A Nap fehér fénye a Földre esik, ahonnan visszaverődik az űrbe. Közelről nézve bolygónk kimondhatatlanul színes világ; a városokat, az őserdőket, a füves pusztákat és a szavannákat tarkára festette az élet - alig találunk néhány egyszínű helyet. Magasból egyszerű kép tárul a szemünk elé. A fehér üveggolyó című kép (lásd a színes melléklet 16. oldalán) szokatlan látószögből, a sarkvidék irányából mutatja a Földet, középen Kelet-Európával és Oroszországgal, a szélei felé pedig az Északi-sarktól a Perzsa-öbölig és Indiáig. Négy szín uralja a képet: az óceánok kékje, a mérsékelt égövi szárazföldek zöldje, a kontinensek belsejében levő sivatagok sárgásbarnája, valamint a felhők és a sarkvidéket borító hó és jég fehér színe. Honnan erednek ezek a színek, és mit árulnak el a Föld felszínén lejátszódó fizikai és biológiai folyamatokról?

NÉGY SZÍN URALJA A KÉPET: AZ ÓCEÁNOK KÉKJE, A MÉRSÉKELT ÉGÖVI SZÁRAZFÖLDEK ZÖLDJE, A KONTINENSEK BELSEJÉBEN LEVŐ SIVATAGOK SÁRGÁSBARNÁJA, VALAMINT A FELHŐK ÉS A SARKVIDÉKET BORÍTÓ HÓ ÉS JÉG FEHÉR SZÍNE.

Izland délnyugati részén húzódik a Thingvellir nevű völgy. Több mint ezer évvel ezelőtt ebben a völgyben ült össze az első viking telepesek parlamentje. Igaz, hogy a parlament 1798-ban elköltözött innen, de a helynek ma is fontos szerepe van az izlandi kultúrában.

Ez a hely szimbolizálja az emberek találkozását; ez az a hely, ahol kicserélhetik és megbeszélhetik az információkat; a kereskedés és a régi barátok találkozásának helyszíne, az a hely, ahol együtt dolgoznak - ami szükséges, bár nem elég a túléléshez egy elszigetelt sziklán. A völgy keskeny, és falai helyenként meredekek, ami arra is lehetőséget kínál a látogatónak, hogy karját kinyújtva szinte egyszerre érintse meg a Föld két jelentős szárazföldi kéregtömegét. Nyugati oldala Észak-Amerikához, keleti oldala pedig Eurázsiához tartozik. A Thingvellir az egyetlen hely, ahol a Közép-Atlanti-hátság a felszínre bukkan és láthatóvá válik - így futó pillantást vethetünk az Atlanti-óceán mélyén hosszában végigfutó geológiai hasadékra. A hasadék jelenleg az Atlanti-óceán északi részén évente 2 centiméterrel tágul, vagyis ilyen sebességgel távolodik egymástól a két kontinens. Ha valaki elcsodálkozott már azon, hogy Dél-Amerika partvonala miért illeszkedik szinte tökéletesen Afrika vele szemközti partvonalához, akkor most megkapta a magyarázatot. A két kontinens 130 000 évvel ezelőtt még összeért, később azonban a Közép-Atlanti-hátság vulkáni tevékenysége eltávolította őket egymástól - a Thingvelliren is keresztülhaladó vetődés mentén új óceáni kéreg keletkezett. Régebben az izlandi parlament a Lögberg (Alacsony szikla, Törvényszikla) nevű sziklakiszögellésen ülésezett, amelyik azonban már régen eltűnt, ahogy a tektonikai mozgás átformálta a tájat. A világnak ezen a részén a geológiai folyamatok gyorsabbak, mint a politikaiak.

A hatalmas völgy egyik részét elöntötte az a kristálytiszta olvadékvíz, amelyik a sziget közepén fekvő Langjökull gleccserből érkezik, miután a tengerpart felé tartva átszivárgott néhány száz kilométernyi vulkanikus kőzeten. A tó vize átlátszó és jéghideg, a könnyűbúvárok világviszonylatban egyik legismertebb merülési helyszíne.

Ez a könyvem egy televíziós sorozat alapján készült. A televíziózás vizuális médium, ezért gyakran előfordul, hogy valamely fizikai elv a képernyőn könnyen szemléltethető, nyomtatásban azonban a legkevésbé sem. Filmünk színekről szóló epizódjában azonban a produkciós csapat nagyszerű módját találta, hogyan szemléltessük, miért kékek az óceánok, ráadásul a módszer mindkét média esetében működik. A forgatás során vízhatlan, vörös búvárruhában nekem kellett lemerülnöm a Silfra-repedésbe (ahogy a búvárok nevezik a képződményt). Úgy gondolom, az élmény leginkább ahhoz hasonlítható, mintha űrsétát tennénk anélkül, hogy feljutnánk a Nemzetközi Űrállomásra, mert nem láttam magam körül a vizet, és amikor az iszap leülepszik, olyan, mintha szabadon lebegnék a hasadék falai között. A szemüvegen át belülről csak a kékséget láttam magam körül, egy zárt világban, de a kékség eredetének kiderítéséhez a piros ruhám vezetett nyomra. A felszínen a ruha élénkpiros volt. Amikor azonban 15 méter mélyre merültem a repedésben, és a vízben még mindig elég világos volt, ott mégis már feketének látszott a ruhám.

