نور و رشد گیاه

نور رشد گیاه و انجام واکنشهای فتوشیمیایی در گیاهان:

رنگیزه‌های برگ قدرت جذب برخی از پرتوهای نور سفید خورشید را دارا هستند. رنگیزه‌های نوری می‌توانند این پرتوها را که مربوط به رنگهای قرمز، آبی، نیلی و بنفش است جذب کنند. پس از جذب بعضی از پرتوهای نور خورشید بویژه پرتوهای قرمز بوسیله رنگیزه کلروفیل واکنشی در مولکولهای آن بوجود می‌آید که به آن واکنش فتوشیمیایی می‌گویند. بدین معنی که پس از جذب انرژی فوتونها بوسیله کلروفیل ، یکی از الکترونهای مولکول آن به مدار بالاتر یعنی به سطح انرژی بالاتری منتقل می‌شود.
چنین مولکولی را مولکول تحریک شده می‌گوییم. این مولکولها بسیار ناپایدارند و به سرعت انرژی دستاوردی را از دست می‌دهند و به وضع پایدار اولیه برمی‌گردند، این انرژی ممکن است به صورت گرما، نور، یا فلوئورسانس از دست برود ولی در فرآیند فتوسنتز این انرژی در واکنشهای شیمیایی یعنی واکنشهای نقل و انتقال الکترون شرکت می‌کند و نتیجه آن ذخیره این انرژی به صورت انرژی شیمیایی در مواد آلی است.
علت گرایش انتهای ساقه به سمت نور
علت گرایش انتهای ساقه به سمت نور، تجمع اکسین بیشتر در سمت نور ندیده این اندام است.

علت نورگرایی منفی در ریشه

سلولهای ریشه نسبت به مقدار بسیار اندک اکسین واکنش نشان می‌دهند و رشد می‌کنند و رشد آنها نسبت به مقدار زیاد این هورمون متوقف یا کند می‌شود. در نتیجه تراکم اکسین زیاد در سمت نور ندیده ریشه سبب می‌شود که این قسمت نسبت به سمت نور دیده رشد کمتری داشته باشد و ریشه به سمت مخالف نور خم گردد.

(طیف خورشید):

امواج نوری که از خورشید به زمین می رسند دارای طول موجهایی بین 106 تا 1014 سانتیمتر می باشند که در آنها فقط امواج بین 380 نانومتر (بنفش) و 760 نانومتر (سرخ) قابل رویت است و طیف مرئی را تشکیل می دهد.طیف مرئی خورشید نشان داده شده است: (واحد طول بر حسب نانومتر)
بخار آب موجود در هوا، گرد و غبار و ابرها مقداری از نور خورشسید را جذب، منعکس و پخش می کند.

اُزُن موجود در جو نیز مقداری از نور فرابنفش را که برای انسان و گیاه مضر است جذب می کند. اثر نورطبیعی و نور و رشد گیاه بر روی گیاهان را از سه جنبه کمیت و کیفیت و مدت تابش مورد مطالعه قرار می دهند:

1. کمیت نور: کمیت یا شدت نور عبارتست از مقدار امواج نورانی که در واحد زمان به واحد سطح می رسد و واحد اندازه گیری آن فوت کندل ( Lux7/10=Foot candle) یا لوکس (Lux) می باشد. در بیشتر نقاط ایران شدت نور به اندازه کافی و گاهی چندین برابر بیشتر از نیاز گیاه است. در روزهای آفتابی ، شدت نور اغلب به 10000 فوت کندل می رسد. شدت نور بر روی پاره ای از اعمال گیاهی از جمله فتوسنتز اثر می گذارد.

2. کیفیت نور: نورهای مختلف کارهای مختلفی در گیاه انجام می دهند، مثلاً گیاه در نور سبز قادر به عمل فتوسنتز نیست در حالیکه نور سرخ و آبی باعث حداکثر عمل فتوسنتز می شوند، یا برای تولید رنگ قرمز در سیب و یا بنفش در بادمجان، نور آبی بنفش لازم است (به همین جهت قسمت زیر کلاهک بادمجان که نور بدان نمی رسد سفید باقی می ماند). اگر روی قسمتی از میوه نارس سیب که هنوز رنگ نگرفته را با موم بپوشانیم (یعنی مانع رسیدن نور به آن قسمت از پوست میوه بشویم) و بر روی موم مطالبی را بنویسیم بطوریکه موم سوراخ دار بشود، پس از یکی دو ماه مطلب نوشته شده، به خط قرمز روی سیب ظاهر خواهد شد. برای گل دادن، گیاهان احتیاج به نور سرخ و فرو سرخ دارند.

