Waarom die gras groen—is ’n noukeuriger ondersoek na fotosintese

“WAAROM is die gras groen?” Miskien het jy as kind daardie vraag gevra. Was jy tevrede met die antwoord? Sulke vrae van kinders kan baie diep wees. Dit kan ons noukeuriger laat ondersoek instel na alledaagse dinge wat ons as vanselfsprekend aanvaar en kan geheime wonders onthul wat ons nooit sou kon dink bestaan nie.

As jy wil verstaan waarom die gras groen is, kan jy jou iets voorstel wat dalk lyk of dit niks met gras te doen het nie. Probeer jou die volmaakte fabriek voorstel. Die volmaakte fabriek sal stil wees terwyl dit in werking is en mooi wees om na te kyk, nie waar nie? Die omgewing sal nie besoedel word nie, maar eintlik juis deur die werking van die volmaakte fabriek verbeter word. Dit sal natuurlik iets vervaardig wat nuttig—trouens, lewensbelangrik—vir almal is. So ’n fabriek sal deur sonkrag aangedryf word, of wat dink jy? Sodoende sal dit geen elektriese verbinding of die aflewering van steenkool of olie nodig hê vir krag nie.

Dit ly geen twyfel nie dat die volmaakte fabriek wat met sonenergie funksioneer sonpanele sal gebruik wat ver verhewe bo die mens se huidige tegnologie is. Dit sal uiters doeltreffend, goedkoop en niebesoedelend wees om te vervaardig én om te gebruik. Hoewel dit van die mees gevorderde tegnologie denkbaar gebruik sal maak, sal die volmaakte fabriek dit onopsigtelik doen, sonder die onverwagte foute, steurings of eindelose fyn instelling wat blykbaar deur vandag se gesofistikeerde tegnologie vereis word. Ons sal verwag dat die volmaakte fabriek ten volle outomaties moet wees en dus nie ’n mensehand nodig sal hê om te werk nie. Trouens, dit sal selfherstellend, selfonderhoudend en selfs selfdupliserend wees.

Is die volmaakte fabriek net wetenskapsfiksie? Bloot ’n onbereikbare fantasie? Nee, hoegenaamd nie, want die volmaakte fabriek is so werklik soos die gras onder jou voete. Eintlik is dit die gras onder jou voete, tesame met die varing in jou kantoor en die boom buite jou venster. Jy sien, die volmaakte fabriek is enige groen plant! Met sonlig as brandstof gebruik groen plante koolstofdioksied, water en minerale om, direk of indirek, voedsel vir byna alle lewensvorme op aarde te vervaardig. Terselfdertyd vul hulle die atmosfeer aan deur koolstofdioksied te verwyder en suiwer suurstof af te gee.

Die aarde se groen plante vervaardig na raming altesaam 150 miljard tot 400 miljard ton suiker elke jaar—baie meer materiaal as die gesamentlike produksie van die mens se yster-, staal-, motorvoertuig- en ruimtevaartindustrieë. Hulle doen dit deur die energie van die son te gebruik om waterstofatome uit watermolekules te haal en dan daardie waterstofatome by koolstofdioksiedmolekules uit die lug te voeg, en sodoende die koolstofdioksied te verander in ’n koolhidraat wat bekend is as suiker. Hierdie merkwaardige proses word fotosintese genoem. Die plante kan dan hulle nuwe suikermolekules gebruik vir energie, of hulle kan dit aanmekaar skakel om stysel vir voedselberging of om sellulose te vorm, die sterk, draderige stof waaruit plantvesel bestaan. Dink net daaraan! Terwyl die sequoiaboom gegroei het, is daardie ontsaglike groot boom wat 90 meter bo jou uittoring hoofsaaklik van blou lug gemaak, een koolstofdioksiedmolekule en een watermolekule op ’n keer, in ontelbare miljoene mikroskopiese ‘monteerbane’ wat chloroplaste genoem word. Maar hoe?

