คอลัมน์ ฟิสิกส์ธรรมดาสาระมันส์ : พืชใช้แสงสีอะไรในการสังเคราะห์แสง?

ฟิสิกส์เป็นศาสตร์ที่อธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพได้กว้างขวางและลึกซึ้ง แต่บ่อยครั้งทีเดียวที่นักฟิสิกส์สนใจสิ่งมีชีวิตแล้วนำกระบวนการทางฟิสิกส์ไปวิเคราะห์จนนำมาซึ่งบทสรุปที่น่าสนใจ สาขาวิชาดังกล่าวเรียกว่า ชีววิทยาเชิงฟิสิกส์ (Biophysics)

ช่วงนี้ผมไปทำงานที่เกี่ยวข้องกับชีววิทยาอยู่และพบว่ามีหลายอย่างที่น่าสนใจจะนำมาเล่าในมุมฟิสิกส์ โดยอาทิตย์นี้ผมจะเริ่มต้นที่เรื่องการสังเคราะห์แสงครับ

สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์แสงได้ไม่ได้มีแค่แค่พืชเท่านั้น แบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวหลายชนิดก็สามารถสังเคราะห์แสงได้ การสังเคราะห์แสงทำให้พวกมันเป็นสิ่งมีชีวิตที่ผลิตอาหารได้เอง จากวัตถุดิบตั้งต้นแค่ แสงอาทิตย์ น้ำ และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

กระบวนการสังเคราะห์แสงนั้นสร้างอาหารให้กับสิ่งมีชีวิตบนโลก แต่ยิ่งไปกว่านั้นคือ ตลอดระยะเวลานับพันล้านปีที่การสังเคราะห์แสงถือกำเนิดขึ้น มันได้สร้างก๊าซออกซิเจนให้กับชั้นบรรยากาศของโลกเราอย่างมหาศาล สิ่งมีชีวิตในยุคต่อมาจึงปรับตัวให้สามารถหายใจโดยใช้ก๊าซออกซิเจนได้ และการหายใจด้วยออกซิเจนนี้เองทำให้ก่อกำเนิดสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ที่มีขนาดใหญ่อย่างมนุษย์เรา

สารที่มีบทบาทสำคัญในการสังเคราะห์แสงคือ คลอโรฟิลล์ (Chlorophyll)

คลอโรฟิลล์นั้นมีหลายชนิด แต่ที่พบได้ทั่วไปในพืช สาหร่ายและแบคทีเรียคือ คลอโรฟิลล์ เอ (Chlorophyll a) ซึ่งดูดกลืนแสงสีส้มแดงและม่วงมาใช้ แสงสีเขียวและเหลืองซึ่งไม่ถูกใช้งานจึงถูกสะท้อนออกไปทำให้ใบไม้ (ส่วนมาก) มีสีเขียว นอกจากนี้ คลอโรฟิลล์บี (Chlorophyll b) ซึ่งทำงานร่วมกับคลอโรฟิลล์เอเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสง คลอโรฟิลล์บีดูดกลืนแสงในช่วงสีที่แตกต่างออกไปเล็กน้อย มันจึงสะท้อนสีเหลืองออกมา

ธีโอดอร์ เอนเกลแมน (Theodor Wilhelm Engelmann) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันผู้มีชีวิตอยู่ในช่วงปี ค.ศ.1843-1909 ทำการทดลองเพื่อหาคำตอบว่า พืชใช้แสงความยาวคลื่นช่วงไหนในการสังเคราะห์แสง? การสังเกตเห็นว่าใบไม้มีสีเขียว แล้วสรุปว่าใบไม้สังเคราะห์แสงด้วยแสงสีม่วงและแดงนั้นอาจเป็นการด่วนสรุปเกินไป เพราะภายในใบไม้อาจมีกระบวนการอื่นที่ใช้แสงอาทิตย์เกิดร่วมด้วยก็ได้

ในขณะนั้นนักวิทยาศาสตร์รู้กันแล้วว่าการสังเคราะห์แสงนั้นให้ผลผลิตเป็นก๊าซออกซิเจนออกมา เอนเกลแมนนำสาหร่ายสีเขียวมาวางไว้บนแผ่นพลาสติกบางๆ พร้อมใส่น้ำลงไปเพื่อให้มันชีวิตอยู่ได้ แล้วใช้แท่งแก้วแยกแสงอาทิตย์ออกเป็นสีต่างๆ ส่องเข้าใส่สาหร่ายสีเขียวอย่างสม่ำเสมอ จากนั้นนำแบคทีเรียชนิดที่ต้องการออกซิเจนในการหายใจใส่เข้าไปในแผ่นพลาสติกนั้น

เมื่อเวลาผ่านไปเขาพบว่าแบคทีเรียมีการกระจายตัวดังรูปด้านล่าง จะสังเกตเห็นได้ว่าบริเวณสีม่วงและสีแดงนั้นแบคทีเรียมีการกระจุกตัวอยู่มาก เนื่องจากบริเวณนั้นมีก๊าซออกซิเจนที่เกิดจากการสังเคราะห์แสงอยู่อย่างหนาแน่นกว่าบริเวณอื่นๆ นั่นเอง

ธีโอดอร์ เอนเกลแมน จึงสรุปได้ว่าบริเวณสีม่วงและแดงนั้นเกิดก๊าซออกซิเจนออกมามาก เนื่องจากแสงสองสีนั้นทำให้เกิดการสังเคราะห์แสงนั่นเอง

สารอีกชนิดที่สำคัญคือสารประเภทคาโรทีนอยด์ (Carotenoid) ซึ่งช่วยในการสังเคราะห์แสงในพืชหลายชนิด รวมทั้งช่วยปกป้องสารคลอโรฟิลล์ไม่ให้ถูกแสงที่มีพลังงานสูงทำลาย คาโรทีนอยด์มีหลายชนิด แต่โดยทั่วไปจะดูดกลืนสีน้ำเงินม่วงและน้ำเงินเขียว ตัวมันจึงสะท้อนสีแดงส้มและเหลืองออกมา สารเบตาคาโรทีนเป็นคาโรทีนอยด์ชนิดหนึ่งที่พบได้ในแครอต มะม่วงสุก และฟักทอง ช่วงฤดูไปไม้ร่วง คลอโรฟิลล์จะเริ่มหายไปจากใบไม้ ส่งผลให้สารคาโรทีนอยด์ปรากฏเด่นชัดขึ้นมา เราจึงเห็นใบไม้เปลี่ยนสีจากเขียวกลายเป็นส้มแดง