Waarom het gras groen is — Fotosynthese van dichterbij bekeken

Waarom het gras groen is — Fotosynthese van dichterbij bekeken

„WAAROM is het gras groen?” Misschien hebt u dat als kind wel eens gevraagd. Was u tevreden met het antwoord? Kindervragen zoals deze kunnen heel diepzinnig zijn. Ze kunnen ons scherper naar alledaagse, altijd als vanzelfsprekend beschouwde zaken doen kijken en wonderen onthullen die wij daar nooit hadden vermoed.

Om te begrijpen waarom het gras groen is, moet u zich iets proberen voor te stellen wat misschien niets met gras te maken lijkt te hebben. Stelt u zich alstublieft de volmaakte fabriek voor. De volmaakte fabriek zou geruisloos werken en er aantrekkelijk uitzien, nietwaar? In plaats van vervuiling te veroorzaken zouden de werkzaamheden in de volmaakte fabriek het milieu juist ten goede komen. Natuurlijk zou ze iets produceren wat nuttig is — sterker nog, van vitaal belang is — voor iedereen. Zo’n fabriek zou op zonneënergie draaien, denkt u niet? Er zou dan geen aansluiting op het stroomnet of aanvoer van kolen of olie nodig zijn.

Ongetwijfeld zou de volmaakte op zonneënergie werkende fabriek zonnepanelen gebruiken die verre superieur zijn aan de huidige menselijke technologie. Ze zouden zeer efficiënt, goedkoop en niet-vervuilend zijn, zowel qua produktie als in het gebruik. Hoewel de volmaakte fabriek de meest geavanceerde technologie zou aanwenden die men zich maar kan voorstellen, zou dat allemaal heel soepel verlopen, zonder de onverwachte kleine storinkjes en grote storingen en het eindeloos bijregelen waarmee in onze tijd de allernieuwste technologie gepaard schijnt te gaan. Wij zouden verwachten dat de volmaakte fabriek volledig geautomatiseerd is, zonder menselijke bemoeienis. Ja, ze zou zelfherstellend, zelfonderhoudend en ook nog zelfduplicerend zijn.

Is de volmaakte fabriek slechts science fiction? Louter een onbereikbare droom? Nee, de volmaakte fabriek is even reëel als het gras onder uw voeten. Ja, ze is het gras onder uw voeten, en ook de varen op uw kantoor en de boom buiten uw raam. De volmaakte fabriek is namelijk om het even welke groene plant! Met zonlicht als energiebron gebruiken groene planten kooldioxide, water en mineralen om voedsel te produceren dat, direct of indirect, bijna alle levensvormen op aarde voedt. Bij dat proces vullen ze de atmosfeer weer aan: kooldioxide wordt verwijderd en pure zuurstof afgegeven.

Met elkaar produceren de groene planten naar schatting 150 tot 400 miljard ton suiker per jaar — veel en veel meer materie dan de gecombineerde output van alle ijzer-, staal-, auto- en vliegtuigfabrieken van de mens. Ze doen dit door de energie van de zon te gebruiken om waterstofatomen uit watermoleculen vrij te maken en die waterstofatomen dan te binden aan kooldioxidemoleculen uit de lucht, waarmee ze de kooldioxide veranderen in een koolhydraat dat bekendstaat als suiker. Dit opmerkelijke proces wordt fotosynthese genoemd. De planten kunnen vervolgens hun nieuwe suikermoleculen in energie omzetten of ze samenvoegen tot zetmeel, zodat ze voedsel opslaan, of tot cellulose, het taaie vezelige materiaal waaruit plantaardig weefsel bestaat. Denk u eens in! Al groeiend werd die enorme sequoia die nu negentig meter boven u uittorent, hoofdzakelijk uit lucht opgebouwd, met één molecule kooldioxide en één molecule water per keer, aan ontelbare miljoenen microscopisch kleine ’montagebanden’ die chloroplasten heten. Maar hoe dan wel?

