הפוטוסינתזה, אותו תהליך שבו הצמחים מפיקים סוכר תוך שימוש
באנרגיית השמש, היא אחד מתהליכי החיים הבסיסיים והקדומים ביותר.
בעוד חלקים אחדים של הפוטוסינתזה מוכרים ומובנים לנו כיום, נותרו
עדיין כמה קטעים בתהליך הזה, שהם בגדר מסתורין.
בדיקות ומחקרים לא מעטים המתחקים אחר שלביו המדויקים של התהליך
הזה, מחייבים קטיפת העלים הנבחנים, והמתתם. רק שיטת מחקר אחת ניתנת
לביצוע ללא גרימת נזק כלשהו לצמחים. שיטה זו מבוססת על בחינת הצמח
באמצעות מערכת ניסיונית חדשנית, היא המערכת הפוטו-אקוסטית. המדענים
החוקרים את הפוטוסינתזה בדרך זו, פשוט מקשיבים לצמחים, במקום
לקצוץ אותם.
מתברר שאם מאותתים אל הצמחים באמצעות הבזקי אור, הם
משיבים באמצעות הבזקי קול, מעין תיפוף טם-טם, שאפשר לפענח את
משמעותו, וכך לנהל "דו-שיח" עם הצמחים, ולקבל מהם מידע מבלי להזיק
להם. כאשר מבזיקים על הצמח אור מאופנן (הבזקים בעלי משך זמן קבוע),
חלק מהאור מוחזר, חלק ממנו משמש את העלה לצורך ביצוע הפוטוסינתזה,
והחלק השלישי נפלט בצורת חום. שני החלקים האחרונים מביאים בשלב
מסוים של מסלוליהם, ליצירת צלילים המאפשרים מעקב אחריהם.
מסלולו של האור הנפלט בצורת חום, מתחיל בפוטון (חלקיק אור)
הנבלע על-ידי מולקולת הכלורופיל שבעלה, פוגע באלקטרון ומתאחד איתו,
כך שהאלקטרון נעשה מעורר, טעון אנרגיה. עכשיו עומדות בפני האלקטרון
המעורר הזה, המבקש לחזור לרמת האנרגיה הרגילה שלו, שלוש אפשרויות
פעולה: הוא יכול לפלוט את הפוטון כפי שהוא (חלקיק אור), הוא יכול
לפלוט אותו כחום, והוא יכול להשתמש באנרגיה הזאת כדי להעביר את
עצמו למולקולה סמוכה.
האלקטרון המעורר ש"בחר" בדרך השנייה, חוזר בהדרגה לרמת האנרגיה
היסודית שלו, כלומר, הוא מאבד אנרגיה, בצורת חום המתפשט מתאי העלה
לעבר החללים הבין-תאיים שבעלה. חללים אלה מכילים אוויר, המתחמם
ומתקרר לסירוגין, עקב קליטת החום המאופנן, תוצאה של הבזקי האור
המאופנן. במלים אחרות, החום המאופנן גורם התפשטות והתכווצות של
האוויר שבחלל הבין-תאי בעלה. הרטיטות האלה יוצרות גל אקוסטי, שהוא,
למעשה, צלילים עדינים ובעלי עוצמה נמוכה מאוד, שאפשר לקולטם באמצעות
מיקרופון המחובר למגבר המגביר את עוצמתם פי 10,000. חיבור של
המערכת הזאת למחשב או לרשם, מאפשר תיאור גרפי של עוצמת הקול וקצבו.
חלק האור המשמש את העלה לצורך ביצוע הפוטוסינתזה, יוצר גם הוא
צלילים. כידוע, חלק מתהליך הפוטוסינתזה מתבטא בפירוק פוטוליתי של
החמצן מהמים. החמצן נפלט מהעלה בסדרה של "נשיפות" מאופננות, שקצבן
נקבע לפי קצב הבזקי האור המאופנן. האזנה לצלילי הנשיפות האלה ומדידת
עוצמתן וקצבן, עשויה ללמד על הדרך שבה מתבצע פירוק המים בעלה (תהליך
שכדי לבצע אותו בעצמנו, אנו נזקקים כיום להשקעת אנרגיה רבה). חלק
זה של תהליך הפוטוסינתזה עדיין לא מובן לנו, ופיענוחו עשוי להביא
לגילוי דרכים חדשות להפקת אנרגיה.