A tárgyak színét az határozza meg, ahogyan a fény kölcsönhatásba lép a felületükkel. A répa például azért narancssárga, mert a béta-karotin molekulák szelektíven csak a kék fotonokat nyelik el. Ha a látható színképből elvesszük a kéket, akkor narancssárga marad vissza, és mivel mi a répát a róla visszaverődő fényben látjuk, ezért narancssárgának látszik. Hasonlóképpen, a búvárruhám anyagában található festékszemcsék a vörös kivételével minden más színt elnyeltek. A ruha színe azonban fokozatosan eltűnni látszott, amint egyre mélyebbre merültem a repedésben, mert a vízmolekulák nagyon erősen elnyelik a vörös fényt. Mire elértem a 15 méter körüli mélységet, már alig voltak vörös fotonok a vízfelszínt elérő napfény odáig lejutó részében, amelyek a ruhámról visszaverődve bejuthattak volna a kamera lencséjébe. A vörösön kívüli többi szín viszont akadálytalanul lejutott abba a mélységbe, azokat viszont a ruhám változatlanul elnyelte, ezért egyre feketébbnek látszott, jóllehet az általános megvilágítási viszonyok ezt nem indokolták.

A víz egészen egyedi módon nyeli el a látható fényt. Az 1. fejezetben már említettem, hogy a vízmolekula két hidrogénatomból áll, amelyek egy oxigénatomhoz kapcsolódnak. Ezt a struktúrát az elektronok három atommag körüli eloszlása tartja fenn. Az elektronok a molekulákon belül csak a kvantummechanika törvényeinek megfelelően rendeződhetnek el. Belső átrendeződésükre természetesen van lehetőség a molekula szétszakadása nélkül is, de a különböző elrendeződéseknek az energiája általában eltérő. Ha azt akarjuk, hogy az elektronok elrendeződése a molekulán belül megváltozzék, akkor ehhez a molekulának el kell nyelnie egy fotont, amelyiknek pontosan akkora az energiája, mint a molekula két állapota közti energiakülönbség. Mivel a foton energiája közvetlenül a színétől függ, egy adott molekula csak bizonyos színű fényhullámokat képes elnyelni. Hogy melyeket, azt az elektronjai lehetséges belső elrendeződései, illetve az ezen állapotok energiaszintjei közötti különbségek határozzák meg.

Ez az a folyamat, amelynek lényegében minden test a látható színét köszönheti; a víz azonban más. Ha a vízmolekula elektromágneses sugárzást nyel el, akkor más molekulákhoz hasonlóan, ennek a belsejében is megváltozik az elektronok elrendeződése, de a látható fény tartományának fotonjai nem elég nagy energiájúak ezeknek az átrendeződéseknek a kiváltásához. Ezzel szemben a molekula belsejében az oxigén és a hidrogén atommagjainak egymáshoz képest fellépő rezgéseit elő tudja idézni a kisebb energiájú, infravörös és látható vörös fotonok elnyelése.

A vízmolekulának alapvetően három különböző rezgési módusa lehetséges, amint azt az alábbi ábra szemlélteti, ezeknek viszont rengeteg különböző kombinációja létezik, ezért a víz abszorpciós spektruma rendkívül bonyolult, amint az a következő grafikonról leolvasható. A vibrációk közül nagyon sokat a nagy hullámhosszú infravörös fotonok gerjesztenek, ezt a mechanizmust használjuk ki a mikrohullámú sütőben. Vannak olyan rezgési állapotok is, amelyeket a látható vörös fény gerjeszt, így a víz ezeket a hullámhosszakat elnyeli a folytonos spektrumból.

A H₂0 és a D₂0 abszorpciójának összehasonlítása.

Az ibolyántúli és az infravörös fény számára a víz lényegében átlátszatlan, utóbbi idézi elő az atommagok molekulán belüli rezgéseit. A kettő között azonban van egy völgy, főként a kék és a zöld tartományban, ahol a víz nem különösebben erősen nyeli el a fényt. Ezért látszik a víz „csaknem” átlátszónak. A látható színkép vörös tartományában az abszorpció meredek emelkedése miatt veszítette el színét a piros ruhám. 15 méter mélységben a vízmolekulák rezgései már a Nap vízfelszínen behatoló fényéből a vörös fotonok többségét elnyelték, ezért a búvárruhám felületéről csak néhány tudott visszaverődni. Még mélyebben már csak a kék fény marad, amely inkább szóródik, mintsem elnyelődik.

„MESSZE KINN A GALAXIS NYUGATI SPIRÁLKARJÁNAK SOHA FEL NEM TÉRKÉPEZETT, ISTEN HÁTA MÖGÖTTI ZUGÁBAN TALÁLHATÓ EGY SEHOL SEM JEGYZETT SÁRGA NAP. DURVÁN KILENCVENMILLIÓ MÉRFÖLDRE TŐLE KERING EGY TÖKÉLETESEN JELENTÉKTELEN, KÉKESZÖLD BOLYGÓCSKA, MELYNEK MAJOMTÓL EREDŐ CIVILIZÁCIÓJA OLY DÖBBENETESEN PRIMITÍV, HOGY A KVARCÓRÁT MÉG MINDIG POMPÁS DOLOGNAK TARTJA.” Douglas Adams: Galaxis útikalauz stopposoknak

Ezért kölcsönöznek a nagy víztömegek a bolygójuknak jellegzetes, kékes árnyalatot. Az elektromágneses sugárzás és a Világegyetem első és harmadik leggyakoribb eleméből, a hidrogénből és az oxigénből álló molekulák forgása, bukdácsolása és rezgése miatti érzékeny kölcsönhatás az oka, hogy egy „halványkék pöttyön” élünk.

