آبی در موجودات زنده رنگ نسبتاً کمیابی محسوب می‌شود. رنگ سبز بخش بزرگی از جهان را پوشانده و زرد و نارنجی نیز به وفور در گیاهان و جانوران به چشم می‌خورند. رنگ‌های قرمز و صورتی نیز فرصت‌هایی برای جلب توجه دارند؛ اما آبی تنها در مجموعه‌ای اندک از گل‌ها، پرندگان عجیب و غریب و چند قورباغه غیرمعمول مشاهده می‌شود؛ البته رنگ دیگری وجود دارد که حتی از آبی هم در طبیعت کمیاب‌تر است: بنفش! در ادامه توضیح خواهیم داد چرا بنفش به ندرت در طبیعت دیده می‌شود.

کمیابی رنگ‌ها در طبیعت به مسئله فیزیک و تکامل مربوط می‌شود. رنگ‌ها از بازتاب طول موج‌های خاص در طیف الکترومغناطیسی پدید می‌آیند. طول موج‌های کوتاه‌تر، مانند آبی، انرژی بیشتری حمل می‌کنند؛ اما طول موج‌های بلندتر، مانند قرمز، انرژی کمتری دارند.

چرا رنگ سبز در طبیعت به وفور دیده می‌شود؟

سبز تقریباً در میانه‌ طیف مرئی قرار دارد؛ بنابراین طول موج آن برای بهره‌برداری عالی است؛ این رنگ رایج‌ترین رنگ در طبیعت محسوب می‌شود؛ زیرا فتوسنتز که برای تداوم حیات سیاره زمین یک فعالیت بنیادین محسوب می‌شود، نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند. گیاهان این کار را با کمک رنگدانه‌ای به نام کلروفیل انجام می‌دهند؛ کلروفیل نور سبز را بازتاب می‌دهد، اما از سوی دیگر بخش زیادی از نور قرمز و مقداری نور آبی را جذب می‌کند.

پذیرش طول موج‌های قرمز و آبی راهی پایدار و کارآمد برای برانگیختن الکترون‌ها در کلروفیل است؛ این پدیده تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی را برای گیاه امکان‌پذیر می‌کند. در مقابل طول موج‌های مربوط به سبز بیشتر بازتاب می‌شوند تا جذب؛ به همین دلیل برگ‌ها سبز به نظر می‌رسند.

دلیل کمیابی رنگ‌های دیگر در طبیعت نیز اغلب به همین نوع موازنه مربوط می‌شود؛ رنگدانه‌ها نه‌تنها باید از نظر زیست‌ شیمیایی امکان‌پذیر باشند، بلکه باید هدفی تکاملی را نیز برآورده کنند؛ خواه برای فتوسنتز، خواه برای استتار؛ یا حتی برای ارسال نشانه‌ها. 

چرا آبی در طبیعت این‌قدر نادر است؟

رنگ آبی در طبیعت به ندرت دیده می‌شود؛ زیرا طول موج کوتاه و فرکانس بالای نور آبی به معنای انرژی زیاد آن است؛ بنابراین بیشتر رنگدانه‌ها  بیشتر از اینکه آن را بازتاب کنند، جذبش می‌کنند؛ نور آبی مانند بسته‌ای از انرژی شدید است که از نظر زیست‌شیمیایی بازتاب‌دادنش دشوار و سنگین و جذب کردن آن بسیار آسان‌تر از پس‌زدن ضربه است.

این موضوع بدان معنا نیست که حیات وحش راهی برای بهره‌گیری از رنگ‌های آبی پیدا نکرده است؛ اگر فضایی خالی برای پر شدن وجود داشته باشد، چیزی آن را پر خواهد کرد. کافی است به پرندگان گرمسیری، حدود ۱۰ درصد از گیاهان و آن سوسک‌های زیبا فکر کنید.

با این حال موجودات مذکور برای اینکه آبی به نظر برسند، الزاماً از رنگدانه‌های واقعی استفاده نمی‌کنند. در  مقابل بسیاری از آن‌ها به ساختارهای فیزیکی میکروسکوپی متکی هستند که نور را پراکنده می‌کنند تا ادراک آبی ایجاد شود؛ پدیده‌ای که به آن «رنگ‌آمیزی ساختاری» (structural coloration) گفته می‌شود. تسلط یافتن بر چنین فرایندی پرهزینه و دشوار است؛ بنابراین تنها تعداد کمی از موجودات زنده به اندازه کافی تحت فشار قرار گرفته‌اند تا با آن دست و پنجه نرم کنند.

