Wysuń menu główne / MAIN MENU «•» wysuń / schowaj MENU
uStronie INDEX
Strona zgodna z najnowszą normą XHTML 1.1.: uStronie :. Spis artykułów / CONTENT
forum | chat | księga gości
INDEX Biblia Artykuły Hebrajski

Dlaczego trawa jest zielona?

Fotosynteza

Przyjrzyjmy się fotosyntezie

Fotosynteza

DLACZEGO trawa jest zielona? Być może pytałeś o to jako dziecko. Czy otrzymałeś zadowalającą odpowiedź? Tego rodzaju dziecięce pytania bywają bardzo wnikliwe. Mogą nas skłonić do dokładniejszego przyjrzenia się rzeczom oglądanym na co dzień i uważanym za oczywiste oraz do odkrycia cudów, których istnienia nigdy nie podejrzewaliśmy.

Jeżeli chcesz zrozumieć, dlaczego trawa jest zielona, pomyśl o czymś, co wydaje się nie mieć z nią nic wspólnego. Spróbuj sobie wyobrazić doskonałą fabrykę. Czyż nie musiałaby cicho pracować i ładnie wyglądać? Taka fabryka nie zanieczyszczałaby środowiska, a wręcz przeciwnie, działałaby na jego korzyść. Produkowano by w niej oczywiście coś pożytecznego, a nawet niezbędnego dla wszystkich. Doskonała fabryka byłaby najprawdopodobniej zasilana energią słoneczną. Wtedy nie potrzebowałaby prądu elektrycznego ani węgla czy ropy.

Doskonała fabryka niewątpliwie wykorzystywałaby energię uzyskiwaną za pomocą baterii słonecznych, dalece przewyższających osiągnięcia dzisiejszej techniki. Zarówno w produkcji, jak i w użytkowaniu byłyby one wydajne, tanie i przyjazne dla środowiska. Chociaż w owej fabryce korzystano by z najbardziej skomplikowanej technologii, jaką sobie można wyobrazić, działoby się to dyskretnie, bez zakłóceń, awarii czy nieustannych usprawnień, których zdają się obecnie wymagać najnowocześniejsze zdobycze techniki. Po doskonałej fabryce można by się spodziewać pełnej automatyzacji, dzięki czemu nikt nie musiałby czuwać nad przebiegiem produkcji. Ba, sama by się konserwowała, zaopatrywała i rozbudowywała.

Czy doskonała fabryka to tylko fantastyka naukowa? Czy stanowi jedynie nieosiągalne marzenie? Wcale nie, jest ona tak realna jak trawa pod twymi stopami. W rzeczywistości właśnie trawa, a także paprotka w twoim biurze i drzewo za oknem są takimi doskonałymi fabrykami. Właściwie można tak nazwać każdą roślinę zieloną! Czerpiąc energię ze światła słonecznego, rośliny zielone produkują z dwutlenku węgla, wody i soli mineralnych pokarm, spożywany bezpośrednio lub pośrednio niemal przez wszystkie żywe organizmy na ziemi. W czasie tego procesu regulują skład atmosfery, bo pobierają z niej dwutlenek węgla i uwalniają czysty tlen.

Co roku rośliny zielone na naszej planecie wytwarzają w sumie jakieś 150 do 400 miliardów ton cukrów—dużo więcej niż wynosi łączna waga produktów wszystkich hut żelaza i stali oraz zakładów samochodowych i lotniczych. Wykorzystując energię słoneczną, rośliny odrywają od cząsteczek wody atomy wodoru, które następnie przyłączają do cząsteczek dwutlenku węgla, pobranego z powietrza, i przetwarzają go na węglowodany, czyli cukry. Ten nadzwyczajny proces nazywamy fotosyntezą. Rośliny mogą zużyć nowe cząsteczki cukrów jako źródło energii lub połączyć je i przekształcić w skrobię, stanowiącą zapas pożywienia, bądź w celulozę — twardą substancję tworzącą budulec włókien roślinnych. Pomyśl tylko! Potężna sekwoja, wznosząca się 90 metrów ponad nasze głowy, powstała w głównej mierze ze zwykłego powietrza, w wyniku reakcji pojedynczych cząsteczek dwutlenku węgla z pojedynczymi cząsteczkami wody na niezliczonych milionach mikroskopijnych „taśm montażowych”, zwanych chloroplastami. Ale jak się to dzieje?

