Proč je tráva zelená — Bližší pohled na fotosyntézu

„PROČ je tráva zelená?“ Možná jste si takovou otázku položili, když jste byli ještě dětmi. Byli jste s odpovědí spokojeni? Takovéto dětské otázky mohou být velmi hluboké. Mohou nás přimět, abychom se na všední věci, které považujeme za samozřejmé, podívali pozorněji, a odhalili tak skryté divy, jež bychom tam nikdy nečekali.

Abychom pochopili, proč je tráva zelená, představme si něco, co s trávou nemá zdánlivě nic společného. Zkuste si představit dokonalou továrnu. Taková továrna by pracovala tiše a vypadala by přitažlivě, že? Neznečišťovala by okolí, naopak, samotný její provoz by životnímu prostředí prospíval. Samozřejmě by také vyráběla něco, co je pro každého užitečné, a dokonce životně důležité. Taková továrna by měla pracovat na sluneční energii, nemyslíte? Tak by nepotřebovala žádné elektrické vedení ani dodávky uhlí nebo nafty.

Dokonalá továrna na sluneční pohon by jistě využívala mnohem lepší sluneční panely, než dnes člověk dokáže vyrobit. Jejich výroba i provoz by byly vysoce účinné, laciné a neznečišťovaly by prostředí. Dokonalá továrna by sice využívala tu nejvyspělejší představitelnou technologii, ale dělala by to nenápadně — bez neočekávaných problémů a poruch nebo nekonečného vylaďování, jež dnes, jak se zdá, nejvyspělejší technologie vyžaduje. Očekávali bychom, že dokonalá továrna bude plně automatizovaná, že ke svému chodu nebude potřebovat pozornost člověka. Ano, sama by se opravovala, sama by se udržovala v chodu, a dokonce by se sama rozmnožovala.

Je dokonalá továrna jen science fiction? Je to pouhý nedosažitelný přelud? Vůbec ne, vždyť dokonalá továrna je tak skutečná jako tráva pod vašima nohama. Ona to vlastně je tráva pod vašima nohama — a také kapradina ve vaší kanceláři nebo strom před vaším oknem. Dokonalou továrnou je totiž každá zelená rostlina! Zelené rostliny pracují na sluneční světlo, a z oxidu uhličitého, vody a nerostných látek vyrábějí potravu — přímo či nepřímo — pro téměř všechen život na zemi. Při tomto procesu obnovují atmosféru. Odstraňují totiž oxid uhličitý a uvolňují čistý kyslík.

Všechny suchozemské zelené rostliny vyrobí za rok odhadem 150 až 400 miliard tun cukru — to je mnohem více než světová produkce železa, oceli, automobilů a letadel dohromady. Dělají to tak, že pomocí sluneční energie odstraňují z molekul vody atomy vodíku a připojují je k molekulám oxidu uhličitého ze vzduchu. Tak změní oxid uhličitý na uhlohydrát neboli cukr. Tomuto pozoruhodnému procesu se říká fotosyntéza. Rostliny pak mohou použít své nové molekuly cukru jako zdroj energie. Mohou je také spojit a vytvořit z nich škrob jako zásobu potravy anebo celulózu, pevnou vláknitou hmotu, která tvoří pletivo rostlin. Jen pomyslete! Ta ohromná sekvoje, která se nad vámi tyčí do výšky devadesáti metrů, vyrostla téměř jen ze vzduchu. Na bezpočetných milionech mikroskopických ‚montážních linek‘, v takzvaných chloroplastech, se zpracovávala vždy jedna molekula oxidu uhličitého a jedna molekula vody, hezky po řadě. Ale jak?

Podívejme se na „motor“

Udělat sekvoji z pouhého vzduchu (a vody a trochy nerostných látek) je skutečně něco úžasného, ale není to kouzlo. Je to výsledek inteligentní konstrukce a technologie, která je mnohem důmyslnější než kterákoli z těch, jež vyvinul člověk. Vědci pomalu odsouvají víko černé skříňky fotosyntézy a v úžasu zírají na neskonale důmyslné biochemické pochody, které se dějí uvnitř. Podívejme se s nimi na „motor“, který pohání téměř všechen život na zemi. Snad začneme dostávat odpověď na otázku, proč je tráva zelená.

Vyndejme si svůj spolehlivý mikroskop a podívejme se na obyčejný list. Když se díváme prostým okem, zdá se nám, že celý list je zelený, ale to je jen iluze. Jednotlivé rostlinné buňky, které vidíme pod mikroskopem, tak zelené vůbec nejsou. Jsou většinou průhledné, ale každá obsahuje padesát až sto drobných zelených teček. Tyto tečky jsou chloroplasty, které obsahují zelený chlorofyl citlivý na světlo. A právě v chloroplastech se odehrává fotosyntéza. Co se uvnitř chloroplastů děje?

