เหตุใดพืชเกือบทั้งหมดจึงมีใบสีเขียว

สุขสันต์วันศุกร์ที่ 5 ตุลาคม 2561 ครับ เลือกคำถามนี้สำหรับวันศุกร์ จะได้เป็นวันที่สดชื่น และสดใสครับ คำตอบนี้จะว่าง่ายก็ง่าย หลายคนบอกว่ากี่ยวกับคลอโรฟิลล์(chlorophyll) ที่พืชต้องมีเพื่อสังเคราะห์แสง เพื่อสร้างอาหารให้แก่พืช นั่นเป็นความรู้ตอนชั้นมัธยมต้น และมัธยมปลาย ขออนุญาตให้อาจารย์กุ๊ก อาจารย์ทางฟิสิกส์ ทางวิศวกรรมศาสตร์ มาร่วมโรงกับเรื่องราวทางชีววิทยากันบ้าง ว่าแล้วมาดูรายละเอียดกันครับ


พืชสีเขียวปรากฏเป็นสีเขียวเนื่องจากมีเม็ดสีที่เรียกกันว่าคลอโรฟิลล์(chlorophyll)ซึ่งส่วนใหญ่ดูดซับความยาวคลื่นสีน้ำเงินและสีแดงของสเปกตรัมของแสงที่มองเห็น(visible light) แต่สะท้อนส่วนของความยาวคลื่นสีเขียว และแสงสีเขียวนี้เองที่เข้าสู่ดวงตาของเรา กระทบต่อเรตินาที่มีความไวต่อแสง มีเซลล์เป็นรูปกรวย และเมื่อถูกกระตุ้น จะส่งสัญญาณไปยังสมองของเราเพื่อแปลความหมายข้อมูลให้เป็นสีเขียว ดังนั้นจึงสามารถระบุได้ว่าสีของวัตถุขึ้นอยู่กับสีที่สะท้อน(หรือส่ออกง)กลับไปที่ดวงตาของเรา (ในทางเทคนิค ความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ไม่มีสี สีถูกสร้างขึ้นในสมองหรือประสาทของเราครับ)
คนส่วนใหญ่เป็น trichromats คือดำเนินเซลล์รูปกรวยด้วยกัน 3 ประเภท ที่มีความไวต่อแสงสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน ชื่อ L M และ S ตามลำดับ กรวยแต่ละชิ้นช่วยให้เราแยกแยะความแตกต่างสีได้ประมาณ 100 เฉดสี ดังนั้นจำนวนรวมของชุดค่าผสมสีทั้งหมดจะมีอย่างน้อยหนึ่งล้านรายการ สีถูกกำหนดโดยสมองของเราที่ตีความอัตราส่วนที่แตกต่างกันของสีทั้ง 3 เหล่านี้ครับ


ไม่ใช่มนุษย์ทุกคนหรือสัตว์ทั้งหมดรับรู้สีในลักษณะเดียวกัน Dichromats เช่น สุนัข มีเซลล์กรวยสองประเภท และสามารถแยกแยะสีฟ้าและสีเหลือง แต่ไม่สามารถแยกแยะสีแดงและสีเขียวได้ การมองเห็นสีของพวกเขานี้คล้ายกับคนตาบอดสี ที่มีเซลล์กรวยเพียงสองเซลล์ทำงานอยู่ เนื่องจากการขาดหรือความผิดปกติของ เซลล์รูปกรวยประเภทที่ 3 ครับ มนุษย์ทุกคนที่เป็นคนตาบอดสีจะบอดสีไม่เหมือนกัน เนื่องจากมีการผสมสีโดยเซลล์รูปกรวยที่แตกต่างกันมี(หรือไม่มีเลย) และไม่สามารถมองเห็นสีที่แตกต่างกัน ส่งผลให้รับรู้สเปกตรัมสีแตกต่างกันไป


สัตว์บางชนิดเป็นประเภท tetrachromatic และสามารถแยกแยะความยาวคลื่นแสงหลักได้ 4 ความยาวคลื่น ตัวอย่างเช่น นกสามารถมองเห็นแสงอัลตราไวโอเลต ซึ่งอยู่นอกเหนือสเปกตรัมแสงที่มนุษย์มองเห็นได้ (ที่น่าสนใจคือมนุษย์ที่มี Aphakia สามารถมองเห็นรังสีอัลตราไวโอเลตได้ เนื่องจากเลนส์ของพวกเขาถูกถอดออกโดยศัลยกรรม ส่วนเราที่เหลืออยู่ เลนส์ของเราจะบดบังแสงนี้)


