Γιατί Είναι Πράσινο το Χορτάρι—Η Φωτοσύνθεση από Κοντά

«ΓΙΑΤΙ είναι πράσινο το χορτάρι;» Ίσως να είχατε κάνει αυτή την ερώτηση όταν ήσασταν παιδί. Σας ικανοποίησε η απάντηση; Αυτού του είδους οι παιδικές ερωτήσεις μπορεί να είναι πολύ δύσκολο να απαντηθούν. Μπορεί να μας κάνουν να κοιτάξουμε βαθύτερα σε καθημερινά πράγματα που τα θεωρούμε δεδομένα και να αποκαλύψουν κρυμμένα θαύματα τα οποία ούτε καν υποψιαζόμασταν ότι υπάρχουν.

Για να καταλάβετε γιατί είναι πράσινο το χορτάρι, φανταστείτε κάτι που ίσως φαίνεται εντελώς άσχετο με το χορτάρι. Προσπαθήστε να φανταστείτε το τέλειο εργοστάσιο. Το τέλειο εργοστάσιο θα λειτουργούσε αθόρυβα και θα ήταν όμορφο εξωτερικά, έτσι δεν είναι; Αντί να ρυπαίνει, το τέλειο εργοστάσιο στην πραγματικότητα θα βελτίωνε το περιβάλλον με τη λειτουργία του και μόνο. Ασφαλώς, θα παρήγε κάτι χρήσιμο—μάλιστα ζωτικό—για όλους. Ένα τέτοιο εργοστάσιο θα λειτουργούσε με ηλιακή ενέργεια, δεν νομίζετε; Με αυτόν τον τρόπο δεν θα χρειαζόταν ηλεκτρικό ρεύμα, κάρβουνο ή πετρέλαιο για να λειτουργεί.

Χωρίς αμφιβολία, το τέλειο ηλιακό εργοστάσιο θα χρησιμοποιούσε ηλιακές συστοιχίες πολύ ανώτερες τεχνολογικά από τη σημερινή ανθρώπινη τεχνολογία. Αυτές θα ήταν εξαιρετικά αποδοτικές, φτηνές και δεν θα ρύπαιναν, τόσο στην κατασκευή τους όσο και στη χρήση τους. Μολονότι θα χρησιμοποιούσε την πιο προηγμένη τεχνολογία που μπορεί να φανταστεί κανείς, το τέλειο εργοστάσιο θα το έκανε αυτό αθόρυβα, χωρίς τα απρόοπτα προβλήματα, τις βλάβες ή τις ατέλειωτες ρυθμίσεις που φαίνεται να απαιτεί η πιο εξελιγμένη τεχνολογία σήμερα. Θα αναμέναμε από το τέλειο εργοστάσιο να είναι πλήρως αυτοματοποιημένο και να μη χρειάζεται ανθρώπινη φροντίδα για να λειτουργεί. Μάλιστα, θα αυτοδιορθωνόταν, θα αυτοσυντηρούνταν, και ακόμα θα αυτοαναπαραγόταν.

Είναι το τέλειο εργοστάσιο απλώς επιστημονική φαντασία; Ένα απραγματοποίητο, ουτοπικό όνειρο; Όχι, καθόλου, επειδή το τέλειο εργοστάσιο είναι τόσο πραγματικό όσο και το χορτάρι που πατάτε. Στην ουσία, αυτό το εργοστάσιο είναι το χορτάρι που πατάτε, μαζί με τη φτέρη που έχετε στο γραφείο σας και το δέντρο έξω από το παράθυρό σας. Βλέπετε, το τέλειο εργοστάσιο είναι κάθε πράσινο φυτό! Έχοντας ως καύσιμο το ηλιακό φως, τα πράσινα φυτά χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα, νερό και μεταλλικά στοιχεία για να παράγουν τροφή, άμεσα ή έμμεσα, σχεδόν για όλες τις μορφές ζωής στη γη. Στην πορεία, ανεφοδιάζουν την ατμόσφαιρα απομακρύνοντας το διοξείδιο του άνθρακα και εκλύοντας καθαρό οξυγόνο.

