تاثیر نور در آکواریوم مرجانی

نور یکی از منابع اصلی تامین زندگی در سیاره ی ما است. در فرآیند فتوسنتزی، بسیاری از بی مهرگان دریایی برای زندگی به نور نیاز دارند، زوکسانتلا های همزیستی آن ها به نور برای فتوسنتز برای تامین تغذیه ی کافی هم برای استفاده شخصی خود و هم مرجان میزبان نیاز دارند. در این مقاله قصد داریم به بحث و بررسی در خصوص اهمیت نور در آکواریوم مرجانی بپردازیم.

نظریات

شاید هریک از علاقه مندان صخره ای مایل به تامین نور” مناسب” برای مرجان های خود باشند، هم نور مناسب و هم شدت کافی مهم هستند. قبل از این که ما بررسی کنیم که چگونه این “نور مناسب” را پیاده سازی کنیم، ابتدا باید سعی کنیم بفهمیم که موجودات دریایی در محیط طبیعی خود چه نوع نوری می گیرند.

به عنوان نقطه ی شروعمان، توزیع طیفی انرژی خورشیدی را در فیجی در ماه جولای در شکل (1) بررسی می کنیم.

محور افقی نمودار طول موج، به نانومتر و محور عمودی تابش طیفی، به W/m2 نانومتر است. چشم انسان نسبت به تابش در گستره بین تقریباً 400 و 700 نانومتر حساس است، از این رو ما گستره های طول موج کوتاه تر از 400 نانومتر (نور ماوراء بنفش) یا بلندتر از 700 نانومتر (اشعه مادون قرمز) در سیاه و سفید را مشخص کردیم، در حالی که طول موج های قابل رویت همان طور که از طریق چشم ادراک می شوند، تغییر رنگ می دهند.

جدول در شکل (1) از طیف خورشیدی در مرز جو زمین با استفاده از نرم افزار شبیه سازی علمی SMARTS 2.9.5 به دست آمده است.

این شبیه ساز، جذب نور از طریق اجزای مختلف جو و هم چنین نور پراکنده از آسمان به حساب می آید. حال به ما اجازه بدهید سعی کنیم بفهمیم چه نوع طیف نوری برای موجودات دریایی در محیط طبیعیشان وجود دارد. ما در تلاش برای ایجاد تنظیم نور ایده آل برای تانک های مرجانیمان، باید سعی کنیم یک توزیع طیفی مشابه در اعماق خاصی در زیر آب ایجاد کنیم.

گونه های مرجانی مختلف در اعماق مختلفی زندگی می کنند: بعضی ها در آب های بسیار کم عمق زندگی می کنند در حالی که مرجان های آب های عمیق، مانند Bathypates spp ها می توانند در اعماق بالای 8000 متر (حدود 5 مایل) یافت شوند. حدود 20% از همه گونه های مرجانی غیرفتوسنتزی هستند و آن ها به هیچ نوری به عنوان منبغ غذایی نیاز ندارند. به هرحال اکثر مرجان ها فتوسنتزی هستند، و این ها گونه هایی هستند که اکثر اوقات در آکواریوم های خانگی نگهداری می شوند. ما باید سعی کنیم بفهمیم که آن ها چه نوع نوری را ترجیح می دهند. نمودار نفوذ نور خورشیدی در آب دریایی را ملاحظه بفرمایید، که بسته به طول موج، توسط موسسه ای برای قابلیت اطمینان و محیط زیست کمیسیون اروپایی نگاشته شده است.

شکل (2)  نفوذ نور در آب دریا، بسته به طول موج

محور افقی طول موج نور، به نانومتر است و محور عمودی، به متر است که در آن شدت طول موج برابر با یک درصد از شدت در سطح است. از این نمودار مشخص است که طول موج های بین تقریباً 370 و 500 نانومتر به بهترین وجه در عمق نفوذ می کنند. به عبارت دیگر، بخش های آبی و بنفش طیف به بهترین وجه در آب دریا نفوذ می کنند، در حالی که نور سبز بسیار بدتر از آن است، نور نارنجی حتی بدتر است و نور قرمز با طول موج های بلندتر از 600 نانومتر تنها قادر به نفوذ در آب های بسیار کم عمق است.

