Miks rohi on roheline — lähem pilk fotosünteesile

„MIKS rohi on roheline?” Võib-olla pärisid seda lapsena. Kas saadud vastus rahuldas sind? Laste sellelaadsed küsimused võivad olla vägagi mõtlemapanevad. Need võivad anda meile tõuke uurida lähemalt igapäevaseid asju, mida me enesestmõistetavaks peame, ning paljastada varjatud imesid, millest meil aimugi pole olnud.

Mõistmaks, miks rohi on roheline, kujutle midagi, millel ei näi rohuga ehk mingit pistmist olevat. Püüa kujutleda täiuslikku vabrikut. Kas ei oleks täiuslik vabrik selline, mis töötab müratult ning näeb kena välja? See ei saastaks, vaid hoopis puhastaks oma töö tulemusena keskkonda. Täiuslik vabrik toodaks kindlasti midagi kõigile vajalikku, lausa elutähtsat. Ja kas ei töötaks taoline vabrik päikeseenergial? Sel juhul poleks tarvis teda ei elektrivõrku ühendada ega kivisütt või naftat kohale vedada.

Kahtlemata kasutaks täiuslik päikeseenergial töötav vabrik päikesepatareisid, mis ületaksid kaugelt inimeste praegused tehnoloogiasaavutused. Need oleksid suure kasuteguriga ja nii nende valmistamine kui kasutamine oleks odav ja keskkonnaohutu. Kuigi täiuslikus vabrikus oleks kõige kõrgema tasemega tehnoloogia, mida üldse ette võib kujutada, töötaks ta sujuvalt, ilma ootamatute tõrgete ja riketeta, ilma lõputu reguleerimiseta, mida praegusaja tipptehnoloogia näib nõudvat. Me eeldame ka, et täiuslik vabrik oleks täisautomaatne ega nõuaks üldse operaatorit. Jah, see vabrik oleks iseparanduv, isehoolduv ning koguni iselaienev.

Kas selline täiuslik vabrik on vaid teaduse väljamõeldis? On’s see üksnes teostamatu unistus? Sugugi mitte; täiuslik vabrik on niisama reaalne kui rohi sinu jalge all. Õigupoolest see ongi rohi sinu jalge all, samuti nagu sõnajalg sinu tööruumis ning puu akna taga. Tegelikult on selline täiuslik vabrik iga roheline taim! Kasutades energiaallikana päikesevalgust, valmistavad rohelised taimed süsihappegaasist, veest ja mineraalainetest toitaineid kas otseselt või kaudselt peaaegu kõigile eluvormidele maakeral. Selle protsessi käigus puhastavad nad atmosfääri, neelates süsihappegaasi ning vabastades puhast hapnikku.

Arvestuste kohaselt toodavad kõik maakera rohelised taimed aastas ühtekokku 150 kuni 400 miljardit tonni suhkruid — see on tublisti suurem hulk toodangut kui inimkonna kõigi raua-, terase-, auto- ja lennukitehaste väljalase kokku. Selleks eraldavad taimed päikeseenergia kaasabil veemolekulidest vesinikuaatomid ning seovad need õhu süsihappegaasi molekulidega, muutes süsihappegaasi süsivesikuks ehk lihtsamalt öeldes suhkruks. Seda tähelepanuväärset protsessi nimetatakse fotosünteesiks. Seejärel võivad taimed kasutada oma vastloodud suhkrumolekule energiaallikana või liita need tärkliseks, mis talletatakse toiduvaruna, või ka tselluloosiks, sitkeks, kiuliseks aineks, mis moodustab taime tugistruktuuri. Kujuta ette! See sinu pea kohal kõrguv 90-meetrine hiiglaslik sekvoia on pandud ühe süsihappegaasi molekuli ja ühe veemolekuli kaupa kokku suuremalt osalt paljast õhust lugematutes miljonites mikroskoopilistes „montaažikonveierites”, mida nimetatakse kloroplastideks. Aga kuidas?