Συνολικά, τα πράσινα φυτά της γης παράγουν όπως υπολογίζεται 150 ως 400 δισεκατομμύρια τόνους σακχάρων ετησίως—πολύ μεγαλύτερη ποσότητα υλικών από τη συνολική παραγωγή της παγκόσμιας βιομηχανίας σιδήρου, χάλυβα, αυτοκινήτων και διαστημοπλοίων. Το πετυχαίνουν αυτό χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια προκειμένου να αφαιρέσουν άτομα υδρογόνου από μόρια νερού και κατόπιν να ενώσουν αυτά τα άτομα υδρογόνου με μόρια διοξειδίου του άνθρακα που παίρνουν από την ατμόσφαιρα, μετατρέποντας το διοξείδιο του άνθρακα σε έναν υδατάνθρακα γνωστό ως σάκχαρο. Αυτή η αξιοθαύμαστη διαδικασία λέγεται φωτοσύνθεση. Τα φυτά μπορούν κατόπιν να χρησιμοποιήσουν τα νέα μόρια σακχάρου για ενέργεια είτε μπορούν να τα συνδυάσουν και να σχηματίσουν άμυλο, που θα το αποθηκεύσουν για τροφή, ή κυτταρίνη, τη σκληρή ινώδη ουσία από την οποία αποτελούνται οι φυτικές ίνες. Για σκεφτείτε! Καθώς μεγάλωνε, αυτή η τεράστια σεκόγια που υψώνεται 90 μέτρα πάνω από εσάς αποτελούνταν κυρίως από αέρα, ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα και ένα μόριο νερού τοποθετημένα διαδοχικά σε αναρίθμητα εκατομμύρια μικροσκοπικές ‘αλυσίδες παραγωγής’ που ονομάζονται χλωροπλάστες. Αλλά πώς γίνεται αυτό;

Ας Ρίξουμε μια Ματιά στη «Μηχανή»

Η δημιουργία μιας σεκόγιας από αέρα (μαζί με νερό και ελάχιστα μεταλλικά στοιχεία) είναι πράγματι κάτι το καταπληκτικό αλλά όχι εξωπραγματικό. Είναι το αποτέλεσμα νοήμονος σχεδίου και τεχνολογίας πολύ πιο προηγμένης από αυτήν που έχει ο άνθρωπος. Σιγά σιγά, οι επιστήμονες ανασηκώνουν το καπάκι του μαύρου κουτιού της φωτοσύνθεσης για να παρατηρήσουν με θαυμασμό τη φοβερά πολυσύνθετη βιοχημική διεργασία που λαβαίνει χώρα στο εσωτερικό του. Ας ρίξουμε και εμείς μαζί τους μια σύντομη ματιά στη «μηχανή» που ευθύνεται σχεδόν για όλες τις μορφές ζωής στη γη. Ίσως μπορέσουμε να βρούμε κάποια απάντηση στο ερώτημά μας: «Γιατί είναι πράσινο το χορτάρι;»

Ας βγάλουμε το αξιόπιστο μικροσκόπιό μας και ας εξετάσουμε ένα συνηθισμένο φύλλο. Κοιτώντας το με γυμνό μάτι, ολόκληρο το φύλλο φαίνεται πράσινο, αλλά αυτό είναι οφθαλμαπάτη. Τελικά τα μεμονωμένα κύτταρα του φυτού που βλέπουμε με το μικροσκόπιο δεν είναι και τόσο πράσινα. Αντίθετα, στο μεγαλύτερο μέρος τους είναι διαφανή, αλλά το καθένα περιέχει γύρω στους 50 με 100 πολύ μικρούς πράσινους κόκκους. Αυτοί οι κόκκοι είναι οι χλωροπλάστες, εκεί όπου βρίσκεται η φωτοευαίσθητη πράσινη χλωροφύλλη και λαβαίνει χώρα η φωτοσύνθεση. Τι συμβαίνει μέσα στους χλωροπλάστες;

