Miksi ruoho on vihreää – lähempi silmäys fotosynteesiin

”MIKSI ruoho on vihreää?” Olet saattanut kysyä tätä lapsena. Tyydyttikö vastaus sinua? Tämän kaltaiset lasten kysymykset voivat olla hyvin syvällisiä. Ne voivat saada meidät tutkimaan perusteellisemmin arkisia asioita, joita pidämme itsestään selvinä, ja paljastaa hämärän peitossa olevia ihmeitä, joiden emme ole edes aavistaneet olevan olemassa.

Ymmärtääksemme, miksi ruoho on vihreää, ajatellaanpa jotakin sellaista, millä ei ehkä näytä olevan mitään tekemistä ruohon kanssa. Yritäpä kuvitella, millainen on täydellinen tehdas. Eikö täydellinen tehdas olisikin hiljainen ja kaunis? Täydellinen tehdas ei suinkaan saastuttaisi, vaan sen toiminta todellisuudessa parantaisi ympäristöä. Se tuottaisi tietenkin jotain, mikä olisi hyödyllistä – todella elintärkeää – jokaiselle. Eikö tällaisen tehtaan pitäisikin mielestäsi toimia aurinkoenergialla? Se ei siinä tapauksessa tarvitsisi käyttövoimakseen sähköä, hiiltä eikä öljyä.

Täydellisessä aurinkoenergiaa hyödyntävässä tehtaassa olisi varmasti aurinkopaneelit, jotka olisivat ihmisen nykyisen tekniikan saavutuksia paljon paremmat. Ne olisivat erittäin tehokkaat ja edulliset, eikä niiden valmistaminen ja käyttö saastuttaisi. Vaikka täydellinen tehdas käyttäisikin kaikkein edistyksellisintä kuviteltavissa olevaa tekniikkaa, se hyödyntäisi sitä huomiota herättämättä ilman odottamattomia toimintahäiriöitä, konerikkoja tai loputonta hienosäätöä, jota nykyinen huipputekniikka näyttää vaativan. Täydellisen tehtaan voisi odottaa toimivan täysin automaattisesti vailla ihmisen huolenpitoa. Se tosiaankin korjaisi itse itsensä, ylläpitäisi itsensä ja jopa valmistaisi kopioita itsestään.

Onko täydellinen tehdas vain tieteiskuvitelma? Pelkkä saavuttamaton toiveuni? Ei tosiaankaan, sillä täydellinen tehdas on yhtä todellinen kuin jalkojesi alla kasvava ruoho. Itse asiassa se on tuo jalkojesi alla oleva ruoho samoin kuin työhuoneessasi oleva saniainen ja ikkunastasi näkyvä puu. Jokainen vihreä kasvi on näet täydellinen tehdas! Käyttäen polttoaineenaan auringonvaloa vihreät kasvit tuottavat hiilidioksidin, veden ja kivennäisaineiden avulla ravintoa joko suoraan tai epäsuorasti lähes kaikille maan päällä oleville elämänmuodoille. Tuon tapahtumaketjun avulla ne pitävät yllä ilmakehän tasapainoa poistamalla hiilidioksidia ja vapauttamalla puhdasta happea.

Maapallon vihreät kasvit tuottavat joka vuosi arviolta 150–400 miljardia tonnia sokeria, mikä on painoltaan suunnattoman paljon enemmän kuin koko maailman rauta-, teräs-, auto- ja lentokonetehtaiden tuotanto. Ne tekevät tämän poistamalla aurinkoenergian avulla vetyatomeja vesimolekyyleistä ja kiinnittämällä sitten nuo vetyatomit ilmasta ottamiinsa hiilidioksidimolekyyleihin ja muuttavat näin hiilidioksidin erääksi hiilihydraatiksi – sokeriksi. Tätä ainutlaatuista prosessia sanotaan fotosynteesiksi eli yhteyttämiseksi. Sen jälkeen kasvit voivat saada energiaa uusista sokerimolekyyleistään tai liittää niitä yhteen tärkkelykseksi varastoon tai selluloosaksi – lujaksi, säikeiseksi ainekseksi, josta kasvikuidut muodostuvat. Ajattelehan! Valtava, yli 90 metrin korkeuteen kohoava mammuttipetäjä kasvoi, kun sitä valmistettiin pääasiassa pelkästä ilmasta, yhdestä hiilidioksidimolekyylistä ja yhdestä vesimolekyylistä kerrallaan lukemattomilla miljoonilla mikroskooppisen pienillä ”tuotantolinjoilla”, joita sanotaan kloroplasteiksi eli viherhiukkasiksi. Mutta miten se tapahtui?

