Varför är ljuset nödvändigt för allt liv?
Översättning av Kimmo Pietiläinens artikel i tidningen Aamulehti den 6 oktober 1996
Om hösten kan man se hur ljuset inverkar på livet. Den annalkande vintern med sitt mörker för med sig köld och mindre ljus. Bristen på ljus gör att den yppiga växtligheten dör ut och skapar även betydande svårigheter för djuren. Ljuset är nödvändigt för allt liv.Men vilken egenskap hos ljuset är det som gör att det intar en så central roll? Vilken funktion har ljuset i livsprocesserna?
Biologerna lär oss att allt liv på Jorden i sista hand beror på den energi som Solen ger. Den består av många olika slag av elektromagnetisk strålning, t ex röntgenstrålning, ultraviolett strålning, synligt ljus, infraröd strålning samt långtidsstrålning. Solljuset är ett komplicerat spektrum av olika energiformer.
Atmosfären filtrerar bort största delen av denna strålning. Den är som en sköld som skyddar oss mot den röntgenstrålning och ultravioletta strålning som finns i nedre delen av atmosfären och är farlig för vävnaderna. Däremot släpper den igenom det ljus som är så viktigt för organismerna och livets fortbestånd.
Det är tack vare ljuset som växterna assimilerar och växer, och andra organismer utnyttjar den energi som finns lagrad i växterna. Ljuset får växterna att avdunsta vatten. Vattnet återvänder till jorden i form av regn och av de strömmar som bildas producerar vi energi i våra vattenkraftverk. En del av växtvävnaderna hamnade en gång i tiden i Jordens innandöme, där de destillerades till olja och stenkol. Människan har även tagit denna form av lagrad ljusenergi i bruk. Men detta är bara följderna av det centrala samspelet mellan ljuset och livet. Vad gör ljuset på den lägsta nivån av liv?
Livet består av atomer och molekyler som bildas av dessa. De gäller alltså att komma underfund med ljusets betydelse på molekylnivå. Hur inverkar ljuset på molekylerna? Detta är ett renodlat fysikaliskt problem och fysikerna ger ett entydigt svar på det. En populär beskrivning av ljuset koncentrerar sig på dess vågbeskaffenhet. Ljuset är en våg, men det har också en partikelegenskap som fysikerna väl känner till. Ljuset beter sig som en partikel och en ljuspartikel kallas en foton.
Foton är egentligen ett energipaket som går in i atomerna och molekylerna och alltid kommer hel ut igen. Ljuset innehåller inga fragment av foton d v s delvis förbrukade energipaket. Det ljus som kommer från solen absorberas eller upptas i sin helhet av en molekyl. Genom att detaljerat undersöka hur det går till kommer man underfund med ljusets betydelse för allt liv.
Jag tar vattnet som exempel och räknar ut hur absorptionen av foton i rött ljus inverkar på vattenmolekylens energibalans. Det blir ännu starkare effekter för blått ljus. Den genomsnittliga rörelseenergin - värmen - för en normal vattenmolekyl är ungefär 6x10-21 joule i mitt vardagsrum. En miljontedel av energin i en foton i rött ljus som har en våglängd på 0,680 meter är 3x10-19 joule, vilket är femtio gånger högre än värmeenergin i en molekyl. Detta betyder att absortionen av en sådan foton ökar vattenmolekylens energi femtiofalt. Det är ett rejält skutt uppåt och öppnar helt andra möjligheter för molekylen än energin i rumstemperatur.
Under normala förhållanden är det ytterst sällsynt med ett sådant språng, d v s koncentration av energi. Det är ungefär det närmaste man överhuvudtaget kan komma det omöjliga inom fysiken.Vattenmolekylens värmeenergi kan självfallet femtiodubblas under normala fölrhållanden, det är inget som hindrar det. Man kan t o m räkna ut sannolikheten för det. Den är 2,7x10-33.
Sannolikheten att vinna högsta vinsten på lotto är ungefär en på tio miljoner d v s 107 och det är ofantligt mycket större än det resultat jag kommit till. Denna sannolikhet betyder att endast tre molekyler av 1033 får denna värmeenergi utan att fotonerna har något med det att göra. Denna molekylmängd skulle motsvara ca 30 000 kubikmeter vatten. I rumstemperatur stiger alltså en enda molekyl i 10 000 kubikmeter hav energimässigt till samma nivå som en molekyl som absorberat en röd foton.
Ljusets betydelse baserar sig alltså på dess förmåga att överföra sådana mängder energi till en molekyl som det överhuvudtaget inte vore möjligt att uppnå annars. Ljuset riktar en kolossal energi mot enskilda molekyler. Och hur förhåller sig denna energi till de energimängder som finns i kemiska reaktioner? Svaret på frågan får man när man tittar på elden i en öppen spis. När det brinner i spisen ändras molekylerna och även ljus eller fotoner frigörs. Lågorna är delvis röda. Den energi som finns vid en förbränningsreaktion är av samma slag som i vårt förra exempel.
ATP-molekylen eller adenocintrifosfatmolekylen är den viktigaste transportören av kemisk energi i organismer. I vävnader bryts den med till en ADP-molekyl och samtidigt frigörs omkring 7x10-20 joule energi. Detta är klart högre än energin i molekyler och utifrån mitt räkneexempel kan man dra den slutsatsen att molekylerna inte har så stora energimängder i normala fall. Detta är emellertid den energinivå som styr de kemiska livsfunktionerna i våra vävnader. ATP är kroppens bränsle och den energi som frigörs ur denna är ett livsvillkor. Sönderdelningen av fyra ATP-molekyler motsvarar alltså absorptionen av en röd foton.
Ljusets centrala uppgift är att pumpa in den energi i molekylerna som behövs för att sätta igång och upprätthålla kemiska reationer. De fotoner som absorberas av vatten och andra molekyler som medverkar vid assimileringen i livets biokemiska kretslopp hamnar till slut i ATP, och det är dessa fotoner som håller livsprocesserna i gång. Det är egentligen förvånansvärt att det finns en så klar och i princip enkel förklaring till att ljuset är absolut nödvändigt. Detta betyder dock inte att de reaktioner som upprätthålls av ljuset vore enkla eller på något sätt begränsade.
Ju högre upp man kommer från molekylnivån desto mer komplicerade blir ljusets verkningar. Ljuset påverkar även människans drifter, sinnesstämning och mentala funktioner. Att finna förklaringen till detta i molekylerna ligger åtminstone än så länge inte inom möjligheternas gräns för fysikerna.