De „machinerie”

Een sequoia maken uit lucht (plus water en wat mineralen) is werkelijk verbazingwekkend, maar toverij is het niet. Het is het resultaat van intelligent ontwerp en een technologie die veel geavanceerder is dan alles waar de mens over beschikt. Beetje bij beetje weten geleerden het deksel van de ’zwarte doos’ van de fotosynthese los te krijgen en begint de uitgekiende biochemie die daarbinnen plaatsvindt, zich aan hun bewonderende blikken te openbaren. Laten wij met hen een blik werpen op de „machinerie” die verantwoordelijk is voor bijna alle leven op aarde. Misschien levert ons dat een begin op van een antwoord op onze vraag „Waarom is het gras groen?”

Wij halen onze trouwe microscoop te voorschijn en gaan een blad bekijken. Voor het blote oog lijkt het hele blad groen, maar dat is gezichtsbedrog. De afzonderlijke plantecellen die wij onder de microscoop zien, zijn feitelijk niet zo groen. In plaats daarvan zijn ze voor het grootste deel doorzichtig, maar elk bevat misschien 50 tot 100 kleine groene stippen. Deze stippen zijn de chloroplasten, waar het lichtgevoelige groene chlorofyl zich bevindt en waar de fotosynthese plaatsvindt. Wat gebeurt er in de chloroplasten?

De chloroplast lijkt op een klein tasje met daarin nog kleinere afgeplatte tasjes, de zogeheten thylacoïden. Eindelijk hebben wij het groen van het gras gelokaliseerd. Groene chlorofylmoleculen zitten ingebed in het oppervlak van de thylacoïden, niet willekeurig, maar in zorgvuldig georganiseerde verzamelingen die fotosystemen heten. In de meeste groene planten bevinden zich twee soorten fotosystemen, die bekendstaan als PSI (fotosysteem I) en PSII (fotosysteem II). De fotosystemen gaan te werk als gespecialiseerde produktieteams in een fabriek en nemen elk een specifieke reeks stappen in de fotosynthese voor hun rekening.

„Afval” dat niet verspild wordt

Als zonlicht op het oppervlak van de thylacoïd valt, liggen daar georganiseerde verzamelingen PSII-chlorofylmoleculen, ’licht-binnenhalende complexen’, klaar om het op te vangen. Deze moleculen zijn speciaal geïnteresseerd in het absorberen van rood licht van een specifieke golflengte. Op verschillende plekken op de thylacoïd kijken PSI-opstellingen uit naar licht van een iets langere golflengte. Intussen absorberen chlorofyl en sommige andere moleculen, zoals carotenoïden, blauw en violet licht.

Dus waarom is het gras groen? Van alle golflengten die op planten vallen, is alleen groen licht onbruikbaar voor ze en dat wordt dan ook eenvoudigweg gereflecteerd naar onze ogen en camera’s. Sta daar eens bij stil! Het tere groen van de lente, alsook het diepe smaragdgroen van de zomer, komt van golflengten die de planten niet waarderen maar die wij, mensen, bijzonder op prijs stellen! Anders dan bij de vervuiling en het afval van menselijke fabrieken wordt dit „afval”-licht beslist niet verspild: Wanneer wij onze blik laten rusten op een prachtige weide of een fraai bos, verkwikken wij onze ziel met de aantrekkelijke kleur van het leven.

In de chloroplast, in de PSII-opstelling, is de energie van het rode deel van het zonlicht overgedragen op elektronen in de chlorofylmoleculen, totdat uiteindelijk een elektron zoveel energie heeft opgenomen dat het wegspringt, in de armen van een wachtend transportmolecule in het thylacoïd-membraan. Als een danseres die van partner naar partner wordt doorgegeven, wordt het elektron van het ene transportmolecule naar het volgende doorgegeven terwijl het geleidelijk energie verliest. Wanneer zijn energie laag genoeg is, kan het veilig worden gebruikt als vervanger voor een elektron in het andere fotosysteem, PSI. — Zie diagram 1.