Vilkaistaanpa ”moottoria”

Mammuttipetäjän valmistaminen pelkästä ilmasta (sekä vedestä ja muutamasta kivennäisaineesta) on todella hämmästyttävää, muttei yliluonnollista. Se on älykkään suunnittelun tulosta, ja sen takana on paljon monimutkaisempi tekniikka kuin mikään, minkä ihminen hallitsee. Tiedemiehet raottavat vähä vähältä fotosynteesin mustan laatikon kantta ja tuijottavat ihmeissään sen huippumonimutkaisia biokemiallisia reaktioita. Vilkaistaanpa heidän kanssaan ”moottoria”, joka on vastuussa lähes kaikesta maapallon elämästä. Ehkäpä kysymykseemme ”miksi ruoho on vihreää?” alkaa löytyä vastaus.

Otetaanpa esiin vanha kunnon mikroskooppi ja ryhdytään tutkimaan tavallista lehteä. Paljain silmin koko lehti näyttää vihreältä, mutta se on harhaa. Kasvin yksittäiset solut, jotka näemme mikroskoopissa, eivät lopulta olekaan kovin vihreitä. Ne ovat sen sijaan enimmäkseen läpikuultavia, mutta jokaisessa on ehkä 50–100 pienen pientä vihreää pilkkua. Nämä pilkut ovat viherhiukkasia, joissa on valoherkkää vihreää klorofylliä eli lehtivihreää ja joissa fotosynteesi tapahtuu. Mitä viherhiukkasten sisällä on käynnissä?

Viherhiukkanen on kuin pikkuruinen pussi, jonka sisällä on vielä pienempiä litteitä pusseja, tylakoideja. Olemme viimein paikantaneet ruohon vihreän väriaineen. Vihreät klorofyllimolekyylit ovat kiinnittyneet tylakoidien pinnalle, eivät sattumanvaraisesti, vaan tarkoin järjestäytyneiksi niin sanotuiksi fotosysteemeiksi. Useimmissa viherkasveissa on kahdenlaisia fotosysteemejä, jotka tunnetaan PS I:nä (fotosysteemi I) ja PS II:na (fotosysteemi II). Nämä fotosysteemit toimivat kuin tehtaan erikoistuneet tuotantotyöryhmät; kumpikin huolehtii joistakin fotosynteesin nimenomaisista vaiheista.

”Jäte” joka ei mene hukkaan

Kun auringonvalo osuu tylakoidin pinnalle, PS II:n klorofyllimolekyylijoukkueet, joita sanotaan valoa kerääviksi komplekseiksi eli valohaaveiksi, ovat valmiina sieppaamaan sen. Nämä molekyylit ovat erityisen innokkaita absorboimaan eli imemään punaista valoa, jolla on tietty aallonpituus. Eri paikoissa tylakoidin pinnalla PS I:n joukkueet tähystelevät valoa, jonka aallonpituus on jossain määrin pitempi. Samalla sekä klorofylli- että jotkin muut molekyylit, kuten karotenoidit, absorboivat sinistä ja violettia valoa.

Miksi siis ruoho on vihreää? Kaikesta siitä eri aallonpituuksia sisältävästä valosta, joka lankeaa vihreisiin kasveihin, vain vihreä valo jää niiltä käyttämättä, joten se yksinkertaisesti heijastuu pois silmiemme nähtäväksi ja kameroidemme tallennettavaksi. Ajattelehan! Kevään heleät vihreän sävyt samoin kuin kesän tummat smaragdinvihreät värit johtuvat aallonpituuksista, joita kasvit eivät tarvitse, mutta joita me ihmiset pidämme suuressa arvossa! Toisin kuin ihmisten tuotantolaitosten saasteet ja jätteet tämä ”jätevalo” ei varmastikaan mene hukkaan, kun katselemme kaunista niittyä tai metsää ja virkistämme sieluamme miellyttävällä elämän värillä.

Viherhiukkasen PS II -⁠joukkueessa auringon punaisen valon energia on siirtynyt klorofyllimolekyylien elektroneihin, kunnes yhteen elektroniin tulee lopulta niin runsaasti energiaa eli se ”virittyy” siinä määrin, että se hyppää koko joukkueesta tylakoidikalvolla odottavan siirtäjämolekyylin vietäväksi. Kuin tanssija, joka siirtyy kavaljeerilta toiselle, elektroni kulkee siirtäjämolekyyliltä toiselle ja menettää samalla vähitellen energiaansa. Kun sen energia on huvennut tarpeeksi alhaiselle tasolle, sitä voidaan turvallisesti käyttää korvaamaan toisen fotosysteemin, PS I:n, elektroni. (Ks. kaaviokuvaa 1.)