Rövid kitérőként érdemes megjegyezni, milyen érzékeny a molekulák abszorpciós színképe a molekula alkotórészeinek csekély megváltoztatására. A nehézvíz kémiai szempontból azonos a közönséges vízzel, vagyis a H₂O-val, csak hidrogén helyett deutériumot tartalmaz, vagyis kémiai képlete D₂O. A deutérium a hidrogén izotópja, atommagja a protonon kívül egy neutront is tartalmaz. Ennek nincs hatása az anyag kémiai tulajdonságaira, amelyeket kizárólag az atommagot körülvevő elektronok száma, vagyis a magban lévő protonok száma határoz meg. A neutron fizikai jelenléte azonban észrevehető hatással van az abszorpciós színképre. A rezgési módusok eltolódnak a nagyobb energiák felé, ezért a molekula nem a látható tartomány vörös részébe eső fényt nyeli el, hanem a látható tartományon túli, rövidebb hullámhosszú fotonokat. Ez logikus, hiszen a józan ész is azt diktálja, hogy a nagyobb tömegű molekula megrezgetéséhez több energia szükséges. Következésképpen a látható színképből szinte semmi sem nyelődik el, ezért a nehézvíz még nagy mennyiségben is teljesen színtelen. Ha a Földet D₂O óceánok borítanák, akkor nem kék bolygónk lenne.

A földi égbolt kékségét nem a napfény szelektív abszorpciója okozza, hanem a szelektív (hullámhossztól függő) szórás. A tévés produkciós csoport ezúttal is nagyon tanulságos szemléltetést gondolt ki. 2015. szeptember 28-ának csípősen hűvös reggelén az Egyesült Királyságból teljes holdfogyatkozást lehetett megfigyelni. Átlagosan két és fél évenként a Nap, a Hold és a Föld úgy helyezkedik el, hogy a Föld rövid ideig pontosan a másik két égitest között tartózkodik, ezért árnyékot vet a Hold felszínére. A látvány gyönyörű, viszonylag közismert, és legalább egy része átélhető annak az élménynek, amelyben 2009-ben volt részem, amikor az indiai Varanasiból teljes napfogyatkozásban gyönyörködhettem. Mindkét jelenséget a Naprendszerben mozgó árnyékok adják elő, amelyeket az egymás körül keringő kőgolyók vetnek. Ha ezzel tisztában vagyunk, akkor a fogyatkozások élménye még lenyűgözőbb. Holdfogyatkozáskor jól látható saját égitestünk árnyéka, amely magányosan és sötéten vetül a Holdra. Varanasiban, a Gangesz partján, egy perzselő, édes illatokkal és verejtékkel terhelt júliusi reggelen a hangok milliói csendesedtek el, amikor a Hold árnyéka sötétségbe borította a Ghátok varázslatos vidékét. Hét hosszú évvel később Angliában, sok ezer kilométerrel távolabb, egy spirituális szakadék másik oldalán, miközben arra készültem, hogy egy nyugodalmas angliai lápvidéken felelevenítem korábbi emlékeimet, két „boszorkány” úgy döntött, hogy azzal teszi emlékezetessé az eseményt, hogy eléneklik Walt Disney Jégvarázs című filmjének egyik dalát.

Teljes holdfogyatkozáskor a Föld árnyéka egészen beburkolja a Holdat, ennek ellenére a Hold nem sötétedik el teljesen. Halvány, mélyvörös színben látszik parázslani. A holdfelszín vöröses megvilágítását azok a napsugarak okozzák, amelyeket a Föld légköre a Hold felé térít el. Közönséges körülmények közt a Holdat közvetlenül éri a napsugárzás; felszíne a látható színképen belül a fény legfeljebb 12%-át veri vissza - valamivel kevesebbet ott, ahol az ősi vulkánkitörések és későbbi becsapódások hatására sötét bazalt borította el a „tengereket”, és valamivel többet az anortozitokból álló, világosabb felföldeken. Ha egyetlen szóval kell leírni a holdfény színét, akkor bizonyára fehérként jellemeznénk; színe alig különbözik a napfény színétől. Ez azért van így, mert a Hold kőzetei nagyon demokratikusan verik vissza a napfényt, minden hullámhosszat azonos arányban; a szivárvány fényes színei érik el a felszínét, és a szivárvány halvány színei hagyják el azt. Természetesen szabad szemmel nem láthatók vörös, kék vagy zöld objektumok. Fogyatkozáskor viszont egészen más a megvilágítás. A Föld légköre ilyenkor szűrőként működik, a Nap spektrumából a vöröstől eltérő színek legtöbbjét eltávolítja, csak a tengereket és felföldeket megvilágító vöröses fény jut át a légkörön. Ezért vörösödik el a Hold a fogyatkozások idején.

A Hold felszínének vöröses megvilágítását a Föld légkörén keresztülhaladó és ott a Hold irányába eltérülő napfény okozza.

Ugyanez a fizikai folyamat okozza az alkonyi égbolt vöröses színét. Amikor a Nap már majdnem lenyugszik, vagy akár azt is mondhatjuk, hogy forgása következtében a Föld készül eltakarni előlünk a Napot, akkor a Nap fényének egyre vastagabb levegőrétegen kell áthaladnia, mire a szemünkbe jut. Ezért a látóhatár felé közeledő Nap képe egyre vörösebbé válik, sőt maga az égbolt is kékről vörösesre színeződik. Ha meg akarjuk érteni, pontosan mi történik, akkor tudnunk kell, milyen kölcsönhatás lép fel a különböző energiájú - azaz különböző színű - fotonok és a levegő részecskéi, illetve a Föld légkörében lebegő por és vízpára szemcséi között.

