Zašto je trava zelena — fotosinteza izbliza

“ZAŠTO je trava zelena?” Možda ste kao dijete postavili to pitanje. Jeste li bili zadovoljni odgovorom? Dječja pitanja poput ovog mogu biti veoma duboka. Mogu nas navesti da dublje zagledamo u svakodnevne stvari koje uzimamo kao nešto samo po sebi razumljivo i otkrijemo skrivena čuda za koja nikad nismo ni slutili da postoje.

Da biste razumjeli zašto je trava zelena, zamislite nešto što naizgled možda nema nikakve veze s travom. Pokušajte zamisliti jednu savršenu tvornicu. Savršena tvornica radila bi nečujno i lijepo bi izgledala, zar ne? Umjesto da zagađuje, savršena bi tvornica samim svojim radom zapravo pročišćavala okoliš. Naravno, u njoj bi se proizvodilo nešto korisno — dapače prijeko potrebno — svim ljudima. Takva tvornica napajala bi se solarnom energijom, zar ne? Stoga ne bi trebala dovod električne energije, niti bi trebala isporuke ugljena ili nafte kao pogonskog goriva.

Nema sumnje, savršena tvornica na solarni pogon koristila bi solarne ploče koje bi bile daleko superiornije od čovjekove postojeće tehnologije. I proizvodnja tih ploča i njihov rad, bili bi izuzetno efikasni, jeftini i neškodljivi po okoliš. Premda bi koristila najmoderniju tehnologiju koju čovjek može zamisliti, savršena bi tvornica radila neupadljivo, bez neočekivanih kvarova, ispada iz sistema ili nedoglednog uštimavanja koji su izgleda neizbježni kod današnje najmodernije tehnologije. Bilo bi za očekivati da savršena tvornica bude potpuno automatizirana, tako da može raditi bez čovjekovog nadzora. Dapače, sama bi se popravljala, sama bi se održavala, čak bi se i sama udvostručavala.

Je li ta savršena tvornica puka znanstvena fantastika? Najobičniji nedostižni san? Nipošto, jer ta je savršena tvornica jednako stvarna kao i trava pod vašim nogama. To zapravo i jest trava pod vašim nogama, kao i paprat u vašem uredu i drvo koje vidite s prozora. Bolje reći, ta savršena tvornica jest bilo koja zelena biljka! Zelene biljke, koje se napajaju Sunčevom svjetlošću, koriste ugljik-dioksid, vodu i minerale da bi, što direktno što indirektno, proizvele hranu za gotovo sva živa bića na Zemlji. Pritom obnavljaju atmosferu, uklanjajući ugljik-dioksid, a oslobađajući čisti kisik.

Procjenjuje se da svake godine sve Zemljine zelene biljke zajedno proizvedu 150 do 400 milijardi tona šećera — što je kudikamo više materijala nego što zajedno proizvedu sve željezare, čeličane i sve tvornice automobila i aerokozmičke opreme na svijetu. Zelene biljke čine to tako da pomoću Sunčeve energije izlučuju iz molekule vode vodikove atome, koje zatim spajaju s molekulama ugljik-dioksida iz zraka, pri čemu ugljik-dioksid pretvaraju u ugljikohidrat poznat kao šećer. Taj zadivljujući proces zove se fotosinteza. Biljke potom mogu koristiti svoje nove molekule šećera kao energiju ili ih mogu spajati da bi proizvele škrob, koji služi kao zaliha hrane, ili celulozu, koja je pak čvrsta, končasta tvar što tvori biljna vlakna. Pomislite samo! Dok je raslo, ogromno drvo sekvoje koje se izdiže 90 metara nad čovjekom doslovno je nastajalo iz zraka, preko jedne molekule ugljik-dioksida i jedne molekule vode, a sve to u nebrojenim milijunima mikroskopskih ‘tekućih traka’ koje se zovu kloroplasti. Ali kako to biva?