PS II -⁠joukkueelta siis puuttuu nyt yksi elektroni, mikä tekee siitä positiivisesti varautuneen ja valmiin ottamaan elektronin menettämänsä tilalle. Kuin ihminen, joka on juuri huomannut joutuneensa taskuvarkauden uhriksi, se PS II:n alue, jota sanotaan happea tuottavaksi kompleksiksi, reagoi kiivaasti. Mistä löytyisi elektroni? Ahaa! Lähistöllä lorvii huono-onninen vesimolekyyli. Se tulee kokemaan ikävän yllätyksen.

Vesimolekyylien hajottaminen

Vesimolekyyli koostuu verraten suuresta happiatomista ja kahdesta pienestä vetyatomista. PS II:n happea tuottavassa kompleksissa on mukana neljä mangaani-ionia, jotka poistavat elektronit vesimolekyylin vetyatomeista. Tästä seuraa vesimolekyylin hajoaminen kahdeksi positiiviseksi vetyioniksi (protoniksi), yhdeksi happiatomiksi ja kahdeksi elektroniksi. Yhä useampien vesimolekyylien hajotessa happiatomit järjestäytyvät pareittain happimolekyyleiksi, kaasuksi jonka kasvi palauttaa ilmakehään meidän käyttöömme. Vetyioneja alkaa kerääntyä ”tylakoidipussiin”, mistä kasvi voi ottaa niitä käyttöön, ja elektronit käytetään PS II -⁠kompleksin elektronivajauksen täyttämiseen, minkä jälkeen PS II -⁠kompleksi on valmis toistamaan kierron monta kertaa sekunnissa. (Ks. kaaviokuvaa 2.)

Tylakoidipussissa olevat yhteen kerääntyneet vetyionit alkavat etsiä ulospääsytietä. Sen lisäksi että tylakoidipussiin tulee kaksi vetyionia joka kerran kun vesimolekyyli hajoaa, PS II:n elektronit houkuttelevat sinne muita vetyioneja, kun elektroneja siirretään PS I -⁠kompleksiin. Hyvin pian vetyionit surisevat siellä kuin äkäiset mehiläiset täpötäydessä pesässä. Miten ne pääsevät pois?

Fotosynteesin nerokas Suunnittelija näyttää keksineen pyöröoven, josta pääsee kulkemaan vain yhteen suuntaan: erityisen entsyymin, jonka avulla saadaan erittäin tärkeää solujen polttoainetta, ATP:tä (adenosiinitrifosfaattia). Kun vetyionit tunkeutuvat ulos pyöröovesta, niistä syntyy energiaa, joka tarvitaan käytettyjen ATP-molekyylien uudelleen lataamiseen. (Ks. kaaviokuvaa 3.) ATP-molekyylit ovat kuin solun pikkuriikkisiä paristoja. Ne synnyttävät itse solussa pieniä energiapurkauksia kaikenlaisia solun reaktioita varten. Myöhemmin näitä ATP-molekyylejä tarvitaan fotosynteesin sokerin tuotantolinjalla.

ATP:n lisäksi sokerin tuottamiseen tarvitaan myös erästä toista pientä molekyyliä. Sitä sanotaan NADPH:ksi (lyhenne sanasta nikotiiniamidiadeniinidinukleotidifosfaatti). NADPH-molekyylit ovat kuin pieniä jakeluautoja, joista jokainen kuljettaa yhden vetyatomin odottavalle entsyymille, joka tarvitsee vetyatomin kyetäkseen rakentamaan sokerimolekyylin. NADPH:n tuottaminen on PS I -⁠kompleksin tehtävä. Samalla kun toinen fotosysteemi (PS II) hajottaa vesimolekyylejä ja tuottaa niiden avulla ATP:tä, toinen fotosysteemi (PS I) absorboi valoa ja syytää ulos elektroneja, joiden avulla syntyy lopulta NADPH:ta. Sekä ATP- että NADPH-molekyylit varastoidaan tylakoidin ulkopuolella olevaan tilaan, kunnes niitä käytetään sokerin tuotantolinjalla.

Yövuoro

Fotosynteesissä syntyy joka vuosi miljardeja tonneja sokeria, vaikka sitä ei todellisuudessa valmistukaan yhtään fotosynteesin valoreaktioissa. Niissä valmistetaan vain ATP:tä (”paristoja”) ja NADPH:ta (”jakeluautoja”). Tästä eteenpäin stroomassa, tylakoidien ulkopuolella olevassa tilassa, olevat entsyymit käyttävät ATP:tä ja NADPH:ta sokerin valmistamiseen. Kasvi voi itse asiassa valmistaa sokeria pilkkopimeässä! Viherhiukkasta voisi verrata tehtaaseen, jossa kaksi työryhmää (PS I ja PS II) valmistaa tylakoidien sisällä paristoja ja jakeluautoja (ATP:tä ja NADPH:ta) stroomassa työskentelevän kolmannen ryhmän (erityisten entsyymien) käyttöön. (Ks. kaaviokuvaa 4.) Tuo kolmas työryhmä valmistaa sokeria stroomassa olevien entsyymien avulla liittämällä toisiinsa vetyatomeja ja hiilidioksidimolekyylejä kemiallisten reaktioiden tarkassa järjestyksessä. Kaikki kolme ryhmää voivat työskennellä päiväaikaan, ja sokeriryhmä on myös yövuorossa, ainakin siihen asti kun päivävuorolaisten valmistamat ATP- ja NADPH-varastot on käytetty loppuun.

