Зошто тревата е зелена — поглед одблизу на фотосинтезата

„ЗОШТО тревата е зелена?“ Можеби како дете сте го поставиле ова прашање. Дали сте биле задоволни со одговорот? Прашањата од децата како што е ова можат да бидат многу длабоки. Тие можат да предизвикаат подлабоко да гледаме на секојдневните работи кои ги земаме здраво за готово и да ни откријат скриени чуда за кои никогаш не сме ни претпоставувале дека постојат.

За да сфатиме зошто тревата е зелена, замислете си нешто кое можеби наизглед нема никаква врска со тревата. Обидете се да си ја замислите совршената фабрика. Совршената фабрика би била тивка во работењето и привлечна за гледање, зарем не? Наместо да загадува, совршената фабрика всушност би ја подобрувала околината со самото нејзино работење. Се разбира, би произведувала нешто корисно — навистина битно — за секого. Зарем не мислите дека таквата фабрика би била на соларна енергија? На тој начин, таа не би изискувала електричен приклучок или доставувања на јаглен или нафта за да се снабдува со енергија.

Без сомнение, совршената фабрика на соларна енергија би користела соларни плочи далеку посупериорни од моменталната човечка технологија. Тие би биле многу ефикасни, не би биле скапи и не би загадувале — и додека се прават и додека се користат. Иако би ја користела најнапредната замислива технологија, совршената фабрика би го правела тоа ненаметливо, без неочекуваните дефекти, расипувања или бескрајните подобрувања кои истакнатата технологија изгледа ги изискува во ова време. Би очекувале совршената фабрика да биде во потполност автоматизирана, без да изискува некакво човечко внимание за да функционира. Навистина, таа самата би се поправала, самата би се одржувала, па дури и самата би се умножувала.

Дали совршената фабрика е само научна фантастика? Само недостижен сон? Во никој случај, затоа што совршената фабрика е толку реална колку и тревата под Вашите нозе. Всушност, таа е тревата под Вашите нозе, како и папратот во Вашата канцеларија и дрвото пред Вашиот прозорец. Видете, совршената фабрика е секое зелено растение! Снабдени од сончевата светлина, зелените растенија користат јаглероден диоксид, вода и минерали за да произведат храна, директно или индиректно, скоро за сите облици на живот на Земјава. Во тој процес, тие повторно ја снабдуваат атмосферата, отстранувајќи го јаглеродниот диоксид и ослободувајќи чист кислород.

Сѐ на сѐ, се пресметува дека зелените растенија на Земјава секоја година произведуваат од 150 милијарди до 400 милијарди тони шеќер — многу повеќе материјал отколку заедничкото производство на фабриките за железо, челик, автомобили и авиони на целото човештво. Тоа го прават на тој начин што ја користат енергијата од Сонцето за да ги отстранат водородните атоми од молекулите на водата и потоа ги припојуваат тие водородни атоми за молекулите на јаглеродниот диоксид од воздухот, претворајќи го јаглеродниот диоксид во еден јаглероден хидрат познат како шеќер. Тој извонреден процес е наречен фотосинтеза. Растенијата потоа можат своите нови молекули на шеќерот да ги користат како енергија или да ги спојат во скроб за складирање на храна или, пак, во целулоза — жилавиот, кончест материјал кој го сочинува влакното на растението. Замислете си! Додека растело, тоа огромно дрво секвоја кое се издигнува 90 метри над Вас, било направено воглавно само од воздух, еден молекул јаглероден диоксид и еден молекул вода наизменично, на безброј милиони микроскопски ‚производни ленти‘ наречени хлоропласти. Но, како?

Поглед во „моторот“

Да се направи секвоја само од воздух (плус вода и неколку минерали) навистина е зачудувачки, но тоа не е магија. Тоа е резултат на интелигентен дизајн и технологија која е далеку пософистицирана од која и да е друга што ја поседува човекот. Малку по малку, научниците го откриваат капакот од црната кутија на фотосинтезата за да погледнат зачудено во суперсофистицираната биохемија која се одвива внатре. Ајде заедно со нив да ѕирнеме во „моторот“ кој е одговорен скоро за целиот живот на Земјата. Можеби ќе почнеме да добиваме одговор на нашето прашање: „Зошто тревата е зелена?“

Вадејќи го нашиот доверлив микроскоп, ајде да испитаме еден типичен лист. За голото око, целиот лист изгледа зелен, но тоа е илузија. Поединечните клетки на растението кои ги гледаме под микроскопот сепак не се толку зелени. Напротив, тие воглавно се проѕирни, но секоја од нив содржи можеби од 50 до 100 ситни зелени точки. Тие точки се хлоропластите, каде што се наоѓа зелениот хлорофил кој е осетлив на светлина и каде што се одвива фотосинтезата. Што се случува внатре во хлоропластите?

