गवत हिरवे का असते प्रकाशसंश्‍लेषण प्रक्रियेवर शोधक नजर

“गवत हिरवे का असते?” कदाचित लहान असताना तुम्ही हा प्रश्‍न विचारला असेल. तुम्हाला जे उत्तर मिळाले त्याने तुमचे समाधान झाले का? मुलांचे असे हे प्रश्‍न अतिशय गहन असू शकतात. ज्या दररोजच्या गोष्टींना आपण किरकोळ समजतो त्यांचा गांभिर्याने विचार करायला ते लावू शकतात आणि ज्यांची आपण कधी कल्पनाही केली नसेल असे रहस्य त्यातून उलगडले जाऊ शकते.

गवत हिरवे का असते हे समजण्यासाठी, गवताचा ज्याच्याशी कदाचित काहीच संबंध नसावा अशा एखाद्या गोष्टीची कल्पना करा. कोणतीही खोट नसलेल्या एका आदर्श कारखान्याची कल्पना करा. ह्‍या आदर्श कारखान्याचा मुळीच आवाज होत नसून तो दिसायला आकर्षकही असावा, नाही का? या आदर्श कारखान्यामुळे प्रदूषण होण्याऐवजी पर्यावरणात सुधार होत असावा. सर्वांकरता उपयोगी, अर्थात महत्त्वाचे असे काही तो उत्पन्‍न करत असावा. असा हा कारखाना सौर ऊर्जेवर चालत असावा, असे तुम्हाला वाटत नाही का? यामुळे, त्याला ऊर्जा पुरवण्यासाठी इलेक्ट्रिकचे कनेक्शन किंवा कोळशाची अथवा तेलाची गरज लागणार नाही.

निःसंशये, सौर ऊर्जेवर चालणारा हा आदर्श कारखाना, मानवाच्या अद्ययावत तंत्रज्ञानापेक्षाही उत्कृष्ट सोलर पॅनल वापरत असावा. हे सोलर पॅनल अतिशय कार्यक्षम, स्वस्त तसेच तयार करण्यास आणि वापरण्यास प्रदूषणरहित असावेत. हा आदर्श कारखाना सर्वात प्रगत तंत्रज्ञानाचा वापर करत असला, तरी ते अगदी साधेसोपे असावे, त्याचप्रमाणे अनपेक्षित बिघाड, बंद पडणे वगैरे होत नसावे आणि आजकाल अद्ययावत तंत्रज्ञानाला कायम आवश्‍यक असलेले फाईन-ट्युनींग यास लागत नसावी. हा आदर्श कारखाना संपूर्णतः स्वयंचलित असावा आणि त्यास चालवण्यासाठी कोणाही मनुष्याची गरज नसावी अशी आपली कल्पना असेल. अर्थात, तो कारखाना स्वतःची दुरुस्ती करणारा, स्वतःचे पालनपोषण करणारा आणि स्वतःची नक्कल करणाराही असावा.

आदर्श कारखान्याचे हे वर्णन आहे की एखादी विज्ञान कथा? की असाध्य असे स्वप्न आहे? मुळीच नाही, हा आदर्श कारखाना तुमच्या पायाखालच्या गवताइतकाच खराखुरा आहे. तुमच्या पायाखालचे गवत, तुमच्या ऑफिसातला फर्न आणि खिडकीबाहेरचा वृक्ष हाच तो कारखाना आहे. खरे म्हणजे, कोणतीही हिरवी वनस्पती म्हणजे आदर्श कारखाना होय! हिरव्या वनस्पती सूर्यप्रकाशाद्वारे पृथ्वीवरील जवळजवळ सर्व प्रकारच्या सजिवांकरता प्रत्यक्ष अथवा अप्रत्यक्ष रूपाने अन्‍न तयार करण्यासाठी कार्बन डायऑक्साइड, पाणी आणि खनिज यांचा उपयोग करतात. दरम्यान, त्या वातावरणात सुधार करतात आणि कार्बन डायऑक्साइड काढून हवेत शुद्ध ऑक्सीजन सोडतात.