طیف نور روی سطح می تواند به عنوان یک تابع l0(λ) باشد، در حالی که λ طول موج و l0 شدت برای طول موج متناظر در سطح صفر هستند.
از این رو طیف جذب l0(λ) در عمق D می تواند به عنوان D(1) . K(λ). l0(λ) = la(λ) تعیین شود.

در حالی که K(λ) جذب از طریق آب دریایی به عنوان تابع طول موج است.

طیف در عمق D برابر با طیف روی سطح (l0λ) منهای طیف جذب (laλ) خواهد بود:

l (λ) = l0(λ) – la(λ),

یا، با جایگزینی (1) در این عبارت، ما به این نتیجه خواهیم رسید:

l (λ) = l0(λ) . (1 – K(λ) . D) (2)

از این عبارت ما می توانیم نمودار نفوذ نور در آب دریا(dλ) استنباط کنیم:

d(λ)=(1-l(λ) / l0(λ)/ K(λ))(3)

ارائه آن نمودار در شکل 2 براساس این فرض استوار است که شدت نور در عمق مشخص شده برابر با 1% از شدت روی سطح است، به عنوان مثال، (l(λ)= 0,01 . l0λ) ، ما می توانیم (3) را ساده و مختصر کنیم:

d(λ)= 0.99 / K(λ)

این تابع (dλ) نمودار ما از نفوذ نور در آب دریا است، که در شکل 2 با عکس نشان داده می شود. با استفاده از این نمودار ما می توانیم جذب نور در آب دریا را به عنوان یک تابع طول موج (Kλ) تعیین کنیم:

K(λ) = 0.99 / d(λ)(4)

با جایگزینی عبارت (4) در (2) ، ما می توانیم توزیع طیفی نور در یک عمق مشخص D را استنباط کنیم:

L( λ) = l0(λ) . (1 – 0.99 . D / d (λ))(5)

در حالی که (l0λ) طیف نور روی سطح و (dλ) نمودار نفوذ نور در آب دریا است (شکل 2).

با استفاده از عبارت (5) و داده ها و اطلاعات از نمودارها در شکل 1 و 2 ما می توانیم جدول توزیع انرژی نور در برابر طول موج در یک عمق مشخص شده را به دست آوریم. به عنوان یک مثال، در همان نمودار (شکل 3 ) ما توزیع طیفی نسبی نورها در سطح و در اعماق 5 متری (حدود 16.4 پا) و 15 متری (49 پا) را با عکس نشان دادیم.

نکته : متر حداکثر عمقی است که در آن ما هنوز می توانیم تعداد زیادی از مرجان های نورانی در طبیعت را پیدا کنیم. در اعماق زیر 20 متر، تعداد گونه های نورانی به شدت کاهش می یابد.

نمودار آبی کم رنگ به تابش روی سطح، نمودار آبی_ در عمق 5 متری، و آبی تیره_در عمق 15 متری مربوط می شود. توجه داشته باشید که با عمق، قسمت قرمز طیف عملا محو (ناپدید) می شود.

در طول صدها میلیون سال تکامل، ارگانیسم های فتوسنتزی دریایی، با بهترین استفاده از قسمت های آبی و بنفش طیف سازگار شدند، که در محیط آن ها فراوان تر است، و نسبت به طیف قرمز خیلی حساس نیستند (که، در مقابل، به طور فعال تری توسط گیاهان زمینی مورد استفاده قرار می گیرد).

زوکسانتل ها در موجودات فتوسنتزی دریایی جلبک های دریایی پیروپیتای اولیه عمدتاً حاوی رنگدانه های کلروفیل (سبزینه) a و c وکاروتنوئید هستند که جذب شدید و قوی در قسمت سبز_آبی طیف را نشان می دهند. شکل 4 جذب نور از طریق زوکسانتلاها را نشان می دهد.