Ondertussen mist de PSII-opstelling een elektron, waardoor ze positief geladen is en ’hongerig’ naar een elektron dat het ontbrekende kan vervangen. Als een man die net heeft ontdekt dat zijn portemonnee is gerold, is het gebied van PSII dat als het zuurstofafgiftecomplex bekendstaat, in alle staten. Waar is een elektron te vinden? Aha! Dicht in de buurt houdt zich een onfortuinlijk watermolecule op. Het staat een onaangename verrassing te wachten.

Watermoleculen uiteengescheurd

Een watermolecule bestaat uit een betrekkelijk groot zuurstofatoom en twee kleinere waterstofatomen. Het zuurstofafgiftecomplex van PSII bevat vier ionen van het metaal mangaan, die de elektronen van de waterstofatomen in het watermolecule verwijderen. Het gevolg is dat het watermolecule gesplitst wordt in twee positieve waterstofionen (protonen), een zuurstofatoom en twee elektronen. Naarmate meer watermoleculen in stukken worden gescheurd, vormen de zuurstofatomen paren — moleculen van het zuurstofgas, dat door de plant wordt afgegeven aan de lucht zodat wij er gebruik van kunnen maken. De waterstofionen beginnen zich op te hopen in de thylacoïd-zak, waar ze door de plant gebruikt kunnen worden, en de elektronen worden gebruikt om het PSII-complex weer aan te vullen, zodat het de cyclus kan herhalen, en dat vele malen per seconde. — Zie diagram 2.

In de thylacoïd-zak beginnen de opeengepakte waterstofionen naar een uitweg te zoeken. Niet alleen komen er iedere keer dat een watermolecule wordt afgebroken, twee waterstofionen bij, maar er worden ook waterstofionen de thylacoïd-zak ingelokt door de PSII-elektronen als die worden overgedragen aan het PSI-complex. Al gauw gaan de waterstofionen tekeer als boze bijen in een te volle korf. Hoe komen ze eruit?

De briljante Ontwerper van de fotosynthese blijkt voor een draaideur te hebben gezorgd die slechts één uitweg biedt, en wel in de vorm van een speciaal enzym dat gebruikt wordt om een zeer belangrijke celbrandstof te maken, ATP (adenosinetrifosfaat genaamd). Terwijl de waterstofionen zich door de draaideur naar buiten werken, verschaffen ze de energie die nodig is om uitgeputte ATP-moleculen weer op te laden. (Zie diagram 3.) ATP-moleculen zijn net kleine batterijtjes. Ze produceren — ter plekke — stootjes energie voor allerlei reacties in de cel. Later zullen deze ATP-moleculen nodig zijn aan de fotosynthese-montageband voor suiker.

Behalve ATP is nog een klein molecule van vitaal belang voor de suikeraanmaak. Het wordt NADPH genoemd (een gereduceerde vorm van nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat). NADPH-moleculen zijn net kleine bestelwagens, elk met een waterstofatoom op weg naar een wachtend enzym dat het waterstofatoom nodig heeft om een suikermolecule op te bouwen. NADPH maken is de taak van het PSI-complex. Terwijl één fotosysteem (PSII) druk bezig is watermoleculen uit elkaar te scheuren en daarmee ATP te maken, absorbeert het andere fotosysteem (PSI) licht en is het elektronen aan het uitstoten die ten slotte gebruikt zullen worden om NADPH te maken. Zowel de ATP- als de NADPH-moleculen worden opgeslagen in de ruimte buiten de thylacoïd voor toekomstig gebruik op de suikermontageband.

