Sababu Inayofanya Nyasi Iwe Kijani-Kibichi—Kuchunguza Usanidimwanga

“KWA nini nyasi ni kijani-kibichi?” Labda uliuliza swali hilo ulipokuwa mtoto. Je, uliridhika na jibu? Maswali kama haya ya watoto yaweza kuwa na uzito sana. Yanaweza kutufanya tuchunguze zaidi vitu vya kila siku ambavyo sisi hupuuza na kugundua maajabu yaliyofichika ambayo hatukudhani yapo.

Ili kuelewa sababu inayofanya nyasi iwe kijani-kibichi, ebu wazia kitu ambacho huenda kisionekane kama kina uhusiano na nyasi. Jaribu kuwazia kiwanda bora. Kiwanda bora kingekuwa kimya kinapotenda kazi na chenye kuvutia kwa kutazamwa, sivyo? Badala ya kuchafua, kiwanda bora hasa kingeboresha mazingira kwa utendaji wacho. Bila shaka kingetokeza bidhaa yenye mafaa—hata iliyo muhimu—kwa kila mtu. Kiwanda kama hicho kingekuwa chenye kuendeshwa na nguvu ya jua, sivyo? Kwa njia hiyo, hakingehitaji muunganisho wa umeme au kupelekwa kwa makaa-mawe au mafuta ya kukiendesha.

Bila shaka hicho kiwanda bora chenye kuendeshwa na nguvu za jua kingetumia mabamba ya kunasa nguvu za jua ambayo ni bora sana kuliko tekinolojia ya sasa ya mwanadamu. Mabamba hayo ya kunasa nguvu za jua yangekuwa yanafanya kazi kwa njia bora kabisa, hayangekuwa ghali, na hayangetoa vichafuzi, kwa kutengenezwa na kwa kutumiwa. Ingawa kiwanda bora kingetumia tekinolojia bora zaidi, hicho kingeitumia kwa njia bora, bila kukwama-kwama kusikotazamiwa, kuharibika-haribika, wala kurekebishwa-rekebishwa kwingi ambako tekinolojia ya kisasa huonekana kuhitaji. Tungetarajia kiwanda bora kiwe kinajiendesha chenyewe bila uangalifu wa mwanadamu. Hakika, kingejirekebisha chenyewe, kujidumisha chenyewe, na hata kujizidisha chenyewe.

Je, hiki kiwanda bora ni hadithi tu yenye kubuniwa ya sayansi? Je, hicho ni ndoto tu? La hasha, kwa kuwa hicho kiwanda bora ni halisi kama nyasi zilizoko chini ya mguu wako. Kwa hakika hicho kiwanda bora ni nyasi zilizo chini ya mguu wako, pamoja na mmea wa kangaga katika ofisi yako na mti ulioko nje ya dirisha lako. Yaani, hicho kiwanda bora ni mmea wowote wa kijani-kibichi! Ikichochewa na nuru ya jua, mimea ya kijani-kibichi hutumia kaboni dioksidi, maji, na madini kutengeneza chakula, kwa njia ya moja kwa moja au isiyo ya moja kwa moja, kwa ajili ya karibu kila aina ya uhai uliopo duniani. Kwa wakati huo, mimea hiyo hurekebisha angahewa, ikiondoa kaboni dioksidi na kutokeza oksijeni safi.

Kwa jumla, mimea ya dunia ya kijani-kibichi hutokeza tani zinazokadiriwa kuwa bilioni 150 hadi bilioni 400 za sukari kila mwaka—kiasi kingi sana cha vitu kuliko vitu vyote vinavyotokezwa na viwanda vyote vya chuma, feleji, magari, na vyombo vya anga. Mimea hufanya hivyo kwa kutumia nishati ya jua kuondoa atomu za hidrojeni kutoka kwa molekuli za maji na kisha kuziambatanisha atomu hizo za hidrojeni kwa molekuli za kaboni dioksidi kutoka kwa hewa, zikibadili kaboni dioksidi kuwa aina ya kabohidrati inayoitwa sukari. Mchakato huo wenye kutokeza sana unaitwa usanidimwanga. Kisha mimea inaweza kutumia molekuli zayo za sukari kwa kupata nishati au inaweza kuziunganisha pamoja hizo molekuli za sukari na kufanyiza wanga unaohifadhiwa ukiwa chakula au kuzifanyiza kuwa selulosi, ambayo ni kitu chenye nyuzi-nyuzi kilicho kigumu ambacho huwa tembwe za mmea. Ebu wazia hilo! Sekuia ulipokuwa ukikua, mti huo mkubwa mno wenye kufikia kimo cha meta 90 kwa sehemu kubwa ulitengenezwa kutokana na hewa, molekuli moja ya kaboni dioksidi na molekuli moja ya maji kwa utaratibu, katika mamilioni mengi ya ‘sehemu za utengenezaji’ zinazoitwa viwiti. Lakini hilo hufanyikaje?