Ο χλωροπλάστης μοιάζει με μικροσκοπικό σάκο που περιέχει ακόμα μικρότερους πεπλατυσμένους σάκους, οι οποίοι ονομάζονται θυλακοειδή. Τελικά, εντοπίζουμε την πηγή του πράσινου χρώματος του χορταριού. Πράσινα μόρια χλωροφύλλης εμπεριέχονται στην επιφάνεια των θυλακοειδών, όχι τυχαία, αλλά σε προσεκτικά οργανωμένες στιβάδες που ονομάζονται φωτοσυστήματα. Υπάρχουν δύο είδη φωτοσυστημάτων στα περισσότερα πράσινα φυτά, γνωστά ως φωτοσύστημα Ι (PSI) και φωτοσύστημα ΙΙ (PSII). Τα φωτοσυστήματα ενεργούν όπως οι ειδικευμένες ομάδες παραγωγής σε ένα εργοστάσιο, το καθένα φροντίζει για μια συγκεκριμένη σειρά βημάτων στη φωτοσύνθεση.

«Απόβλητα» που Δεν Πάνε Χαμένα

Καθώς το ηλιακό φως πέφτει πάνω στην επιφάνεια του θυλακοειδούς, συμπλέγματα μορίων χλωροφύλλης του PSII που ονομάζονται συλλέκτες φωτός είναι έτοιμα να δεσμεύσουν το φως. Αυτά τα μόρια ενδιαφέρονται ιδιαίτερα να απορροφήσουν ερυθρό φως που έχει συγκεκριμένο μήκος κύματος. Σε διαφορετικά σημεία του θυλακοειδούς, τα συμπλέγματα του PSI αναζητούν φως με κάπως μεγαλύτερο μήκος κύματος. Στο μεταξύ, τόσο η χλωροφύλλη όσο και μερικά άλλα μόρια, όπως τα καροτινοειδή, απορροφούν ανοιχτό μπλε και ιώδες φως.

Γιατί, λοιπόν, είναι πράσινο το χορτάρι; Από όλα τα μήκη κύματος που πέφτουν στα φυτά, μόνο το πράσινο φως τούς είναι άχρηστο, έτσι απλώς ανακλάται με αποτέλεσμα να το βλέπουν τα παρατηρητικά μάτια μας και οι φωτογραφικές μας μηχανές. Για σκεφτείτε το! Τα απαλά πράσινα χρώματα της άνοιξης, καθώς και τα βαθιά σμαραγδοπράσινα χρώματα του καλοκαιριού, προέρχονται από μήκη κύματος που δεν τα εκτιμούν τα φυτά αλλά εμείς οι άνθρωποι τα θεωρούμε πολύτιμα! Σε αντίθεση με τη ρύπανση και τα απόβλητα από τα ανθρώπινα εργοστάσια, αυτό το φως που ‘αποβάλλεται’ ασφαλώς δεν πηγαίνει χαμένο όταν ατενίζουμε ένα όμορφο λιβάδι ή κάποιο δάσος, και νιώθουμε να μας αναζωογονεί το ελκυστικό χρώμα της ζωής.

Επιστρέφοντας στο χλωροπλάστη, στο σύμπλεγμα του PSII, η ενέργεια από το ερυθρό τμήμα του ηλιακού φωτός μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια που υπάρχουν μέσα στα μόρια της χλωροφύλλης ώσπου, τελικά, ένα ηλεκτρόνιο ενεργοποιείται, ή «διεγείρεται», τόσο πολύ ώστε εκτινάσσεται από το σύμπλεγμα και πέφτει στην αγκαλιά ενός μορίου-μεταφορέα που περιμένει στη μεμβράνη του θυλακοειδούς. Σαν χορεύτρια που περνάει από παρτενέρ σε παρτενέρ, το ηλεκτρόνιο περνάει από το ένα μόριο-μεταφορέα στο άλλο ενώ χάνει σταδιακά ενέργεια. Όταν η ενέργειά του μειωθεί αρκετά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια για να αντικαταστήσει ένα ηλεκτρόνιο στο άλλο φωτοσύστημα, το PSI.—Βλέπε διάγραμμα 1.