3.  طول مدت تابش: مقدار نوری که به نقاط کره زمین تابیده می شود به طول مدت تابش و زاویه تابش بستگی دارد. به علت کرویت زمین، نور خورشید در نقاط مختلف و در ساعات مختلف روز با زوایای مختلفی می تابد. یعنی در استوا بصورت عمودی و در قطب ها کاملاً مورب به زمین تابیده می شود. بنابراین نور خورشید بر حسب زوایه تابش خود، فاصله کمتر یا بیشتری را در جو (اتمسفر) طی می کند و از همین روست که میزان انرژی دریافتی زمین در نقاط مختلف و در فصلهای مختلف فرق می کند. طول مدت تابش و به عبارت دیگر نور گاه بر روی رشد و گل دهی تعداد بسیار زیادی از گیاهان اثر مستقیم دارد که در همین بخش مورد بحث قرار خواهد گرفت.

(سناريوهاي متفاوت براي مريخ):

  دورنماي جست وجوي حيات فرازميني ديگر از آن حوزه علمي- تخيلي يا شکارگران بشقاب پرنده نيست. به جاي اينکه منتظر بيگانگان بمانيم تا به سوي ما بيايند، ما به دنبال آنها مي گرديم.

شايد تمدن هايي پيشرفته از لحاظ فناوري نيابيم، اما مي توانيم به دنبال نشانه هاي فيزيکي و شيميايي فرآيندهاي بنيادي حياتي باشيم، يعني «زيست نشانه ها». اخترشناسان فراي منظومه شمسي، بيش از 200 سياره را کشف کرده اند که به دور ستارگان ديگر مي گردند و به سياره هاي فراخورشيدي مشهور شده اند. گرچه هنوز نتوانسته ايم بگوييم که اين سياره ها ميزبان حيات هستند يا خير، اما اکنون دستيابي به پاسخ اين پرسش تنها وابسته به زمان است. اخترشناسان جولاي گذشته وجود بخار آب در سياره اي فراخورشيدي را با مشاهده عبور نور ستاره از ميان اتمسفر سياره، تاييد کردند.

سازمان هاي فضايي جهان در حال طراحي و ساخت تلسکوپ هاي قدرتمندي هستند که با مشاهده طيف هاي نوري سياره، در سياره هاي شبه زميني به جست وجوي نشانه هاي حيات مي پردازند.
فتوسنتز به خصوص مي تواند زيست نشانه هاي بسيار آشکاري را ايجاد کند. پيدايش فتوسنتز روي يک سياره ديگر چقدر پذيرفتني است؟ بسيار. اين فرآيند در زمين به قدري موفق بود که تقريباً بنياد کل حيات بوده است. گرچه برخي ارگانيسم ها از گرما و متان منفذهاي هيدروترمال غگرما-آبيف اقيانوسي زنده اند  اما اکوسيستم هاي غني روي سطح سياره همگي به نور خورشيد وابسته اند.

زيست نشانه هاي فتوسنتزي ممکن است دو نوع باشد؛ گازهاي اتمسفري که به طور زيستي پديد آمده اند مثل اکسيژن و محصول آن ازن و رنگ هاي سطحي که نشانگر وجود رنگدانه هاي تخصصي مثل کلروفيل سبز هستند. ايده جست وجوي چنين رنگدانه هايي تاريخچه يي طولاني دارد. يک قرن پيش اخترشناسان در پي آن بودند که تيره شدن فصلي مريخ را به رشد گياهان نسبت بدهند. آنها طيف نور بازتابي از سطح را نشانه گياهان سبز مي دانستند.

يک مشکل اين استراتژي براي «اچ جي ولز» نويسنده که در «جنگ دنياها» سناريويي متفاوت در ذهن داشت، آشکار بود؛ «رنگ قلمرو گياهي در مريخ، به جاي سبز (به عنوان يک رنگ غالب) ته رنگي از سرخ روشن است.» اگرچه اکنون مي دانيم که مريخ هيچ گياه سطحي ندارد (تيره شدن ناشي از توفان هاي غبار است)، اما «ولز» اين موضوع را پيشگويي کرد که ممکن است ارگانيسم هاي فتوسنتزي روي سياره يي ديگر سبز نباشند.

