در دنیای بی‌روح و یخ‌زده‌ای که سکوت و تاریکی آن را فرا گرفته است، موجوداتی هنوز وجود دارند که به حیات خود ادامه می‌دهند و در دل تاریکی به جستجوی نور و زندگی می‌پردازند. این نه تنها مقاومت آنها در برابر شرایط سخت را نشان می‌دهد، بلکه نحوه سازگاری موجودات با دنیای بی‌رحم زیر آب را به نمایش می‌گذارد.
به گزارش هیچ یک _ در زیر یخ‌های دریا در طول شب سیاه قطب، سلول‌ها نیروی فتوسنتز را در پایین‌ترین سطح نوری که تا به حال در طبیعت مشاهده شده، فراهم می‌کنند.
بیشتر موتورهای محرک حیات با نور خورشید کار می‌کنند. فوتون‌ها از طریق جو زمین وارد می‌شوند و توسط ارگانیسم‌های نیازمند به انرژی نور مانند گیاهان و جلبک‌ها جذب می‌شوند. از طریق فتوسنتز، ذرات نور به یک واکنش سلولی که انرژی شیمیایی به شکل قند تولید می‌کند، نیرو می‌بخشند که سپس در چرخه‌ای با حضور گیاهخواران، شکارچیان، لاشخورها، تجزیه کننده‌ها و غیره در شبکه غذایی منتقل می‌شود.
در یک روز روشن و آفتابی، تعداد زیادی فوتون برای گردش وجود دارد. اما در نور کم چه اتفاقی می‌افتد؟ زیست‌شناسان مدت‌هاست که کنجکاوند بدانند که حداقل میزان نور مورد نیاز برای اجرای فتوسنتز چقدر است و با چه سرعتی ماشین‌های فتوسنتزی یک سلول، دی اکسید کربن را به شکل اکسیژن و انرژی پردازش می‌کنند. محاسبات حداقل میزان مورد نیاز از نور به صورت نظری را حدود ۰.۰۱ میکرومول فوتون در هر متر مربع در ثانیه یا کمتر از یکصد هزارم نور یک روز آفتابی، پیشنهاد کرد.
برای چندین دهه، با توجه به مشکلات مطالعه فتوسنتز در نور کم، این محاسبه در حد نظری باقی مانده بود. هیچ کس نمی‌توانست آن را به صورت میدانی تایید کند، اگرچه مکان‌های زیادی روی زمین وجود دارد که نور به سختی به آنها می‌رسد. به عنوان مثال، هر زمستان در مناطق مرتفع قطب شمال، خورشید که توسط شیب زمین پنهان شده است، برای ماه‌ها ناپدید می‌شود. چندین متر برف سطح یخی دریا را پوشانده و نور ورودی را مسدود می‌کند و اقیانوس سرد زیر آن را به تاریکی عمیقی فرو می‌برد. زیست‌شناسان تصور می‌کنند که ریزجلبک‌هایی که در آب و یخ زندگی می‌کنند و فتوسنتز می‌کنند، در آنجا در طول فصل کاهش می‌یابند و منتظر بازگشت گرما و نور هستند.
کلارا هوپ (Clara Hoppe)، بیوژئوشیمی‌دان در مؤسسه آلفرد وگنر در آلمان، می‌گوید: مردم شب قطبی را شرایط بیابانی می‌دانستند که در آن حیات بسیار کمی وجود دارد و همه چیز در خواب زمستانی فرو می‌رود و منتظر فرارسیدن بهار بعدی است. اما واقعا، مردم هرگز به آن نگاه نکرده بودند.
در زمستان سال ۲۰۲۰، هوپ ماه‌ها را در یک کشتی که در یخ فرو رفته بود، در طول شب قطبی گذراند تا محدودیت‌های فتوسنتز را در تاریکی مطالعه کند. مطالعه جدید او و گروهش گزارش داد که ریزجلبک‌ها در حال رشد و تکثیر در سطوح نوری در حد حداقل پیش‌بینی شده به شکل نظری یا نزدیک به آن هستند که بسیار کمتر از آن چیزی است که قبلا در طبیعت مشاهده شده بود.
این مطالعه نشان می‌دهد که در برخی از سردترین و تاریک‌ترین مکان‌های روی زمین، حیات با کمترین میزان نور شکوفا می‌شود. داگلاس کمپل (Douglas Campbell)، متخصص فتوسنتز آبزیان در دانشگاه مونت آلیسون در کانادا که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید: دستکم برخی از فیتوپلانکتون‌ها، تحت برخی شرایط، ممکن است بتوانند کارهای بسیار مفیدی را در نور بسیار کم انجام دهند.
