قام فريق من العلماء، في محاولة لتحديد الحد الأدنى من الضوء الذي تحتاجه النباتات للبقاء على قيد الحياة، بحبس قاربهم في جليد القطب الشمالي لمدة عام كامل. وكشفت البيانات التي جمعوها أن بعض الأنواع قادرة على أداء عملية التمثيل الضوئي بمستويات أقل بكثير من أي شيء سبق أن رأيناه.
لقد قام العلماء منذ فترة طويلة بحساب الحد الأدنى النظري لكمية ضوء الشمس المطلوبة للعملية الكيميائية التي تدعم الحياة على الأرض، ولكن لم يتم رصد أي نوع يقترب من هذا الحد حتى الآن. وهذا الاكتشاف يعني أن الحياة قد توجد في أجزاء من المحيط كانت تعتبر في السابق محظورة.
قالت كلارا هوب، عالمة الجيولوجيا البحرية في معهد ألفريد فيجنر، والتي قادت فريق البحث، في بيان: “من المثير للإعجاب للغاية أن نرى مدى كفاءة الطحالب في الاستفادة من مثل هذه الكميات المنخفضة من الضوء. وهذا يوضح مرة أخرى مدى قدرة الكائنات الحية على التكيف مع بيئتها”.
ولمعرفة المزيد عن الكمية الصغيرة من الضوء اللازمة لعملية التمثيل الضوئي، قامت هوب وزملاؤها بإيقاف سفينة بحثية تسمى RV بولارستيرن في جليد القطب الشمالي لمدة عام كامل، بدءًا من سبتمبر 2019. وبقي الفريق على متن السفينة، وفي الخيام التي أقيمت بالقرب منها، بينما كانت السفينة تنجرف مع الجليد. وخلال ذلك الوقت، أخذوا قياسات على إنتاج الكربون، وهو نتيجة لعملية التمثيل الضوئي ومستويات الضوء في الجليد والماء.
وفي الدراسة الناتجة، التي نشرت في اتصالات الطبيعةوتشير هوب وفريقها إلى أن عملية التمثيل الضوئي في المحيط لا يمكن أن تحدث إلا في الجزء العلوي من الماء، حيث لا يزال ضوء الشمس يصل إليه. ويتلقى الجزء الأدنى من تلك المنطقة 1% فقط من ضوء الشمس على السطح، ولكن الأبحاث السابقة كانت قد حددت أنه من الناحية النظرية على الأقل، لا يزال من الممكن أن تحدث عملية التمثيل الضوئي مع قدر أقل من الضوء. ومع ذلك، فإن معظم الطحالب الجليدية، التي تكيفت مع ظروف الإضاءة المنخفضة، لديها احتياجات تتجاوز تلك العتبة.
خلال الليل القطبي، وهي فترة تستمر شهورًا ولا تشرق فيها الشمس أبدًا بالقرب من القطب الشمالي، لم تنتج العوالق النباتية والطحالب أي كربون، مما يشير إلى أن عملية التمثيل الضوئي لم تكن تحدث. كان ذلك متوقعًا، لكن ما كان مفاجئًا هو مدى سرعة عودة الأشياء إلى الحياة. كانت النباتات تزدهر بحلول منتصف مارس، عندما كانت مستويات الضوء لا تزال منخفضة بشكل لا يصدق في القطب الشمالي. حتى الكائنات الحية الموجودة مباشرة تحت الجليد المغطى بالثلوج، حيث لا يمكن إلا لعدد قليل من الفوتونات اختراقها، كانت قادرة على البدء في النمو. كانت مستويات الضوء منخفضة للغاية لدرجة أنها قيست بحوالي مائة ألف بالمائة من ضوء الشمس الذي يختبره البشر في يوم مشرق على السطح.
وبينما ركزت الدراسة على منطقة محددة من القطب الشمالي، قال هوب إن النتائج تسمح بافتراض أن الكائنات الحية تكيفت مع ظروف الإضاءة المنخفضة في مناطق أخرى من محيطات العالم. وقد يعني هذا توفر الأكسجين والغذاء للأسماك في مناطق كان يُعتقد في السابق أنها صالحة للسكن.
على الرغم من اكتشاف عملية التمثيل الضوئي في القرن السابع عشر، لا يزال العلماء يكتشفون تفاصيلها. فالأكسجين هو أحد المنتجات الثانوية لهذه العملية؛ وكما يمكن لأي شخص حبس أنفاسه أن يخبرك، فإن هذا العنصر حيوي إلى حد ما لعدم موت البشر. ولأن عملية التمثيل الضوئي تلعب دورًا حاسمًا في كيفية إزالة النباتات للكربون من الغلاف الجوي، فإن فهم هذه العملية الأساسية للحياة على الأرض أصبح مهمًا بشكل متزايد.