Zakaj je trava zelena — podrobnejši pogled na fotosintezo

»ZAKAJ je trava zelena?« Morda ste se to spraševali kot otrok. Ali ste bili z odgovorom zadovoljni? Otrokova temu podobna vprašanja so lahko zelo globoka. Lahko nas navedejo, da se poglobimo v vsakdanje stvari, ki jih jemljemo za samo po sebi umevne, in tako odkrijemo skrita čuda, o katerih si niti mislili nismo.

Da bi razumeli, zakaj je trava zelena, si predstavljajte nekaj, kar navidez nima s travo nobene veze. Skušajte si torej zamisliti popolno tovarno. Taka tovarna bi delovala tiho in bi bila privlačna za pogled, kajne? Namesto da bi onesnaževala, bi s svojim delovanjem okolje zboljševala. Seveda bi izdelovala nekaj koristnega, res bistvenega za vsakogar. Taka tovarna bi delovala na sončno energijo, se strinjate? Zato ne bi potrebovala električne povezave, niti dostavljanja premoga ali nafte.

Brez dvoma bi popolna tovarna na sončni pogon uporabljala mnogo boljše sončne kolektorje kot jih trenutno človek v svoji tehniki. Bili bi zelo učinkoviti, poceni in ne bi onesnaževali – niti ko bi jih izdelovali niti pri svojem delovanju. Čeprav bi popolna tovarna uporabljala najnaprednejšo tehniko, kar si jih je moč zamisliti, bi to delala nevsiljivo, brez nepričakovanih motenj v delovanju, okvar ali nenehnih naravnavanj, ki se v današnji osprednji tehniki zdijo tako nujna. Od nje bi pričakovali, da je povsem avtomatizirana in da lahko deluje brez človeka. Pravzaprav bi se sama popravljala, vzdrževala in celo podvajala.

Ali je taka popolna tovarna le znanstvena izmišljija? Zgolj neuresničljivo sanjarjenje? Ne, sploh ne, saj je popolna tovarna tako resnična, kot je trava pod vašimi nogami. Pravzaprav je to kar trava pod vašimi nogami, skupaj s praprotjo v vaši pisarni in drevesom, ki ga vidite skozi okno. Popolna tovarna je vsaka zelena rastlina! Zelene rastline neposredno in posredno izdelujejo iz ogljikovega dioksida, vode in mineralov hrano skoraj vsem življenjskim oblikam na zemlji, gorivo pa jim je sončna svetloba. V tem procesu obnavljajo atmosfero, saj odstranjujejo ogljikov dioksid in sproščajo čisti kisik.

Menijo, da zemljine zelene rastline letno vse skupaj izdelajo od 150 do 400 milijard ton sladkorja – veliko več snovi, kot znaša skupen proizvod vseh človeških tovarn železa, jekla, avtomobilov in zračnih vozil. To naredijo tako, da s pomočjo sončne energije od molekul vode ločijo atome vodika in te nato spojijo z molekulami ogljikovega dioksida iz zraka ter tako ogljikov dioksid pretvorijo v ogljikove hidrate – sladkor. Ta izredni proces se imenuje fotosinteza. Rastline lahko potem svoje nove molekule sladkorja porabijo za energijo ali pa jo shranijo v obliki škroba (za skladišče hrane) oziroma v obliki celuloze (čvrsta, nitasta snov, ki sestavlja rastlinska vlakna). Pomislite! Orjaška sekvoja, ki se dviga 90 metrov nad vami, je bila dobesedno narejena večinoma iz zraka, posamič iz molekule ogljikovega dioksida in molekule vode, na brezštevilnih milijonih mikroskopskih ,tekočih trakovih‘, kloroplastih. Toda kako?

Poglejmo si »motor«

Nastajanje sekvoje dobesedno iz zraka (plus voda in nekaj mineralov) je res osupljivo, ni pa nekaj nadnaravnega. Je rezultat inteligentnega oblikovanja in veliko bolj prefinjene tehnike, kakor jo ima človek. Znanstveniki po drobcih dvigujejo pokrov črne skrinjice fotosinteze in strmijo od začudenja nad njeno izredno visoko razvito biokemijo. Pa pokukajmo skupaj z njimi v »motor«, od katerega je odvisno skoraj vse življenje na zemlji. Morda bomo začeli dobivati odgovor na naše vprašanje »Zakaj je trava zelena?«.

Vzemimo si zanesljiv mikroskop in preiščimo tipičen list. Če ga gledamo s prostim očesom, se nam zdi, da je zelen ves, a se varamo. Posamezne rastlinske celice, ki jih vidimo pod mikroskopom, sploh niso tako zelene. Večinoma so prozorne, toda vsaka ima približno od 50 do 100 majcenih zelenih pik. To so kloroplasti, v katerih je za svetlobo občutljiv zeleni klorofil in kjer poteka fotosinteza. Kaj se dogaja znotraj kloroplastov?