چرا بنفش در طبیعت حتی نادرتر از رنگ آبی است؟

فرکانس رنگ بنفش حتی بالاتر از فرکانس رنگ آبی است و طول موجی کوتاه‌تر از آبی دارد و در انتهای قسمت بسیار پرانرژی طیف مرئی قرار می‌گیرد؛ بنابراین می‌توان آن را نسخه‌ افراطی از رنگ آبی تصور کرد (لازم به ذکر است نباید رنگ بنفش را با ارغوانی یا همان ترکیب آبی و قرمز اشتباه گرفت).

تمام عواملی که رنگ آبی را کمیاب می‌کنند (مانند فرکانس بالای آن) در مورد رنگ بنفش شدت بیشتری دارند؛ به همین دلیل رنگ بنفش تقریباً در موجودات زنده وجود ندارد و کمیاب‌ترین رنگ در طبیعت محسوب می‌شود.تولید بنفش از طریق رنگدانه‌ها از نظر انرژی بسیار دشوارتر است؛ علاوه بر این رنگ‌آمیزی ساختاری رنگ بنفش نیز پیچیده‌تر است؛ زیرا نیازمند ساختارهای میکروسکوپی بسیار متراکم و دقیق است که تنها تعداد اندکی از موجودات توانایی ایجاد آن را دارند.  

کمیابی برخی رنگ‌ها به نحوه‌ برخورد انسان‌ها با رنگ‌دانه‌ها در فرهنگ‌هایشان نیز مربوط می‌شود؛ در روزگاری که هنوز آزمایشگاه‌ها و رنگ‌های شیمیایی وجود نداشت، سایه رنگ‌های آبی‌ و ارغوانی‌ برای رهبران بزرگ، نخبگان معنوی و دیگر افراد قدرتمند در جوامع محفوظ بوده‌اند و ایجاد می‌شده‌اند. تولید این رنگ‌ها حتی با دانش فنی امروز، کاری دشوار و نیازمند مهارت فراوان است.

گونه میکروبی تازه‌ای به نام Solarion arienae کشف شده که هنوز نشانه‌هایی از مراحل اولیه فرگشت میتوکندری‌ها را در خود حفظ کرده است. بررسی‌های ژنتیکی این میکروب نشان داده که مسیر ژنتیکی خاصی در آن وجود دارد که شاید از یک ادغام باستانی ایجاد شده باشد.

میکروب Solarion arienae با زوائدی که انتهای هر یک از آن‌ها به یک گوی ختم می‌شود، شباهتی به خورشید دارد. این جاندار تک‌سلولی ممکن است باعث بازنگری در دانسته‌های ما درباره خاستگاه‌های فرگشت یوکاریوتی در میلیاردها سال پیش شود.

نخستین یوکاریوت‌هایی که روی زمین ظاهر شدند پروتیست‌ها بودند. یوکاریوت‌ها یا تک‌سلولی‌اند یا از سلول‌هایی با هسته تشکیل شده‌اند، در حالی که پروکاریوت‌های اولیه (مانند باکتری‌ها و آرکی‌ها) فاقد هسته بودند و احتمالاً یوکاریوت‌ها از آن‌ها تکامل یافتند. همچنین احتمال می‌رود یوکاریوت‌ها نتیجه روابط همزیستی میان پروکاریوت‌هایی باشند که نهایتاً در هم ادغام شدند. حتی میتوکندری‌ها نیز احتمالاً زمانی باکتری‌هایی بودند که درون سلول‌های دیگر بلعیده شدند و سلول میزبان آن‌ها را در خود نگه داشته است. این سلول‌های یوکاریوتی بعدها نخستین جانداران چندسلولی را پدید آوردند.