दर वर्षी, पृथ्वीवरील सर्व हिरव्या वनस्पती मिळून अंदाजे १५० अरब ते ४०० अरब टन शर्करा तयार करतात—हे उत्पन्‍न लोह, स्टील, ऑटोमोबील आणि एरोस्पेसच्या सर्व मानवी कारखान्यांच्या एकूण उत्पन्‍नापेक्षाही अधिक आहे. ते सूर्याच्या ऊर्जेच्या साहाय्याने पाण्याच्या रेणूतले हायड्रोजन अणू काढून हवेतील कार्बन डायऑक्साइडच्या रेणूंना ते हायड्रोजन अणू जोडतात आणि कार्बन डायऑक्साइडचे रूपांतर शर्करा नामक कार्बोहायड्रेटमध्ये करतात. या अद्‌भुत प्रक्रियेला प्रकाशसंश्‍लेषण म्हणतात. आता वनस्पती त्यांच्या या नवीन शर्करा रेणूंचा उपयोग ऊर्जेसाठी करू शकतात किंवा अन्‍न साठवण्याकरता त्यांना एकत्र करून पिष्ठसत्व तयार करू शकतात किंवा वनस्पती तंतू ज्यातून बनलेला असतो तो चिवट, तंतूमय पदार्थ म्हणजेच पेशीद्रव्य तयार करू शकतात. जरा कल्पना करा! तुम्हाला दिसतो तो ९० मीटर उंचीचा महाकाय सिक्वोइआ वृक्ष, प्रत्यक्षात हवेतून तयार झाला आहे, एकावेळी एक कार्बन डायऑक्साइड रेणू आणि एक पाण्याचा रेणू अशा अगणित अतिसूक्ष्म हरितलवके म्हटलेल्या ‘असेम्बली लाईन्स’चा तो बनलेला आहे. परंतु हे घडते कसे?

‘इंजिनवर’ एक नजर

प्रत्यक्ष हवेतून (तसेच पाणी आणि थोडेफार खनिज पदार्थ यांतून) सिक्वोइआ वृक्ष तयार करणे हे खरोखरच अद्‌भुत आहे, पण ही जादू नव्हे. मानवापेक्षा अतिश्रेष्ठ असलेली बुद्धिमान रचना आणि तंत्रज्ञानाचा हा परिणाम आहे. प्रकाशसंश्‍लेषणाच्या जादूच्या पेटीचे झाकण हळूहळू उघडून यातील अतिप्रगत जीवरसायनशास्त्र पाहिल्यावर वैज्ञानिक तोंडात बोटे घालतात. त्यांच्यासोबत आपणही पृथ्वीवरील जवळजवळ सर्व सजिवांना चालवणाऱ्‍या ‘इंजिनला’ जरा निरखू या. मग कदाचित, “गवत हिरवे का असते?” या आपल्या प्रश्‍नाचे उत्तर आपल्याला सापडेल.

आपला विश्‍वासहार्य सूक्ष्मदर्शक काढून आपण एका विशिष्ट पानाचे परीक्षण करू या. सूक्ष्मदर्शकाविना हे सबंध पान हिरवे दिसते, पण तो भ्रम आहे. सूक्ष्मदर्शकाखाली, वनस्पतीतल्या एकेक पेशी पाहिल्यावर, त्या हिरव्या नाहीत असे कळून चुकते. त्याउलट, त्या अधिककरून पारदर्शक असतात, पण प्रत्येकामध्ये जवळजवळ ५० ते १०० बारीक बारीक हिरवे टिंब असतात. हे टिंब म्हणजे हरितलवके, ज्यांमध्ये प्रकाशग्रहणक्षम हिरवे हरितद्रव्य आढळते आणि जेथे प्रकाशसंश्‍लेषणाची क्रिया घडते. हरितलवकांच्या आत काय घडत आहे?