Pilk „masinavärki”

Sekvoia kasv palja õhu arvel (pluss vesi ning mõned mineraalained) on tõeliselt hämmastav, kuid mitte üleloomulik nähtus. See on võimalik tänu targalt välja mõeldud konstruktsioonile ning tehnoloogiale, mis on kaugelt keerukam kui ükski inimeste oma. Järk-järgult on teadlased piilunud fotosünteesi telgitagustesse ning nende silmadele on avanenud imekspandavate, ülikeerukate biokeemiliste protsesside maailm. Piilugem meiegi koos nendega „masinavärki”, millest sõltuvad peaaegu kõik eluavaldused maal. Ehk saame siis vastuse oma küsimusele: „Miks rohi on roheline?”

Võtame välja oma vana hea mikroskoobi ning uurime tüüpilist lehte. Paljale silmale paistab kogu leht roheline, kuid see mulje on petlik. Mikroskoobis näha olevad üksikud taimerakud pole sugugi nii rohelised. Enamasti on need hoopis läbipaistvad, kuid igaühes on umbes 50 kuni 100 tibatillukest rohelist tera. Need terakesed on kloroplastid, kus paikneb valgustundlik roheline klorofüll ning kus toimub fotosüntees. Mis sünnib kloroplastide sees?

Kloroplast on nagu tibatilluke kott, mille sees on veel väiksemad lamedad kotikesed ehk tülakoidid. Nüüd oleme viimaks jõudnud jälile sellele, mis teeb rohu roheliseks. Tülakoidimembraanides asetsevad rohelised klorofülli molekulid, kuid mitte nii kuidas juhtub, vaid kindla korra järele rühmades, mida nimetatakse fotosüsteemideks. Enamikus rohelistes taimedes on kaht tüüpi fotosüsteeme, I fotosüsteem (I FS) ja II fotosüsteem (II FS). Need fotosüsteemid hoolitsevad fotosünteesi kindlate etappide eest nagu vabriku spetsialiseerunud tootmisüksused.

„Ülejääk”, mis ei lähe raisku

Päikesevalgust, mis tabab tülakoidi pinda, on kohe valmis kinni püüdma II fotosüsteemi kuuluvad valgust neelavad klorofüllimolekulide kogumikud. Need molekulid on iseäranis huvitatud kindla lainepikkusega punase valguse neelamisest. Teistes kohtades tülakoidis passivad I fotosüsteemi molekulid mõnevõrra suurema lainepikkusega valgust. Ning ühtlasi neelavad klorofüllimolekulid ja mõned teisedki molekulid, näiteks karotinoidid, ka sinist ja violetset valgust.

Nii et miks siis on rohi roheline? Kõigist taimedele langeva valguse lainepikkustest on vaid roheline neile tarbetu ning see lihtsalt peegeldub tagasi, nõnda et meie seda oma silmadega näha ja kaameraga jäädvustada saame. Mõtle! Nii kevade õrnrohelised kui ka suve sügavrohelised toonid on olemas tänu lainepikkustele, mille taimed ära põlgavad, aga mida meie, inimesed, väga hindame! Ning samal ajal kui inimese vabrikute saast ja jäätmed lihtsalt raisku lähevad, ei ole see sugugi nõnda valguse „ülejäägiga” — kaunist aasa või metsa silmitsedes võime meie sellest meeldivast „eluvärvist” oma hingele kosutust leida.

Kui tulla tagasi kloroplasti, II fotosüsteemi juurde, siis seal kantakse päikesevalguse punase spektriosa energia edasi klorofüllimolekulide elektronidele, kuni viimaks üks elektron sedavõrd ergastatakse ehk „elevust täis läheb”, et ta oma kohalt kogunisti minema hüppab, otse tülakoidimembraanis ootava kandurmolekuli käte vahele. Nagu tantsijat ühelt partnerilt teisele antakse, nii toimetatakse elektroni ühelt kandurmolekulilt teisele, kuni see tasapisi oma energia kaotab. Kui ta on langenud piisavalt madalale energeetilisele tasemele, võidakse teda julgesti kasutada elektroni asendamiseks I fotosüsteemis. (Vaata 1. joonist.)

