعی است که برای پاسخگویی به آن لازم است بسیار از قوانین شامل عوامل وابسته به آن سیاره یا ستاره‌ای که سیاره در اطراف آن در حال چرخیدن است همچنین آثار و نشانه‌های زیستی آن سیاره را مورد بررسی قرار داد. بررسی‌ها و مطالعات انجام شده توسط محققان حاکی از آن است که فوتون‌هایی که به سطح سیارات اطراف ستارگانی از گروه F می‌رسند به رنگ آبی خواهند بود. این در حالی است که این فوتون‌ها در اطراف ستارگان گروه M  مانند فوتون‌هایی که از خورشید به زمین می‌رسند قرمزرنگ هستند. وجود گاز ازن در محیط اطراف این سیارات سبب می‌شود که در مقایسه با آنچه پیش‌بینی می‌شود نور ستارگان F آبی‌تر و نور ستارگان K قرمزتر باشد.

تابش مناسب برای انجام فرایند فتوسنتز مانند آنچه در زمین روی می‌دهد نیز در این محدوده از امواج مرئی قرار می‌گیرد. بنابراین گیاهانی که در سطح سیارات اطراف ستارگان گروه F و K می‌رویند از نظر رنگ شبیه به گیاهان زمینی هستند و تنها از نظر شدت رنگ در میان آنها  تفاوت‌هایی وجود دارد. در سیارات پیرامون ستارگان گروه F، شدت انرژی فوتون‌های آبی دریافتی توسط گیاهان سبب بازتابش نور از طریق رنگدانه‌هایی مانند آنتوسیانین (گلرنگ)‌ می‌شود که نقش غربالگری دارند که در نتیجه سبب می‌شود این گیاهان به رنگ آبی باشند. علاوه بر این ممکن است این گیاهان تنها به فوتون‌های آبی نیاز داشته باشند و فوتون‌های کم‌انرژی سبزرنگ را از خود دور کنند. این پدیده سبب می‌شود کاوشگرانی که با استفاده از تلسکوپ‌های فضایی سطح این سیارات را مورد بررسی قرار می‌دهند نور انعکاسی آبی‌رنگی را در سطح این سیارات نظاره‌گر باشند. تغییرات دمایی در سطح سیاراتی که در اطراف ستارگان گروه M قرار گرفته‌اند سبب تنوع رنگ گیاهان در این سیارات می‌شود. سیاره‌ای که در اطراف ستاره‌ای ساکن و غیرفعال از گروه M قرار دارد تنها نیمی از انرژی که زمین از خورشید می‌گیرد را دریافت می‌کند.

اگرچه این مقدار انرژی برای حیات موجودات کافی است اما اغلب فوتون‌های نوری دریافتی در محدوده طول موج امواج مادون قرمز هستند. تکامل گیاهان در سطح این سیارات ممکن است منجر به ایجاد رنگدانه‌های متفاوتی شده باشد که می‌توانند تمامی فوتون‌هایی که در محدوده طول‌موج مرئی و همچنین امواج مادون قرمز قرار دارند را نیز جذب کنند. در این شرایط باتوجه به این‌که تنها بخش اندکی از نور دریافتی بازتاب می‌شود ممکن است گیاهان به رنگ سیاه دیده شوند. اگرچه کسب اطلاعات کامل درباره چگونگی انجام فتوسنتز توانسته است نقش مهمی در انجام این تحقیقات داشته باشد، اما بسیاری از محققان بر این باورند که برای پاسخگویی به چنین سوالاتی اغلب لازم است متخصصانی از علوم مختلف با هم همکاری داشته باشند و کشف آثار و نشانه‌های زیستی در سیارات دیگر نیز مستلزم شناخت دقیق‌تر زندگی موجودات در این کره خاکی است.

جذب امواج نوری در‌گیاهان‌

رنگدانه‌هایی که نور را جذب می‌کنند در انجام فتوسنتز در گیاهان نقش مهمی دارند. این رنگدانه‌ها ترجیح می‌دهند فوتون‌هایی به رنگ مشخص را جذب کرده و دیگر فوتون‌های نوری دریافتی از خورشید را از خود دور کنند.
انرژی فوتون‌ها از طریق شبکه‌ای که از مجموعه‌ای از مولکول‌های حاوی رنگدانه تشکیل شده است به مرکز انجام واکنش‌ها منتقل می‌شود که سبب شکسته شدن پیوند میان اتم‌های تشکیل‌دهنده مولکول آب و آزاد شدن الکترون‌های پرانرژی برای انجام واکنش‌های شیمیایی می‌شود.

فرانک فراهانی جم‌