Στο μεταξύ, το σύμπλεγμα του PSII χάνει ένα ηλεκτρόνιο, φορτίζεται θετικά και είναι έτοιμο να πάρει ένα ηλεκτρόνιο σε αντικατάσταση εκείνου που έχασε. Σαν έναν άνθρωπο που μόλις ανακάλυψε ότι του έχουν κλέψει το πορτοφόλι, η περιοχή του PSII η οποία είναι γνωστή ως συγκρότημα παραγωγής οξυγόνου είναι αναστατωμένη. Πού θα βρει το ηλεκτρόνιο; Να! Εκεί κοντά περιφέρεται ανέμελα ένα δύστυχο μόριο νερού. Το περιμένει μια δυσάρεστη έκπληξη.

Διάσπαση των Μορίων του Νερού

Το μόριο του νερού αποτελείται από ένα σχετικά μεγάλο άτομο οξυγόνου και δύο μικρότερα άτομα υδρογόνου. Το συγκρότημα παραγωγής οξυγόνου του PSII περιέχει τέσσερα ιόντα μαγγανίου, τα οποία αφαιρούν τα ηλεκτρόνια από τα άτομα υδρογόνου που υπάρχουν στο μόριο του νερού. Το αποτέλεσμα είναι ότι το μόριο του νερού διασπάται σε δύο θετικά ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια), ένα άτομο οξυγόνου και δύο ηλεκτρόνια. Καθώς περισσότερα μόρια νερού διαμελίζονται, τα άτομα του οξυγόνου ζευγαρώνουν σχηματίζοντας μόρια αέριου οξυγόνου τα οποία το φυτό τα επιστρέφει στον αέρα για δική μας χρήση. Τα ιόντα υδρογόνου αρχίζουν να συσσωρεύονται μέσα στο θυλακοειδή σάκο όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν από το φυτό, και τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται για να ανεφοδιάσουν το συγκρότημα του PSII, το οποίο είναι τώρα έτοιμο να επαναλάβει τον κύκλο πολλές φορές το δευτερόλεπτο.—Βλέπε διάγραμμα 2.

Μέσα στο θυλακοειδή σάκο, τα στριμωγμένα ιόντα υδρογόνου αρχίζουν να αναζητούν κάποια διέξοδο. Κάθε φορά που διασπάται κάποιο μόριο νερού όχι μόνο προστίθενται δύο ιόντα υδρογόνου αλλά και άλλα ιόντα υδρογόνου έλκονται μέσα στο θυλακοειδή σάκο από τα ηλεκτρόνια του PSII καθώς αυτά μεταφέρονται στο συγκρότημα του PSI. Πολύ γρήγορα, τα ιόντα υδρογόνου αρχίζουν να στριφογυρίζουν σαν αγριεμένες μέλισσες σε γεμάτη κυψέλη. Πώς μπορούν να βγουν έξω;

Αποδεικνύεται ότι ο ευφυής Σχεδιαστής της φωτοσύνθεσης έχει προμηθεύσει μια περιστρεφόμενη πόρτα με μία μόνο έξοδο, με τη μορφή κάποιου ειδικού ενζύμου που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ενός πολύ σημαντικού κυτταρικού καυσίμου το οποίο ονομάζεται τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP). Καθώς τα ιόντα υδρογόνου βγαίνουν με δύναμη από την περιστρεφόμενη πόρτα, παρέχουν την ενέργεια που απαιτείται για να επαναφορτιστούν τα χρησιμοποιημένα μόρια ATP. (Βλέπε διάγραμμα 3.) Τα μόρια της ATP είναι σαν μικροσκοπικές μπαταρίες. Παρέχουν μικρές εκρήξεις ενέργειας, στο κατάλληλο σημείο, για κάθε είδους αντιδράσεις που λαβαίνουν χώρα στο κύτταρο. Αργότερα, αυτά τα μόρια ATP θα χρειαστούν στη φωτοσυνθετική αλυσίδα παραγωγής σακχάρων.