Kuuchunguza Huo “Mtambo”

Kufanyiza sekuia kutokana na hewa tu (pamoja na maji na madini machache) kwa kweli ni ajabu sana, na huo si uchawi. Hayo ni matokeo ya ubuni wenye akili na tekinolojia ambayo ni tata zaidi kuliko aina yoyote ambayo mwanadamu anayo. Polepole, wanasayansi wanagundua mfumo tata wa usanidimwanga ili kuona biokemia iliyo tata sana ambayo huendelea ndani ya mmea. Ebu tuchunguze pamoja na wanasayansi “mtambo” unaowezesha karibu uhai wote kuwapo duniani. Labda tutaanza kupata jibu la swali letu “Kwa nini nyasi ni kijani-kibichi?”

Kwa kutumia hadubini yetu yenye kutegemeka, ebu tuchunguze jani la kawaida. Kwa macho matupu, jani lote huonekana kuwa kijani-kibichi, lakini sivyo ilivyo kamwe. Chembe moja-moja za jani tunazoona kwa kutumia hadubini kumbe si kijani-kibichi sana hivyo. Badala ya hivyo, hizo hasa ni zenye kupenyezwa na nuru, lakini kila chembe ina labda madoa madogo-madogo 50 hadi 100 ya kijani-kibichi. Madoa hayo ndiyo viwiti, ambako chanikiwiti ya kijani iliyo nyetivu kwa nuru hupatikana na ambapo usanidimwanga hufanyika. Ni nini hufanyika ndani ya viwiti?

Kiwiti ni kama mfuko mdogo wenye vifuko vidogo zaidi vilivyo bapa vinavyoitwa thylakoid ndani yao. Hatimaye, tumepata kile kijani-kibichi kilichomo ndani ya nyasi. Molekuli za kijani-kibichi za chanikiwiti zimo katika uso wa thylakoid, si kiholela tu, bali katika utaratibu mzuri kabisa unaoitwa mifumo-nuru. Kuna aina mbili za mifumo-nuru katika mimea mingi ya kijani-kibichi, zinazoitwa PSI (mfumo-nuru 1) na PSII (mfumo-nuru 2). Hiyo mifumo-nuru hutenda kama vikundi stadi sana katika kutokeza mazao kiwandani, kila kikundi kikishughulikia hatua hususa katika usanidimwanga.

“Takataka” Zisizotupwa

Nuru ya jua inapogonga uso wa thylakoid, safu za PSII za molekuli za chanikiwiti zinazoitwa mifumo ya vivuna-nuru hungoja kuinasa nuru. Molekuli hizo hasa hutaka kufyonza nuru nyekundu yenye lukoka fulani hususa. Katika sehemu tofauti-tofauti za thylakoid, safu za PSI hutafuta nuru ambayo kwa njia fulani ina lukoka ndefu. Kwa wakati uo huo, chanikiwiti na molekuli nyingine, kama karotenoidi, zinafyonza nuru za buluu na za urujuani.

Basi kwa nini nyasi ni kijani-kibichi? Kati ya lukoka zote zinazoangukia mimea, ni nuru ya kijani-kibichi pekee ambayo haitumiki, hivyo hiyo huakisishwa, nasi huiona kwa macho na kamera. Ebu fikiria! Zile rangi za kijani-kibichi maridadi za wakati wa masika, na zile za kijani-kibichi kama zumaridi iliyokolea wakati wa kiangazi, hutokana na lukoka ambazo mimea haihitaji lakini ambazo sisi wanadamu tunazithamini! Tofauti na uchafuzi na takataka za viwanda vya wanadamu, “takataka” hizi za nuru hazitupwi kamwe tunapotazama uwanda maridadi wa nyasi au msitu, tukiburudika nafsi kwa kuongeza rangi maridadi kwa maisha yetu.

Tukirudi ndani ya kiwiti, katika ile safu ya PSII, nishati inayotoka kwenye sehemu nyekundu ya nuru ya jua imehamishwa hadi katika elektroni katika molekuli za chanikiwiti, mpaka hatimaye, elektroni inatiwa nishati, au “kuchochewa,” hivi kwamba inaruka kutoka kwa safu hiyo na kuingia katika mikono ya molekuli-pagazi ingojayo katika utando wa thylakoid. Kama mcheza-dansi anayepitishwa kutoka kwa mwenzi mmoja hadi mwingine, elektroni hupitishwa kutoka kwa molekuli-pagazi moja hadi nyingine huku ikipoteza nishati yayo polepole. Nishati inapokuwa kidogo kwa kiasi fulani, inaweza kwa usalama kutumiwa kuchukua mahali pa elektroni katika mfumo-nuru ule mwingine, PSI.—Ona mchoro 1.