Przyjrzyjmy się mechanizmowi

Chociaż powstawanie sekwoi ze zwykłego powietrza (z dodatkiem wody i kilku soli mineralnych) rzeczywiście jest czymś zdumiewającym, nie ma jednak nic wspólnego z czarami. Jest to możliwe dzięki rozumnemu zaprojektowaniu i zastosowaniu techniki daleko bardziej skomplikowanej niż ta, którą dysponuje człowiek. Krok po kroku uczeni uchylają rąbka tajemnicy fotosyntezy i ze zdumieniem przyglądają się superskomplikowanym procesom biochemicznym, jakie podczas niej zachodzą. Przypatrzmy się wraz z nimi mechanizmowi, odpowiedzialnemu niemal za całe życie na ziemi. Być może uda nam się znaleźć odpowiedź na pytanie: „Dlaczego trawa jest zielona?”

Fotosynteza
Fotosynteza
Fotosynteza
Fotosynteza

Weźmy nasz niezawodny mikroskop i przyjrzyjmy się typowemu liściowi. Patrząc gołym okiem, mamy wrażenie, że cały liść jest zielony, ale to tylko złudzenie. Pojedyncze komórki rośliny widoczne pod mikroskopem właściwie nie mają zielonej barwy. Są raczej przezroczyste, lecz każda z nich zawiera jakieś 50 do 100 maleńkich zielonych kropek. Te kropki to chloroplasty, w których znajduje się światłoczuły, zielony barwnik zwany chlorofilem i w których zachodzi fotosynteza. Co się dzieje w ich wnętrzu?

Chloroplast przypomina malutką torebkę, wypełnioną jeszcze mniejszymi spłaszczonymi torebeczkami, które nazwano tylakoidami. Nareszcie odkryliśmy, skąd się bierze zieleń trawy. Powierzchnię tylakoidów pokrywają zielone cząsteczki chlorofilu — nie są jednak rozmieszczone bezładnie, lecz tworzą dobrze zorganizowane układy zwane fotosystemami. Większość roślin zielonych jest wyposażona w dwa ich rodzaje: fotosystem I (PS-I) i fotosystem II (PS-II). Każdy z nich to niejako wyspecjalizowana brygada robocza, która zajmuje się wykonywaniem określonych czynności, stanowiących kolejne etapy fotosyntezy.

„Odpady”, które się nie marnują

Kiedy na powierzchnię tylakoidu padają promienie słoneczne, układy PS-II, czyli jednostki zbierające światło, złożone z cząsteczek chlorofilu, tylko czekają, by je wychwycić. Te cząsteczki specjalizują się w pochłanianiu światła czerwonego o określonej długości fali. W innych okolicach tylakoidu układy PS-I czatują ną światło o nieco większej długości fali. Jednocześnie zarówno chlorofil, jak i inne barwniki, na przykład karotenoidy, absorbują światło niebieskie i fioletowe.

Dlaczego więc trawa jest zielona? Roślina spożytkowuje wszystkie padające na nią fale świetlne z wyjątkiem tych o zielonej barwie, które po prostu się odbijają i docierają do naszych oczu i aparatów fotograficznych. Pomyśl tylko! Delikatną zieleń wiosny i głęboką, szmaragdową lata zawdzięczamy falom świetlnym, które dla roślin są zbędne, a dla nas, ludzi — niezwykle cenne! W odróżnieniu od zanieczyszczeń i odpadów z fabryk człowieka, owe „odpady” światła z pewnością się nie marnują, o czym upewniamy się, gdy na widok pięknej łąki lub lasu, odczuwamy ożywczą moc przyjemnej barwy życia.

Wróćmy do chloroplastu: w fotosystemie II światło czerwone przekazuje swą energię elektronom w cząsteczkach chlorofilu. W końcu jeden z nich otrzymuje wystarczającą porcję energii, by wyskoczyć z fotosystemu prosto w ramiona oczekującej go cząsteczki akceptora, osadzonej w błonie tylakoidu. Elektron przemieszcza się od jednej cząsteczki akceptora do drugiej jakby tańczył odbijanego i stopniowo traci przy tym energię. Kiedy utraci jej wystarczająco dużo, może bez kłopotu zająć miejsce jednego z elektronów w fotosystemie I (patrz rysunek 1).