ผู้หญิงบางคนเป็น tetrachromatic เนื่องจากมีเซลล์รูปกรวยด้วยกัน 4 ประเภท ช่วยให้มองเห็นร้อยล้านสี เซลล์รูปกรวยพิเศษมีต้นกำเนิดมาจากตาบอดสีของบิดา ที่มีเซลล์กรวยสองเซลล์ที่ทำงานและมีการกลายพันธุ์หนึ่งเซลล์ เซลล์กลายพันธุ์นี้ถูกส่งผ่านไปยังลูกสาวทำให้มีเซลล์รูปกรวย 4 เซลล์ครับ อาจเป็นไปได้ว่า tetrachromats ต้องฝึกฝนตัวเองเพื่อดูชุดของสีต่างๆ เนื่องจากโลกธรรมชาติ จะไม่มีสีสันที่หลากหลายสำหรับสมองที่จะเรียนรู้การใช้กรวยที่สี่นี้ เมื่อเป็นเช่นนี้อาจเป็นไปได้ว่าคนส่วนใหญ่ดำเนินชีวิตโดยไม่ตระหนักถึงศักยภาพนี้ที่มีอยู่ของตน
ดังนั้น tetrachromats ทั้งมนุษย์และที่ไม่ใช่มนุษย์สามารถแยกแยะสีเฉดสีเขียวอื่นๆ มากกว่าเราที่เหลือจะทำได้ และสีพืชอาจปรากฏแตกต่างกันอย่างมาก สำหรับสัตว์ เช่นนก สิ่งนี้อาจเป็นประโยชน์มากสำหรับการแยกแยะระหว่างพืช เพื่อหาแหล่งอาหารหรือที่พักพิง สำหรับส่วนที่เหลือของเรา การมองเห็น trichromatic ของเรามีประโยชน์อย่างมากในการช่วยให้เราระบุได้อย่างรวดเร็วระหว่างโอกาสดี และแหล่งที่มาของอันตราย เช่นเมื่อใดผลไม้สุก
พืชจำเป็นต้องดูดซับแสงเพื่อที่จะสังเคราะห์แสง เพื่อผลิตกลูโคสซึ่งสามารถนำมาใช้เพื่อการเผาผลาญและการเจริญเติบโตหรือเก็บไว้เป็นแป้งได้ การสังเคราะห์แสงเป็นปฏิกิริยาเคมีที่ส่งผลต่อแสงแดดน้ำและก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และส่งผลให้เกิดน้ำตาลและออกซิเจน เป็นกระบวนการสองขั้นตอน ประกอบด้วยปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงและไม่ขึ้นกับแสง ปฏิกริยาที่ขึ้นกับแสง แสงแดดมีบทบาทสำคัญโดยการให้พลังงานแก่คลอโรฟิลล์เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาทางเคมีที่ซับซ้อน


สำหรับพืชสีเขียว มีคลอโรฟิลล์ด้วยกัน 2 ประเภท คือ คลอโรฟิลล์ a และคลอโรฟิลล์ b ทั้งสองดูดซับเสป็คตรัมแสงที่ต่างกัน ทั้งสองช่วยกันดูดแสง โดย a ดูดแสงสีแดงมากกว่า และ b ดูแสงสีน้ำเงินมากกว่า ทำให้พืชสามารถตอบสนองความต้องการพลังงานได้
อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ใช่เรื่องราวทั้งหมด คลอโรฟิลล์ที่เป็นส่วนหนึ่งของพืชไม่เคยอยู่โดดเดี่ยว แต่ถูกล้อมไว้กับโมเลกุลที่มีอิทธิพลต่อสิ่งที่ดูดซับ และเป็นพืชดังกล่าวนี้ดูดซับแสงสีเขียวประมาณ 70% ครับ