Samal ajal aga on II fotosüsteem puuduva elektroni tõttu positiivse laenguga ning vajab kaotatud elektroni asemele hädasti uut. Nii nagu mees, kes just avastas, et tema tasku kallal on käidud, nii läheb endast välja ka II fotosüsteemi kompleks, kus valgusenergia mõjul toimub vee oksüdatsioon ning selle tulemusel eraldub hapnik. Kust leida elektroni? Ahhaa! Lähedal lorutab õnnetu veemolekul. Teda ootab ees ebameeldiv üllatus.

Veemolekulid rebitakse puruks

Veemolekul koosneb suhteliselt suurest hapnikuaatomist ning kahest väiksemast vesinikuaatomist. II fotosüsteemi fotooksüdatsioonikompleksi kuulub neli mangaaniooni, mis rebivad elektronid veemolekuli vesinikuaatomist. Selle tulemusena lagundatakse veemolekul kaheks positiivseks vesinikiooniks (prootoniks), üheks hapnikuaatomiks ja kaheks elektroniks. Koos uute veemolekulide lõhustamisega liituvad hapnikuaatomid kahekaupa üheks hapnikumolekuliks, mille taim õhku, meie kasutusse saadab. Vesinikioonid kogunevad aga tasapisi tülakoidikotikesse, kus taim võib neid kasutada, ning elektronidega tehakse tasa puudujääk II fotosüsteemis, mis on nüüd valmis kordama sedasama tsüklit palju kordi sekundis. (Vaata 2. joonist.)

Hulganisti tülakoidikotikesse kogunenud vesinikioonid hakkavad sealt väljapääsu otsima. Vesinikioone ei lisandu tülakoidi mitte ainult iga veemolekuli lagundamisega, vaid neid meelitavad sinna ka II fotosüsteemi elektronid, kui neid I fotosüsteemi üle kantakse. Üpris varsti on vesinikioonid summas koos nagu ärritunud mesilased puupüsti täis tarus. Kust leida väljapääs?

Nagu selgub, on fotosünteesi geniaalne Kavandaja loonud selleks ühesuunalise pöördukse spetsiaalse ensüümi näol, mida kasutatakse äärmiselt olulise rakukütuse, adenosiintrifosfaadi (ATP) sünteesimiseks. Kui vesinikioonid end läbi selle pöördukse pressivad, vabaneb energia, mis on vajalik kasutatud ATP molekulide asemele uute sünteesimiseks. (Vaata 3. joonist.) ATP molekulid on nagu pisikesed rakupatareid. Nad annavad kohapeal väikseid energialaenguid kõiksugusteks rakus toimuvateks reaktsioonideks. Hiljem läheb neid ATP molekule tarvis fotosünteesi suhkrutootmise protsessis.

Peale ATP on suhkrutootmiseks vajalik ka teine väike molekul. Seda nimetatakse NADPH-ks (nikotiinamiidadeniindinukleotiidfosfaadi redutseerunud vorm). NADPH molekulid on nagu tillukesed veoautod, mis toimetavad vesinikuaatomid ootevalmis ensüümi juurde, et see saaks neid kasutada suhkrumolekuli kokkupanemisel. NADPH moodustamine on I fotosüsteemi ülesanne. Samal ajal kui üks fotosüsteem (II FS) on hoolsalt ametis veemolekulide puruksrebimise ning seeläbi ATP sünteesimisega, neelab teine fotosüsteem (I FS) valgust ning saadab välja elektrone, mis lõppkokkuvõttes kasutatakse ära NADPH moodustamiseks. Nii ATP kui NADPH molekulid talletatakse eesseisva suhkrutootmise tarbeks tülakoididevahelises ruumis.