 حتي زمين هم در کنار گياهان سبز، ارگانيسم هاي فتوسنتزي متنوعي دارد. برخي از گياهان خشکي برگ هايي قرمز دارند و جلبک هاي زير آب و باکتري هاي فتوسنتزي رنگ هايي رنگين کماني دارند. باکتري هاي ارغواني علاوه بر نور مرئي پرتو فروسرخ خورشيدي را جذب مي کنند.

پس روي سياره يي ديگر چه چيزي غالب است؟ چگونه مي فهميم چه زماني آنها را خواهيم ديد؟ پاسخ ها به اين جزئيات بستگي دارند که چگونه فتوسنتز بيگانه با نور ستاره مادر (متفاوت از نوع خورشيد ما) سازش يافته است؛ نوري که از ميان اتمسفري رخنه مي کند که شايد ترکيبي مشابه اتمسفر زمين نداشته باشد.
 

(زيست نشانه هاي حيات):
 غير از رنگ هاي بازتابي گياهان، اين خصوصيات نيز مي توانند نشانه هاي حيات باشند؛
اکسيژن و آب؛ حتي روي سيارها يي بي جان، نور ستاره مادر با تجزيه بخار آب، به طور طبيعي مقداري اکسيژن در اتمسفر سياره توليد مي کند. اما اين گاز به سرعت پراکنده مي شود. علاوه بر آن در اکسيداسيون سنگ ها و گازهاي آتشفشاني نيز مصرف مي شود. بنابراين اگر يک سياره با آب مايع، اکسيژن فراواني داشته باشد، بايد برخي منابع ديگر اين گاز را توليد کرده باشند. فتوسنتز اکسيژني کانديداي اصلي است.
 ازن؛ پرتو خورشيد، مولکول اکسيژن را در استراتوسفر زمين مي شکند که پس از آن براي تشکيل ازن باز با هم ترکيب مي شوند. علاوه بر آب مايع، ازن يک زيست نشانه قوي است. درحالي که مي توان اکسيژن را در طول موج هاي مرئي تشخيص داد، ازن در طول موج هاي فروسرخ قابل کشف است .که براي برخي تلسکوپ ها آسان تر است.
 متان و اکسيژن يا چرخه هاي فصلي؛ اکسيژن و متان يک ترکيب شيميايي ناجورند که دست يافتن به آن بدون فتوسنتز دشوار است. چرخه فصلي اوج و فرود غلظت متان هم نشانه خوبي براي حيات است. روي يک سياره مرده، سطوح متان تقريباً ثابت است که به تدريج در يک جريان درازمدت با شکست. مولکول ها توسط نور ستاره کاهش مي يابد.
کلريد متيل: اين گاز روي زمين از سوختن گياهان (عمدتاً آتش سوزي جنگل ها) و اثر نور خورشيد روي پلانکتون و کلرين آب دريا به دست مي آيد. اکسيداسيون اين گاز را از بين مي برد. اما پرتو نسبتاً ضعيف استيک ستاره نوع M هم ممکن است توليد مقادير قابل مشاهده اين گاز را ميسر سازد.
اکسيد نيترو : با تجزيه ماده گياهي، نيتروژن به شکل اکسيد نيترو آزاد مي شود. منابع غيرزيستي اين گاز (مثل صاعقه) ناچيز است.

دید کلی
زندگی در روی کره زمین به انرژی حاصل از خورشید وابسته است. فتوسنتز تنها فرایند مهم بیولوژیکی است که می‌تواند از این انرژی استفاده کند. نور. رشد گیاه عمل خورشید را برای گیاهان بازسازی می نماید. علاوه بر این بخش عمده‌ای از منابع انرژی در این سیاره ناشی از فعالیتهای فتوسنتزی انجام شده در این زمان یا در زمانهای گذشته می‌باشد. فعال‌ترین بافت فتوسنتزی گیاهان عالی مزوفیل برگ است.