محور افقی، طول موج در نانومترها، و محور عمودی جذب، در واحدهای اختیاری است. شما می توانید از نمودار ببینید که رنگ های آبی و بنفش به شدت بر قرمز غلبه می کنند (توجه داشته باشید که برای طیف قرمز، گستره ی 660-680 نانومتر متمایز و قابل ترجیح است).

نتیجه گیری اصلی ما از بالا این است که نور آبی و بنفش برای ارگانیسم های فتوسنتزی دریایی از همه مهم تر هستند.

با دانستن آن چه که به طور طبیعی در مرجان ها از طیف رنگ موجود است، ما مساله ی مهم بعدی را بررسی خواهیم کرد: چگونه تابش از طریق گستره های طیفی متفاوت حالت رنگ پذیری مرجان ها را تحت تاثیر قرار می دهد؟
قبل از این که تاثیر طیف نور بر حالت رنگ پذیری مرجان ها را بررسی کنیم من می خواهم اشاره کنم که حتی حالت رنگ پذیری مرجان مشابه ممکن است بسته به شرایط به طول قابل توجهی تغییر کند. متاسفانه فراهم ساختن شرایط دقیقاً مشابه برای مرجان ها، حتی در آکواریوم مشابه بسیار دشوار است و این حتی برای دو مخزن مختلف دشوارتر است. بدون فراهم سازی شرایط مناسب برای مرجان ها، سایر تلاش ها برای بهبود حالت رنگ پذیری، از جمله تنظیمات طیف نور بیهوده خواهد بود.
نگهدارندگان باتجربه آکواریوم های مرجانی به خوبی می دانند که حالت رنگ پذیری مرجان مشابه در شرایط مختلف چقدر می تواند متغیر باشد. سه عامل اصلی وجود دارند که آن را بیشتر از همه تحت تاثیر قرار می دهند: شدت و طیف نور، مقدار غذای موجود در آب (اگرچه پلیپ های مرجان بخش قابل توجهی از انرژیشان را از زوکسانتلاها دریافت می کنند، ولی آن ها هم چنین قادر به گرفتن ذرات غذا از ستون آب هستند)، و از خلوص و تمیزی آب. کنترل این آخرین عامل از همه آسان تر است: تکنیک هایی برای حفظ آب تازه در آکواریوم های مرجانی به خوبی شناخته شده اند. دومین عامل، هم چنین، از آن جایی تعدادی از مواد غذایی مرجانی آماده و باکیفیت در بازار موجود است می تواند به آسانی حل شود. به طور هم زمان بسیاری از آکواریوم داران معتقدند که، اگر ماهی های زنده در آکواریوم مرجانی وجود داشته باشند، مرجان ها از ذرات ریزی که در اطراف از تغذیه ماهی شناور هستند، غذای کافی به دست خواهند آورد.
نور آخرین عامل مهم مورد نیاز برای سلامتی و حالت رنگ پذیری خوب مرجان ها است، و هنوز در نگهداری مرجان ها به اندازه کافی مورد مطالعه قرار نگرفته است.

به هرحال وضعیت بسیار پیچیده است، چون که مرجان ها می توانند بسیار متغیر باشند، و حتی گونه های مشابه ممکن است حاوی کروموپروتئین های متفاوتی باشند (پروتئین های مسئول حالت رنگ پذیری) نوع و مقدار آن ها هم چنین به طور ژنتیکی در روشی مشابه، همان طور که می گویند، رنگ چشمان انسان هاست مشخص می شوند. بسیاری از این پروتئین ها دارای تشعشع هستند، مثلاً، آن ها نور با طول موج خاصی را جذب می کنند و طول موج مختلفی می تابانند.

شکل5 چهار نمونه از گونه های مشابه، آکروپورا میداپورا، که دارای کروموپروتئین های مختلف غالب هستند، را نشان می دهد.