قدرت نیمه تاریک
دانشمندان به طور سنتی قطب شمال را محل سکون موجودات برای بیشتر زمان‌های سال می‌دانند. در زمستان، موجوداتی که می‌توانند از آب‌های سرد فرار کنند، این کار را می‌کنند. آنهایی که می‌مانند با ذخایر باقی مانده به زندگی خود ادامه می‌دهند یا در خوابی زمستانی فرو می‌روند. پس از بازگشت خورشید، این مکان جان دوباره می‌گیرد. در طول شکوفایی بهاری، افزایش جلبک‌های فتوسنتزکننده و سایر میکروب‌ها باعث شروع اکوسیستم قطب شمال می‌شود و شادی سالانه به آن با حضور سخت‌پوستان، ماهی‌ها، فوک‌ها، پرندگان، خرس‌های قطبی، نهنگ‌ها و غیره باز می‌گردد.
به نظر هوپ هر فیتوپلانکتونی که بتواند زودتر کار خود را شروع کند، می‌تواند تابستان موفق‌تری داشته باشد. این باعث شد که او به این فکر کند که دقیقا چه زمانی موجودات می‌توانند به نور بازگشتی واکنش نشان دهند.
علاقه او در سال ۲۰۱۵ هنگامی که او در یک پروژه تحقیقاتی به رهبری محققان دانشگاه ترومسو در نروژ همراه شد، به اوج رسید. یک گروه چند رشته‌ای، یک اکوسیستم پر رونق غیرمنتظره را در آب‌های زمستانی مجمع الجزایر سوالبارد پیدا کردند. برخی از موجودات، به ویژه صدف‌ها، در واقع در زمستان فعال‌تر از تابستان بودند. در کمال تعجب، فیتوپلانکتون‌ها نیز خواب نبودند. هوپ سطوح بالاتری از رنگدانه کلروفیل که یک نماینده مفید برای فتوسنتز فعال است را در آب دریا اندازه‌گیری کرد. به جای فرو رفتن در رسوبات سطحی و گذراندن زمستان در «حالت خواب زمستانی»، بسیاری از سلول‌هایی که هوپ یافت، زمستان فعالی را پشت سر می‌گذاشتند و عملیات سلولی خود را به طور کامل انجام می‌دادند.
هوپ می‌گوید: اگر این موارد فعال باشند، این سوال بدیهی است: چه زمانی دوباره اکوسیستم شروع به کار می‌کند؟ او سوالات زیادی در مورد سیاهی وسیع و سرد اقیانوس قطبی داشت.
در اوایل سال ۲۰۲۰، هوپ مستقیما به آزمایش محدودیت‌های فتوسنتز پرداخت. او روی یک کشتی یخ‌شکن که عمدا به یک لانه یخ برخورد کرده بود، حضور یافت و با موتور خاموش در شب‌های تاریک قطب حرکت کرد.
هوپ و همکارانش در تاریکی شب ۲۴ ساعته، در میان گستره‌ای از یخ‌های درخشان و بادهای سرد تا دمای منفی ۷۶ درجه فارنهایت کار می‌کردند. شکاف‌ها و برجستگی‌های یخ دائما مسیر را به سمت یک حفره دائمی در یخ به نام شهر اقیانوسی (Ocean City) تغییر می‌دادند و هوپ و تیمش صدها لیتر نمونه از آب دریا را از آن جمع‌آوری کردند و آنها را برای تجزیه و تحلیل به کشتی بردند.
این گروه دو مجموعه اندازه‌گیری موازی انجام دادند. ابتدا نمونه‌هایی از ریزجلبک‌ها را از آب دریا و یخ دریا به آزمایشگاه کشتی بردند. در آنجا، آنها سلول‌ها را انکوبه کردند و به آنها کربن قابل ردیابی توسط ایزوتوپ یا تعداد نوترون‌های هسته‌های اتم و مقدار کمی نور ارائه کردند. با اندازه‌گیری نرخ جذب کربن سلول‌ها، آنها توانستند محدودیت‌های ظرفیت موجودات برای فتوسنتز را تخمین بزنند.
محققان همچنین نمونه‌های منظمی از آب دریا گرفتند تا مقادیر فیتوپلانکتون و کلروفیل موجود در طول زمان را ردیابی کنند. هوپ گفت در طول ماه فوریه، هر دو مجموعه اعداد ثابت باقی ماندند. با این حال، تا پایان ماه مارس، جذب کربن ریزجلبک‌ها به همراه تعداد سلول‌ها و غلظت کلروفیل افزایش یافته بود که نماینده‌ای برای رشد و فتوسنتز است. هوپ و گروهش بسیاری از توضیحات احتمالی را آزمایش و رد کردند و متوجه شدند که افزایش فتوسنتز همزمان با بازگشت اولین نور خورشید بهاری است.
