چگونه جلبک‌ها نور را به بازی می‌گیرند

به گزارش «ساینس دیلی» (science daily)، در اعماق دریا، جلبک‌های سبز راهی هوشمندانه برای مقابله با نور زیاد خورشید پیدا کرده‌اند. دانشمندان دریافتند که رنگدانه ویژه‌ای به نام «سیفونئین» (siphonein) مانند سپری طبیعی در برابر آفتاب عمل می‌کند و از سامانه ظریف فتوسنتزی جلبک در برابر سوختن محافظت می‌کند. با بهره‌گیری از تصویربرداری و شبیه‌سازی‌های پیشرفته، پژوهشگران نشان دادند که چگونه سیفونئین به جلبک‌ها کمک می‌کند تا انرژی اضافی نور را به‌طور ایمن کنترل کنند. این کشف می‌تواند الهام‌بخش فناوری‌های خورشیدی نوینی باشد که از سازوکار‌های حفاظتی ذاتی طبیعت تقلید می‌کنند.

نوری که می‌تواند آسیب‌زا باشد

یک روز آفتابی شدید می‌تواند فراتر از سوختن پوست، به فرآیند فتوسنتز نیز آسیب بزند؛ همان فرآیندی که گیاهان و دیگر موجودات از طریق آن، نور خورشید را به انرژی تبدیل می‌کنند. با این حال، در زیر آب، برخی از جلبک‌ها روش منحصربه‌فردی برای محافظت از خود تکامل داده‌اند.

پژوهشگرانی از دانشگاه متروپولیتن اوساکا و همکارانشان دریافتند که رنگدانه‌ای به نام سیفونئین به جلبک‌های سبز دریایی کمک می‌کند تا حتی زیر نور شدید نیز به‌طور کارآمد به فتوسنتز کردن ادامه دهند.

حفاظت از سامانه فتوسنتز

موجودات فتوسنتزی از سامانه‌های مولکولی پیچیده‌ای به نام کمپلکس‌های جمع‌آوری نور (LHCs) استفاده می‌کنند تا نور خورشید را جذب کرده و به انرژی قابل استفاده تبدیل کنند. زمانی که کلروفیل (رنگدانه سبز اصلی در فرایند فتوسنتز) نور را جذب می‌کند، برانگیخته می‌شود و انرژی را به مراکز واکنشی منتقل می‌کند؛ مراکزی که فرآیند‌های شیمیایی تولید انرژی را به پیش می‌برند. اما هنگامی که نور بیش از حد باشد، کلروفیل می‌تواند وارد حالت خطرناکی به نام «سه‌گانه» شود و مولکول‌های اکسیژن واکنش‌پذیری تولید کند که به سلول‌ها آسیب می‌زنند.

«ریتسکو فوجی» (Ritsko Fuji)، نویسنده اصلی و دانشیار دانشکده علوم و مرکز پژوهش فتوسنتز مصنوعی «دانشگاه متروپولیتن اوساکا» (Osaka Metropolitan University) می‌گوید: «موجودات از کاروتنوئید‌ها (نوعی رنگدانه طبیعی) برای دفع سریع انرژی اضافی یا خنثی کردن این حالت‌های سه‌گانه از طریق فرآیندی به نام «انتقال انرژی سه‌گانه-سه‌گانه» (TTET) استفاده می‌کنند».

او افزود: «تا مدت‌ها جزئیات دقیق این فرآیند حفاظتی به درستی درک نشده بود».

بررسی جلبک دریایی 

برای درک این سازوکار، پژوهشگران به سراغ «جلبک سبز دریایی شکننده» (Codium fragile) معروف به «انگشتان مرد مرده» رفتند. این جلبک، مانند گیاهان خشکی دارای سامانه‌ای موسوم به آنتن جمع آوری نور (Light-Harvesting Antenna) است که نور خورشید را جذب می‌کند و در عین حال رنگدانه‌های نادری مانند سیفونئین و سیفوناکسانتین را در خود دارد. پژوهشگران با استفاده از طیف‌سنجی «تشدید پارامغناطیسی الکترون» (EPR) دریافتند که در این جلبک، برخلاف اسفناج، هیچ اثری از حالت‌های آسیب‌رسان «سه‌گانه» باقی نمی‌ماند. این امر نشان می‌دهد کاروتنوئید‌های جلبک، انرژی مخرب نور را کاملا خنثی می‌کنند.

جلبک سبز دریایی شکننده

از کشف در اقیانوس تا نوآوری خورشیدی

فراتر از درک بهتر فتوسنتز، این پژوهش می‌تواند الهام‌بخش طراحی فناوری‌های خورشیدی زیست‌الهام باشد که از خود در برابر آسیب نور محافظت می‌کنند. چنین سامانه‌هایی ممکن است به راه‌حل‌های انرژی تجدیدپذیر بادوام‌تر و کارآمدتر منجر شوند.

فوجی می‌گوید: «امیدواریم بتوانیم ویژگی‌های ساختاری کاروتنوئید‌ها را که بازده خنثی‌سازی را افزایش می‌دهند، روشن‌تر کنیم و در نهایت طراحی مولکولی رنگدانه‌هایی را ممکن سازیم که آنتن‌های فتوسنتزی را بهینه می‌کنند».

این پژوهش در مجله «گزارش‌های سلولی علوم فیزیکی» (Cell Reports Physical Science) منتشر شده است.