हरितलवक एक छोटीशी पिशवी असून त्यामध्ये थायलाकॉइडे नामक आणखी लहान लहान चपट्या पिशव्या असतात. सरतेशेवटी, आपल्याला गवतातला हिरवा रंग सापडलाच म्हणा. थायलाकॉइडांच्या पृष्ठभागावर हिरव्या रंगाचे हरितद्रव्य रेणू असतात, त्यांची रचना अस्ताव्यस्त नसते तर फोटोसिस्टिम्स म्हटल्या जाणाऱ्‍या सुव्यवस्थित पद्धतीने केलेली असते. बहुतांश हिरव्या वनस्पतींमध्ये दोन प्रकारच्या फोटोसिस्टिम्स असतात, ज्यांना पीएस१ (फोटोसिस्टिम १) आणि पीएस२ (फोटोसिस्टिम २) असे म्हणतात. या फोटोसिस्टिम्स, एखाद्या कारखान्यातील तज्ज्ञ असलेल्या प्रोडक्शन टीम्ससारख्या असून प्रत्येक फोटोसिस्टिम प्रकाशसंश्‍लेषणातील विशिष्ट पायऱ्‍यांच्या मालिकेचे काम पाहतात.

वाया न घालवलेला “टाकाऊ पदार्थ”

सूर्यप्रकाश जेव्हा थायलाकॉइडच्या पृष्ठभागावर पडतो तेव्हा, प्रकाश शोषणारे कॉम्प्लेक्स म्हटले जाणारे हरितद्रव्य रेणूंचे पीएस२ संग्रह प्रकाश शोषण्यास अगदीच तयारीत असतात. हे रेणू खासकरून एका विशिष्ट तरंगलांबीचा लाल प्रकाश शोषत असतात. थायलाकॉइडच्या इतर भागांमध्ये, पीएस१ संग्रह काहीशी मोठी तरंगलांबी असलेल्या प्रकाशाच्या शोधात असतात. दरम्यान, हरितद्रव्य त्याचप्रमाणे कॅरोटिनॉइडांसारखे काही इतर रेणू निळ्या आणि जांभळ्या रंगाचा प्रकाश शोषत असतात.

असे आहे तर मग, गवताचा रंग हिरवा का असतो? वनस्पतींवर पडणाऱ्‍या सर्व तरंगलांबींपैकी केवळ हिरवा रंग त्यांना निरुपयोगी असतो म्हणून तो आपल्या न्याहाळणाऱ्‍या नेत्रांकडे आणि कॅमेरांकडे परावर्तित केला जातो. जरा कल्पना करा! वसंतऋतूतल्या झाडाझुडुपांचा फिकट हिरवा रंग त्याचप्रमाणे उन्हाळ्यातला त्यांचा भडक हिरवा रंग तरंगलांबींतून निर्माण होतो जो वनस्पतींना अनावश्‍यक असतो पण आपल्याकरता मात्र मूल्यवान! हा “टाकाऊ पदार्थ” मानवांच्या कारखान्यांच्या प्रदूषणाप्रमाणे आणि निरुपयोगी गोष्टींप्रमाणे नसतो, तर आपण जेव्हा एखाद्या सुंदर हिरव्यागार कुरणाकडे किंवा वृक्षवेलींकडे पाहतो आणि या नेत्रसुखद हिरवळीने आपले मन भरतो तेव्हा तो निश्‍चितच वाया जात नाही.

हरितलवकातील पीएस२ संग्रहात, सूर्यप्रकाशाच्या लाल भागातली ऊर्जा हरितद्रव्यातील रेणूंमधल्या इलेक्ट्रॉनांमध्ये अंतरण केल्यावर शेवटी अशा इलेक्ट्रॉनमध्ये इतकी ऊर्जा उत्पन्‍न होते किंवा तो इतका “उत्तेजित” होतो की तो त्या संग्रहामधून उडी मारून थायलाकॉइड पटलातील वाट पाहत थांबलेल्या वाहक रेणूला जाऊन मिळतो. एका साथीदारानंतर दुसऱ्‍यासोबत नाचत असलेल्या डान्सरप्रमाणे, हा इलेक्ट्रॉन एका वाहक रेणूपासून दुसऱ्‍या रेणूकडे पाठवला जातो आणि हळूहळू त्याची ऊर्जा नाहीशी होते. त्याची ऊर्जा कमी झाल्यावर, दुसऱ्‍या फोटोसिस्टिममधल्या म्हणजेच पीएस१ मधील इलेक्ट्रॉनची तो विनाहरकत जागा घेऊ शकतो.—पाहा चित्र १.