Tymczasem fotosystem II po utracie elektronu uzyskuje ładunek dodatni, toteż ma ochotę na elektron, który zapełniłby ubytek. Cześć fotosystemu II odpowiedzialna za wydzielanie tlenu zaczyna się zachowywać równie nerwowo jak człowiek, który właśnie odkrył, że ktoś mu opróżnił kieszenie. Skąd wziąć ten elektron? Aha! W pobliżu kręci się niefortunna cząsteczka wody. Czeka ją przykra niespodzianka.

Rozkład cząsteczek wody

Cząsteczka wody jest zbudowana ze stosunkowo dużego atomu tlenu i dwóch mniejszych atomów wodoru. Wspomniana część fotosystemu II, odpowiedzialna za wydzielanie tlenu, zawiera cztery jony manganu, które odrywają elektrony od atomów wodoru. W rezultacie cząsteczka wody zostaje rozbita na dwa dodatnie jony wodoru (protony), jeden atom tlenu i dwa elektrony. W miarę jak rozpadowi ulega coraz więcej cząsteczek wody, atomy tlenu łączą się w pary, tworząc cząsteczki, które roślina uwalnia do powietrza w postaci niezbędnego dla nas gazu. Jony wodoru gromadzą się we wnętrzu tylakoidu, gdzie mogą być wykorzystane przez roślinę, a elektrony uzupełniają braki w fotosystemie II, gotowym teraz do powtórzenia całego cyklu wiele razy w ciągu sekundy (patrz rysunek 2).

Jony wodorowe stłoczone we wnętrzu woreczka tylakoidu zaczynają szukać sposobu na wydostanie się z niego. Ich liczba powiększa się nie tylko o kolejne dwa jony wodorowe uwalniane po każdym rozbiciu cząsteczki wody, ale także o jony zwabione do woreczka tylakoidu przez elektrony fotosystemu II, które przemieszczają się do fotosystemu I. Wkrótce jony wodoru roją się niczym rozzłoszczone pszczoły w przepełnionym ulu. Jak mogą się wydostać?

Okazuje się, że genialny Projektant fotosyntezy obmyślił „obrotowe drzwi”, przepuszczające protony tylko w jedną stronę, a utworzone przez specjalny enzym, wykorzystywany przy syntezie niezwykle ważnego nośnika energii w komórce, zwanego ATP (adenozynotrifosforan). Kiedy jony wodoru przeciskają się przez owe „drzwi”, dostarczają energii potrzebnej, by niejako doładować wyczerpane cząsteczki ATP (patrz rysunek 3). Cząsteczki te przypominają malutkie akumulatorki. Zasilają małymi porcjami energii wszelkie reakcje zachodzące w komórce. ATP przyda się później podczas kolejnego etapu fotosyntezy — na linii produkcyjnej cukrów.

Do wytwarzania cukrów, oprócz ATP, niezbędna jest jeszcze inna mała cząsteczka, znana jako NADPH (zredukowana forma fosforanu dinukleotydu nikotynamidoadeninowego). Cząsteczki NADPH funkcjonują jak malutkie ciężarówki dostawcze, a każda z nich transportuje jeden atom wodoru do pewnego enzymu, który potrzebuje go, by pomóc w budowie cząsteczki cukru. NADPH powstaje dzięki fotosystemowi I. Kiedy jeden fotosystem (PS-II) zajmuje się rozbijaniem cząsteczek wody i wykorzystywaniem ich do syntezy ATP, drugi (PS-I) pochłania światło i uwalnia elektrony, które następnie posłużą do tworzenia NADPH. Zarówno cząsteczki ATP, jak i NADPH są przechowywane w przestrzeni poza tylakoidem do późniejszego użytku na linii produkcyjnej cukrów.