A földi égbolt színének változását és fogyatkozáskor a holdfelszín mélyvörös színét a Rayleigh-szórásnak nevezett jelenség okozza, amely Lord Rayleigh (John William Strutt) brit fizikusról kapta a nevét. A folyamat a fotonok rugalmas szóródásaként írható le a légkörünk legnagyobb részét alkotó oxigén- és nitrogénmolekulákon. Képzeljünk el egymásnak ütköző és visszalökődő biliárdgolyókat. Ez a kép jól megfelel olyankor, ha a beeső fény hullámhossza lényegesen nagyobb a molekulák méreténél, ami a levegőben haladó látható fényre teljesül. A látható fény fotonjainak hullámhossza 400 és 650 nm között van, az oxigén és a nitrogén molekulái ennél több mint ezerszer kisebbek.

Mai nyelven kifejezve Rayleigh formulája azt mondja ki, hogy a foton szóródásának valószínűsége hullámhosszának negyedik hatványával arányos. Ez azt jelenti, hogy a kék fotonok (450 nm) a légkörben megtett útjuk közben több mint háromszor akkora valószínűséggel szóródnak a levegőmolekulákon, mint a vörös fotonok (650 nm). Az ábra megmutatja, hogy a napfény hány százaléka szóródik, amikor a Nap pontosan a fejünk fölött tartózkodik. A kék fotonoknak körülbelül ötöde szóródik, miközben húsz vörös foton közül csak egy térül el a Napot a szemünkkel összekötő egyenestől. Ezért látszik az égbolt kéknek, a Nap pedig sárgás árnyalatúnak. Amikor a Nap közeledik a látóhatár felé, és a fotonoknak hosszabb utat kell megtenniük a levegőben, akkor nő a fotonok szóródásának valószínűsége, mégpedig elsősorban a kék sugarak szóródnak. Ezért válik az égbolt este előbb narancssárgává, majd vörössé, miközben a Nap elhalványuló és egyre vörösebb korongja lebukik a horizont mögé.

A Föld légkörében szóródó napfény százalékos aránya a hullámhossz függvényében, amikor a Nap pontosan a fejünk fölött van.

Az Apollo-űrhajósoknak köszönhetően megnézhetjük, milyennek látszik a Nap, ha a fénye útjában csak alig van, vagy egyáltalán nincs levegő. Az Apollo-12 legénysége 1969. november 19-én készítette azt a felvételt, amelyiken a Nap fehéren ragyog a holdbéli Viharok Óceánja fölött, mert a szivárvány egyik színe sem szóródik a fényéből, az égbolt pedig koromfekete.

Föld körüli pályáról bolygónk légköre alig látható, bár a Nemzetközi Űrállomásról a Föld látszó pereméről készített képeken megrázó látványt nyújt az a vékony, kékes árnyalatú csík, amelyik a világűr vákuumától elválaszt bennünket (lásd a színes melléklet 16. oldalán). A világűrből látható legjellegzetesebb légköri képződmények a fényesen ragyogó, fehér felhők. A felhők azért fehérek, mert olyan apró vízcseppekből állnak, amelyek mérete nagyjából azonos a látható fény hullámhosszával. Ebben az esetben nem érvényesek Rayleigh számításai, az ilyen méretű cseppeknél a domináns folyamat az úgynevezett Mie-szórás, amelyik Gustav Mie német fizikusról kapta a nevét. A levegőmolekuláknál sokkal nagyobb részecskék, amilyenek a vízcseppek, a fényt a hullámhosszától csaknem független valószínűséggel szórják. Ez az egyenletes eltérítés okozza a Föld felhőinek ragyogóan fehér színét.

A fehér felhők alatt, a kék óceánok partján helyezkednek el a szárazföldek. A sarkvidékek fehérek, az egyenlítői övezet poros vörösesbarna, mint a Mars, de A fehér üveggolyón az északi félgömbön a mérsékelt égöv zöld. Mint említettem, ha ránézek erre a képre (lásd a színes melléklet 16. oldalán), elképedek, mennyire zöld Ázsia északi része és Európa. Nem látszanak betonépítmények, mint ahogy az autópályák vagy a városok sem. Nagy-Britannia, Franciaország és Németország területe ugyanúgy zöldell, mint Norvégia és Finnország alacsonyabban fekvő területei, valamint kelet felé Oroszország hatalmas, a földgolyó felét körülölelő síkságai, egészen a Csendes-óceán partjáig. Ezt a zöld gyűrűt Észak-Amerika teszi teljessé, amelynek azonban csak kis része látszik a felhők alatt, a kép felső részén. Ezek azok a területek, ahol bőven van élelem, biztos menedék és eső, mert a zöldet az élet színeként azonosítjuk. De vajon miért zöldek a növények?

Amint az ebben a könyvben feltett oly sok egyszerű kérdés esetében már tapasztaltuk, erre is több, különböző mélységű válasz adható, de a végén az út elvezet a legizgalmasabb válaszhoz, amelyet a kutató kaphat: egyelőre még nem tudjuk. Tudatlanságunknak ez a beismerése egyszerre felvillanyozó és szívfájdító, a legnagyszerűbb és alázatra késztető dolog, mégis kezdjük először azzal, amit tudunk.

A legegyszerűbb válasz szerint a zöld az a szín, amelyet az élet kitermel magából. Ahogy az óceánok kékek, mert a vízmolekuláknak nem akaródzik elnyelni a kék fény fotonjait, ugyanúgy a növények zöldek, mert a minden zöld növényben jelen lévő festékanyag, a klorofill elnyeli a kék és a vörös fény fotonjait, a zöldeket azonban visszaveri, így azok a szemünkbe jutnak. A következő diagram megmutatja a klorofill két leggyakoribb formája, a klorofill-A és a klorofill-B abszorpciós spektrumát. Amint a rajzról leolvasható, a látható spektrumtartomány két szélére cső hullámhosszakat elnyelik, a középső, zöld színnek megfelelő hullámhosszakat viszont érintetlenül hagyják. Ha meg akarjuk érteni, miért van ez így, akkor valamivel többet kell tudnunk a biológia varázslatosan bonyolult folyamatáról, a fotoszintézisről.