سلولهای مزوفیل دارای تعداد زیادی کلروپلاست هستند که حاوی رنگدانه‌های سبز ویژه‌ای به نام کلروفیل برای جذب نور می‌باشند. در فتوسنتز انرژی خورشیدی برای اکسیداسیون آب ، آزاد کردن اکسیژن و نیز احیا کردن دی‌اکسید کربن به ترکیبات آلی و در نهایت قند بکار می‌رود. این مجموعه از کارها را واکنشهای نوری فتوسنتز می‌نامند. محصولات نهایی واکنشهای نوری برای ساخت مواد قندی مورد استفاده قرار می‌گیرد که به مرحله ساخت قندها واکنشهای تاریکی فتوسنتز گفته می‌شود. محل انجام واکنشهای نوری و تاریکی در داخل کلروپلاست متفاوت است. 

(رنگدانه‌های فتوسنتزی):

انرژی نور خورشید ابتدا بوسیله رنگدانه‌های نوری گیاهان جذب می‌شود. همه رنگدانه‌هایی که در فتوسنتز فعالیت دارند در کلروپلاست یافت می‌شوند. کلروفیلها و باکترو کلروفیلها که در بعضی از باکتریها یافت می‌شوند رنگدانه‌های رایج موجودات فتوسنتز کننده هستند. البته همه موجودات فتوسنتز کننده دارای مخلوطی از بیش از یک رنگدانه هستند که هر کدام عمل خاصی را انجام می‌دهند. از دیگر رنگدانه‌ها می‌توان به کاروتنوئیدها و گرانتوفیل اشاره کرد.
(کلروپلاست محلی است که در آن فتوسنتز صورت می‌گیرد):
برجسته‌ترین خصوصیت ساختمانی کلروپلاست ، سیستم فشرده غشاهای درونی است که به تیلاکوئید معروف است. کل کلروفیل در این سیستم غشایی که محل واکنش نوری فتوسنتز است قرار گرفته است. واکنشهای احیای کربن یا واکنشهای تاریکی در استروما (ناحیه‌ای از کلروپلاست که بیرون تیلاکوئید قرار گرفته است) صورت می‌گیرند. تیلاکوئیدها خیلی نزدیک به یکدیگر قرار دارند که به تیغه‌های گرانا موسومند.

(مکانیزم جذب نور در گیرنده‌های نوری):
موجودات فتوسنتز کننده دارای دو مرکز نوری متفاوت هستند که پشت سر هم آرایش یافته‌اند و سیستمهای نوری 1 و 2 نامیده می‌شوند. سیستمهای گیرنده در رده‌های مختلف موجودات فتوسنتز کننده تفاوت قابل ملاحظه‌ای دارند. در صورتی که مراکز واکنش حتی در موجوداتی که نسبتا اختلاف دارند یکسان است.

مکانیزمی که از آن طریق انرژی تحریک کننده از کلروفیل به مرکز واکنش می‌رسد، اخیرا به صورت انتقال رزونانس از آن یاد شده است. در این فرایند فوتونها به سادگی از یک مولکول کلروفیل دفع و توسط مولکول دیگر جذب نمی‌شوند. بیشتر انرژی تحریک کننده از طریق فرایند غیر تشعشعی از یک مولکول به مولکول دیگر منتقل می‌شود.

یک مثال مناسب برای درک فرایند انتقال رزونانس ، انتقال انرژی بین دو رشته سیم تنظیم شده (کوک) است. اگر یکی از رشته‌ها ضربه بخورد و درست نزدیک دیگری قرار گیرد رشته تنظیم شده دیگر مقداری انرژی از اولی دریافت نموده و شروع به ارتعاش می‌کند. کار آیی انتقال انرژی بین دو رشته تنظیم شده به فاصله آنها از یکدیگر ، جهت‌گیری نسبی آنها و نیز تواترهای ارتعاشی بستگی دارد که مشابه انتقال انرژی در ترکیبات گیرنده است.

(واکنشهای نوری فتوسنتز):
موجودات فتوسنتز کننده از طریق اکسید کردن آب به مولکول اکسیژن و احیای نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات ،‌ الکترون را به صورت غیر چرخه‌ای منتقل می‌کنند. بخشی از انرژی فوتون از طریق اختلاف PH و اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو طرف غشای فتوسنتزی به صورت انرژی پتانسیل شیمیایی (آدنوزین تری فسفات) ذخیره می‌شود. این ترکیبات پر انرژی انرژی لازم برای احیای کربن در واکنشهای تاریکی فتوسنتز را تامین می‌کنند.