מדובר בתהליך שנמשך אלפית שנייה בלבד, שכדי לחקור אותו, באמצעות המערכת
הפוטו-קוסטית, מקרינים החוקרים על הצמחים אור מאופנן בתדירות של 20 הרץ
(הבזקים בשנייה). בשלב זה הם מודדים את העוצמה המשותפת של שני הצלילים
המופקים על-ידי העלה: נשיפות החמצן ו"תיפוף הטם-טם" הנגרם כתוצאה מפליטת
חום מאופנן המתבטא בהתפשטות והתכווצות האוויר שבתוך העלה.
לאחר מכן, מעלים את תדירות האור ל-400 הרץ (400 הבזקים
בשנייה). בשלב זה נקלטים במיקרופונים רק צלילי ה"טם-טם" של התפשטות
החום. פליטת החמצן היא אטית ואינה יכולה להגיב על אור מאופנן בקצב
מהיר כל כך. עכשיו, כדי לחקור את יעילות תהליך הפוטוסינתזה,
מוסיפים לאור המאופנן אור רקע קבוע, הגורם רוויה של תהליך
הפוטוסינתזה, כך שהרוב המוחלט של אנרגיית האור המאופנן תתבטא
ביצירת חום בכמות מירבית, כלומר, ב"תיפוף טם-טם" רב עוצמה.
כיבוי האור הרציף תוך המשך הבזקת האור המאופנן, תביא בשלב זה
להחלשת "תיפוף הטם-טם", כיוון שחלק מהאור המאופנן מופנה כעת לביצוע
הפוטוסינתזה, המתבטאת, בין השאר, בפירוק מים למרכיביהם תוך פליטת
החמצן. אמנם, בקצב איפנון זה (400 הרץ), אי-אפשר לשמוע את פליטת
החמצן, אבל הבדלי העוצמה של "תיפוף הטם-טם", בין השלב שבו מקרינים
על הצמח אור מאופנן יחד עם אור רציף, לבין השלב שבו מבזיקים עליו
אור מאופנן בלבד, עשויים ללמד רבות על מערכות האור השונות של תהליך
הפוטוסינתזה, ועל יעילות התהליך כולו.הפרש גדול בעוצמת "תיפוף
הטם-טם" בין שני מצבי האור האלה, מלמד על יעילות גדולה של תהליך
הפוטוסינתזה בצמח הנבחן. הפרש קטן, משמעותו יעילות נמוכה של
פוטוסינתזה, והפרש אפס – משמעותו מות הצמח.
כך אפשר למדוד את היעילות שבה מתבצעת הפוטוסינתזה בצמחים
שונים, בתנאי עקה כמו יובש, קרה, חום רב, אור חזק, סביבה רוויית
מלח, ועוד. אפשר לשנות את אורכי הגל (הצבעים) של האור המאופנן, ואז
לבחון ולגלות, איזה צבע אור מסייע יותר וחיוני יותר לתהליך הפוטוסינתזה.
ההבטחה הגדולה של שיטת המחקר הזאת, נובעת מהעובדה שככל
שמקרינים על הצמח אור מאופנן בתדירויות גבוהות יותר, הדבר מאפשר
מעקב אחר ריאקציות כימיות מהירות יותר המתרחשות בעלה. למשל, המעבר
של האלקטרון המעורר מהכלורופיל למולקולות הסמוכות אליו. המעבר הזה
נעשה בסדר קבוע ובמהירות תגובה יורדת והולכת, ביטוי לאנרגיה הפוחתת
והולכת, שחלק ממנה משמש להפקת "תיפוף הטם-טם" והחלק הנותר משמש
ליצירת חומרים עתירי אנרגיה החיוניים לתהליך שבו הצמח הופך את הפחמן
הדו-חמצני לסוכר.
האלקטרון המעורר נוצר, ברגע שבו הכלורופיל בולע אור שהוא בתחום
אורכי הגל הנראים לעין האנושית. הפוטון הנבלע מביא לפירוק המים בדרך
שכאמור, עדיין אינה ברורה כל צורכה. ידוע שבליעת הפוטון מביאה בדרך
לא ישירה, לנטילת אלקטרון מהמים. כתוצאה מכך, מתפרקים המים, והחמצן
שהיה כלול בהם נפלט אל מחוץ לעלה (ומשמיע קולות נשיפה מאופננים).