Solarion نماینده یک سرده، گونه و شاخه کاملاً تازه از پروتیست‌هاست که اکنون در اَبَر‌گروه یوکاریوتی جدیدی به نام Disparia طبقه‌بندی می‌شود. تصور می‌شد یوکاریوت‌هایی که در دوران جوانی زمین وجود داشتند، تنوع بالایی از نظر سوخت‌وساز نداشتند. هنگامی که متیو براون، زیست‌شناس دانشگاه ایالتی میسیسیپی، این گونه را کشف کرد، تحلیل ژنتیکی نشان داد که آثار مسیرهای میتوکندریایی به‌جامانده از باکتری‌هایی بسیار باستانی در آن وجود دارد؛ باکتری‌هایی که این مسیرها را مدت‌ها قبل از آن‌که حتی یک دایناسور از تخم بیرون بیاید، به ارث گذاشته‌اند. براون دریافت که این مسیرها نشانه‌هایی از آغازگاه مولکولی شکل‌گیری میتوکندری‌ها را باقی گذاشته‌اند.

براون در پژوهشی که اخیراً در مجله Nature منتشر شده، گفته است که کشف Solarion arienae درک ما از فرگشت اولیه یوکاریوت‌ها را گسترش می‌دهد و امکان مطالعه بقایای مسیرهای متابولیکی پیش‌میتوکندریایی را فراهم می‌کند؛ مسائلی که می‌توانند به روشن‌تر شدن پیچیدگی حیات یوکاریوتی باستانی کمک کنند.

ویژگی‌های نیاکانی که در برخی تیره‌های پروتیست‌ها باقی مانده‌اند، می‌توانند درباره فرگشت سلول‌های یوکاریوتی، به‌ویژه ساختارها و مسیرهای متابولیکی که سلول را زنده نگه می‌دارند، اطلاعات بیشتری بدهند. میتوکندری‌ها به‌دلیل نقش کلیدی‌شان در تولید انرژی در سلول به مخازن انرژی شهرت دارند. این اندامک‌ها چندین کارکرد متابولیکی دارند، از جمله تجزیه مواد مغذی برای تولید انرژی، مدیریت پسماندها و سامان‌دهی متابولیت‌هایی که برای حفظ تعادل سلولی لازم‌اند. آن‌ها همچنین می‌توانند به سلول‌ها کمک کنند با فشارهای ناشی از عواملی مانند کمبود مواد غذایی یا آسیب دی‌ان‌ای تطبیق پیدا کنند.

براون و تیم پژوهشی او به شکلی غیرمنتظره Solarion را در یک کشت آزمایشگاهی از پروتوزوآهای دریایی بی‌هوازی مشاهده کردند. آنان توانستند این گونه را کشت دهند و بعدها دریافتند که نه‌تنها یوکاریوتی است، بلکه نسبت نزدیکی با پروتیست Meteora sporadica دارد. پژوهشگران تصور می‌کنند Solarion برای مدت‌ها از دید دانشمندان پنهان مانده، یا به این دلیل که در بسیاری از زیستگاه‌هایی زندگی می‌کند که هنوز بررسی نشده‌اند، یا زیرا زیستگاهی بسیار اختصاصی و خاص را ترجیح می‌دهد.

ویژگی بسیار نامعمول این میکروب این است که از دو مرحله متمایز در چرخه زندگی عبور می‌کند. در محیط کشت، بیشتر آن‌ها شکل خورشیدی خود را حفظ می‌کردند و با استفاده از زوائد یا اکستروزوم‌هایی که از بدنشان بیرون زده، باکتری‌ها را شکار می‌کردند. آن‌هایی که وارد مرحله دوم می‌شدند، این ساختارها را از دست می‌دادند و به سلول‌هایی کشیده با یک تاژک برای حرکت تبدیل می‌گشتند. برخی از این سلول‌های تاژک‌دار دوباره به حالت خورشید‌گونه بازمی‌گشتند.