ยังมีสีอื่นๆ(เม็ดสีเสริม) ภายในพืชสีเขียวที่มีบทบาทในการสังเคราะห์แสง(photosynthesis) เช่น carotenoids ที่ส่วนใหญ่แล้วดูดซับแสงสีเขียวและสีฟ้า แต่สะท้อนแสงสีเหลือง, สีส้ม และสีแดง สีเหล่านี้เองที่ให้พืชหลายชนิด 'ให้สีฤดูใบไม้ร่วง และให้สัญญาณว่าผลไม้สุก เมื่อปริมาณคลอโรฟิลลดลง เม็ดสีเสริมเหล่านี้เป็นประโยชน์ เนื่องจากช่วยให้พืชสามารถจับพลังงานของดวงอาทิตย์ได้มากขึ้น โดยการขยายการดูดกลืนเสป็คตรัมแสงที่กว้างขึ้นครับ
แล้วเกี่ยวกับพืชที่ไม่เป็นสีเขียวล่ะ ในขณะที่พืชทั้งหมดที่มีการสังเคราะห์แสงมีคลอโรฟิลล์ a จะมีประเภทเม็ดสีเสริมที่แตกต่างกันไป ตัวอย่างเช่น พืชสีม่วงแดงจำนวนมาก มีเม็ดสีแอนโธไซยานิน(anthocyanin) มากมายที่ทำหน้าที่ปกคลุมสารสีคลอโรฟิลล์สีเขียว
แล้วเหตุใดพืชจึงใช้แสงสีแดงและสีน้ำเงินมากกว่าสีเขียวล่ะ และทำไมไม่ดูดซับแสงที่มองเห็นได้ทั้งหมด (แล้วะจะมองเห็นพืชเป็นสีดำ)


เป็นที่เชื่อกันว่าพืชในปัจจุบันมีวิวัฒนาการมาจากบรรพบุรุษร่วมกัน(green algae สาหร่ายสีเขียว) ที่ใช้คลอโรฟิลล์เพื่อสังเคราะห์แสง เหตุใดไม่มีทางเลือกเม็ดสีเด่นอื่นๆผุดออกมาคือคำถามที่ยังไม่ได้รับคำตอบครับ แม้ว่าจะมีการเสนอสมมติฐานกันหลายข้อ วิวัฒนาการเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการหลายอย่างเช่นการกลายพันธุ์แบบสุ่ม(random mutation) การเลือกแบบสุ่ม(random selection) และการคัดเลือกโดยธรรมชาติ(natural selection) พืชจึงไม่สามารถกำหนดหรือเลือกเม็ดสีที่ดีที่สุดที่จะใช้ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่าเมื่อคลอโรฟิลล์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าทำงานได้ จึงไม่มีทางเลือกเม็ดสีเด่นใหม่ออกมา ทำให้พืชสีเขียวสามารถ แม้ว่าจะมีความเป็นไปได้ที่จะใช้ช่วงแถบความยาวคลื่นแคบ(สีแดงและน้ำเงิน) สำหรับการสังเคราะห์แสงเป็นกลไกที่เหนือกว่า ทำให้สิ่งมีชีวิตในยุคแรกๆ สามารถสร้างสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกันออกไปได้ครับ


ทำไมพืชถึงใช้สเปกตรัมของแสงที่มองเห็นได้สำหรับการสังเคราะห์แสง
โดยทั่วไปพืชดูดซับแสงที่อยู่นอกคลื่นแสงที่มองเห็นได้ปริมาณเล็กน้อย เนื่องจากดวงอาทิตย์
ก่อให้เกิดแสงมากที่สุดในสเปกตรัมของแสงที่มองเห็นได้ และคลอโรฟิลล์ได้พัฒนาขึ้นเพื่อใช้ประโยชน์ ยังมีเหตุผลทางกลอื่นๆ สำหรับเรื่องนี้ แสงที่มองเห็นได้สมบูรณ์แบบ เนื่องจากมีพลังงานเพียงพอโดยไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์ของพืช รังสีอัลตราไวโอเลตเป็นอันตรายและอินฟราเรดมีพลังงานไม่เพียงพอ นอกจากนี้แสงที่มีรังสีอัลตราไวโอเลตจะถูกกั้นโดยชั้นโอโซนครับ

อาจารย์กุ๊ก: ศุกร์ที่ 5 ตุลาคม 2561
ที่มา https://www.facebook.com/ittibhoom