A két, egymással közeli rokonságban álló, fotoszintetizáló festékanyag, a klorofill-A és a klorofill-B abszorpciós spektruma.

A biokémikus Szent-Györgyi Albert megjegyzése szerint „az élet nem más, mint egy nyugalmas helyet kereső elektron”. A fotoszintézis az a folyamat, amellyel a növények a Nap energiáját hasznosítva, átrendezik az elektronokat, és napjainkban ez a folyamat alkotja az egész tápláléklánc alapját. Bizonyára emlékeznek még az iskolából a következő alapvető reakcióra:

Szigorú értelemben itt oxigéntermelő fotoszintézisről kell beszélnünk, mert az elektronok forrása a víz, amelynek molekulája széthullik, a folyamat melléktermékeként pedig oxigén kerül a légkörbe. Az elektronokat azonban roppant nehéz leszakítani a vízmolekuláról. Talán elméjük valamelyik zugában a sok haszontalan dolog mellett elraktároztak egy iskolai kísérletet is, a víz elektrolízisét. Ha áramot vezetünk a vízbe, akkor hidrogénre és oxigénre bontható, de ez nem egyszerű, mert a vízmolekula nagyon stabil, a molekulát létrehozó kötés erős. Ha létezne olyan módszer, amelyikkel technikai fejlődésünk mai szintjén hatékonyan fel tudnánk hasítani a vízmolekulákat, akkor a világgazdaság a kőolaj helyett a hidrogénre épülne.

A fotoszintézis nagyon régóta jelen van a Földön, valószínűleg legalább 3,5 milliárd évvel ezelőtt, az ismert legősibb szervezetekben, a cianobaktériumokban jelent meg. Ezekben az ősi életformákban még nem alakult ki a víz bontására szolgáló, korszerű biokémiai mechanizmus, ezért a működésükhöz szükséges elektronokat valószínűleg kevésbé stabil molekulákból, például a fiatal Föld óceánjaiban bőségesen előforduló hidrogén-szulfidból kaparintották meg. A mai növényekhez hasonlóan, bizonyára azok a szervezetek is belekényszerítették a megszerzett elektronokat a szén-dioxidba, hogy az élőlényeket felépítő alapvető molekulák, cukrok jöjjenek létre. Emellett napfény hatására felszabaduló elektronokat felhasználva, ATP molekulákat állítottak elő, amelyek az élet egyetemes energiatárolói. A fejlődés egy bizonyos pontján, legalább 2,5 milliárd évvel ezelőtt új evolúciós találmány született, oxigénfejlesztő (oxigénfelszabadító, vízbontó) enzimkomplex, amely lehetővé tette a szervezetek számára, hogy a hidrogén-szulfid helyett a könnyebben hozzáférhető vízből nyerjék az elektronokat. Kialakult az a Z-sémának nevezett, bonyolult folyamat, amelyik ma minden növényben megtalálható.

A Z-séma az evolúcióbiológia egyik csodája. Egyedül a cukrot előállító része, az úgynevezett I. fotokémiai rendszer (I. fotorendszer, PSI) 46 630 atomból áll. A Z-séma ATP-t előállító részét nevezik II. fotokémiai rendszernek (II. fotorendszer, PSII). Az oxigénfejlesztő komplex struktúrája olyan bonyolult, hogy azt csak 2006-ra sikerült teljes egészében megérteni.

A rendszer működéséhez az energiát a Napból kellő bőségben érkező fotonok biztosítják, a fotonok begyűjtésében pedig elsődleges a klorofill szerepe. A klorofill több fajtáját ismerjük, amelyek molekulaszerkezetüktől és az őket körülvevő fehérjéktől függően különböző feladatokat látnak el. A II. fotokémiai rendszer meghatározó tényezője, hogy a klorofill legerősebben a 680 nm körüli hullámhosszúságú, tehát a színkép vörös részébe eső fotonokat nyeli el. Az elnyelt energia megváltoztatja az elektronok molekulán belüli elrendeződését, majd az így keletkezett molekulát átadja a Z-séma első elektrontranszport-láncának, amely azt az ATP-t előállító részhez továbbítja. Ennek nyomán a klorofill erős vágyat érez, hogy visszaszerezze elveszített elektronját, amelyet az oxigénfejlesztő komplex révén a vízből szerez meg. A klorofillmolekulát tartalmazó struktúra P680 reakciócentrum néven ismert. Amikor ez elnyel egy fotont, akkor az ismert legerősebb biológiai oxidáló anyaggá válik. Ezért képes felbontani a vízmolekulát, a folyamat során pedig a légkörbe engedi azt az oxigént, amelyet belélegzünk.

Miután végigjárta a II. fotokémiai rendszert, az elektron készen áll arra, hogy átlépjen az I. fotokémiai rendszerbe, amelynek aktív része a klorofillmolekulák másik csoportját, a P700 reakciócentrumnak nevezett struktúrát tartalmazza. Ez a valamivel nagyobb, 700 nm hullámhosszúságú, a vörös tartomány közepén található fotonokat nyeli el legerősebben. Ebben a szerepkörében a klorofill ugyanúgy elnyeli a fotonokat, mint az előző lépésben, de ezúttal más lesz a folyamat eredménye. Itt az ismert legerősebb biológiai redukáló közeggé válik, ami azt jelenti, hogy minden erővel meg akar szabadulni a nagyobb energiájú elektronjától, bárhová tudja is leadni azt. Ebben az esetben néhány további molekuláris struktúra közreműködésének eredményeképpen az elektron végül a szén-dioxidban köt ki. Ennek és néhány további proton hozzáadásának következtében a CO₂ cukrokká alakul. A hiányzó elektron helyére az lép, amelyet a II. fotokémiai rendszer megtakarított.