Chloroplast je jako drobný váček, uvnitř kterého jsou ještě menší zploštělé váčky zvané tylakoidy. Konečně jsme zjistili, kde je v trávě to zelené. Zelené molekuly chlorofylu jsou zabudovány do povrchu tylakoidů, ale ne náhodně. Jsou v pečlivě zorganizovaných skupinách, kterým se říká fotosystémy. Ve většině zelených rostlin jsou dva typy fotosystémů, fotosystém I a fotosystém II . Fotosystémy pracují jako specializované výrobní čety v továrně; každá z nich provádí v procesu fotosyntézy konkrétní řadu kroků.

„Odpad“, který se nevyhodí

Jak sluneční světlo dopadá na povrch tylakoidu, lapají jej shluky molekul chlorofylu z fotosystému II, kterým se říká světlosběrné komplexy. Těmto molekulám obzvlášť záleží na tom, aby absorbovaly červené světlo určité vlnové délky. Na jiných místech tylakoidu čekají jednotky fotosystému I na světlo trochu větší vlnové délky. Přitom jak chlorofyl, tak některé další molekuly, například karotenoidy, absorbují modré a fialové světlo.

Proč je tedy tráva zelená? Všechny vlnové délky světla, které na rostlinu dopadá, jsou pro rostlinu užitečné, kromě světla zeleného, a tak rostlina zelené světlo prostě odráží pryč, do našich čekajících očí a fotoaparátů. Jen pomyslete! Jemná jarní zeleň i syté, smaragdově zelené barvy léta jsou výsledkem toho, že tyto vlnové délky rostlina ocenit neumí, kdežto my ano! Na rozdíl od znečištění a odpadu z lidských továren se toto „odpadní“ světlo jistě nemarní, když se díváme na krásnou louku nebo les a občerstvujeme svou duši příjemnými barvami života.

Ale vraťme se k chloroplastu. Tam se v jednotkách fotosystému II přenáší energie červeného světla k elektronům v molekulách chlorofylu, dokud nějaký elektron nezíská tolik energie, že z jednotky vyskočí rovnou do náruče přenašeče čekajícího v membráně tylakoidu. Jako tanečnice, kterou si tanečníci předávají, putuje elektron od jedné přenašečové molekuly ke druhé a postupně ztrácí energii. Když je jeho energie dostatečně nízká, může být bezpečně použit jako náhrada elektronu ve fotosystému I . (Viz schéma č. 1.)

Ale fotosystému II chybí elektron. Má tedy kladný náboj a hladoví po elektronu, kterým by nahradil ten ztracený. Kyslíkotvorný komplex ve fotosystému II běsní — asi jako člověk, který právě zjistil, že mu někdo ukradl peníze z kapsy. Kde najít nějaký elektron? A podívejme, poblíž se potuluje nějaká molekula vody. Čeká ji, chuděru, nepříjemné překvapení.

Trhání molekul vody

Molekula vody se skládá z poměrně velkého atomu kyslíku a dvou menších atomů vodíku. Kyslíkotvorný komplex ve fotosystému II obsahuje čtyři ionty kovu hořčíku, které odstraňují elektrony z atomů vodíku v molekule vody. Tak se molekula vody rozštěpí na dva vodíkové ionty s kladným nábojem (protony), jeden atom kyslíku a dva elektrony. Když se rozštěpí více molekul vody, atomy kyslíku se spárují do molekul plynného kyslíku, který rostliny vracejí do vzduchu pro naši potřebu. Ionty vodíku se začínají hromadit uvnitř tylakoidového „váčku“, kde je rostlina může využít, a elektrony doplňují komplex fotosystému II, který nyní může opakovat cyklus mnohokrát za sekundu. (Viz schéma 2 .)

Uvnitř pytlovitého tylakoidu začínají namačkané ionty vodíku hledat cestu ven. Nejenže při každém rozštěpení molekuly vody přibudou dva ionty vodíku, ale do tylakoidu jsou přitahovány i další vodíkové ionty, když jsou elektrony fotosystému II předávány do komplexu fotosystému I . Ionty vodíku velmi brzy vyvádějí jako rozzuřené včely v přeplněném úle. Jak se odtud dostat?

Ukazuje se, že skvělý Konstruktér fotosyntézy přichystal ve formě speciálního enzymu, který se používá k tvorbě důležitého buněčného paliva ATP (adenosintrifosfátu), jakési otáčecí dveře, jimiž projde vždy jen jeden iont. Když se ionty vodíku těmi otáčecími dveřmi protlačí, doplní energii potřebnou k nabití vyčerpaných molekul ATP. (Viz schéma č. 3.) Molekuly ATP jsou jako drobné buněčné baterie. Přímo na místě poskytují malé dávky energie pro všechny druhy reakcí v buňce. Tyto molekuly ATP budou potřeba později, na fotosyntetické „montážní lince“ cukru.