Εκτός από την ATP, άλλο ένα μικρό μόριο είναι ζωτικό για τη σύνθεση σακχάρων. Ονομάζεται ανηγμένο φωσφορικό νικοτιναμιδο-αδενινο-δινουκλεοτίδιο (NADPH). Τα μόρια του NADPH μοιάζουν με μικρά φορτηγά μεταφορών, που το καθένα μεταφέρει ένα άτομο υδρογόνου σε ένα ένζυμο που περιμένει και το οποίο χρειάζεται το άτομο υδρογόνου για να μπορέσει να συνθέσει ένα μόριο σακχάρου. Η κατασκευή του NADPH είναι δουλειά του συγκροτήματος του PSI. Ενώ το ένα φωτοσύστημα (PSII) ασχολείται με τη διάσπαση των μορίων του νερού και τα χρησιμοποιεί για να φτιάξει ATP, το άλλο φωτοσύστημα (PSI) απορροφά φως και εκπέμπει ηλεκτρόνια τα οποία τελικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του NADPH. Τα μόρια τόσο της ATP όσο και του NADPH βρίσκονται αποθηκευμένα στο χώρο που υπάρχει έξω από το θυλακοειδές για να χρησιμοποιηθούν μελλοντικά στην αλυσίδα παραγωγής σακχάρων.

Η Νυχτερινή Βάρδια

Δισεκατομμύρια τόνοι σακχάρων δημιουργούνται κάθε χρόνο από τη φωτοσύνθεση· εντούτοις, οι φωτοσυνθετικές αντιδράσεις που γίνονται με την επίδραση της ηλιακής ενέργειας στην πραγματικότητα δεν παράγουν καθόλου σάκχαρα. Το μόνο που παράγουν είναι ATP («μπαταρίες») και NADPH («φορτηγά μεταφορών»). Από αυτό το σημείο, τα ένζυμα που υπάρχουν στο στρώμα, δηλαδή στο χώρο έξω από τα θυλακοειδή, χρησιμοποιούν την ATP και το NADPH για να παράγουν σάκχαρα. Στην πραγματικότητα, το φυτό μπορεί να παράγει σάκχαρα σε απόλυτο σκοτάδι! Θα μπορούσατε να παρομοιάσετε το χλωροπλάστη με ένα εργοστάσιο το οποίο έχει δύο συνεργεία (PSI και PSII) μέσα στα θυλακοειδή για να κατασκευάζουν μπαταρίες και φορτηγά μεταφορών (ATP και NADPH) τα οποία θα τα χρησιμοποιήσει ένα τρίτο συνεργείο (ειδικά ένζυμα) που βρίσκεται έξω στο στρώμα. (Βλέπε διάγραμμα 4.) Αυτό το τρίτο συνεργείο παράγει σάκχαρα προσθέτοντας άτομα υδρογόνου και μόρια διοξειδίου του άνθρακα σε μια ακριβή αλληλουχία χημικών αντιδράσεων στις οποίες χρησιμοποιεί τα ένζυμα που υπάρχουν στο στρώμα. Και τα τρία συνεργεία μπορούν να εργάζονται στη διάρκεια της μέρας, ενώ το συνεργείο που φτιάχνει σάκχαρα εργάζεται και νυχτερινή βάρδια, τουλάχιστον μέχρις ότου εξαντληθούν τα αποθέματα ATP και NADPH που έχει ετοιμάσει η πρωινή βάρδια.

