นักวิทยาศาสตร์รู้ได้อย่างไร? ว่าระบบแสงมี 2 ระบบ

ไอน์สไตน์กล่าวไว้ว่า

"ถ้ามีเวลาให้ 1 ชั่วโมงเพื่อแก้ปัญหา เขาจะใช้เวลา 55 นาทีแรก สำหรับถามคำถาม และใช้อีก 5 นาทีที่เหลือคิดหาทางแก้ปัญหานั้น" --- ไอน์สไตน์

“If I had an hour to solve a problem I'd spend 55 minutes thinking about the problem and 5 minutes thinking about solutions.” --- Albert Einstein

ผมชอบมากเวลาที่มีนักเรียนถามคำถามแปลก ที่มันอาจฟังดูกวนๆ ในตอนแรก แต่ถ้าวิเคราะห์ดูดีๆ มันเป็นคำถามที่ดีมากๆ เช่น "ครูครับ กระบองเพชรเป็นพืชใบเลี้ยงเดี่ยวหรือใบเลี้ยงคู่ ? " หรือ "ครูครับ DNA มีมากกว่า 2 สายได้มั้ย "

และวันนี้ผมก็มาเจออีกคำถามที่น่าสนใจ คำถามมีอยู่ว่า

นักวิทยาศาสตร์รู้ได้อย่างไร? ว่าระบบแสงมี 2 ระบบ

คือมันเริ่มจากมีนักเรียนสงสัยว่า PS-I และ PS-II ที่เรียนกันอยู่เนี่ย นักวิทยาศาสตร์รู้ได้ยังไงว่ามันมี 2 ระบบ ในหนังสือก็ไม่เคยบอกไว้ อยู่ๆ ก็ให้เรียนเลย แล้วบอกมาดื้อๆ เลยว่า ก็มันมี 2 ระบบ ก็ 2 ระบบสิ!!!

ผมเลยจะลองอธิบายให้ฟังว่า ที่มาที่ไปกว่าที่นักวิทยาศาสตร์จะรู้ว่าระบบแสงมี 2 ระบบนั้น เขาทำการทดลองอะไรกันมาบ้าง ถึงได้ข้อสรุปแบบนี้ออกมา

การค้นพบระบบแสง 2 ระบบในพืชและสาหร่ายสีเขียว

เริ่มจากปี ค.ศ. 1954 มีนักวิทยาศาสตร์สองท่าน คือ Emerson และ Lewis ทำการศึกษากระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของสาหร่ายสีเขียว Chlorella โดยให้แสงในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ แก่สาหร่าย และวัดอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง จากปริมาณออกซิเจนที่เกิดขึ้น

ผลการทดลองทำให้ได้กราฟ Action Spectrum ออกมา ดังภาพด้านล่าง

Emerson และ Lewis สรุปผลการทดลองว่า แสงสีน้ำเงิน (ความยาวคลื่น 420-450 นาโนเมตร) และแสงสีแดง (ความยาวคลื่น 640-700 นาโนเมตร) เป็นแสงที่คลอโรฟิลล์ดูดได้ดี และถูกนำไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่าๆ กัน ส่วนในช่วงความยาวคลื่นประมาณ 500 นาโนเมตรการสังเคราะห์ด้วยแสงมีประสิทธิภาพต่ำลง เนื่องจากรงควัตถุที่ดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นนั้นเป็นสารกลุ่มแคโรทีนอยด์

แต่สิ่งที่ Emerson และ Lewis สงสัยก็คือ ทำไมในช่วงแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 680 นาโนเมตรขึ้นไป ถึงให้ปริมาณออกซิเจนออกมาน้อยมากๆ เพราะถ้าดูจากกราฟ จะเห็นว่าสาหร่ายดูดกลืนแสงในช่วง 680 เข้าไปเป็นจำนวนมาก

*** Emerson และ Lewis เรียกปรากฏการณ์ ที่คลอโรฟิลล์ดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวกว่า 680 เข้าไป แต่ไม่สามารถนำพลังงานเหล่านั้นไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพว่า "RED DROP EFFECT" 

Emerson และ Lewis จึงได้ทดลองต่อ เพื่อหาคำตอบว่า ก่อนถึง 680 นาโนเมตร ทำไมพืชหรือสาหร่ายถึงได้ผลิตแก๊สออกซิเจนออกมาได้จำนวนมาก แต่ทำไมหลังจาก 680 นาโนเมตร ถึงผลิตแก๊สออกซิเจนออกมาได้น้อย
โดยรอบนี้ ได้ทำการให้แสงสีแดง ที่ความยาวคลื่นต่างกัน ได้แก่
- แสงสีแดงที่ความยาวคลื่น 650 นาโนเมตร (Red light)
- แสงสีแดงที่ความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร (Far-red light)

ได้ผลการทดลองดังกราฟ ด้านล่าง

ผลการทดลอง พบว่า อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง (วัดจากปริมาณออกซิเจน) จะมีค่ามาก ถ้าให้แสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่า 680 นาโนเมตร (ในปฏิบัติการใช้ 650 นาโนเมตร) และแสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นสูงกว่า 680 นาโนเมตร (ในปฏิบัติการใช้ 700 นาโนเมตร) พร้อมกัน