Kwa wakati uo huo, ile safu ya PSII inakosa elektroni, ambayo huifanya iwe na chaji chanya na tayari kupokea elektroni ya kuchukua mahali pa ile iliyopotezwa. Kama mtu ambaye ametoka tu kugundua kwamba amechomolewa mfuko, eneo la PSII linaloitwa mfumo wa mageuzi ya oksijeni lina hekaheka nyingi sana. Elektroni itapatikana wapi? Kumbe! Kuna molekuli ya maji maskini inayorandaranda karibu na hapo. Itapigwa na butwaa kama nini!

Kurarua-Rarua Molekuli za Maji

Molekuli ya maji imefanyizwa kwa atomu ya oksijeni iliyo kubwa kwa kadiri na atomu mbili ndogo za hidrojeni. Mfumo wa mageuzi ya oksijeni wa PSII una ioni nne za metali iitwayo manganisi ambayo huondoa elektroni kutoka kwa atomu za hidrojeni katika molekuli ya maji. Tokeo ni kwamba molekuli ya maji hupasuliwa katika ioni mbili chanya za hidrojeni (protoni), atomu moja ya oksijeni, na elektroni mbili. Molekuli nyingi zaidi za maji zinapopasuliwa, atomu mbili za oksijeni hushikamana kuwa molekuli za gesi ya oksijeni, ambazo mmea hurudisha hewani ili tuzitumie. Ioni za hidrojeni huanza kujaa katika “mfuko” unaoitwa thylakoid, ambako zinaweza kutumiwa na mmea huo, na elektroni hutumiwa kuwa ugavi wa mfumo wa PSII, ambao sasa uko tayari kurudia mzunguko huo mara nyingi kwa kila sekunde.—Ona mchoro 2.

Ndani ya ule mfuko wa thylakoid, ioni zilizojazana za hidrojeni huanza kutafuta njia ya kutokea. Si ioni mbili tu za hidrojeni zinazoongezwa kila wakati molekuli za maji zinapopasuliwa bali ioni nyingine za hidrojeni huvutiwa na elektroni za PSII kuingia ndani ya mfuko wa thylakoid wakati zinapopitishwa kuingia ndani ya mfumo wa PSI. Punde tu, ioni za hidrojeni huvuma kama nyuki wenye hasira waliojaa ndani ya mzinga. Watatokaje nje?

Yatukia kwamba Mbuni mwerevu sana wa usanidimwanga ametayarisha mlango wenye kufunguka kwa njia moja tu, ambao ni kimeng’enya cha kipekee ambacho hutumiwa kutengeneza fueli muhimu sana ya chembe ambayo huitwa ATP (adenosine triphosphate). Ioni za hidrojeni zijilazimishapo kutoka kupitia mlango, hizo hutoa nishati inayohitajika kuchaji tena molekuli za ATP zilizoisha nguvu. (Ona mchoro 3.) Molekuli za ATP ni kama betri ndogo-ndogo zenye seli. Hizo huandaa nishati kidogo-kidogo kwa vipindi, ndani ya chembe, ili utendanaji wa aina zote uendelee ndani ya chembe. Baadaye, molekuli hizo za ATP zitahitajika katika sehemu za kutengeneza sukari za usanidimwanga.

Mbali na ATP, molekuli nyingine ndogo ni muhimu katika sehemu ya kutengeneza sukari. Hiyo inaitwa NADPH (kifupisho cha nicotinamide adenine dinucleotide phosphate). Molekuli za NADPH ni kama malori madogo ya kusafirisha vitu, kila moja likipeleka atomu moja ya hidrojeni kwa kimeng’enya kinachongoja ambacho kinahitaji atomu ya hidrojeni ili kusaidia kujenga molekuli ya sukari. Kutengeneza NADPH ni kazi ya mfumo wa PSI. Huku mfumo-nuru mmoja (PSII) ukiwa na shughuli nyingi za kurarua-rarua molekuli za maji na kuzitumia kutengeneza ATP, mfumo-nuru mwingine (PSI) unafyonza nuru na kuondosha elektroni ambazo hatimaye zinatumiwa kutengeneza NADPH. Molekuli zote mbili, za ATP na NADPH, huwekwa akiba katika nafasi iliyoko nje ya thylakoid kwa matumizi ya wakati ujao katika sehemu ya kutengeneza sukari.