Mindez fölöslegesen bonyolultnak tűnhet, pedig valószínűleg nem az. Ha egy vegyészmérnöktől azt kérjük, hogy vegyen el elektronokat a vízmolekuláktól, és azokat adja hozzá szén-dioxid-molekulákhoz, akkor minden bizonnyal a szemünkbe nevet. A víz jószántából nem ad le elektronokat, a szén-dioxid pedig nem akar befogadni elektronokat. Az elektronok kiragadása egy stabil struktúrából alapvetően különbözik attól, amikor elektronokat akarunk hozzáadni egy másik, szintén stabil struktúrához - ezért alkotnak a klorofillpigmentek két különálló reakciócentrumot, amelyek ezt a két különböző feladatot végrehajtják.

A klorofill-A C₅₅H₇₂O₅N₄Mg tapasztalati képletű molekulájának struktúrája

A Z-séma bámulatba ejtően csodálatos dolog, valószínűleg ennek létezése az oka annak, hogy bolygónkon minden szervezetben pontosan ugyanúgy játszódik le az oxigéntermelő fotoszintézis. Csaknem biztos, hogy csak egyetlenegyszer fejlődött ki, valahol az ősi óceán egyik cianobaktériumában. Ezek az okos cianobaktériumok valahogy rájöttek, hogyan juthatnak be más szervezetek sejtjeibe, ahol kloroplasztisszá alakultak — ez az a struktúra, amelyben napjaink zöld növényeiben a fotoszintézis lejátszódik. Ezen érdemes elgondolkodni, mert a Z-séma nélkül csak nagyon kevés oxigén lenne a légkörben, tehát a Földön nem létezne a fejlettebb élet.

(Ron McNair 1986. január 28-án meghalt a Challenger katasztrófában — a fordító megjegyzése.)

Ha a két reakciócentrum legerősebben a vörös fényt nyeli el, akkor miért zöld minden növény? Azért, mert a P700 és a P680 reakciócentrumok nem közvetlenül nyelik el a napfényt. Ezt a feladatot a klorofill pigmentek és más, kiegészítő pigmenteknek (fénygyűjtő pigmentek, antennapigmentek) nevezett pigmentek bonyolult rendszere végzi, amelyek felfogják, majd több lépésben, kaszkádszerűen a reakciócentrumokba továbbítják a fotonokat, miközben azok hullámhossza minden lépéssel a vörös felé közelít, lehetővé téve a reakciócentrumok megfelelő működését. Ezek a kiegészítő pigmentek ősszel válnak feltűnővé, amikor a klorofill elbomlik, az őszi falevelek pedig vörös, narancs vagy arany színekben pompáznak. A két leggyakoribb, a reakciócentrumokon kívül elhelyezkedő klorofill pigment a spektrum kék és vörös részébe eső fényt nyeli el. A kiegészítő pigmentekkel együtt a napfény több mint 90%-át begyűjtik, ezért csak a zöld hullámhosszak tartományába eső keskeny sáv fotonjai verődnek vissza.

„EGY ZÖLD KÖNNYCSEPP.” Ron McNair, fizikus és a NASA űrhajósa, ilyennek látta a Földet az űrrepülőgép fedélzetéről Newsweek Magazin, 1986. február

A fotoszintézis bonyolult és csodálatos folyamat. A Föld felszínére eső napfényt szinte teljes egészében hasznosítja, hogy energiával lássa el a bolygónk táplálékláncának alapját képező növényeket, a folyamat közben pedig oxigént juttasson a légkörbe. De vajon miért nem hasznosítják a növények a látható színkép 100%-át, vagyis miért nem feketék a leveleik, ahelyett, hogy a rájuk cső fény 10%-át visszavernék? Senki sem tudja. A válasz valószínűleg fontos problémát jelent az evolúcióbiológusok számára. A természetes kiválasztódáson alapuló evolúció, úgy látszik, nem mindig találja meg a problémák optimális műszaki megoldását. Ha mérnök tervezné a növényeket, akkor a leveleik feketék lennének. Ezzel szemben az élő szervezetek 4 milliárd év mutációi, a szelekciós nyomás, a genetikai és a fizikai összeolvadások ellenére kissé kontár munkát végeztek. A Föld mérsékelt égövi területeit uraló zöld szín egy evolúciós baleset megőrződött maradványa lehet.

Halvány, színes pöttyök

Miután körbejártuk a Föld meghatározó színeinek eredetét, visszatérhetünk a kezdetekhez, és kipillanthatunk a csillagok világába. Létezik-e a napfény földi elnyelődése és visszaverődése ismeretében, valamilyen használható módszer, amellyel más égitesteket is megvizsgálhatunk, és a Naprendszeren kívüli élet jeleit kereshetjük rajtuk? A válasz igen, és egyes csillagászok pontosan ezzel foglalkoznak.

Az elsőként felfedezett, Naprendszeren kívüli bolygó a PSR B1257 + 12 B megjelölést kapta. A felfedezést 1992 januárjában jelentették be. A PSR a pulzár rövidítése - vagyis egy gyorsan forgó neutroncsillagról van szó, amelynek tömege körülbelül 1,5-szerese a Nap tömegének, de sugara csak akkora, mint egy város kiterjedése. A pulzárok rendkívül gyorsan forognak, az, amelyik körül az elsőként felfedezett bolygó kering, például 0,006219 másodpercenként fordul meg a tengelye körül. Fontos ennek a periódusnak a nagyon pontos mérése, mert a tengelyforgás látszó ingadozásaiból következtethetünk a csillag körül keringő bolygó létezésére.