מסעו של האלקטרון המעורר מהכלורופיל למולקולה הסמוכה, פיופיטין
(שהוא פיגמנט דומה לכלורופיל), נעשה תוך פיקו-שנייה (מיליארדית
השנייה). מעקב אחר השלב הזה במסעו של האלקטרון המעורר, מחייב הבזקת
אור על הצמח בתדירות של 1,000 גיגה-הרץ (טריליון הבזקים בשנייה).
בשל מגבלות טכניות, מעקב אחר תהליך המתרחש במהירות כזאת, עדיין לא
ניתן לביצוע באמצעות המערכת הפוטו-אקוסטית. מעבר האלקטרון
מהפיופיטין לכינון (מולקולה שומנית דמויית בנזן), נעשה תוך
מיליארדית השנייה. מכאן עובר האלקטרון, לאחר כמה שלבים נוספים,
לאחת ממולקולות הציטוכרומים, בתוך 10 אלפיות השנייה. מעבר המתבצע
במהירות כזאת, ניתן כיום למדידה במערכת פוטו-אקוסטית. מהנתונים
האלה אפשר להיווכח, כי מהירותו של האלקטרון מואטת מאוד כיוון שהוא
מאבד אנרגיה רבה ביצירת החומרים עתירי האנרגיה, ובחימום האוויר
הבין-תאי שבעלה, המתבטא ב"תיפוף הטם-טם".
התהליכים שתוארו עד כאן מתקיימים במה שהחוקרים מכנים "מערכת
ריאקציה פוטוכימית מספר שניים", אבל מתברר שהפוטוסינתזה כוללת
תהליכים נוספים המתחוללים ב"מערכת ריאקציה פוטוכימית מספר אחד".
במערכת זו בולע הכלורופיל אור בגל ארוך מאוד (700 ננומטר), הנמצא
למעשה בתחום האדום הרחוק. זאת בניגוד לאור באורך הגל האדום הקצר
(הנראה), הנבלע על-ידי הכלורופיל במערכת הפוטוכימית השנייה. הפוטון
של האור באורך הגל הארוך, מחמצן את הכלורופיל שבמרכז מערכת מספר
אחד, וכתוצאה ממעבר אלקטרונים בשלבים נוספים אחרים, נוצר בהמשך חומר
מחזר, החיוני לתהליך שבו הצמח הופך פחמן דו-חמצני לסוכר. כזכור,
בתהליך זה, שהוא תכלית הפוטוסינתזה כולה, משתתפים גם החומרים עתירי
האנרגיה, הנוצרים במהלך נדידתו של האלקטרון המעורר ממערכת מספר
שניים למערכת מספר אחד.
שינוי של אורכי הגל המובזקים לעבר הצמח, ומדידת השינויים ב"תיפוף הטם-טם"
שהוא משגר בתגובה, עשויים ללמד רבות על הבדלי התהליכים שבין מערכות
הריאקציה הפוטוכימיות מספר אחד ושניים, ועל הקשר ביניהן. שינוי באורך הזמן
של האור המאופנן, עשוי לאפשר בחינה של קטעים קטנים ומהירים בתהליך
הפוטוסינתזה, כך שאפשר יהיה לגלות, למשל, באיזו נקודה בדיוק נמצא אתר הרגיש
ליובש. לאחר מכן, אפשר לגלות איזה גן אחראי לתכונה זו, ואז, לשנות אותו כך
שהיובש יתחיל להיווצר בתנאים שונים, למשל בעת מחסור גדול בהרבה במים, לעומת
שיעור המחסור שבו היה נוצר יובש באופן טבעי. כך אפשר להגדיל את
עמידות הצמחים ביובש, בקרה ובתנאי עקה שונים.
במחקרים מתקדמים יותר, משתמשים המדענים במבזק אור המפיק פרץ אור
אחד ויחיד הנמשך מיליונית שנייה בלבד. כמות אור כזאת הנבלעת על-ידי
מולקולת הכלורופיל, מספיקה לשחרור של אלקטרון אחד בלבד ממולקולת
המים (כדי לשחרר מולקולה אחת של חמצן, יש לפרק שתי מולקולות של מים,
על-ידי לקיחת ארבעה אלקטרונים). בדיקת התגובה של הצמח, ביצירת חמצן,
על הבזקים מהירים וחד-פעמיים כאלה, עשויה לשפוך אור על התהליך שבו
הצמח מפרק את המים למרכיביהם, תהליך שעשוי לספק שיטה להפקה יעילה של
אנרגיה חלופית נקייה וידידותית לסביבה.