Zaviriti u “motor”

Nastajanje sekvoje iz običnog zraka (uz vodu i nekoliko minerala) uistinu je zadivljujuće, ali to nije nikakva čarolija. To je rezultat inteligentnog konstruiranja i tehnologije koja je daleko sofisticiranija od ikoje koju posjeduje čovjek. Malo-pomalo, znanstvenici miču poklopac s čarobne škrinjice fotosinteze, da bi u čudu pratili supersofisticirane biokemijske procese koji se unutra odvijaju. Zavirimo s njima u “motor” koji uvjetuje postojanje gotovo svega živog na Zemlji. Možda ćemo malo-pomalo dobiti odgovor na svoje pitanje “Zašto je trava zelena?”

Kad smo izvadili neizostavni mikroskop, ispitajmo jedan tipičan list. Prostom oku čitav list izgleda zelen, no to je varka. Pojedine biljne stanice koje vidimo pod mikroskopom ipak nisu tako zelene. Naprotiv, većinom su prozirne, no svaka od njih ima kojih 50 do 100 sitnih zelenih točkica. Te točkice, koje imaju u sebi fotoosjetljivi zeleni klorofil i u kojima se odvija fotosinteza, zovu se kloroplasti. Što se dešava u kloroplastima?

Kloroplast izgleda kao kakva sićušna vreća koja u sebi ima još manje, spljoštene vrećice imenom tilakoide. Najzad smo pronašli ono što travi daje zelenu boju. Molekule zelenog klorofila uklopljene su u tilakoidnu membranu i nisu nasumce nabacane već su pedantno organizirane u skupine zvane fotosistemi. Kod većine zelenih biljaka postoje dvije vrste fotosistema, takozvani PS I (fotosistem I) i PS II (fotosistem II). Fotosistemi funkcioniraju kao specijalizirane tvorničke proizvodne jedinice, pri čemu se svaka od njih brine za jedan specifičan niz operacija u sklopu fotosinteze.

“Otpad” koji se ne baca

Dok Sunčeva svjetlost pada na tilakoidnu membranu, PS II nizovi klorofilnih molekula, takozvani antenski kompleksi za apsorpciju svjetlosne energije, čekaju da je uhvate. Naročit cilj tih molekula jest apsorbirati crvenu svjetlost specifične valne duljine. Na drugim mjestima na tilakoidama PS I nizovi daju se u potragu za svjetlošću nešto veće valne duljine. Za to vrijeme, klorofili i neke druge molekule, kao što su karotenoidi, apsorbiraju plavu i ljubičastu svjetlost.

No dobro, zašto je trava zelena? Od svih valnih duljina koje dopiru do biljaka, beskorisna im je jedino zelena svjetlost, tako da je jednostavno reflektiraju prema našim očima i fotoaparatima koji to jedva čekaju. Pomislite samo! Nježne nijanse proljetnog zelenila, kao i intenzivne smaragdnozelene boje ljeta, nastaju kao rezultat valnih duljina koje su biljkama nepotrebne, a nama ljudima predstavljaju pravo blago! Za razliku od zagađenja i otpada iz čovjekovih tvornica, ova “otpadna” svjetlost nipošto nije beskorisna kada se zagledamo u predivnu livadu ili šumu, opuštajući si dušu ugodnom bojom života.

Unutra u kloroplastima, u nizu PS II, energija koja potječe od crvenog spektra Sunčeve svjetlosti prenosi se do elektrona u molekulama klorofila, sve dok na kraju elektron nije toliko energiziran, ili “pobuđen”, da potpuno iskoči iz niza, u naručje transportnoj molekuli koja ga čeka u tilakoidnoj membrani. Poput plesača koji ide od jednog partnera do drugog, elektron se prenosi s jedne transportne molekule na drugu, pri čemu postupno gubi energiju. Kad izgubi dovoljno energije, može se slobodno upotrijebiti kao zamjena za elektron u drugom fotosistemu, PS I. (Pogledajte dijagram 1.)