दरम्यान, पीएस२ संग्रहामध्ये एका इलेक्ट्रॉनची कमी भासल्यामुळे तो उत्तेजित होतो आणि गेलेल्या इलेक्ट्रॉनची जागा भरून काढायला तयार असतो. आपला खिसा कोणीतरी कापला आहे हे लक्षात आलेल्या व्यक्‍तीची जी गत होते त्याचप्रमाणे ऑक्सिजन बाहेर टाकणारा संकुल म्हटलेल्या पीएस२ चा भाग जणू वेडापिसा होतो. आता इलेक्ट्रॉन मिळणार कोठून? अरेरे! जवळपासच बिचारा एक पाण्याचा रेणू आहे. आता त्याचे काही खरे नाही.

पाण्याच्या रेणूंचे विश्‍लेषण

पाण्याच्या रेणूत सहसा मोठा ऑक्सिजन अणू आणि दोन लहान हायड्रोजन अणू असतात. पीएस२ मधील ऑक्सिजन बाहेर टाकणाऱ्‍या संकुलात मँगनीज या धातूची चार आयने असतात जी पाण्याच्या रेणूतील हायड्रोजन अणूमधून इलेक्ट्रॉनांना काढतात. याचा परिणाम असा होतो, की दोन पॉझिटिव्ह हायड्रोजन आयने (प्रोटॉन), एक ऑक्सिजन अणू आणि दोन इलेक्ट्रॉन यांमध्ये पाण्याच्या रेणूचे विश्‍लेषण केले जाते. अधिकाधिक पाण्याच्या रेणूंचे विभाजन होते तसे ऑक्सिजन अणूंच्या जोड्या जमून ऑक्सिजन वायुचे रेणू तयार होतात ज्यांना ही वनस्पती आपल्या उपयोगासाठी हवेत सोडते. हायड्रोजन आयने थायलाकॉइड “पिशवीत” जमा होत राहतात, ज्यांचा उपयोग वनस्पतीला होऊ शकतो आणि इलेक्ट्रॉनांचा उपयोग, पीएस२ संकुलाला पुरवठा करण्यासाठी केला जातो जो आता प्रती सेकंदाला कित्येक वेळा हे चक्र पुनःपुन्हा चालवण्यास तयार असतो.—पाहा चित्र २.

थायलाकॉइड पिशवीत, दाटलेली हायड्रोजन आयने बाहेर निघण्याचा मार्ग शोधत असतात. प्रत्येक वेळी, पाण्याच्या अणूचे विघटन होतानाच केवळ दोन हायड्रोजन आयनांची भर पडत नसते, तर पीएस२ इलेक्ट्रॉने पीएस१ संकुलाकडे पाठवले जात असतात तेव्हा इतरही हायड्रोजन आयने थायलाकॉइड पिशवीत शोषले जातात. लवकरच, हायड्रोजन आयने, अतिशय गर्दी झालेल्या पोळ्यातील चिडलेल्या मधमाशांसारखे घुईघुई फिरत असतात. त्यांना बाहेर कसे येता येणार?

प्रकाशसंश्‍लेषणाच्या बुद्धिमान रचनाकाराने, एटीपी (ॲडिनोसीन ट्रायफॉस्फेट) नामक महत्त्वपूर्ण पेशीयुक्‍त इंधन तयार करण्यासाठी उपयोगात आणल्या जाणाऱ्‍या खास एन्झाइमच्या रूपात एकच मार्ग असलेला एक फिरता दरवाजा बनवलेला आहे. ही हायड्रोजन आयने फिरत्या दरवाज्यातून बाहेर पडण्याचा प्रयत्न करतात तेव्हा शिणलेल्या एटीपी रेणूंना पुन्हा उत्तेजित करण्यासाठी ते आवश्‍यक असलेली ऊर्जा पुरवतात. (पाहा चित्र ३.) एटीपी रेणू बारीक पेशीयुक्‍त बॅटरींसारखे असतात. ते पेशीतच, पेशीतल्या सर्व प्रकारच्या विक्रियांसाठी वेळोवेळी थोडीथोडी ऊर्जा मुक्‍त करत असतात. कालांतराने, या एटीपी रेणूंचा प्रकाशसंश्‍लेषणाच्या शर्करा प्रक्रियेकरता उपयोग केला जातो.