Хлоропластот е како една вреќичка со уште помали сплескани вреќички внатре во него, наречени тилакоиди. Конечно, го лоциравме зеленото во тревата. Зелените молекули на хлорофилот се вградени во површината на тилакоидите, но не случајно, туку во внимателно организирани купчина наречени фотосистеми. Постојат два вида фотосистеми во повеќето зелени растенија, познати како PSI (фотосистем I) и PSII (фотосистем II). Фотосистемите делуваат како специјализирани производствени тимови во една фабрика, секоја грижејќи се за одредени серии чекори во фотосинтезата.

„Отпад“ кој не се фрла

Додека сончевата светлина ја погодува површината на тилакоидот, низи хлорофилни молекули на PSII, наречени комплекси за жнеење на светлината, чекаат да ја уловат. Овие молекули особено се заинтересирани да ја апсорбираат црвената светлина со специфична бранова должина. На различни места на тилакоидот, низите на PSI се во потрага по светлина со нешто поголема бранова должина. Во меѓувреме, и хлорофилот и некои други молекули, како што се каротеноидите, апсорбираат сина и виолетова светлина.

Па зошто тревата е зелена? Од сите бранови должини кои паѓаат на растенијата, само зелената светлина им е бескорисна, и затоа таа едноставно се рефлектира во нашите спремни очи и камери. Замислете го тоа! Нежното зеленило на пролетта, како и длабоките смарагдни зеленила на летото, доаѓаат од брановите должини кои растенијата не ги ценат но кои ние луѓето ги сметаме за вредни! За разлика од загадувањето и отпадот од човековите фабрики, оваа „отпадна“ светлина секако дека не се фрла кога ќе погледнеме една прекрасна ливада или шума, освежувајќи ги притоа нашите души со угодната боја на животот.

Назад во хлоропластот, во низата PSII, енергијата од црвениот дел од сончевата светлина пренесена е до електроните во хлорофилните молекули сѐ додека, на крајот, еден електрон толку се исполнува со енергија, односно „се возбудува“, што сосема искокнува од низата во рацете на еден молекул-носач кој чека во тилакоидната мембрана. Како играч кој е пренесен од еден партнер на друг, електронот е пренесен од еден молекул-носач на друг додека постепено ја губи својата енергија. Кога неговата енергија е доволно слаба, може безбедно да се искористи за да замени електрон во другиот фотосистем, PSI. (Видете дијаграм 1.)

Во меѓувреме, на низата PSII ѝ недостига еден електрон, со што таа станува позитивно наелектризирана и гладна за еден електрон како замена за изгубениот. Како еден човек кој штотуку открил дека некој му го испразнил џебот, подрачјето на PSII познато како комплекс во кој се добива кислород, е избезумено. Каде да се најде електрон? Аха! Во близината безделничи еден несреќен молекул на вода. Го чека гадно изненадување.

Цепење на молекулите на водата

Молекулот на водата се состои од еден релативно голем атом на кислород и два помали атома на водород. Комплексот PSII, во кој се добива кислородот, содржи четири јони на металот манган кои ги отстрануваат електроните од водородните атоми во молекулот на водата. Како резултат на тоа, молекулот на водата се разложува на два позитивни водородни јона (протони), еден атом на кислород и два електрона. Како што се расчленуваат уште молекули на водата, атомите на кислородот образуваат парови во вид на молекули на гасот кислород, кои растението ги враќа во воздухот за наша употреба. Јоните на водородот почнуваат да се акумулираат внатре во тилакоидната „вреќичка“, каде што може растението да ги искористи, а електроните се користат за повторно снабдување на комплексот PSII, кој сега е подготвен да го повтори циклусот повеќе пати во секунда. (Видете дијаграм 2.)

Внатре во тилакоидната ќесичка, збиените водородни јони почнуваат да бараат излез. Не само што се додаваат два јона на водород секој пат кога ќе се разложи еден молекул на водата, туку електроните на PSII намамуваат во тилакоидната ќесичка и други јони на водородот додека се пренесуваат во комплексот PSI. За кратко време, јоните на водородот ѕујат како лути пчели во преполнето улиште. Како можат да излезат?

Се гледа дека брилијантниот Дизајнер на фотосинтезата обезбедил една врата што се врти само со еден излез, во облик на еден специјален ензим кој се користи за да се создаде едно многу важно клеточно гориво наречено ATP (аденозин трифосфат). Како што јоните на водородот со сила излегуваат од вратата што се врти, тие ја обезбедуваат енергијата која е потребна за повторно да се наполнат потрошените молекули на ATP. (Видете дијаграм 3.) Молекулите на ATP се како ситни клеточни батерии. Тие на лице место снабдуваат мали налети на енергија за сите видови реакции во клетката. Подоцна, тие молекули на ATP ќе бидат потребни за шеќер-производната лента на фотосинтезата.

