ทำไมพืชถึงเป็นสีเขียว เมื่อแสงอาทิตย์ส่องกระทบกับใบไม้ที่เปลี่ยนไปอย่างรวดเร็ว พืชจะต้องป้องกันตัวเองจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อรับมือกับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงจากพืช สู่แบคทีเรียได้พัฒนาสิ่งต่าง ๆ มากมาย อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ก็ไม่สามารถระบุหลักการออกแบบพื้นฐานทางธรรมชาติได้
ทีมนักวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติ นำโดยนักฟิสิกส์ นาธาเนียลเอ็มกาบอร์ ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียริเวอร์ไซด์ได้สร้างแบบจำลองคุณลักษณะทั่วไปของการเก็บกักสังเคราะห์ด้วยแสง
ทำไมพืชถึงเป็นสีเขียว เกี่ยวกับแสงใช่ไหม
การเก็บกักแสงเป็นการรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ โดยโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ที่มีโปรตีนเป็นตัวจับ ในการสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการที่พืชสีเขียวและสิ่งมีชีวิตอื่นใช้แสงอาทิตย์ในการสังเคราะห์อาหารจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ การเก็บกักพลังงานแสงเริ่มต้นจากการดูดซับแสงแดด
โมเดลของนักวิจัยได้นำเอาความคิดจากวิทยาศาสตร์ของเครือข่ายที่ซับซ้อนสาขาการศึกษาที่สำรวจการทำงานที่มีประสิทธิภาพในเครือข่ายโทรศัพท์มือถือ และกริดพลังงาน ตัวแบบอธิบายเครือข่ายง่าย ๆ ที่สามารถป้อนแสงของสองสีที่แตกต่างกัน แต่ให้อัตรา พลังงานแสงอาทิตย์ คงที่
” แบบจำลองของเราแสดงให้เห็นว่าด้วยการดูดซับแสงสีที่เฉพาะเจาะจงมาก ๆ สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงอาจป้องกันตนเองจากการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน หรือ ‘เสียง’ ในพลังงานแสงอาทิตย์ส่งผลให้เกิดการแปลงพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพอย่างน่าทึ่ง” ฟิสิกส์และดาราศาสตร์ที่นำการศึกษาที่ปรากฏในวันนี้ในวารสารวิทยาศาสตร์ “พืชสีเขียวมีแบคทีเรียสีเขียวและสีม่วง แต่ปรากฏเป็นสีม่วงเนื่องจากมีพื้นที่เฉพาะของสเปกตรัมที่ดูดซับได้เหมาะสำหรับการป้องกันพลังงานแสงอาทิตย์ที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว “
กาบอร์ ได้เริ่มคิดเกี่ยวกับการวิจัยการสังเคราะห์แสงมากกว่าทศวรรษที่ผ่านมา เขาเป็นนักศึกษาปริญญาเอกที่ Cornell University เขาสงสัยว่าทำไมพืชถึงปฏิเสธแสงสีเขียวซึ่งเป็นแสงที่รุนแรงที่สุด จนในช่วงหลายปีที่ผ่านมาเขาทำงานร่วมกับนักฟิสิกส์และนักชีววิทยาทั่วโลกเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทางสถิติและชีววิทยาควอนตัมของการสังเคราะห์ด้วยแสง
Richard Cogdell นักพฤกษศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ในสหราชอาณาจักรและผู้เขียนร่วมในงานวิจัยสนับสนุน Gabor ให้ขยายแบบจำลองเพื่อรวมสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงที่หลากหลายซึ่งเติบโตในสภาพแวดล้อมที่สเปกตรัมของพลังงานแสงอาทิตย์แตกต่างกันมาก
“เราสามารถแสดงให้เห็นว่าแบบจำลองนี้ทำงานในสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงอื่น ๆ นอกเหนือจากพืชสีเขียวและแบบจำลองนี้ได้ระบุคุณสมบัติทั่วไป และพื้นฐานของการเก็บเกี่ยวแสงสังเคราะห์ด้วยแสง” เขากล่าว “การศึกษาของเราแสดงให้เห็นว่าโดยการเลือกตำแหน่งที่คุณดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ที่สัมพันธ์กับสเปกตรัมพลังงานแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบนั้น คุณสามารถลดเสียงรบกวน ข้อมูลที่สามารถใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์”
Coauthor Rienk van Grondelle นักฟิสิกส์ทดลองที่ Vrije Universiteit Amsterdam ในเนเธอร์แลนด์ซึ่งทำงานเกี่ยวกับกระบวนการทางกายภาพเบื้องต้นของการสังเคราะห์ด้วยแสง ทีมวิจัยพบว่า สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของระบบสังเคราะห์แสงบางแห่งนั้นเลือกภูมิภาคที่มีการกระตุ้นด้วยแสง เก็บไว้