A PSR B1257 rendszerben három bolygót ismerünk, amelyek a Draugr, Poltergeist és Phobetor neveket kapták. Magam is kíváncsi voltam, hogy miért éppen így nevezték el a bolygókat. Elsőként a Poltergeistet fedezték fel. A Poltergeist kopogó, zajos szellemet jelent. A Draugr a skandináv mitológiában azokat az élőhalottakat jelenti, akik a sírjukban tovább élnek, Phobetor pedig a rémálmok megtestesítője, a görögök éjszakát megtestesítő Nyx istennőjének egyik fia. A csillagászok szerint ilyen alakok illenek oda. Ne feledkezzünk meg arról, hogy a PSR B1257 rendszer nem lenne valami kellemes hely, ha ott akarnánk lakni - a bolygókat elárasztja vad csillaguk sugárzása. A csillaghoz legközelebb a Draugr kering, 25,262 földi nap alatt járja körbe a pulzárt. Ez az eddig felfedezett legkisebb tömegű bolygó, mindössze kétszer akkor a tömege, mint a Holdunké.

A 2009. március 7-én pályára állított Kepler-űrtávcső forradalmasította a Naprendszeren kívüli bolygók keresését. A Kepler azokat a szabályos időközönként bekövetkező elhalványodásokat keresi a csillagok fényében, amelyeket az okoz, hogy a Földről nézve egyik bolygója elhalad a csillag korongja előtt. A fényesség csökkenésének finom részleteit tanulmányozva és azt földi távcsövek megfigyeléseivel kiegészítve rengeteg információ vezethető le a bolygóra vonatkozóan. E sorokat 2016. május 11-én írom, egy nappal azután, amikor a Keplerrel dolgozó kutatók 1284 újabb bolygó felfedezését jelentették be. Csak ebben a legújabb mintában 550 kőzetekből álló, a Földhöz hasonló bolygó-jelölt fordul elő, amelyek közül kilenc a csillagának úgynevezett lakható zónájában kering, ami azt jelenti, hogy a felszíni fizikai viszonyai megengedik folyékony vízből álló tavak, óceánok létezését. A Keplerrel eddig összesen felfedezett 21 kőzetbolygó jellemzői, amelyek átmérője kisebb a Föld átmérőjének kétszeresénél, az alábbi diagramról olvashatók le.

A Földhöz potenciálisan hasonló bolygók a csillagaik körüli lakható zónában, amelyeket a Kepler-űrtávcsővel fedeztek fel (2016. májusi helyzet).

A Kepler adataiból és a földi mérések eredményeiből kiszámítható a bolygók mérete, tömege és pályáik jellemzői, ennek megfelelően becslés adható a sűrűségükre, hőmérsékletükre, sőt az összetételükre vonatkozóan is kapunk némi támpontot. Ahhoz, hogy továbblépjünk, közvetlenül kellene elemezni a csillag fényének a bolygó légkörével kölcsönható, és onnan visszaverődő részét, de ez egyelőre a jövő zenéje.

Egy nagy kőzetbolygó légkörének elemzéséről először 2016 februárjában számolt be a londoni University College kutatócsoportja, akik a Hubble-űrtávcső adatait használták. Az 55 Cancri e jelű bolygót vizsgálták, az egyikét annak az öt bolygónak, amelyik a tőlünk csupán 40 fényévre lévő, 55 Cancri A jelű, sárga csillag körül kering. A csillagnak van egy kisebb, vörös törpe kísérője is, az 55 Cancri B. A bolygó tömege körülbelül 8-szorosa a Földének, légköre hidrogénből és héliumból áll. Vízgőzt nem sikerült kimutatni, találtak azonban hidrogén-cianid jelenlétére utaló nyomokat, ami a csillagászok szerint a szénben gazdag légkörre enged következtetni. Ez a bolygó egzotikus, vad hely lehet, ahol egy év mindössze 18 óra hosszat tart, a felszíni hőmérséklet pedig meghaladja a 2000 Celsius-fokot. Nyilvánvalóan nem olyan hely, ahol az élet jelenlétére számíthatnánk. A mérés jelentőségét mégis az adja, hogy sikerült egy kis kőzetbolygó alig észrevehetően halvány színképét elkülöníteni csillaga mindent elárasztó fényözönétől.

Az exobolygók fényének közvetlen megfigyelése ma még kialakulófélben van, de a James Webb-űrtávcsővel, amelynek indítását 2018 októberére tervezik, minden eddiginél részletesebben lehet majd megvizsgálni az exobolygók légkörét. A Kepler TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite, átvonuló exobolygókat vizsgáló műhold) nevű utódát ugyancsak 2018-ban tervezik pályára állítani. A TESS legfontosabb feladata az lesz, hogy a fedési módszerrel tömegével keressen a Földhöz hasonló exobolygókat, köztük vörös törpék körül keringő, Föld-méretű bolygókat, amelyeket azután a James Webb-űrtávcsővel tüzetesebben megvizsgálhatnak. Izgalmas lenne, ha valamelyik ilyen égitesten vízgőz jeleit sikerülne találni. Ha jelentős mennyiségű oxigén jelenlétét sikerülne kimutatni, az viszont forró nyom lenne a fotoszintetizáló szervezetek keresése szempontjából. Talán már nagyon közel járunk annak felfedezéséhez, hogy nem vagyunk egyedül a Világegyetemben.