U međuvremenu, PS II nizu nedostaje jedan elektron, zbog čega je pozitivno nabijen pa traži elektron kojim će nadomjestiti onaj izgubljeni. Poput čovjeka koji je upravo otkrio da ga je netko pokrao, tako je i predio PS II, takozvani antenski kompleks na kojem se oslobađa kisik, sav izvan sebe. Gdje da nađe elektron? Aha! U blizini dangubi jedna sirota molekula vode. Sprema joj se gadno iznenađenje.

Razgradnja molekula vode

Molekula vode sastoji se od dosta velikog atoma kisika i dva manja vodikova atoma. PS II kompleks za oslobađanje kisika sadrži četiri iona metala mangana, koji izlučuje elektrone iz vodikovih atoma u molekuli vode. Uslijed toga molekula vode cijepa se na dva pozitivna vodikova iona (protona), jedan atom kisika i dva elektrona. Pri razgradnji daljnjih molekula vode, atomi kisika sparuju se u molekule plina kisika, koji biljka vraća u zrak dajući ga nama na upotrebu. Vodikovi ioni počinju se nakupljati u tilakoidnoj “vrećici”, gdje se biljka može njima poslužiti, a elektroni se koriste za popunjavanje rezervi PS II kompleksa, koji je sada spreman ponavljati ciklus mnogo puta u sekundi. (Pogledajte dijagram 2.)

Vodikovi ioni koji su zbijeni u tilakoidnoj vrećici počinju tražiti izlaz iz nje. Uz to što pri svakom cijepanju molekule vode tilakoidna vrećica dobiva po dva vodikova iona, ta vrećica posredstvom PS II elektrona privlači i druge vodikove ione dok prolaze kroz PS I kompleks. U tren oka vodikovi ioni već zuje poput srditih pčela u prepunoj košnici. Kako da izađu?

Očituje se da je genijalni Konstruktor fotosinteze napravio okretna vrata s izlazom u samo jednom smjeru, i to u vidu jednog specijalnog enzima koji se koristi za proizvodnju veoma važnog staničnog goriva zvanog ATP (adenozin trifosfat). Dok silom izlaze na okretna vrata, vodikovi ioni stvaraju energiju koja je potrebna za punjenje istrošenih molekula ATP-a. (Pogledajte dijagram 3.) Molekule ATP-a djeluju kao sićušne stanične baterije. One na licu mjesta stvaraju male praskove energije potrebne za sve vrste reakcija u stanici. Kasnije će te molekule ATP-a zatrebati na fotosintetskoj traci za proizvodnju šećera.

Pored ATP-a, na traci za proizvodnju šećera prijeko je potrebna još jedna mala molekula. Zove se NADPH (nikotinamid adenin dinukleotid fosfat). Molekule NADPH djeluju poput malih kamioneta, od kojih svaki transportira jedan atom vodika spremnom enzimu koji treba atom vodika za proizvodnju molekule šećera. Stvaranje NADPH-a zadatak je kompleksa PS I. Dok se jedan fotosistem (PS II) bavi razdvajanjem molekula vode i njihovim korištenjem za stvaranje ATP-a, drugi fotosistem (PS I) apsorbira svjetlost i izbacuje elektrone koji se kasnije koriste za stvaranje NADPH-a. Molekule ATP i NADPH obje se pohranjuju u prostor iza tilakoida radi potonjeg korištenja na šećernoj proizvodnoj traci.