De nachtploeg

Er worden jaarlijks miljarden tonnen suiker gemaakt met behulp van fotosynthese, en toch wordt door de fotosynthesereacties waarvoor licht de energie levert, feitelijk geen suiker gemaakt. Alles wat ze doen is ATP („batterijen”) en NADPH („bestelwagens”) maken. Vervolgens gebruiken de enzymen in het stroma, de ruimte buiten de thylacoïden, het ATP en NADPH om suiker te maken. De plant kan zelfs suiker maken in complete duisternis! U kunt de chloroplast vergelijken met een fabriek met twee ploegen (PSI en PSII) in de thylacoïden die batterijen en bestelwagens maken (ATP en NADPH), die dan gebruikt worden door een derde ploeg (speciale enzymen) daarbuiten in het stroma. (Zie diagram 4.) Die derde ploeg maakt suiker door waterstofatomen en kooldioxidemoleculen aan elkaar te plakken in een precieze volgorde van chemische reacties waarvoor gebruik wordt gemaakt van de enzymen in het stroma. Alle drie de ploegen kunnen overdag werken, terwijl de suikerploeg ook ’s nachts werkt, althans tot de voorraden ATP en NADPH van de dagploeg zijn opgebruikt.

U zou zich het stroma als een soort cellulair relatiebureau kunnen voorstellen, vol atomen en moleculen die met elkaar „in het huwelijk verbonden” moeten worden maar zelf nooit op elkaar durven afstappen. Bepaalde enzymen zijn net behoorlijk opdringerige koppelaars.a Het zijn eiwitmoleculen met speciale vormen die daardoor precies de juiste atomen of moleculen weten aan te pakken voor een bepaalde reactie. Ze stellen zich er echter niet tevreden mee de toekomstige moleculaire huwelijkspartners aan elkaar voor te stellen. De enzymen zijn pas tevreden als ze het huwelijk zien plaatsvinden, en daarom grijpen ze het toekomstige paar en brengen ze de weifelende partners in direct contact met elkaar, en forceren de verbintenis in een soort biochemisch gedwongen huwelijk. Na de ceremonie geven de enzymen het nieuwe molecule vrij en herhalen het proces, en dat steeds weer. In het stroma geven enzymen met een ongelofelijke snelheid half afgewerkte suikermoleculen door, herrangschikken ze, delen er energie aan mee met ATP, voegen kooldioxide toe, plakken er waterstof aan en zenden uiteindelijk een drie koolstofatomen bevattend suiker weg om elders in de cel omgezet te worden in glucose en een heleboel andere variaties. — Zie diagram 5.

Waarom is het gras groen?

Fotosynthese is veel meer dan slechts een fundamentele chemische reactie. Het is een biochemische symfonie van verbijsterende complexiteit en subtiliteit. Het boek Life Processes of Plants stelt het zo: „Fotosynthese is een opmerkelijk, sterk gereguleerd proces om de energie van de fotonen van de zon bruikbaar te maken. De complexe architectuur van de plant en de ongelofelijk ingewikkelde biochemische en genetische besturing van de fotosynthetische activiteit kunnen beschouwd worden als verfijningen van het fundamentele proces van het invangen van het foton en het omzetten van de energie ervan in een chemische vorm.”

Met andere woorden, erachter komen waarom het gras groen is, betekent met bewondering kijken naar een ontwerp en technologie die verre superieur zijn aan alles wat de mens heeft bedacht — zelfregulerende, zelfonderhoudende submicroscopische „machines” die in duizenden, ja miljoenen, cycli per seconde (zonder lawaai, vervuiling of lelijkheid) zonlicht in suiker omzetten. Voor ons betekent het iets te zien van de geest van een ontwerper en technoloog bij uitstek — onze Schepper, Jehovah God. Overdenk dat de volgende keer eens als u een van Jehovah’s prachtige levenonderhoudende volmaakte fabrieken bewondert of de volgende keer dat u gewoon op dat heerlijke groene gras loopt.

[Voetnoten]

a Sommige andere soorten enzymen lijken op opdringerige echtscheidingsadvocaten; hun baan is de moleculen uit elkaar te halen.

[Diagram op blz. 20]