Számít ez valamit? Ezek a bolygók számunkra fizikailag elérhetetlen távolságban vannak, legalábbis a belátható jövőben biztosan nem juthatunk el oda. Véleményem szerint legalábbis, rendkívül valószínűtlen, hogy e bolygók bármelyikét intelligens lények lakják. Ha jelen van is az élet, az meglátásom szerint csak mikrobákat jelenthet. De lehet, hogy tévedek. Bárhogy is legyen, természetesen számít. Az éjszakai égbolt fénypontjai nagyszerűek, fenségesek, de személytelenek. Hiába ismerünk ezerszámra olyan világokat, amelyeken a jég, a hó és a tűz az úr, sajnálom, de ez nem segít jobbá tenni az életünket — ehhez az ostoba emberi önteltség túl mélyen rögzült bennünk. Úgy gondolom, valamilyen kollektív megrázkódtatásra lenne szükségünk ahhoz, hogy nagyobb odaadással törődjünk egymással, megőrizzük, és szerető gyengédséggel ápoljuk ezt a „halványkék pöttyöt”. Ez a megrázkódtatás lehet valamilyen kellemetlen esemény. Talán össze kell fognunk, hogy rendbe hozzuk tönkretett éghajlatunkat, vagy eltérítsünk egy pusztítással fenyegető kisbolygót. De lehet valamilyen pozitív dolog is. A csillagászat álmokká alakítja az adatokat; ha felfedezzük, hogy az élet mindennapos jelenség a Világegyetemben, akkor továbbra is ugyanúgy tekintenénk a jó öreg csillagokra, ahelyett, hogy azt éreznénk, egyetlen nemzet vagyunk a csillagos ég alatt? Miért tanulmányozzuk a szivárványt? Akkor tudnunk kell a választ.

„MIÉRT SZÓL OLYAN SOK DAL A SZIVÁRVÁNYRÓL, ÉS AMI A SZIVÁRVÁNYOK TÚLOLDALÁN VAN, AZ CSAK ILLÚZIÓ, ÉS A SZIVÁRVÁNYOKNAK NINCS REJTEGETNI VALÓJUK, LEGALÁBBIS EZT MONDJÁK, ÉS VANNAK, AKIK EZT ELHISZIK, DE TUDOM, HOGY TÉVEDNEK, VÁRJUNK, ÉS EGY SZÉP NAPON MEG FOGJUK LÁTNI, HOGY A SZIVÁRVÁNY ÖSSZEKÖTI A SZERELMESEKET, AZ ÁLMODOZÓKAT ÉS ENGEM.” Breki, a béka, a Muppet-sorozatból

Köszönetnyilvánítás

A termeszet erői már régóta készült. Egy világszínvonalú csapat Danicile Peck és Giselle Corbett vezetésével 2014 januárja óta bizalmas szellemi erőfeszítéseket tett és kreatív célokat tűzött ki maga elé, hogy jó adag higgadtsággal elkészítse a tévésorozatot, amelyik ezt a könyvet kíséri. Szeretnénk köszönetet mondani mindenkinek, aki végtelen elkötelezettséggel részt vett a munkában.

Külön köszönetünket fejezzük ki Matthew Dyasnek és Stephen Cooternek, amiért kitartottak mellettünk, és egy ilyen gyönyörűen kivitelezett, gondolatokban gazdag filmet készítettek. Munkájukat nagyon tehetséges csapat segítette, amelynek tagjai hétről hétre teljesítették, amit a produkció elvárt tőlük. Hálás köszönet illeti a következőket: Alex Ranken, Alice Jones, Suzy Boyles, Duncan Singh, Helene Ganichaud, Mags Light-body, Francesca Bassett, Emma Chapman, Louisa Reid, Robert Hanger, Wendy Clarke, Laura Stevens, Rebecca Hickie, Nik Sopwith, Simon de Glanville, Julius Brighton, Tim Cragg, Paul O’Callaghan, Graeme Dawson, Adam Finch, Lee Sutton, Damien Sung, Andy Paddon, Paul Thompson, Benji Merrison, Vicky Edgar és Marie O’Donnell.

Különleges köszönettel tartozunk Darren Jonususnak, aki a szerkesztés során ezúttal is a mesterség és a kreativitás új zsinór-mértékét tűzte ki.

Szívből jövő köszönetünket küldjük Laura Davey-nek, a BBC tudományos szerkesztősége produkciós vezetőjének, aki a legnehezebb napokon is a tőle megszokott higgadtsággal és segítő szándékkal viseltetett a produkció iránt.

Köszönetet mondunk Jeff Forshaw professzornak és Matt Cobb professzornak, amiért idejüket és gondolataikat nagylelkűen a projekt rendelkezésére bocsátották.

A HarperCollins csapata ezúttal is tanúbizonyságot tett türelméről és zsenialitásáról. Akkor sem idegeskedtek, amikor nyomasztóan közeledtek a határidők, és szinte egyik napról a másikra, látszólag egyetlen éjszaka alatt kellett elkészíteniük ezeket a gyönyörű oldalakat. Köszönetet mondunk a következőknek: Zoé Bather, Julia Koppitz, Helena Caldon, Madeleine Penny és természetesen a mindig zseniális Myles Archibald (akinek kevesebb időt kellene a fogorvosi rendelőben töltenie).

Andrew meg szeretné köszönni Annának ... újra ... a szeretetét, a támogatását és türelmét a hosszú, késő éjszakai órákban.

Köszönöm a Manchesteri Egyetemnek és a Royal Society-nek, amiért lehetővé tették számomra A természet erői elkészítését. Köszönetet mondok Sue Ridernek, végtelenül bölcs és segítőkész ügynökömnek és barátomnak.

Halvány kékeszöld bolygó

Halvány, színes pöttyök

Köszönetnyilvánítás