هوپ می‌گوید: با این حال، شواهد کلیدی تنها سه سال پس از کاوش و از سوی محققان بخش دیگری به دست آمد؛ فیزیکدانانی که نور را در زیر یخ دریا اندازه‌گیری کردند. شما واقعا نمی‌توانید نور را در زیر یخ بدون ایجاد اختلال در محیطی که می‌خواهید اندازه‌گیری کنید، اندازه بگیرید. از آنجایی که یک حفره ایجاد می‌کنید و در محیط حرکت می‌کنید و حتی راه رفتن روی برف و یخ می‌تواند میدان نور را تغییر دهد.
برای حل این مشکل، نیلز فوکس (Niels Fuchs)، فیزیکدان یخ دریا و گروهش در کشتی RV Polarstern حسگرهای نوری بسیار دقیقی را در اوایل فصل در اطراف یخ قرار دادند و اجازه دادند حسگرها تا زمستان در قسمت زیرین یخ منجمد شوند. حسگرهای نور مانند دوربین‌هایی که توسط یک زیست‌شناس حیات‌وحش در جنگل‌ها قرار می‌گیرند، داده‌های نور زیر یخ را برای ماه‌ها بدون مزاحمت ثبت کردند.
در ماه فوریه، تاریکی شب قطبی تقریباً مطلق بود و حتی فوتون های یک ماه درخشان یا گرگ و میش زودگذر هم نمی توانستند به آب های تاریک زیر برسند. سپس، در اواخر ماه مارس، خورشید برای مدت کوتاهی در افق ظاهر شد. در زیر آن یخ، حسگرهای نور تعداد کمی از فوتون‌ها را به‌طور نجومی ثبت کردند: محدوده بالایی ۰.۰۴ میکرومول بر متر مربع در ثانیه، عددی که بسیار نزدیک به حداقل مقدار نوری نظری است که فتوسنتز می‌تواند روی آن اجرا شود. مقدار واقعی نور احتمالا کمتر بوده است.
فوکس، متخصص یخ در دانشگاه هامبورگ و یکی از نویسندگان این مطالعه می‌گوید: نوری که ما مشاهده کردیم، در مقایسه با یک روز آفتابی معمولی، مانند یک قطره آب در مقایسه با سه لیتر آب است.
او اضافه کرد که تخمین آنها محافظه کارانه است و ممکن است فوتون‌های کمتری هم از آن عبور کنند. او توضیح داد: پوشش یخی کاملا ناهمگن است. از آنجایی که برخی از بخش‌های ورق یخ ممکن است اجازه عبور نور بیشتری نسبت به سایرین بدهد، گروه تحقیقاتی آستانه‌های بالایی از اندازه‌گیری نور خود را انتخاب کردند. تنوع وجود دارد و ما واقعا می‌خواهیم در سمت امن قرار بگیریم و در جایی که ۱۰۰ درصد مطمئن نیستیم که واقعا این مقدار مشخص نور است، در محدوده پایین‌تری قرار نگیریم.
ادغام داده‌های نوری فوکس با مشاهدات ریزجلبک‌های هوپ، به این نتیجه انجامید که در پایان ماه مارس، درست زمانی که بیشترین مقدار نور خورشید بازگشت، ریزجلبک‌ها نه تنها دستگاه‌های فتوسنتزی خود را راه‌اندازی کردند، بلکه در حال رشد و ساختن زیست‌توده بودند. گروه او به این نتیجه رسیدند که آنها اولین مشاهدات میدانی فتوسنتز را تقریبا در حدود حداقل نظری انجام داده‌اند و در آنجا مقدار نور کمتر از آنچه قبلا در طبیعت مشاهده شده بود، دیده شد.
دیگر نخواب
هوپ از مشاهده فتوسنتز در حداقل مقدار نوری که می‌تواند انرژی مورد نیاز برای حیات را تامین کند هیجان زده بود. اما این یافته یک سوال را ایجاد کرد: سلول‌های خفته چگونه می‌توانند در همان لحظه‌ای که اولین نور از یخ می‌گذرد، آماده باشند تا موتور خود را روشن کنند؟
گروه او دریافتند که در تاریک‌ترین دوره‌های شب قطبی، ریزجلبک‌ها افزایش قابل‌اندازه‌گیری در جذب کربن نشان نمی‌دهند و آنها نه در حال رشد هستند و نه فتوسنتز می‌کنند. با این حال آنها کاملا خفته نیز نبودند. سلول‌ها با قدرت کم کار می‌کردند. سپس، به محض اینکه سطح نور به اندازه کافی برای حمایت از تثبیت کربن فعال در اواخر مارس افزایش یافت، جلبک‌ها آماده انفجار بودند.