(واکنشهای تاریکی فتوسنتز):
واکنشهایی که باعث احیای دی‌اکسید کربن به کربوهیدرات می‌شوند موجب مصرف نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات و آدنوزین تری فسفات می‌گردند. این واکنشها به واکنشهای تاریکی فتوسنتز معروف هستند زیرا مستقیما به نور نیاز ندارند. مکانیزم انجام این واکنشها در گروههای مختلف گیاهی متفاوت است و میزان بازده حاصل هم متفاوت خواهد بود.

(چشم انداز)
اخیرا در مجامع بین‌المللی بحثهایی راجع به اعتبار پیشگوییهای مربوط به اثر جنگ هسته‌ای بر بیوسفر به میان آمده است. برخی مطالعات پیشگویی می‌کنند که جنگهای هسته‌ای ابرهای عظیمی از گردو غبار را بوجود می‌آورند که قادرند ماهها جلوی تابش خورشید را بگیرند که به این پدیده زمستان هسته‌ای گفته می‌شود. آنچه مسلم است در غیاب خورشید پوششهای طبیعی و گیاهان زراعی از بین خواهند رفت و از هم پاشیدگی زنجیره غذایی نتایج مصیبت باری را به دنبال خواهد داشت. این موارد بر این واقعیت تاکید دارند که فتوسنتز بدون وجود نور ممکن نیست و فرایند فتوسنتز رمز وجود حیات بر روی کره زمین است.

(شناخت محیط رشد:فتوسنتز)
در فرآیند فتوسنتز اندامک(Organell) کلروپلاست که کلروفیل است، انرژی نورانی را گرفته و با کمک آن، ملکول آب را می شکند و تولید انرژی شیمیایی می کند، همین کار انرژی است که در تثبیت گاز انیدرید کربنیک و ساخته شدن قندهای ساده به کار می رود. چنانچه از تعریف پیدا است نور در این عمل، نقش اصلی را به عهده دارد، ولی قسمت اعظم نوری که به گیاه می تابد در عمل فتوسنتز به کار گرفته نمی شود و تنها حدود یک درصد آن صرف این کار می گردد و بقیه مقداری بازتاب و مقداری هم صرف گرم نمودن برگ می شود که به فرآیند فتوسنتز سرعت می بخشد.

عمل فتوسنتز تا حدود 1200 فوت کندل رابطه مستقیمی با شدت نور دارد ولی از آنجا که بویژه در گیاهانی که شاخساره متراکم دارند تنها معدودی از برگ ها در معرض تابش مستقیم آفتاب هستند و بقیه برگها در سایه سایر برگها واقع می شوند، بنابراین نور باید با شدتی بسیار بیش از مقدار لازم به برگها بتابد تا تمام برگها بتوانند از مقدار لازم نور برخوردار شوند. گیاهان مختلف برای عمل فتوسنتز به شدت نورهای گوناگونی نیاز دارند و بر طبق این نیاز گیاهان را می توان به چهار دسته زیر تقسیم کرد.
 

•  گیاهان سایه دوست(Shade plants) (مثل سرخس و فیکوس)
•  گیاهان آفتاب دوست (plants Sun)(مثل داودی و گل سرخ)
•  گیاهان سایه – آفتاب دوست (Partial shade plants)(مثل بگونیا، سیکلامن، حسن یوسف)
•  گیاهان غیر حساس (Light intensity intensitive)(مثل ماگنولیا)

(شناخت نور برای رشد انواع گیاهان):
سیستم های روشنایی باغبانی، اجازه گسترش فصل رشد و ارائه گیاهان با معادل های داخلی نور خورشید را به شما می دهند. این یک مزیت بزرگ برای کسانی است که می خواهند در طول سال گل های طبیعی ، سبزیجات و گیاهان دیگر داشته باشند. نور مصنوعی یک راه عالی برای شروع پرورش گیاهان شما می باشد. 3 نوع اصلی از سیستم های روشنایی باغبانی وجود دارد.

روشنایی HID:
روشنایی HID کارامدترین راه برای تبدیل الکتریسیته به نور است که در دسترس مصرف کننده قرار می گیرد. دو نوع روشنایی HID وجود دارد:

1 - متال هالید (MH):