Stroomaa voisi sanoa eräänlaiseksi solun avioliittotoimistoksi, joka on täynnä atomeja ja molekyylejä, joiden täytyy ”päästä naimisiin” toistensa kanssa, mutta jotka eivät saa itse kerättyä rohkeutta siihen. Jotkin entsyymit ovat ikään kuin erittäin tunkeilevia pieniä avioliitonvälittäjiä.a Näitä ovat proteiinimolekyylit, jotka voivat erityisen muotonsa ansiosta tarttua juuri oikeisiin atomeihin tai molekyyleihin jonkin nimenomaisen reaktion aikaansaamiseksi. Ne eivät kuitenkaan vain tyydy esittelemään toisilleen molekyyliavioliittojen tulevia puolisoja. Entsyymit eivät saa rauhaa ennen kuin ne näkevät, että avioliitto solmitaan, joten ne tarttuvat tulevaan pariskuntaan ja saattavat epäröivät osapuolet suoranaisesti yhteen toistensa kanssa pakottaen ne aviosäätyyn eräänlaisen biokemiallisen pakkoavioliiton avulla. Toimituksen jälkeen entsyymit päästävät uuden molekyylin menemään ja toistavat tapahtumasarjan yhä uudelleen. Stroomassa entsyymit panevat osittain valmiit sokerimolekyylit kiertämään uskomattomalla vauhdilla: ne järjestävät niitä uudelleen, lataavat niihin ATP-energiaa, lisäävät hiilidioksidia, kiinnittävät vetyä ja lähettävät lopulta pois 3-hiilistä sokeria, joka muutetaan vielä muualla solussa glukoosiksi ja moniksi muiksi yhdisteiksi. (Ks. kaaviokuvaa 5.)

Miksi ruoho on vihreää?

Fotosynteesi on paljon muutakin kuin vain kemiallinen perusreaktio. Se on biokemiallinen sinfonia, jonka monimutkaisuus ja hienous ällistyttävät. Kirjassa Life Processes of Plants sitä kuvaillaan seuraavasti: ”Fotosynteesi on hämmästyttävä, erittäin säännönmukainen tapahtumasarja, jossa hyödynnetään auringon fotoneissa olevaa energiaa. Kasvin monimutkaista arkkitehtuuria sekä fotosynteesiin liittyviä reaktioita säätelevää uskomattoman mutkikasta biokemiallista ja geneettistä mekanismia voidaan pitää sen perusmenetelmän hienostuneena muotona, jonka avulla fotoni saadaan vangittua ja sen energia muutettua kemialliseen muotoon.”

Toisin sanoen tutkiessamme, miksi ruoho on vihreää, päädymme katselemaan ihastellen rakennetta ja tekniikkaa, joka ylittää monin verroin kaiken sen, mitä ihmiskunta on keksinyt – itsesäätöisiä, itsensä ylläpitäviä mikroskoopille näkymättömiä ”koneita”, jotka toimivat tuhansien tai jopa miljoonien kierrosten sekuntivauhdilla (aiheuttamatta meluhaittoja, saastuttamatta tai rumentamatta ympäristöä), kun ne muuttavat auringonvaloa sokeriksi. Saamme näin välähdyksen siitä, mitä liikkuu vailla vertaansa olevan suunnittelijan, Luojamme, Jehova Jumalan, mielessä. Ajattele tätä, kun seuraavan kerran ihailet jotakin Jehovan kaunista, elämää ylläpitävää ”täydellistä tehdasta” tai kun seuraavan kerran vain kävelet ihanalla vihreällä ruohikolla.

[Alaviite]

[Kuvan lähdemerkintä s. 18]

Pikkukuva: Colorpix, Godo-Foto

[Kuva s. 19]

Miten fotosynteesi sai tämän puun kasvamaan?

[Kaavio s. 20]

Kaaviokuva 1

[Kaavio s. 20]

Kaaviokuva 2

[Kaavio s. 21]

Kaaviokuva 3

[Kaavio s. 21]

Kaaviokuva 4

[Kaavio s. 22]

Kaaviokuva 5