शर्करा प्रक्रियेकरता एटीपी याशिवाय आणखी एका लहान रेणूची आवश्‍यकता असते. त्यास एनएडीपीएच (निकोटीनामाइड ॲडिनाइन डायन्यूक्लिओटाइड फॉस्फेट याचा कमी केलेला प्रकार) म्हणतात. एनएडीपीएच रेणू, माल वाहून नेणाऱ्‍या लहान ट्रकसारखे असून यातला प्रत्येक रेणू, वाट पाहत असलेल्या एन्झाइमकडे एका हायड्रोजन अणूला वाहून नेतो ज्यास एक शर्करा रेणू तयार करण्यासाठी हायड्रोजन अणूची गरज असते. एनएडीपीएच तयार करणे हे पीएस१ संकुलाचे काम असते. एक फोटोसिस्टिम (पीएस२) पाण्याच्या रेणूंचे विश्‍लेषण करून एटीपी तयार करण्यासाठी त्यांचा उपयोग करत असून दुसरी फोटोसिस्टिम (पीएस१) प्रकाश शोषून इलेक्ट्रॉनांना मुक्‍त करत असते ज्यांचा उपयोग सरतेशेवटी एनएडीपीएच तयार करण्यासाठी केला जातो. एटीपी आणि एनएडीपीएच या दोन्ही रेणूंचा पुढे शर्करा प्रक्रियेकरता उपयोग व्हावा म्हणून त्यांना थायलाकॉइडच्या बाहेरच्या जागेत साठवले जाते.

रात्र पाळी

दर वर्षी, प्रकाशसंश्‍लेषणाद्वारे शेकडो करोडो टन शर्करा तयार होत असली, तरीही प्रकाशसंश्‍लेषणातील प्रकाशाच्या शक्‍तीने घडणाऱ्‍या विक्रियांमध्ये खरे म्हणजे शर्करा तयार होतच नसते. या विक्रिया केवळ एटीपी (“बॅटरी”) आणि एनएडीपीएच (“माल-वाहू ट्रक”) तयार करतात. आतापासून, पीठिकेतील किंवा थायलाकॉइडांच्या बाहेरील जागेतली एन्झाइमे शर्करा तयार करण्यासाठी एटीपी आणि एनएडीपीएच यांचा उपयोग करतात. खरे म्हणजे, वनस्पती अगदी अंधारात सुद्धा शर्करा तयार करू शकते! तुम्ही थायलाकॉइडमधील हरितलवकाची तुलना, दोन गट (पीएस१ आणि पीएस२) असलेल्या कारखान्याशी करू शकता की जे गट, पीठिकेतील तिसऱ्‍या गटाला (खास एंझाइमे) उपयुक्‍त ठरणाऱ्‍या बॅटऱ्‍या आणि माल-वाहक ट्रक (एटीपी आणि एनएडीपीएच) निर्माण करत असतात. (पाहा चित्र ४.) हा तिसरा गट, पीठिकेतील एन्झाइमांचा उपयोग करून विशिष्ट क्रमाने घडणाऱ्‍या रासायनिक प्रक्रियांमध्ये हायड्रोजन अणू आणि कार्बन डायऑक्साइड रेणू घालून शर्करा तयार करतो. हे तिन्ही गट, दिवसा कार्य करू शकतात आणि शर्करा गट रात्र पाळी देखील करतो; निदान दिवस पाळीत निर्माण केलेले एटीपी आणि एनएडीपीएच यांचा साठा संपेपर्यंत तरी.