Kloroplast je kot majhna vreča, ki ima znotraj še manjše sploščene vrečke, tilakoide. Naposled smo le določili, kje je zeleno v travi. Zelene klorofilove molekule so na zunanjih delih tilakoid, toda ne neurejeno, temveč v skrbno organiziranih združbah, fotosistemih. V večini zelenih rastlin sta dve vrsti fotosistemov, fotosistem 1 (FS1) in fotosistem 2 (FS2). Fotosistemi delujejo kot specializirane proizvodne ekipe v tovarni, vsak poskrbi za določeno serijo korakov fotosinteze.

»Odpadek«, ki ne gre na odpad

Ko sončna svetloba zadene površino tilakoide, skupine molekul klorofila fotosistema 2, ki jim pravimo svetlobozbiralniški kompleksi, čakajo, da jo ujamejo. Te molekule se še prav posebej zanimajo za vsrkavanje določenih valovnih dolžin rdeče svetlobe. Skupine fotosistema 1 na različnih mestih tilakoide prežijo na svetlobo nekoliko daljših valovnih dolžin. Medtem pa tako klorofilne molekule, kot nekatere druge (na primer karotenoidi), vsrkavajo svetlobo modrega in vijoličastega dela spektra.

Zakaj je torej trava zelena? Zelenim rastlinam je od vseh valovnih dolžin svetlobe, ki padajo nanje, le zelena nekoristna, zato jo pač odbijejo našim pričakujočim očem in fotografskim aparatom. Samo pomislite! Prelepo zelenje pomladi in temnosmaragdno zelenje poletja je take barve zaradi valovnih dolžin svetlobe, ki jih rastline ne potrebujejo, nam pa so tako dragocene! Ta »odpadna« svetloba v nasprotju z onesnaženjem in odpadki človekovih tovarn prav gotovo ne gre na odpad, ko strmimo nad prelepimi travniki ali gozdovi in si osvežujemo dušo s prijetno barvo življenja.

Vrnimo se h kloroplastu. V skupini fotosistema 2 se energija svetlobe rdečega spektra prenaša na elektrone v klorofilnih molekulah, dokler elektron končno nima toliko energije oziroma ni toliko »razburjen«, da skoči iz skupine v naročje čakajoče prenosne molekule v tilakoidni membrani. Nato kakor plesalec, ki gre od enega do drugega plesalca, prehaja od ene prenosne molekule do druge in pri tem postopoma zgublja energijo. Ko ima dovolj nizko energijo, lahko varno nadomesti elektron v drugem fotosistemu, fotosistemu 1. (Glej 1. shemo.)

Medtem skupini fotosistema 2 manjka elektron, zato je pozitivno nabita in hrepeni po elektronu, ki bi nadomestil izgubljenega. Področje fotosistema 2, znano kot kisikizdelujoči kompleks, je kakor človek, ki je pravkar odkril, da so mu spraznili žepe, vso iz sebe. Kje naj dobi elektron? Aha! V bližini postopa nesrečna molekula vode. Čaka jo hudo neprijetno presenečenje.

Razpad molekul vode

Molekula vode je sestavljena iz relativno velikega atoma kisika in dveh manjših atomov vodika. Kisikizdelujoči kompleks fotosistema 2 vsebuje štiri ione kovinskega mangana, ki iz vodikovih atomov molekule vode odcepijo elektrone. Rezultat tega je, da vodna molekula razpade na dva pozitivna vodikova iona (protona), atom kisika in dva elektrona. Ko razpade več molekul vode, se kisikovi atomi združijo v pare kot molekule kisikovega plina, in tega rastlina vrača v zrak, nam v uporabo. Vodikovi ioni se začnejo kopičiti znotraj tilakoidne »vrečke«, od koder jih rastlina lahko uporablja. Elektroni ponovno preskrbijo kompleks fotosistema 2, ki je sedaj pripravljen, da krog ponovi mnogokrat v sekundi. (Glej 2. shemo.)

Znotraj tilakoidne vrečke nagneteni vodikovi ioni začenjajo iskati poti ven. Vodikovi ioni se ne dodajajo le vsakič, ko razpade kaka molekula vode, temveč jih v tilakoidno vrečo privlačijo tudi elektroni fotosistema 2, ko gredo v kompleks fotosistema 1. Kaj kmalu vodikovi ioni brenčijo kakor jezne čebele v prenatrpanem čebelnjaku. Kako lahko pridejo ven?

Izkaže se, da je sijajni Oblikovalec fotosinteze priskrbel vrtljiva vrata z enim izhodom, in sicer v obliki posebnega encima, ki izdeluje zelo pomembno celično gorivo: ATP (adenozintrifosfat). Ko si vodikovi ioni izsilijo pot skozi vrtljiva vrata, priskrbijo energijo, ki je potrebna za ponovno polnjenje izrabljenih molekul ATP-ja. (Glej 3. shemo.) Molekule ATP-ja so kot drobne celične baterije. Kar tam, v celici, priskrbujejo majhne izbruhe energije za vse vrste celičnih reakcij. Kasneje bodo te molekule ATP-ja potrebne pri fotosintezni izdelavi sladkorja.