“หลักการออกแบบที่เรียบง่ายนี้สามารถนำไปใช้ในการออกแบบเซลล์สุริยะที่มนุษย์สร้างขึ้นได้” แวนกอนเดลกล่าวซึ่งมีประสบการณ์มากมายเกี่ยวกับการเก็บเกี่ยวแสงสังเคราะห์แสง
กาบอร์อธิบายว่าพืชและสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ด้วยแสงมีกลวิธีหลากหลายเพื่อป้องกันความเสียหายเนื่องจากการสัมผัสกับแสงแดดมากเกินไปตั้งแต่กลไกระดับโมเลกุลของพลังงานที่ปล่อยสู่การเคลื่อนไหวทางกายภาพของใบไม้เพื่อติดตามดวงอาทิตย์ พืชได้พัฒนาแม้กระทั่งการป้องกันแสง UV ที่มีประสิทธิภาพเช่นเดียวกับครีมกันแดด
“ในกระบวนการที่ซับซ้อนของการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นที่ชัดเจนว่าการปกป้องสิ่งมีชีวิตจากการรับแสงมากเกินไปเป็นปัจจัยขับเคลื่อนในการผลิตพลังงานที่ประสบความสำเร็จและนี่คือแรงบันดาลใจที่เราใช้ในการพัฒนาแบบจำลองของเรา” เขากล่าว “แบบจำลองของเราประกอบด้วยฟิสิกส์ที่ค่อนข้างง่าย แต่มันก็สอดคล้องกับชุดการสังเกตทางชีววิทยาจำนวนมาก ซึ่งเป็นสิ่งที่หาได้ยากมากหากแบบจำลองของเรามีการทดลองต่อเนื่องเราอาจพบข้อตกลงระหว่างทฤษฎีและการสังเกตที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น ผลงานภายในของธรรมชาติ”
เพื่อสร้างแบบจำลองกาบอร์และเพื่อนร่วมงานของเขาใช้ฟิสิกส์ของเครือข่ายตรงไปตรงมากับรายละเอียดที่ซับซ้อนของชีววิทยาและสามารถที่จะทำให้ชัดเจนเชิงปริมาณและงบทั่วไปเกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงที่หลากหลาย
“แบบจำลองของเราเป็นคำอธิบายที่ขับเคลื่อนด้วยสมมุติฐานเป็นครั้งแรกว่าทำไมพืชถึงเป็นสีเขียวและเราให้แผนที่เพื่อทดสอบแบบจำลองผ่านการทดลองที่ละเอียดยิ่งขึ้น” กาบอร์กล่าว
การสังเคราะห์ด้วยแสงอาจถูกมองว่าเป็นอ่างครัว กาบอร์ได้เสริมก๊อกน้ำจะไหลผ่านน้ำเข้าและท่อระบายน้ำจะช่วยให้น้ำไหลออกได้ หากการไหลเข้าอ่างล้างจานมีขนาดใหญ่กว่าการไหลออกภายนอกอ่างล้างจานล้นออกมาและน้ำไหลไปทั่วพื้น
“ในการสังเคราะห์ด้วยแสงหากการไหลของพลังงานแสงอาทิตย์เข้าสู่เครือข่ายการเก็บเกี่ยวแสงมีขนาดใหญ่กว่าการไหลออกอย่างมีนัยสำคัญเครือข่ายการสังเคราะห์ด้วยแสงจะต้องปรับตัวเพื่อลดการไหลของพลังงานเกินฉับพลัน” เขากล่าว “เมื่อล้มเหลวในการจัดการความผันผวนเหล่านี้สิ่งมีชีวิตพยายามที่จะขับไล่พลังงานในการทำเช่นนั้นสิ่งมีชีวิตได้รับความเครียดจากอนุมูลอิสระซึ่งทำลายเซลล์”
นักวิจัยรู้สึกประหลาดใจกับความเรียบง่ายของแบบจำลองทั่วไป
“ธรรมชาติจะทำให้คุณประหลาดใจอยู่เสมอ” Gabor กล่าว “สิ่งที่ดูเหมือนซับซ้อนและซับซ้อนมากอาจใช้กฎพื้นฐานสองสามข้อเราใช้แบบจำลองกับสิ่งมีชีวิตในการสังเคราะห์แสงที่แตกต่างกันและทำซ้ำสเปกตรัมการดูดซับที่ถูกต้องต่อไปในทางชีววิทยามีข้อยกเว้นสำหรับทุกกฎ กฎมักจะยากมากน่าแปลกที่เราดูเหมือนจะพบกฎข้อหนึ่งของชีวิตการสังเคราะห์แสง” เขาได้ตั้งข้อสังเกตว่าในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมาการวิจัยการสังเคราะห์ด้วยแสงมุ่งเน้นไปที่โครงสร้างและหน้าที่ของส่วนประกอบด้วยกล้องจุลทรรศน์ของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
“นักชีววิทยารู้ดีว่าระบบชีวภาพมักไม่ได้รับการปรับอย่างละเอียดเพราะสิ่งมีชีวิตมีการควบคุมสภาพภายนอกของพวกเขาเพียงเล็กน้อย” เขากล่าว “ความขัดแย้งนี้ยังไม่ได้รับการแก้ไขเนื่องจากยังไม่มีรูปแบบที่เชื่อมโยงกระบวนการทางกล้องจุลทรรศน์ด้วยคุณสมบัติทางจุลศาสตร์งานของเราเป็นตัวแทนของแบบจำลองเชิงปริมาณเชิงปริมาณแรกที่จัดการกับความขัดแย้งนี้”
“มีอะไรมากมายให้ทำความเข้าใจเกี่ยวกับธรรมชาติและมันก็ดูสวยงามมากขึ้นเมื่อเราไขปริศนาของมันออกมา” Gabor กล่าว
o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o
ขอบคุณผู้สนับสนุน ufabet168
o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o