แต่ถ้าแยกให้เฉพาะแสงสีแดงที่ที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่า 680 นาโนเมตร (ในปฏิบัติการใช้ 650 นาโนเมตร) หรือ แสงสีแดงที่มีความยาวคลื่นสูงกว่า 680 นาโนเมตร (ในปฏิบัติการใช้ 700 นาโนเมตร)  อย่างใดอย่างหนึ่ง พบว่าอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง (วัดจากปริมาณออกซิเจน) จะมีค่าต่ำ

*** ในภาพเป็นตัวเลขสมมติขึ้นมาเพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้นแต่หลักการถูกต้องแล้ว
ถ้าใช้ 650 นาโนเมตร อย่างเดียว ได้อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง เท่ากับ 5 หน่วย
ถ้าใช้ 700 นาโนเมตร อย่างเดียว ได้อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง เท่ากับ 5 หน่วย
แต่ถ้าใช้ทั้งสองความยาวคลื่นพร้อมกัน จะได้อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง เท่ากับ 20 หน่วย

*** ปรากฏการณ์ที่แสงความยาวคลื่นสั้น สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์ด้วยแสงให้กับแสงช่วงคลื่นยาวได้ เรียกว่า "ENHANCEMENT EFFECT"

Emerson และ Lewis ได้อภิปรายผลการทดลอง และเสนอสมมติฐานว่า
กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ในขั้นตอนที่ผลิตแก๊สออกซิเจน ประกอบด้วยปฏิกิริยาที่ใช้แสง 2 ระบบ
ระบบแรก ประกอบด้วยรงควัตถุคือคลอโรฟิลล์ A เป็นหลัก และดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ยาวกว่า 680 นาโนเมตรได้ดี
*** ซึ่งต่อมานักวิทยาศาสตร์เรียกระบบแสงนี้ว่า PS I หรือ  P700

ระบบที่สอง ประกอบด้วยรงควัตถุเสริมอื่นๆ เป็นหลัก ไม่ใช่คลอโรฟิลล์ A  และดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่นที่ต่ำกว่า 680 นาโนเมตรได้ดี
*** ซึ่งต่อมานักวิทยาศาสตร์เรียกระบบแสงนี้ว่า PS II หรือ  P680

ซึ่งทั้งสองระบบจะต้องทำงานเสริมกัน ถ้าแยกกันทำงานจะทำให้อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงต่ำ (ผลิตแก๊สออกซิเจนได้น้อย)

ทำงานเสริมกัน แต่เสริมกันยังไงหล่ะ ???

สมมติฐานได้รับการพิสูจน์

ในปี ค.ศ. 1961 นักวิทยาศาสตร์ชื่อ Duysens ได้ทำการทดลอง ผลของแสงช่วงคลื่นยาว (Far-red light) ความยาว 700 นาโนเมตร กับแสงช่วงคลื่นสั้น (Green light) ความยาวคลื่น 550 นาโนเมตร ต่อสภาพออกซิเดชั่นของไซโตโครม ในสาหร่ายสีแดง

นิยามศัพท์เฉพาะ
- ไซโตโครม คือโปรตีนที่เป็นตัวกลางในการถ่ายทอดอิเล็กตรอนระหว่าง PS II และ PS I
- ออกซิเดชัน คือ ปฏิกิริยาการเสียอิเล็กตรอนของโมเลกุลใดโมเลกุลหนึ่ง
- รีดักชัน คือ ปฏิกิริยาการได้รับอิเล็กตรอนของโมเลกุลใดโมเลกุลหนึ่ง

ผลการทดลองพบว่า
ถ้าให้แสง Far-red light ความยาว 700 นาโนเมตร กับสาหร่ายสีแดง พบว่าไซโตโครมอยู่ในสภาพออกซิไดซ์ (เสียอิเล็กตรอน)  แต่ถ้าให้แสง Green light ความยาวคลื่น 550 นาโนเมตร พบว่าไซโตโครมอยู่ในสภาพรีดิวซ์ (ได้รับอิเล็กตรอน)

แสดงว่าการทำงานของระบบแสงทั้งสองระบบ เริ่มจากแสงความยาวคลื่นต่ำกว่า 680 กระตุ้น PS II ให้เสียอิเล็กตรอนให้กับไซโตโครม และ ไซโตโครมเสียอิเล็กตรอนให้กับ PS I ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นสูงกว่า 680 นาโนเมตร

ถ้าดังภาพด้านล่าง

เรื่องราวทั้งหมดนี้ ถูกนำมาขมวดรวมกัน โดย Robin Hill และ Bendall ทั้งคู่ได้เสนอผังการถ่ายทอดอิเล็กตรอนที่เรียกว่า "Z - SCHEME หรือ Hill and Bendall Scheme"  ซึ่งเป็นสิ่งที่เราเรียนกันอยู่ในปัจจุบัน นั่นเอง

ภาพ Z - SCHEME ที่เสนอโดย Hill และ Bendall ในปี ค.ศ. 1961