کمپبل می‌گوید: این توانایی برای بهره برداری مولد از نور بسیار کم، توانایی آنها را برای زنده ماندن و سپس آماده شدن برای حرکت سریع هنگامی که نور باز می‌گردد، بهبود می‌بخشد.
محققان به طور کامل مطمئن نیستند که چگونه ریزجلبک‌ها توانسته‌اند در تاریک‌ترین زمان‌ها زنده بمانند و از حالت خواب خارج شوند. برخی مانند دیاتوم‌ها می‌توانند مواد مغذی آلی محلول را مستقیما از آب مصرف کنند. شاید آنها بتوانند از فوتون‌های سرگردانی که از شکاف‌های یخ عبور می‌کنند یا توسط برخی از موجودات نورافشان ساطع می‌شوند، حیات به دست آورند. یا شاید جلبک‌های قطبی مکانیسم‌های منحصربه‌فردی را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند متابولیسم آنها را در دمای سرد پایین نگه دارد تا در برخورد با اولین نور آماده فعال شدن باشند.
کوین فلین (Kevin Flynn)، متخصص پلانکتون در آزمایشگاه دریایی پلیموث که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید: چنین سازگاری هایی ممکن است برای اکولوژی منطقه مهم باشد. او افزود: موجودات ممکن است زودتر از آنچه ما فکر می‌کنیم آماده شوند. این یافته اهمیت دارد زیرا بررسی واقعیت در مورد آنچه که طبیعت واقعا انجام می‌دهد را ممکن می‌کند.
با این حال، او کاملا متقاعد نشده است که رشد سلول‌ها در اواخر ماه مارس از طریق فتوسنتز اتفاق افتاده است. او می‌گوید: حضور کلروفیل به این معنی نیست که آنها برای رشد، فتوسنتز می‌کنند. آنها ممکن است به سادگی کلروفیل بیشتری از مواد آلی و در فرآیند آماده‌سازی برای فتوسنتز بسازند. زیرا هر چه فصل تغییر می‌کند، نور بیشتری فراهم خواهد شد و ارگانیسمی که سریع‌تر از سایرین برای آن آماده شود، سریع‌تر پیش خواهد رفت.
از سوی دیگر، کمپبل فکر می‌کند که این امکان وجود دارد که جلبک‌ها حتی زودتر از آنچه گروهش پیشنهاد کرده بودند، فتوسنتز کنند. او می‌گوید که تخمین آنها از سطوح نور محافظه‌کارانه بوده است و فتوسنتز ممکن است خیلی زودتر از آن نوع تجمع زیست توده‌ای که اندازه‌گیری آن آسان است اتفاق افتاده باشد.
این یافته‌ها تصویر جدیدی از زندگی در شب‌های تاریک قطب شمال و احتمالا فراتر از آن ترسیم می‌کند. حیات ممکن است به طور کامل در چند ماه کوتاه تابستان تکمیل نشود. بلکه ممکن است آب‌ها در طول سال مولد باشند یا دستکم هنوز حیات در آنها جاری باشد. به گفته هوپ، این می‌تواند درک ما از چرخه زندگی، تعاملات و ذخایر انرژی موجودات قطبی را بازنویسی کند.
نوری که ما مشاهده کردیم، در مقایسه با یک روز آفتابی معمولی، مانند یک قطره در سه لیتر آب است.
او همچنین متعجب است که آیا توانایی فیتوپلانکتون قطب شمال برای خروج از تاریکی تقریبا مطلق ممکن است توسط برخی جلبک‌ها در آب‌های سردتر و تاریک‌تر اعماق دریا مشترک باشد. اگر حق با او باشد، منطقه مولد در اقیانوس ممکن است عمیق‌تر از آن چیزی باشد که هر کسی فکرش را می‌کند. هوپ می‌گوید: اگر فیتوپلانکتون‌های قطبی قادر به تکامل این مکانیسم‌ها بوده‌اند، پس مطمئن هستم که فیتوپلانکتون‌ها در مناطق دیگر اقیانوس نیز می‌توانند همین کار را انجام دهند.
این گزارش نه تنها تصویر جدیدی از حیات در تاریکی‌های بی‌پایان قطب شمال را ترسیم می‌کند، بلکه به ما یادآور می‌شود که حتی در سردترین و سخت‌ترین شرایط، حیات راهی برای تابیدن و شکوفایی پیدا می‌کند. این یافته‌ها یک گام کوچک در درک دنیای پیچیده و شگفت‌انگیز ماست. دنیایی که در آن حتی در تاریک‌ترین شب‌ها زندگی به روش‌های منحصربه‌فرد خود ادامه دارد و شاید این همان درسی است که طبیعت می‌خواهد به ما بیاموزد.