Zamu ya Usiku

Mabilioni ya tani za sukari hutengenezwa kila mwaka kupitia usanidimwanga, lakini utendanaji wenye kuendeshwa na nuru katika usanidimwanga haufanyizi sukari yoyote. Hizo hufanyiza ATP (“betri”) na NADPH (“malori ya kubeba mizigo”) tu. Kuanzia hatua hii, vimeng’enya vilivyo katika stroma, au nafasi iliyo nje ya thylakoid, hutumia ATP na NADPH kufanyiza sukari. Hakika, mmea waweza kufanyiza sukari katika giza totoro! Unaweza kulinganisha kiwiti na kiwanda chenye vikundi viwili (PSI na PSII) katika thylakoid vikifanyiza betri na malori ya kubebea mizigo (ATP na NADPH) ambazo zitatumiwa na kikundi cha tatu cha (vimeng’enya vya kipekee) kule nje katika stroma. (Ona mchoro 4.) Kikundi hicho cha tatu hutengeneza sukari kwa kuongeza atomu za hidrojeni na molekuli za kaboni dioksidi kwa mfuatano hususa wa utendanaji wa kemikali kwa kutumia vimeng’enya vilivyo katika stroma. Hivyo vikundi vyote vitatu vinaweza kufanya kazi wakati wa mchana, na kikundi cha kutengeneza sukari hufanya zamu ya usiku vilevile, angalau mpaka ugavi wa ATP na NADPH wa tangu mchana utumiwe wote.

Unaweza kufikiri kwamba stroma ni aina fulani ya shirika la kukutanisha wenye kutaka kufunga ndoa, ikijaa atomu na molekuli ambazo zinahitaji “kuozwa” pamoja lakini ambazo hazina ujasiri wa kuoana peke yazo. Vimeng’enya fulani ni kama waozaji wadogo wenye kushurutisha.a Hizo ni molekuli za protini ambazo zina maumbo ya kipekee yanayoziruhusu kushika atomu zifaazo tu au molekuli za utendanaji fulani hususa. Hata hivyo, hizo haziridhiki na kukutanisha tu hao watakaokuwa wenzi wa ndoa. Vimeng’enya haviridhiki mpaka vione ndoa imefanyika, kwa hiyo vimeng’enya hushika wenzi hao wa wakati ujao wenye kusita-sita na kuwakutanisha, vikilazimisha ndoa ya kibiokemia. Baada ya muungano huo, vimeng’enya huacha molekuli hiyo mpya na kurudia-rudia utaratibu huo. Katika stroma vimeng’enya hupitisha molekuli ya sukari isiyo kamili kwa kasi sana, ikizipanga upya, ikizichaji kwa ATP, ikiongeza kaboni dioksidi, ikishikanisha hidrojeni, na, hatimaye, kupeleka sukari yenye kaboni tatu ikaboreshwe mahali pengine katika chembe hiyo ili iwe glukosi na vitu vingine vingi vya sukari.—Ona mchoro 5.

Kwa Nini Nyasi Ni Kijani-Kibichi?

Usanidimwanga unashinda kwa mbali ‘utendanaji wa msingi wa kemikali.’ Ni utendanaji mwingi wenye kupatana wa kibiokemia ulio tata na kimya na wenye kustaajabisha sana. Kitabu Life Processes of Plants chasema hivi: “Usanidimwanga ni mfumo bora sana wa kunasa nishati za fotoni za jua ambao unastaajabisha sana. Muundo tata wa mmea na vidhibiti vya hali ya juu sana vya biokemia na kijeni ambavyo huongoza utendaji wa usanidimwanga waweza kuonwa kuwa hali bora za msingi za kunasa fotoni na kugeuza nishati yayo kuwa aina ya kemikali.”

Yaani, ili kujua kwa nini nyasi ni kijani-kibichi inatusukuma kuchunguza kwa kustaajabu muundo na tekinolojia iliyo bora sana kuliko chochote ambacho mwanadamu amepata kubuni—“mashine” ndogo-ndogo kabisa zenye kujiendesha, kujidumisha, zinazofanya kazi kwa mara maelfu au hata mamilioni kwa sekunde moja (bila kelele, uchafu, au ubaya wa sura) zikigeuza nuru ya jua kuwa sukari. Kwetu sisi, hiyo ni kama kuona kifupi jambo fulani la akili la mbuni na mhandisi bora kabisa—Muumba wetu, Yehova Mungu. Fikiria jambo hilo utakapovutiwa na “viwanda vikamilifu” vya Yehova vilivyo virembo, vyenye kudumisha uhai au utakapotembea juu ya nyasi yenye kupendeza ya kijani-kibichi.

[Maelezo ya Chini]

[Hisani ya Picha katika ukurasa wa 18]

Picha ya ndani: Colorpix, Godo-Foto

[Picha katika ukurasa wa 19]

Usanidimwanga ulifanyaje mti huu ukue?

[Mchoro katika ukurasa wa 20]

Mchoro 1

[Mchoro katika ukurasa wa 20]

Mchoro 2

[Mchoro katika ukurasa wa 21]

Mchoro 3

[Mchoro katika ukurasa wa 21]

Mchoro 4

[Mchoro katika ukurasa wa 22]

Mchoro 5