From green to red: experimental evidence for pigment-driven snow darkening

बर्फ केवल सफेद रंग की एक स्थिर चादर मात्र नहीं है; ध्रुवीय और उच्च पर्वतीय क्षेत्रों में, यह एक जीवंत परिदृश्य है जो अपना रंग बदलता रहता है। जब बर्फ पिघलती है, तो यह अक्सर सूक्ष्म जीवन द्वारा संचालित एक जीवंत, परिवर्तनशील रंग-पटल को प्रकट करती है। इनमें सबसे महत्वपूर्ण निवासियों में से एक 'स्नो एल्गी' (हिम शैवाल) हैं, जो ठंडी और गीली परिस्थितियों में पनपते छोटे जीव हैं। इन शैवालों में वर्णक (पिगमेंट) होते हैं, जो उसी प्रकार के प्राकृतिक रंग हैं जो पौधों को उनका हरा रंग देते हैं या शरद ऋतु की पत्तियों को लाल कर देते हैं। बर्फ के संदर्भ में, ये वर्णक केवल बर्फ को रंग ही नहीं देते; वे यह भी बदलते हैं कि बर्फ सूर्य के प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है। सफेद बर्फ सूर्य की अधिकांश ऊर्जा को वापस अंतरिक्ष में परावर्तित कर देती है, जिससे सतह ठंडी रहती है। जब बर्फ का रंग गहरा होता है, तो यह अधिक ऊष्मा को अवशोषित करती है, जिससे पिघलने की प्रक्रिया तेज हो जाती है। वर्षों से, वैज्ञानिक जानते हैं कि स्नो एल्गी ही इस गहरेपन का कारण बनती है, लेकिन एक विशिष्ट प्रश्न का उत्तर देना कठिन बना हुआ था: क्या यह गहरापन केवल अधिक शैवाल होने के कारण है, या यह उन विशिष्ट रंगों के कारण है जो वे शैवाल उत्पन्न करते हैं? कोशिकाओं की शुद्ध संख्या और उनके वर्णक की तीव्रता के बीच अंतर करना प्रकृति में लगभग असंभव रहा है, जहाँ हवा, तापमान और बर्फ की भौतिक संरचना स्वयं लगातार बदलती रहती है।

इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक नियंत्रित प्रयोग की ओर रुख किया जिसने रंग के चर (variable) को मात्रा के चर से अलग कर दिया। उन्होंने हेमेटोकोकस (Haematococcus) नामक एक विशिष्ट प्रकार के स्नो एल्गी के साथ काम किया, जो विकास के विभिन्न चरणों में हो सकता है और विभिन्न रंग प्रदर्शित कर सकता है। वैज्ञानिकों ने इन शैवालों को एकत्र किया और उन्हें इस तरह से उगाया जिससे वे तीन अलग-अलग समूहों की तुलना कर सकें: हरे सिस्ट-जैसे सेल, नारंगी सिस्ट-जैसे सेल, और लाल सिस्ट-जैसे सेल। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने यह सुनिश्चित किया कि प्रत्येक समूह में कोशिकाओं की संख्या समान हो और वे विकास के एक ही चरण में हों। इस सेटअप ने प्रकृति में मिलने वाली सामान्य उलझन को दूर कर दिया, जहाँ बर्फ का एक गहरा पैच केवल अलग शैवाल के बजाय अधिक शैवाल होने के कारण हो सकता है। पूरे दृश्य स्पेक्ट्रम (visible spectrum) में प्रकाश को मापने वाले एक विशेष उपकरण का उपयोग करके, टीम ने देखा कि प्रत्येक रंग के शैवाल प्रकाश को कैसे परावर्तित करते हैं। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे कोशिकाएं हरे से नारंगी और अंततः लाल रंग में बदलीं, उनका आंतरिक रसायन विज्ञान बदल गया। लाल कोशिकाओं में एस्टाक्सैन्थिन (astaxanthin) नामक एक विशिष्ट वर्णक की सांद्रता अधिक थी, जबकि क्लोरोफिल-ए (chlorophyll-a) नामक हरे वर्णक की मात्रा अपेक्षाकृत स्थिर रही।

इन तुलनाओं के परिणाम स्पष्ट और प्रत्यक्ष थे। जब शोधकर्ताओं ने विभिन्न नमूनों से परावर्तित होने वाले प्रकाश को मापा, तो उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे एल्गी लाल होती गई, परावर्तन (reflectance) में नाटकीय गिरावट आई। हरे सेल्स की तुलना में, नारंगी सेल्स ने लगभग 30 प्रतिशत कम प्रकाश परावर्तित किया, और लाल सेल्स ने लगभग 40 प्रतिशत कम प्रकाश परावर्तित किया। यह कमी यादृच्छिक नहीं थी; दृश्य स्पेक्ट्रम में परावर्तित कुल प्रकाश की मात्रा एस्टाक्सैन्थिन की उपस्थिति से मजबूती से जुड़ी हुई थी। कोशिकाओं में जितना अधिक यह लाल वर्णक मौजूद था, बर्फ उपकरण के लिए उतनी ही गहरी दिखाई दी। यह निष्कर्ष इस बात का पहला सीधा प्रयोगात्मक प्रमाण प्रदान करता है कि वर्णक स्वयं बर्फ के गहरा होने का एक प्राथमिक चालक है, जो कोशिकाओं की संख्या पर निर्भर नहीं है। यह सुझाव देता है कि प्राकृतिक दुनिया में, शैवाल का विशिष्ट रंग उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि उनके प्रसार का घनत्व। हालांकि क्षेत्र की स्थितियां अक्सर बर्फ की बनावट और अन्य कारकों में भिन्नता के कारण इस प्रभाव को स्पष्ट रूप से देखना कठिन बना देती हैं, यह प्रयोग पुष्टि करता है कि एस्टाक्सैन्थिन का संचय एक अंतर्निहित तंत्र है जो परावर्तन को कम करता है। फलस्वरूप, जैविक गतिविधि के कारण कितनी बर्फ पिघलेगी, इसका अनुमान लगाने के लिए वैज्ञानिकों को न केवल शैवाल के बायोमास पर, बल्कि कोशिकाओं की शारीरिक अवस्था और उनके द्वारा उत्पादित विशिष्ट वर्णकों पर भी विचार करना चाहिए।