’n Kykie na die “enjin”

Om ’n sequoia van blou lug (asook water en ’n paar minerale) te maak, is waarlik verbasingwekkend, maar dit is nie toorkuns nie. Dit is die gevolg van intelligente ontwerp en tegnologie wat baie meer gesofistikeerd is as dít waaroor die mens beskik. Wetenskaplikes is stadig maar seker besig om die geheime van fotosintese te ontrafel en is verstom oor die supergesofistikeerde biochemie wat hulle vind. Kom ons kyk saam met hulle na die “enjin” wat vir feitlik alle lewe op aarde verantwoordelik is. Miskien sal ons ’n antwoord begin kry op ons vraag: “Waarom is die gras groen?”

Kom ons haal ons betroubare mikroskoop uit en ondersoek ’n tipiese blaar. Vir die blote oog lyk die hele blaar groen, maar dit is ’n illusie. Die individuele plantselle wat ons onder die mikroskoop sien, is in werklikheid glad nie so groen nie. Dit is eerder grotendeels deurskynend, maar elkeen bevat ongeveer 50 tot 100 klein groen kolletjies. Hierdie kolletjies is die chloroplaste, waar die liggevoelige groen chlorofil gevind word en waar fotosintese plaasvind. Wat gebeur binne-in die chloroplaste?

Die chloroplas is soos ’n klein sakkie met selfs kleiner afgeplatte sakkies daarin wat tilakoïede genoem word. Uiteindelik spoor ons die groen in die gras op. Groen chlorofilmolekules word op die oppervlak van die tilakoïede op mekaar gestapel, nie deurmekaar nie, maar in sorgvuldig georganiseerde versamelings wat fotosisteme genoem word. In die meeste groen plante is daar twee soorte fotosisteme, wat as FSI (fotosisteem I) en FSII (fotosisteem II) bekend staan. Die fotosisteme werk soos gespesialiseerde produksiespanne in ’n fabriek, wat elkeen na ’n spesifieke reeks stappe in fotosintese omsien.

“Afval” wat nie vermors word nie

Wanneer sonlig op die oppervlak van die tilakoïed val, wag FSII-groepe chlorofilmolekules, wat fotosintese eenhede genoem word, om die lig vas te vang. Hierdie molekules stel veral daarin belang om rooi lig met ’n spesifieke golflengte te absorbeer. Op verskillende plekke op die tilakoïed is FSI-groepe op die uitkyk na lig met ’n ietwat langer golflengte. Intussen absorbeer beide chlorofil en ’n paar ander molekules, soos karotenoïede, blou en pers lig.

Waarom is die gras dus groen? Van al die golflengtes wat op plante val, is slegs groen lig vir hulle nutteloos; daarom word dit eenvoudig teruggekaats na ons wagtende oë en kameras. Dink net daaraan! Die delikate skakerings van groen in die lente asook die smaraggroen in die somer is die gevolg van die golflengtes wat die plante nie nodig het nie, maar wat ons as mense tog so waardeer! Anders as die besoedeling en die afval van die mens se fabrieke word hierdie lig, die “afval”, beslis nie vermors wanneer ons na ’n pragtige grasland of woud kyk en ons siel met die aangename kleur van lewe verkwik nie.

Terug in die chloroplas, in die FSII-groep, is die energie van die rooi gedeelte van die sonlig na elektrone in die chlorofilmolekules oorgedra totdat ’n elektron uiteindelik so geaktiveer, of “geprikkel”, is dat dit heeltemal uit die groep spring, tot in die arms van ’n wagtende draermolekule in die tilakoïedmembraan. Soos ’n danser wat van een maat na ’n ander aangegee word, word die elektron van een draermolekule na ’n ander aangegee terwyl dit geleidelik energie verloor. Wanneer die energievlak laag genoeg is, kan dit met veiligheid gebruik word om ’n elektron in die ander fotosisteem, FSI, te vervang.—Sien diagram 1.