Solarion در رایج‌ترین شکل خود ساختارهای عجیبی دارد. در سیتوپلاسم آن تنها یک سانتریول شناور وجود دارد؛ اندامکی لوله‌ای که ریزلوله‌ها را سازمان‌دهی کرده و اسکلت سلولی را می‌سازد. بیشتر سلول‌های یوکاریوتی دو سانتریول دارند. گوی‌هایی که در انتهای اکستروزوم‌ها قرار دارند، کینتوسیست نامیده می‌شوند؛ ساختارهای توخالی که برای گرفتن باکتری‌های شکار استفاده می‌شوند و سپس با رشته‌هایی درونی آن‌ها را سوراخ می‌کنند. تنها پروتیست دیگری که چنین ریخت‌شناسی‌ای دارد Meteora sporadica است. تفاوت اصلی این است که Solarion در هر زائده یک گوی دارد، در حالی که Meteora دارای چندین گوی است. Solarion و Meteora اکنون شاخه تازه‌ای به نام Caelestes را تشکیل می‌دهند.

با وجود میلیاردها سال فرگشت، Solarion هنوز ژن‌های میتوکندریایی نادری را در خود نگه داشته است. این میکروب برخی پروتئین‌هایی را که در سایر سلول‌های یوکاریوتی در هسته رمزگذاری می‌شوند، در میتوکندری‌های خود رمزگذاری می‌کند. آنچه به‌ویژه توجه پژوهشگران را جلب کرده، مسیر فرایندی به نام SecA است. در معمول‌ترین حالت، SecA با کانال SecYEG مرتبط است که موجب جابه‌جایی پروتئین‌ها در سراسر سلول می‌شود. اما در Solarion هیچ نشانی از SecYEG وجود ندارد. مسیر SecA آن نیز در میتوکندری جای گرفته، نه در سیتوپلاسم یا غشای سلولی؛ موضوعی که نشان می‌دهد این مسیر احتمالاً کارایی کامل در انتقال پروتئین‌ها ندارد یا ممکن است از یک پروکاریوت باستانی بازسازی شده باشد.

اگرچه Solarion، شاخه Caelestes و اَبَر‌گروه Disparia هنوز همه رازهای خود را آشکار نکرده‌اند، براون مصمم است که دریابد این جانداران چه حقایق دیگری درباره تاریخ فرگشت یوکاریوت‌هایی که در نهایت به انسان و دیگر جانداران چندسلولی انجامیدند، به ما خواهند آموخت.

او گفته است که با وجود نامشخص بودن جایگاه دقیق Disparia در درخت حیات یوکاریوتی، اکتشاف‌های مداوم، نمونه‌برداری گسترده‌تر از گونه‌های کشف‌نشده و پیشرفت در روش‌های فیلوژنتیک، بی‌تردید امکان پاسخ دادن به این پرسش را در آینده نزدیک فراهم خواهد کرد.

هنگامی که صحبت از گازهای مهم روی زمین می‌شود، اکسیژن حرف اول را می‌زند؛ این مولکول جادویی برای تنفس تقریبا همه موجودات روی کره زمین ضروری است. البته جو تنها حاوی اکسیژن نیست و ۷۸ درصد آن از نیتروژن تشکیل شده است. نیتروژن که یک گاز بی‌اثر است، برای تبدیل شدن به آمونیاک یا آمونیوم زیست‌پذیر، به گونه‌های خاصی از حیات به نام تثبیت‌کننده‌های نیتروژن یا دیازتروف‌ها نیاز دارد. گیاهان و باکتری‌ها این کار جادویی را در خشکی انجام می‌دهند، اما در اقیانوس‌ها، سیانوباکتری‌ها تثبیت‌کننده‌های اصلی نیتروژن هستند.

این کار مهمی محسوب می‌شود. این موجودات زنده پایه و اساس شبکه غذایی را تشکیل می‌دهند زیرا اثرات جانبی آن‌ها جلبک‌ها را که منبع اصلی غذا برای حیات دریایی هستند را تغذیه می‌کنند. برای دهه‌ها، دانشمندان باور داشتند که فرایند تثبیت نیتروژن در آب‌های گرم‌تر اتفاق می‌افتد، اما در سال‌های اخیر، آن‌ها شواهدی از این فرایند را در اقیانوس منجمد شمالی پیدا کرده‌اند. اکنون پژوهشی جدید از دانشمندان دانشگاه کپنهاگن حتی فراتر رفته و تائید کرده است که تثبیت نیتروژن می‌تواند در زیر یخ یا دریا نیز رخ دهد، ایده‌ای که زمانی غیرممکن تلقی می‌شد. نتایج این پژوهش در مجله Communications Earth & Environment منتشر شده است.