Öine vahetus

Kuigi fotosünteesi käigus sünteesitakse igal aastal miljardeid tonne suhkrut, ei valmistata fotosünteesi valgusstaadiumis ometi mingit suhkrut. Nende ainsad saadused on ATP („patareid”) ja NADPH („veoautod”). Alles seejärel kasutavad stroomas ehk tülakoididevahelises ruumis paiknevad ensüümid ATP-d ja NADPH-d suhkru valmistamiseks. Õigupoolest võib taim suhkrut valmistada ka suisa kottpimedas! Kloroplasti võiks võrrelda vabrikuga, kus tülakoidides töötab kaks vahetust (I FS ja II FS), mis toodavad patareisid ning veoautosid (ATP ja NADPH), mida omakorda kasutab väljaspool, stroomas töötav kolmas vahetus (spetsiaalsed ensüümid). (Vaata 4. joonist.) See kolmas vahetus valmistab suhkrut, liites vesinikuaatomeid ning süsihappegaasi molekule täpselt järjestatud keemiliste reaktsioonide kaupa, võttes abiks stroomas paiknevad ensüümid. Kõik kolm vahetust võivad töötada päevaajal ning suhkruvahetus töötab ka öösel, vähemasti nii kaua, kuni päevase vahetuse ATP ja NADPH varud otsa saavad.

Stroomat võiks kujutada kui omalaadset rakusisest kosjakontorit, täis aatomeid ning molekule, mis tuleb üksteisega paari panna, kuid mis kunagi omal käel kokku ei saaks. Mõned ensüümid on nagu väga pealetükkivad väikesed kosjamoorid.a Need on valgumolekulid, mis tänu oma erilisele kujule võivad kinni haarata just nendest aatomitest või molekulidest, mida mingi kindla reaktsiooni juures tarvis läheb. Ent nad ei rahuldu üksnes tulevaste molekulaarabikaasade tutvustamisega. Ensüümid ei jää rahule enne, kui nad näevad abielu tõesti sõlmitavat, seepärast haaravad nad tulevastest kaasadest kinni ning viivad tõrksad paarilised teineteisega otsesesse kontakti, surudes abiellujatele peale biokeemilised sundpulmad. Pärast laulatust päästavad ensüümid uue molekuli valla ning kordavad seda protsessi üha uuesti ja uuesti. Ensüümid toimetavad poolvalmis suhkrumolekule stroomas edasi meeletu kiirusega, korraldades neid ümber, laadides ATP-ga, liites süsihappegaasi ja vesinikku ning saates viimaks kolme süsinikuaatomiga suhkru mujale rakku, et see töödeldaks edasi glükoosiks ning hulgaks muudeks aineteks. (Vaata 5. joonist.)

Miks rohi on roheline?

Fotosüntees on midagi palju enamat kui vaid üks põhimisi keemilisi reaktsioone. See on biokeemiline sümfoonia, milles peegeldub hämmastav keerukus ja filigraansus. Raamat „Taimede eluprotsessid” („Life Processes of Plants”) ütleb selle kohta: „Fotosüntees on tähelepanuväärne, äärmiselt hästi reguleeritud protsess päikeselt lähtuvate footonite energia ärakasutamiseks. Taime keerukat struktuuri ning uskumatult komplitseeritud biokeemilisi ja geneetilisi kontrollmehhanisme, mis reguleerivad fotosünteesi toimumist, võib vaadelda kui footoni kinnipüüdmise ja selle energia keemiliseks energiaks muundamise põhiprotsessi täiustusi.”

Ehk teiste sõnadega, kui uurime, miks rohi on roheline, avaneb meie pilgule imeline, inimkonna poolt väljamõeldut kaugelt ületav konstruktsioon ja tehnoloogia: isereguleeruvad, isehoolduvad mikroskoopilised „masinad”, mis päikesevalgust suhkruks muutes teostavad tuhandeid, isegi miljoneid tsükleid sekundis (ilma et nad tekitaksid seejuures müra või reostust või oleksid inetud). See annab meile võimaluse taibata veidigi sügavamalt ülima konstruktori ja inseneri — meie Looja Jehoova Jumala — tarkust. Mõtle sellele järgmine kord, kui imetled üht Jehoova kaunist, eluandvat, täiuslikku vabrikut, või järgmine kord, kui lihtsalt kõnnid sellel kenal rohelisel rohul.

[Allmärkus]

[Pildi allikaviide lk 18]

Väiksem foto: Colorpix, Godo-Foto

[Pilt lk 19]

Kuidas pani fotosüntees selle puu kasvama?

[Joonis lk 20]

1. joonis

[Joonis lk 20]

2. joonis

[Joonis lk 21]

3. joonis

[Joonis lk 21]

4. joonis

[Joonis lk 22]

5. joonis