Φανταστείτε το στρώμα σαν ένα είδος κυτταρικού γραφείου συνοικεσίων που είναι γεμάτο άτομα και μόρια τα οποία πρέπει να «παντρευτούν» μεταξύ τους, αλλά ποτέ δεν θα τα καταφέρουν μόνα τους. Μερικά ένζυμα μοιάζουν με πολύ πιεστικούς προξενητές.a Πρόκειται για μόρια πρωτεϊνών που έχουν ειδικά σχήματα τα οποία τους επιτρέπουν να πιαστούν από τα σωστά άτομα ή μόρια για κάποια συγκεκριμένη αντίδραση. Ωστόσο, δεν αρκούνται απλώς και μόνο στο να φέρνουν σε επαφή τους μελλοντικούς γαμήλιους μοριακούς συντρόφους. Τα ένζυμα δεν θα ικανοποιηθούν αν δεν δουν να γίνεται ο γάμος, έτσι αρπάζουν το μελλοντικό ζευγάρι και φέρνουν τους διστακτικούς συντρόφους σε άμεση επαφή επιβάλλοντας την τελετή, σαν να γίνεται ένας βιοχημικός βεβιασμένος γάμος. Μετά την τελετή, τα ένζυμα απελευθερώνουν το νέο μόριο και επαναλαμβάνουν τη διαδικασία ξανά και ξανά. Στο στρώμα, τα ένζυμα διακινούν σχεδόν έτοιμα μόρια σακχάρων με απίστευτη ταχύτητα, τα αναδιατάσσουν, τα ενεργοποιούν με ATP, προσθέτουν διοξείδιο του άνθρακα, προσαρτούν υδρογόνο, και, τελικά, στέλνουν ένα σάκχαρο με τρία άτομα άνθρακα σε άλλο μέρος του κυττάρου για να μετατραπεί σε γλυκόζη και σε πολλές άλλες παραλλαγές.—Βλέπε διάγραμμα 5.

Γιατί Είναι Πράσινο το Χορτάρι;

Η φωτοσύνθεση δεν είναι απλώς μια βασική χημική αντίδραση. Είναι μια βιοχημική συμφωνία εκπληκτικής πολυπλοκότητας και επιδεξιότητας. Το βιβλίο Βιολογικές Διεργασίες των Φυτών (Life Processes of Plants) το θέτει ως εξής: «Η φωτοσύνθεση είναι μια εξαιρετική, φοβερά καλορυθμισμένη διεργασία για τη δέσμευση της ενέργειας των ηλιακών φωτονίων. Η πολύπλοκη αρχιτεκτονική του φυτού και τα αφάνταστα περίπλοκα βιοχημικά και γενετικά συστήματα ελέγχου που ρυθμίζουν τη φωτοσυνθετική δραστηριότητα μπορεί να θεωρηθούν ως εκλεπτύνσεις της βασικής διεργασίας δέσμευσης του φωτονίου και της μετατροπής της ενέργειάς του σε χημική μορφή».

Με άλλα λόγια, προκειμένου να βρούμε γιατί το χορτάρι είναι πράσινο υποκινούμαστε να παρατηρήσουμε με θαυμασμό ένα σχέδιο και μια τεχνολογία που είναι πολύ ανώτερα από οτιδήποτε έχει επινοήσει ο άνθρωπος—αυτορυθμιζόμενες, αυτοσυντήρητες, υπομικροσκοπικές «μηχανές» οι οποίες λειτουργούν με χιλιάδες, ή ακόμα και εκατομμύρια, κύκλους το δευτερόλεπτο (χωρίς θόρυβο, ρύπανση ή ασχήμια) μετατρέποντας το ηλιακό φως σε σάκχαρα. Μας δίνεται η ευκαιρία να πάρουμε μια αμυδρή ιδέα της διάνοιας του υπέρτατου σχεδιαστή και μηχανικού—του Δημιουργού μας, του Ιεχωβά Θεού. Σκεφτείτε το αυτό την επόμενη φορά που θα θαυμάσετε ένα από τα όμορφα, ζωογόνα, τέλεια εργοστάσια του Ιεχωβά ή την επόμενη φορά που απλώς θα περπατάτε πάνω στο πανέμορφο πράσινο χορτάρι.

[Υποσημειώσεις]

[Ευχαριστίες για την προσφορά της εικόνας στη σελίδα 18]

Ένθετη φωτογραφία: Colorpix, Godo-Foto

[Εικόνα στη σελίδα 19]

Πώς έκανε η φωτοσύνθεση να μεγαλώσει αυτό το δέντρο;

[Διάγραμμα στη σελίδα 20]

Διάγραμμα 1

[Διάγραμμα στη σελίδα 20]

Διάγραμμα 2

[Διάγραμμα στη σελίδα 21]

Διάγραμμα 3

[Διάγραμμα στη σελίδα 21]

Διάγραμμα 4

[Διάγραμμα στη σελίδα 22]

Διάγραμμα 5