Nocna zmiana

W procesie fotosyntezy powstają co roku miliardy ton cukrów, ale ich produkcja w zasadzie nie przebiega podczas reakcji zależnych od światła. W tej fazie powstają jedynie ATP („akumulatorki”) i NADPH („ciężarówki dostawcze”). Dopiero enzymy zawarte w stromie, czyli przestrzeni wokół tylakoidów, wykorzystują ATP i NADPH do wytwarzania cukrów. W gruncie rzeczy roślina potrafi je produkować w zupełnej ciemności! Chloroplast można by porównać do fabryki, w której dwie załogi (PS-I i PS-II) montują we wnętrzu tylakoidu akumulatorki i ciężarówki dostawcze (ATP i NADPH) wykorzystywane później przez trzecią załogę (specjalne enzymy), znajdującą się w stromie (patrz rysunek 4). Załoga ta produkuje cukry, wiążąc za pomocą enzymów atomy wodoru i cząsteczki dwutlenku węgla na drodze reakcji chemicznych, przebiegających w dokładnie określonej kolejności. Wszystkie trzy załogi mogą pracować w dzień, a produkcja cukrów trwa jeszcze w czasie nocnej zmiany, aż do chwili wyczerpania się zapasów ATP i NADPH, nagromadzonych w ciągu dnia.

Stromę można by porównać do swoistego biura matrymonialnego komórki, pełnego atomów i cząsteczek, które chciałyby zostać „skojarzone” w pary, ale same nigdy się na to nie zdobędą. Niektóre enzymy działają jak mali, niezwykle energiczni pośrednicy matrymonialni.[*] Te enzymy to cząsteczki białkowe o specjalnym kształcie umożliwiającym im chwytanie dokładnie takich atomów lub cząsteczek, jakie są potrzebne do przebiegu określonej reakcji. Nie zadowalają się jednak samym przedstawieniem sobie przyszłych cząsteczkowych małżonków. Enzymy nie spoczną, dopóki nie doprowadzą do zawarcia małżeństwa, toteż łapią potencjalną parę i zbliżają do siebie ociągających się partnerów, aż do bezpośredniego zetknięcia, i w ten sposób siłą udzielają im wymuszonego biochemicznego ślubu. Po ceremonii enzymy uwalniają nową cząsteczkę i powtarzają cały proces od początku. Enzymy w stromie z niewiarygodną prędkością przekazują sobie powstające cząsteczki cukru: przegrupowują je, zasilają energią z ATP, wiążą dwutlenek węgla, przyłączają wodór i w końcu przesyłają trójwęglowy cukier do innego miejsca w komórce, gdzie zostaje przekształcony w glukozę i mnóstwo innych związków (patrz rysunek 5).

* [Inne rodzaje enzymów działają jak mali energiczni sędziowie od spraw rozwodowych; ich zadanie polega na rozdzielaniu cząsteczek.]

Dlaczego trawa jest zielona?

Fotosynteza to znacznie więcej niż podstawowa reakcja chemiczna. To biochemiczna symfonia, oszałamiająca złożonością i subtelnością. W książce Life Processes of Plants (Procesy życiowe roślin) napisano: „Fotosynteza jest nadzwyczajnym, wysoce uporządkowanym procesem ujarzmiania energii fotonów, wysyłanych przez słońce. Skomplikowana budowę rośliny oraz niewiarygodnie zawiłe biochemiczne i genetyczne mechanizmy kontrolne, regulujące przebieg fotosyntezy, można uważać za udoskonalenie podstawowego procesu wychwytywania fotonu i przekształcania jego energii w energię chemiczną”.

Innymi słowy, rozmyślanie nad tym, dlaczego trawa jest zielona, skłania do przyjrzenia się zdumiewającym konstrukcjom i technologiom, daleko przewyższającym wszelkie ludzkie wynalazki — samokontrolującym się, samowystarczalnym, niewidocznym pod zwykłym mikroskopem „maszynom”, które wykonują tysiące, a nawet miliony cyklicznych czynności na sekundę (bez hałasu, zanieczyszczania czy oszpecania otoczenia), przekształcając światło słoneczne w cukry. Takie rozważania dają nam też sposobność wniknięcia w myśli niezrównanego projektanta i inżyniera — naszego Stwórcy, Jehowy Boga. Weź to pod uwagę, gdy następnym razem będziesz podziwiał jedną z pięknych, życiodajnych, doskonałych fabryk Jehowy albo po prostu spacerował po uroczej, zielonej trawie.

topPrzebudźcie się!, nr 2 z 22 stycznia 1997