पीठिकेला तुम्ही पेशीयुक्‍त वधू-वर सूचक मंडळ मानू शकता; येथे आपापसात “लग्न” होणारे असंख्य अणू आणि रेणू असतात पण ते स्वतःहून कधीच एकत्र येत नसतात. काही एन्झाइमे बळजबरीने जमवाजमव करणाऱ्‍यांसारखे असतात.a प्रथिन रेणूंनी बनलेल्या या एन्झाइमांच्या खास आकारामुळे ती विशिष्ट विक्रिया घडवून आणण्यासाठी योग्य त्या अणूंना किंवा रेणूंना पकडण्यासाठी ते समर्थ असतात. परंतु, रेणूंच्या भावी विवाह सोबत्यांची फक्‍त ओळख करून देण्यात त्यांचे समाधान होत नसते. स्वतः लग्न लावल्यावाचून या एन्झाइमांच्या मनाची शांती होत नसते, म्हणून ते भावी जोडप्याला धरून या लाजऱ्‍या सोबत्यांना एकमेकांसमोर आणतात व जबरदस्तीचा जीवरासायनिक विवाह घडवून आणतात. विवाहसोहळ्यानंतर, ही एन्झाइमे नवीन रेणू मुक्‍त करून हीच प्रक्रिया पुनः पुनः घडवून आणतात. पीठिकेत, ही एन्झाइमे अर्धवट निर्माण झालेल्या शर्करा रेणूंना अतिशय वेगात फिरवत असतात, त्यांची पुनर्रचना करतात, एटीपी याच्या साहाय्याने त्यांना उत्तेजित करतात, कार्बन डायऑक्साइड पुरवतात, हायड्रोजन जोडतात आणि अगदीच शेवटी, तीन-कार्बन असलेल्या शर्करेला पेशीतल्या दुसऱ्‍या ठिकाणी ग्लुकोज आणि पुष्कळ इतर प्रकारांमध्ये परिवर्तित होण्यासाठी रवाना करतात.—पाहा चित्र ५.

गवत हिरवे का असते?

प्रकाशसंश्‍लेषण ही केवळ एक साधी-सोपी रासायनिक प्रक्रिया नव्हे. हा, एक सुसंघटित जीवरासायनिक प्रयत्न आहे जो सरळ-सोपा वाटतो मात्र अद्‌भुतरित्या जटिल देखील आहे. वनस्पतींच्या जीवन प्रक्रिया (इंग्रजी) या पुस्तकात तिचे असे वर्णन केले आहे: “प्रकाशसंश्‍लेषण ही सूर्याच्या फोटॉनांच्या ऊर्जेचा उपयोग करणारी उल्लेखनीय आणि अतिशय सुनियंत्रित प्रक्रिया आहे. वनस्पतीची जटिल संरचना आणि प्रकाशसंश्‍लेषणाच्या कार्याचे नियंत्रण करणाऱ्‍या अतिशय गुंतागुंतीच्या जीवरासायनिक आणि जननिक नियंत्रणांना फोटॉन शोषून त्याच्या ऊर्जेचे रासायनिक रूपात परिवर्तन करण्याच्या मूलभूत प्रक्रियेतील सुधार असे मानले जाऊ शकते.”

वेगळ्या शब्दांत मांडायचे झाल्यास, गवत हिरवे का असते याचा शोध लावणे म्हणजे, कोणत्याही मानव-निर्मित गोष्टीपेक्षा उत्कृष्ट असलेली रचना आणि तंत्रज्ञान थक्क होऊन पाहत राहण्यासारखे आहे—सूर्यप्रकाशाचे परिवर्तन शर्करेत करणारी, प्रती सेकंदाला हजारो किंवा लाखो चक्र चालवणारी (तेही आवाज, प्रदूषण किंवा अव्यवस्थेविना) स्वनियंत्रित, आत्म-रक्षक, अत्यंत सूक्ष्म “यंत्रे” आहेत. ते आपल्याला, अत्युत्तम रचनाकार आणि अभियांत्रिक, म्हणजेच आपला निर्माणकर्ता, यहोवा देवाच्या बुद्धीचे दर्शन घडवून आणते. यहोवाच्या त्या सुंदर, जीवनरक्षक, आदर्श कारखान्याची प्रशंसा करताना किंवा त्या नाजूक हिरव्यागार गवतावरून कधी चालताना त्याचा जरा विचार करा.

[तळटीपा]

[२५ पानांवरील चित्र]

आतील चौकटीतला फोटो: Colorpix, Godo-Foto

[२६ पानांवरील चित्र]

प्रकाशसंश्‍लेषणाने हे वृक्ष कसे वाढवले?

[२७ पानांवरील चित्र]

चित्र १

[२७ पानांवरील चित्र]

चित्र २

[२८ पानांवरील चित्र]

चित्र ३

[२८ पानांवरील चित्र]

चित्र ४

[२९ पानांवरील चित्र]

चित्र ५