لیزا ون فریزن، دانشجوی دکترا در دانشگاه کپنهاگن در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: “تاکنون باور بر این بود که تثبیت نیتروژن نمی‌تواند زیر یخ دریا انجام شود، زیرا فرض گرفته می‌شد که شرایط زندگی برای ارگانیسم‌هایی که تثبیت نیتروژن را انجام می‌دهند، بسیار دشوار است، اما ما اشتباه می‌کردیم.” این فرضیه از این ایده ناشی می‌شد که اکسیژن، نیتروژناز، آنزیمی که در قلب فرایند تثبیت قرار دارد را مختل می‌کند. در آب‌های گرم‌تر مانند اقیانوس‌های گرمسیری و نیمه‌گرمسیری، آب کمتر محلول است، یعنی اکسیژن محلول کمتری را خود نگه می‌دارد و به فرایند تثبیت کمک می‌کند.

برای دهه‌ها دانشمندان تصور می‌کردند که تثبیت در قطب شمال غیرممکن است، اما یک پژوهش در سال ۲۰۱۷ شواهدی از این فرایند را یافت. سپس در سال ۲۰۱۹، همان تیم سیانوباکتری‌های تک‌سلولی همزیست پشت این کار فوق‌العاده را کشف کرد. در حالی که این پژوهش جدید به سمت شمال و مرکز اقیانوس شمالی اشاره دارد، ارگانیسم دیگری را نیز پیدا کرده است که کار مهم تولید آمونیاک را انجام می‌دهد که یک دیازوتروف غیر سیانوباکتریایی یا NCD نام دارد باتوجه به اینکه بالاترین نرخ تثبیت به دلیل عقب‌نشینی تغییرات اقلیمی به سمت شمال، در نزدیکی لبه یخ دریا رخ می‌دهد، این تیم از دانشمندان تائید کرده که این فرایند در زیر یخ دریا نیز در حال وقوع بوده که چشم‌انداز ما را برای حیات دریایی قطب شما در دنیایی که در حال گرم شدن است، کاملا تغییر می‌دهد.

ون فریزن گفت: “به عبارت دیگر، میزان نیتروژن موجود در اقیانوس منجمد شمالی احتمالا هم امروز و هم برای پیش‌بینی‌های آینده کمتر از حد واقعی تخمین زده شده است. این موضوع می‌تواند به این معنی باشد که با ادامه کاهش پوشش یخ دریا توسط تغییرات اقلیمی، پتانسیل تولید جلبک نیز کمتر از حد واقعی تخمین زده شده است.” از آنجایی که جلبک‌ها برای شبکه غذایی بسیار مهم هستند و خوراکی‌های خوشمزه‌ای برای سخت‌پوستان پلانکتونی محسوب می‌شوند که به تغذیه ماهی‌ها کوچک‌تر نیز کمک می‌کنند، این منبع جدید تثبیت نیتروژن برای ادامه یافتن حیات دریایی مهم است.

البته خبر خوب به همین جا ختم نمی‌شود. جلبک‌ها همچنین دی‌اکسید کربن را از جو جذب می‌کند، بنابراین این منبع تثبیت نیتروژن که دیگر غیرممکن نیست، می‌تواند میزان کربن مورد نیاز اقیانوس را افزایش دهد. لاس ریمان، یکی از نویسندگان این پژوهش از دانشگاه کپنهاگ، در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: “ما هنوز نمی‌دانیم آیا اثیر خالص برای آب‌وهوا مفید خواهد بود یا خیر. او خاطرنشان کرد که شرایط پویای اقیانوس، پیش‌بینی نتایج آینده را غیرحتمی می‌کند. اما واضح است که وقتی سعی می‌کنیم پیش‌بینی کنیم در دهه‌های آینده با کاهش یخ دریا، چه اتفاقی برای اقیانوس منجمد شمالی خواهد افتاد، باید فرایند مهمی مانند تثبیت نیتروژن را در معادله لحاظ کنیم. حتی با اینکه انسان‌ها همچنان به آلوده کردن زمین ادامه می‌دهند، این سیاره هنوز راه‌هایی برای تامین نیازهای خود پیدا می‌کند.

منبع: PopluarMechanics