Poleg ATP-ja je za izdelavo sladkorja bistvena še ena majhna molekula. Imenuje se NADPH (kratica za nikotinamid adenin dinukleotid fosfat). Molekule NADPH-ja so kot majhni dostavni tovornjaki. Vsaka prenese atom vodika do čakajočega encima, ki ta atom potrebuje za to, da pomaga izdelati molekulo sladkorja. Za nastajanje NADPH-ja skrbi kompleks fotosistema 1. Medtem ko je en fotosistem (FS2) zaposlen z razcepljanjem molekul vode in uporabo teh za ATP, drug fotosistem (FS1) vsrkava svetlobo in izganja elektrone, ki se kasneje uporabijo za nastanek NADPH-ja. Molekule ATP-ja in NADPH-ja se skladiščijo zunaj tilakoide za prihodnjo uporabo pri izdelavi sladkorja.

Nočna izmena

Vsako leto se s fotosintezo ustvari na milijarde ton sladkorja, a svetlobne reakcije pri fotosintezi ne izdelajo prav nič sladkorja. Vse, kar naredijo, sta ATP (»baterije«) in NADPH (»dostavni tovornjaki«). Za tem encimi v stromi, oziroma prostoru zunaj tilakoid, s pomočjo ATP-ja in NADPH-ja izdelujejo sladkor. Rastlina lahko sladkor izdeluje v popolni temi! Kloroplast bi lahko primerjali s tovarno, ki ima znotraj tilakoid dve delovni skupini (FS1 in FS2), ki izdelujeta baterije in dostavne tovornjake (ATP in NADPH) v uporabo tretji delovni skupini (posebnim encimom) v stromi. (Glej 4. shemo.) Tretja delovna skupina izdeluje sladkor tako, da s pomočjo encimov v stromi dodaja atome vodika in molekule ogljikovega dioksida v natančno določenem zaporedju kemičnih reakcij. Vse tri delovne skupine lahko delajo podnevi, sladkorna delovna skupina pa dela tudi ponoči, vsaj dokler ne porabijo podnevi pridobljene zaloge ATP-ja in NADPH-ja.

Stromo si lahko predstavljate kot vrsto celične ženitne posredovalnice, polne atomov in molekul, ki se morajo med sabo »poročiti«, a se sami za to nikoli ne opogumijo. Določeni encimi so kot majhni, zelo vsiljivi ženitni posredniki.a To so proteinske molekule posebne oblike, ki jim omogoča, da zgrabijo za določeno reakcijo ravno prave atome oziroma molekule. Ne zadovoljijo se zgolj s tem, da bodoče zakonce drug drugemu predstavijo. Toliko časa niso zadovoljni, dokler ne vidijo poroke. Zato bodoči par zgrabijo in upirajoča se partnerja prisilijo v neposreden stik, v nekakšno biokemično prisilno poroko. Po obredu encimi spustijo nove molekule in postopek znova in znova ponavljajo. V stromi si encimi z neverjetno hitrostjo podajajo delno izdelane molekule sladkorja, jih premeščajo, oskrbujejo z energijo iz ATP-ja, dodajajo ogljikov dioksid in vodik, nazadnje pa sladkor s po tremi ogljikovimi atomi odpošiljajo naprej, da se drugje v celici spreminja v glukozo in mnoge druge različice. (Glej 5. shemo.)

Zakaj je trava zelena

Fotosinteza je veliko več kot le temeljna kemična reakcija. Je biokemična simfonija osupljive zamotanosti in prefinjenosti. Knjiga Life Processes of Plants o njej pravi takole: »Fotosinteza je izreden, visoko organiziran proces za izkoriščanje energije sončnih fotonov. Na kompleksno strukturo rastline in neverjetno zapleten biokemični in genetski nadzor, ki uravnava fotosintezno dejavnost, lahko gledamo kot na finese temeljnega procesa sprejemanja fotonov in pretvarjanja njihove energije v kemično obliko.«

Z drugimi besedami, ugotoviti, zakaj je trava zelena, pomeni strmeti od začudenja nad oblikovanostjo in tehniko, ki daleč presega vse, kar je izumilo človeštvo – samouravnavajoči, samovzdrževalni, mikroskopski »stroji«, ki delujejo v tisočih ali celo milijonih ciklih na sekundo (brez hrupa, onesnaževanja, grdosti) in sončno svetlobo spreminjajo v sladkor. Pomeni nam bežen pogled v razum oblikovalca in inženirja par excellence – našega Stvarnika, Boga Jehova. Mislite na to, ko boste naslednjič občudovali eno od Jehovovih lepih, življenjeohranjujočih popolnih tovarn ali ko se boste sprehajali po tej ljubki zeleni travi.

[Podčrtna opomba]

[Navedba vira slike na strani 18]

Vstavljena fotografija: Colorpix, Godo-Foto

[Slika na strani 19]

Kako je to drevo zraslo zaradi fotosinteze?

[Shema na strani 20]

1. shema

[Shema na strani 20]

2. shema

[Shema na strani 21]

3. shema

[Shema na strani 21]

4. shema

[Shema na strani 22]

5. shema