Освен ATP, за образувањето на шеќерот битен е и еден друг мал молекул. Тој е наречен NADPH (редуциран облик на никотинамид аденин динуклеотид фосфат). Молекулите на NADPH се како мали камиони за доставување, секој носејќи по еден атом на водород до еден ензим кој чека, а на кој му е потребен атомот на водородот за да помогне да се изгради молекулот на шеќерот. Создавањето на NADPH е работа на комплексот PSI. Додека едниот фотосистем (PSII) е зафатен со цепење на молекулите на водата и нивното употребување да се создаде ATP, другиот фотосистем (PSI) ја апсорбира светлината и исфрла електрони кои на крајот се користат за да се создаде NADPH. Молекулите на ATP како и на NADPH се складираат во просторот надвор од тилакоидот за натамошно користење на шеќер-производната лента.

Ноќна смена

Преку фотосинтезата, секоја година се создаваат милијарди тони шеќер, но сепак реакциите кои се покренати од светлината во фотосинтезата, всушност, не прават никаков шеќер. Сѐ што прават е ATP („батерии“) и NADPH („камиони за доставување“). Од тој момент, ензимите во стромата, односно просторот надвор од тилакоидите, го користат ATP и NADPH за да прават шеќер. Всушност, растението може да прави шеќер во потполна темнина! Хлоропластот можете да го споредите со една фабрика која има две екипи (PSI и PSII) внатре во тилакоидите кои прават батерии и камиони за доставување (ATP и NADPH) кои, пак, ќе ги користи трета екипа (специјални ензими) надвор во стромата. (Видете дијаграм 4.) Таа трета екипа прави шеќер на тој начин што додава атоми на водород и молекули на јаглероден диоксид во еден прецизен редослед на хемиски реакции, користејќи ги ензимите во стромата. Сите три екипи можат да работат во текот на денот, а шеќер-екипата работи и ноќна смена, барем сѐ додека залихите на ATP и на NADPH од дневната смена не се искористат.

Можете да си ја замислите стромата како еден вид клеточна стројничка агенција, полна со атоми и молекули кои треба да се „венчаат“ еден за друг но кои никогаш нема сами да го сторат тоа. Одредени ензими се како многу наметливи мали стројници.a Тоа се протеински молекули со специјални облици што им допуштаат да се фатат токму за исправните атоми или молекули за посебна реакција. Меѓутоа, тие не се задоволуваат само со тоа да ги запознаат идните молекуларни брачни партнери. Ензимите нема да се задоволни сѐ додека не видат дека бракот се склопил, па затоа ја грабнуваат идната брачна двојка и колебливите партнери ги доведуваат во директен контакт, присилувајќи го бракот на еден вид биохемиска принудна свадба. После церемонијата, ензимите го ослободуваат новиот молекул и секогаш одново го повторуваат процесот. Ензимите во стромата со неверојатна брзина ги подаваат делумно комплетните молекули на шеќерот, преуредувајќи ги, полнејќи ги со енергија со ATP, додавајќи јаглероден диоксид, прицврстувајќи водород и, на крајот, испраќајќи шеќер со три јаглероди на друго место во клетката за да биде понатаму модифициран во гликоза и во мноштво други варијации. (Видете дијаграм 5.)

Зошто тревата е зелена?

Фотосинтезата е далеку повеќе од само една основна хемиска реакција. Таа е биохемиска симфонија на зачудувачка комплексност и префинетост. Книгата Life Processes of Plants го изразува тоа на следниов начин: „Фотосинтезата е еден зачудувачки, високо регулиран процес за користење на енергијата на фотоните на Сонцето. Сложеноста на архитектурата на растението и неверојатно заплетканите биохемиски и генетски контроли кои ја регулираат активноста на фотосинтезата можат да се сметаат како подобрувања на основниот процес на фаќањето на фотонот и претворањето на неговата енергија во хемиски облик“.

Со други зборови, откривањето зошто тревата е зелена значи со зачуденост да се гледа во дизајнот и технологијата кои се далеку посупериорни од што и да било што човештвото измислило — субмикроскопски „машини“ кои сами се регулираат, сами се одржуваат и работат со илјадници, па дури и со милиони циклуси во секунда (без бука, загадување или грд изглед), претворајќи ја сончевата светлина во шеќер. За нас тоа значи да се фрли поглед со умот на еден дизајнер и инженер од прва класа — нашиот Творец, Јехова Бог. Размислете за тоа следниот пат кога ќе се воодушевувате на една од Јеховините прекрасни, совршени фабрики кои го подржуваат животот или, пак, следниот пат кога само ќе се шетате по таа убава зелена трева.

[Фуснота]

[Извор на слика на страница 20]

Вметната фотографија: Colorpix, Godo-Foto

[Слика на страница 21]

Како предизвикала фотосинтезата ова дрво да порасне?

[Графикон на страница 22]

Дијаграм 1

[Графикон на страница 22]

Дијаграм 2

[Графикон на страница 23]

Дијаграм 3

[Графикон на страница 23]

Дијаграм 4

[Графикон на страница 24]

Дијаграм 5