Kromě ATP je pro „montáž“ cukru velmi důležitá ještě jedna malá molekula. Říká se jí NADPH (redukovaná forma nikotinamidadenindinukleotidfosfátu). Molekuly NADPH jsou jako malé dodávky, z nichž každá veze jeden atom vodíku čekajícímu enzymu, který tento atom potřebuje k tomu, aby sestavil molekulu cukru. Tvorba NADPH je úkolem fotosystému I . Zatímco jeden fotosystém (II) pilně roztrhává molekuly vody a používá je při tvorbě ATP, druhý fotosystém (I) absorbuje světlo a vystřeluje elektrony, které se nakonec použijí při tvorbě NADPH. Molekuly ATP i NADPH jsou uchovávány vně tylakoidu a později se použijí při „výrobě“ cukru.

Noční směna

Každý rok se fotosyntézou vytvoří miliony tun cukru, a přesto při světelných reakcích fotosyntézy vůbec žádný cukr nevzniká. Při nich se tvoří jen ATP („baterie“) a NADPH („dodávky“). Enzymy ve stromatu neboli v prostoru vně tylakoidů použijí ATP a NADPH k výrobě cukru až potom. Rostliny totiž mohou vyrábět cukr v naprosté tmě. Chloroplast bychom mohli přirovnat k továrně, která má uvnitř tylakoidů dvě pracovní čety (fotosystémy I a II), jež vyrábějí baterie a dodávky (ATP a NADPH), a venku ve stromatu třetí pracovní četu (speciální enzymy), která tyto výrobky potom použije. (Viz schéma č. 4.) Třetí pracovní četa vyrábí cukr tím, že spojuje atomy vodíku a molekuly oxidu uhličitého v přesném pořadí chemických reakcí a používá při tom enzymy ve stromatu. Všechny tři pracovní čety mohou pracovat ve dne a cukrová četa pracuje i na noční směny — přinejmenším do té doby, než jsou zpracovány zásoby ATP a NADPH, které připravila denní směna.

Stroma byste si mohli představit jako jakousi buněčnou sňatkovou kancelář, ve které je plno atomů a molekul, které by chtěly „uzavřít manželství“, ale samy pro to nehodlají nic udělat. Některé enzymy pracují jako velmi agilní malí dohazovači.a Jsou to molekuly bílkovin zvláštního tvaru, který jim umožní popadnout právě ty atomy nebo molekuly, které se hodí pro určitou reakci. Nespokojí se však s tím, že budoucí partnery v molekulárním manželství pouze představí. Enzymy nemají klid, dokud sňatek není uzavřen. Chopí se tedy budoucího páru a uvedou neochotné partnery do vzájemného přímého kontaktu, takže dojde k jakési biochemické svatbě z donucení. Když je po obřadu, enzymy novou molekulu propustí a proces opakují znovu a znovu. Enzymy si ve stromatu předávají částečně zkompletované molekuly cukru neuvěřitelnou rychlostí. Přestavují je, dodávají jim energii pomocí ATP, přidávají oxid uhličitý, přilepují vodík a nakonec odesílají tříuhlíkový cukr, aby byl někde jinde v buňce zpracován na glukózu a mnoho jiných podobných látek. (Viz schéma č. 5.)

Proč je tráva zelená?

Fotosyntéza je mnohem více než jen základní chemická reakce. Je to biochemická symfonie ohromující složitosti a přesnosti. Kniha Life Processes of Plants (Životní procesy v rostlinách) to říká takto: „Fotosyntéza je pozoruhodný, vysoce řízený proces pro využití energie slunečních fotonů. Složitá stavba rostliny a neuvěřitelně důmyslné biochemické a genetické řízení, které fotosyntetickou činnost reguluje, může být chápáno jako propracování základního procesu zachycování fotonu a přeměny jeho energie na energii chemickou.“

Jinými slovy, zjišťovat, proč je tráva zelená, znamená hledět v úžasu na konstrukci a technologii daleko vyšší, než jakou kdy vymyslel člověk — na submikroskopické „stroje“, které se řídí a udržují samy a které pracují rychlostí tisíců, nebo dokonce milionů cyklů za sekundu (bez hluku, znečištění nebo ošklivosti) a mění sluneční světlo na cukr. Pro nás to znamená trochu nahlédnout do myšlení vynikajícího návrháře a konstruktéra, našeho Stvořitele Jehovy Boha. Uvažujte o tom, až budete příště obdivovat jednu z Jehovových krásných „dokonalých továren“, které udržují život, nebo až prostě jen půjdete příjemně zelenou trávou.

[Poznámka pod čarou]

[Podpisek obrázku na straně 18]

Vložená fotografie: Colorpix, Godo-Foto

[Obrázek na straně 19]

Jak mohl díky fotosyntéze vyrůst tento strom?

[Nákres na straně 20]

Nákres č. 1

[Nákres na straně 20]

Nákres č. 2

[Nákres na straně 21]

Nákres č. 3

[Nákres na straně 21]

Nákres č. 4

[Nákres na straně 22]

Nákres č. 5