Noćna smjena

Posredstvom fotosinteze godišnje se prave milijarde tona šećera, ali svijetle reakcije fotosinteze ustvari uopće ne sudjeluju u proizvodnji šećera. One samo proizvode ATP (“baterije”) i NADPH (“kamionete”). Od ovog trenutka enzimi u stromi, ili prostoru izvan tilakoida, upotrebljavaju ATP i NADPH za proizvodnju šećera. Biljka zapravo može praviti šećer u potpunoj tami! Kloroplaste se može usporediti s jednom tvornicom koja u sklopu tilakoida ima dvije radne jedinice (PS I i PS II) koje proizvode baterije i kamionete (ATP i NADPH) što ih koristi treća radna jedinica (specijalni enzimi) koja se nalazi vani u stromi. (Pogledajte dijagram 4.) Ta treća radna jedinica proizvodi šećer dodajući vodikove atome i molekule ugljik-dioksida u precizan redoslijed kemijskih reakcija, koristeći pritom enzime iz strome. Sve tri radne jedinice mogu raditi tokom dana, s tim da šećerna radna jedinica radi i noćnu smjenu, barem dok ne potroši sve zalihe ATP-a i NADPH-a od dnevne smjene.

Stromu si možete predočiti kao neku staničnu agenciju za sklapanje braka, punu atoma i molekula koji se trebaju međusobno “vjenčati”, ali se nikada ne bi spojili samoinicijativno. Neki enzimi ponašaju se poput veoma upornih malih provodadžija.a To su proteinske molekule posebnog oblika što im omogućava da prigrabe upravo one atome i molekule koji im trebaju za određenu reakciju. No oni se ne zadovoljavaju time da samo upoznaju buduće partnere u tom molekularnom braku. Enzimi neće imati mira sve dok se ne osvjedoče da je brak sklopljen, pa stoga zgrabe budući bračni par i direktno upoznaju neodlučne partnere, prisiljavajući ih da sklope brak kao u nekom biokemijskom prisilnom vjenčanju. Kad je ceremonija završena, enzimi otpuštaju novonastalu molekulu i tako ponavljaju proces unedogled. Među enzimima u stromi nevjerojatnom brzinom kruže polugotove molekule šećera, pri čemu ih enzimi preuređuju, energiziraju ATP-om, dodaju im ugljik-dioksid, spajaju ih s vodikom, da bi najzad šećer s tri ugljikova atoma otpremili nekamo drugdje u stanicu na daljnju preradu u glukozu i čitav niz drugih šećera. (Pogledajte dijagram 5.)

Zašto je trava zelena?

Fotosinteza je puno više od ‘osnovne kemijske reakcije’. To je zapanjujuće složena i istančana biokemijska “simfonija”. Knjiga Life Processes of Plants ovako je opisuje: “Fotosinteza je izuzetan, izvrsno reguliran proces iskorištavanja energije Sunčevih fotona. Složenu građu biljke i nevjerojatno komplicirane biokemijske i genetičke komande koje upravljaju fotosintetskom aktivnošću može se smatrati poboljšanjima osnovnog procesa hvatanja fotona i pretvaranja njegove energije u kemijski oblik.”

Drugim riječima, ispitati zašto je trava zelena znači zagledati se s čuđenjem u dizajn i tehnologiju koji su daleko superiorniji od bilo čega što su izumili ljudi — u submikroskopske “strojeve” koji sami sebe nadgledavaju i održavaju, a rade brzinom od nekoliko tisuća, pa čak i milijuna, obrtaja u sekundi (bez buke, zagađenja ili ružnog izgleda), pretvarajući Sunčevu svjetlost u šećer. Za nas to znači zaviriti u djeličak uma konstruktora i izumitelja kojemu nema ravna — našeg Stvoritelja, Jehove Boga. Sjetite se toga sljedeći put kada vas zadivi neka od Jehovinih prekrasnih, životodajnih, savršenih tvornica ili kad sljedeći put jednostavno prošećete po lijepoj zelenoj travi.

[Bilješka]

[Zahvala na stranici 18]

Umetnuta fotografija: Colorpix, Godo-Foto

[Slika na stranici 19]

Kako je posredstvom fotosinteze naraslo ovo drvo?

[Grafički prikaz na stranici 20]

Dijagram 1

[Grafički prikaz na stranici 20]

Dijagram 2

[Grafički prikaz na stranici 21]

Dijagram 3

[Grafički prikaz na stranici 21]

Dijagram 4

[Grafički prikaz na stranici 22]

Dijagram 5