فلورسنت نه تنها در مرجان های سخت بلکه، به عنوان مثال، حتی در پولیپ های زوانتیدی و پالیتویا مشهود است که با نور به اصطلاح کوتاه مدت فعال تابیده شده با حالت رنگ پذیری روشن تری در معرض نمایش قرار می گیرند.
فلورسنت مرجانی بسیار زیبا است ولی مشاهده ی آن همیشه آسان نیست. نگاهی به تابع نور (جدول حساسیت طیفی) چشم انسان بیندازید (شکل 6). عنصر حساس نور چشم از طریق دو نوع سلول نشان داده می شود، به اصطلاح مخروط ها و میله های شبکیه. اولی مسئول تمایز بین رنگ ها و دومی تن های خاکستری است. مخروط ها در طول روز، میله ها در طول شب بهتر کار می کنند. این مثل را به یاد بیاورید که “همه گربه ها در تاریکی خاکستری هستند.” این فقط به این خاطر است که ما عمدتاً با میله ها در تاریکی به جای مخروط ها می بینیم. میله ها بین رنگ ها تمایزی قائل نمی شوند: آن ها تنها درخشندگی و روشنایی نسبی یک شئ را حس می کنند. میله ها در قسمت سبز زمردی طیف، با طول موج تقریبا 510 نانومتر از همه حساس تر هستند البته، هنگام مشاهده از طریق میله ها، این نور تنها به عنوان یک سایه  روشن تر خاکستری به جای سبز ادراک می شود.
سه نوع سلول در مخروط ها وجود دارند، که هر کدام از آن ها به بخش خاصی از طیف حساس هستند. مخروط های نوع S به رنگ های آبی و بنفش (S مخفف طول موج های کوتاه است) و نوع M به رنگ های سبز و زرد (طول موج های متوسط) و نوع L به رنگ های قرمز و نارنجی (طول موج های بلند) حساس هستند. این سه نوع مخروط (همراه با میله هایی که در قسمت سبز زمردی طیف حساس هستند) مسئول دید رنگ در انسان ها هستند. میله ها حاوی یک رنگدانه ی حساس به رنگ، روسپین هستند و مشخصه طیفی آن ها به شرایط نورپردازی بستگی دارد. برای نور ضعیف، حداکثر جذب ردوسپین حدود 510 نانومتر (طیف آسمان در هنگام گرگ و میش) است. و بنابراین میله ها وقتی که رنگ ها به سختی قابل تمایز هستند مسئول دید گرگ و میش (دید تاریکی) هستند. در سطوح بالاتر نورپردازی ردوسپین، عکس سفید می شود، و حساسیت آن کاهش می یابد، در حالی که حداکثر جذب به منطقه ی آبی منتقل می گردد. در نتیجه، زیر نور کافی، چشم انسان می تواند از میله ها به عنوان یک موج یاب نور با طول موج کوتاه (نور مادون قرمز) (آبی) استفاده کند. سلول های S در گستره 400-500 نانومتر با حداکثر در 420-440 نانومتر حساس هستند. سلول های M در گستره ی 460-630 نانومتر با حداکثر در 534-555 نانومتر حساس هستند. سلول های L در گستره ی 500-700 نانومتر با حداکثر در 564-580 نانومتر حساس هستند. گستره های حساسیت مخروط ها با طول موج متوسط و بلند گسترده و متداخل (دارای اشتراک و هم پوشی) هستند. بنابراین این که تصور کنیم که انواع مخروط های خاصی تنها به رنگ های خاصی واکنش نشان می دهند اشتباه است آن ها تنها به طور فعال تری به رنگ های خاصی نسبت به سایر رنگ ها واکنش نشان می دهند. چشم انسان در محدوده ای که حساسیت های مخروط های نوع L و M اضافه می شوند (به وجود می آیند)، در 555 نانومتر (نور سبز-زرد) از همه حساس تر است. عملکرد حساسیت طیفی کلی گیرنده های چشم انسان در شکل (6) نشان داده می شود.