Intussen het die FSII-groep een elektron te min, wat veroorsaak dat dit positief gelaai is en gretig is om die verlore elektron te vervang. Soos ’n man wat so pas agtergekom het dat hy beroof is, is die gedeelte van FSII wat as die suurstofontwikkelingseenheid bekend staan desperaat. Waar kan hulle ’n elektron kry? Aha! Daar’s ’n ongelukkige watermolekule in die omgewing. ’n Onaangename verrassing wag vir hom.

Watermolekules word opgebreek

’n Watermolekule bestaan uit ’n redelike groot suurstofatoom en twee kleiner waterstofatome. Die suurstofontwikkelingseenheid van FSII bevat vier mangaanione wat die elektrone uit die waterstofatome in die watermolekule verwyder. Die watermolekule word gevolglik verdeel in twee positiewe waterstofione (protone), een suurstofatoom en twee elektrone. Namate meer watermolekules opgebreek word, word die suurstofatome saamgevoeg om suurstofmolekules te vorm, en die plant stel dit weer vir ons gebruik aan die lug vry. Die waterstofione begin in die “sak” van die tilakoïed versamel, waar hulle deur die plant gebruik kan word, en die elektrone word gebruik om die FSII-eenheid aan te vul, wat nou gereed is om die kringloop talle kere per sekonde te herhaal.—Sien diagram 2.

Binne-in die tilakoïedsak begin die saamgedronge waterstofatome na ’n manier soek om uit te kom. Daar word nie net elke keer twee waterstofione bygevoeg wanneer ’n watermolekule verdeel word nie, maar ander waterstofione word deur die FSII-elektrone tot in die tilakoïedsak gelok terwyl hulle na die FSI-eenheid oorgedra word. Kort voor lank gons die waterstofione soos ontstoke bye in ’n oorvol byekorf. Hoe kan hulle uitkom?

Dit blyk dat die briljante Ontwerper van fotosintese ’n draaideur voorsien het met net een manier om uit te kom, in die vorm van ’n spesiale ensiem wat gebruik word om ’n baie belangrike brandstof vir selle te maak, naamlik ATP (adenosientrifosfaat). Wanneer die waterstofione hulle weg met geweld by die draaideur uit baan, voorsien hulle die energie wat nodig is om die verbruikte ATP-molekules te herlaai. (Sien diagram 3.) ATP-molekules is soos klein selbatterytjies. Hulle voorsien klein energieladings, reg daar in die sel, vir allerhande reaksies in die sel. Hierdie ATP-molekules sal later nodig wees op die suikermonteerbaan van fotosintese.

Benewens ATP is daar ook ’n ander klein molekule wat onontbeerlik vir die vervaardiging van suiker is. Dit word NADPH (’n gereduseerde vorm van nikotienamiedadeniendinukleotiedfosfaat) genoem. NADPH-molekules is soos klein afleweringswaens wat elkeen ’n waterstofatoom vervoer na ’n wagtende ensiem wat die waterstofatoom nodig het om ’n suikermolekule te help bou. Dit is die FSI-eenheid se werk om NADPH te vervaardig. Terwyl die een fotosisteem (FSII) besig is om watermolekules op te breek en hulle te gebruik om ATP te vervaardig, absorbeer die ander fotosisteem (FSI) lig en gee elektrone af wat uiteindelik gebruik word om NADPH te vervaardig. Die ATP sowel as die NADPH-molekules word in die spasie buite die tilakoïed geberg vir toekomstige gebruik op die suikermonteerbaan.

Die nagskof

Miljarde tonne suiker word elke jaar deur middel van fotosintese vervaardig, en tog vervaardig die ligreaksies in fotosintese nie eintlik enige suiker nie. Al wat hulle vervaardig, is ATP (“batterye”) en NADPH (“afleweringswaens”). Hierna gebruik die ensieme in die stroma, of spasie buite die tilakoïede, die ATP en NADPH om suiker te maak. Trouens, die plant kan in algehele duisternis suiker maak! ’n Mens kan die chloroplas vergelyk met ’n fabriek met twee spanne (FSI en FSII) binne-in die tilakoïede wat batterye en afleweringswaens (ATP en NADPH) vervaardig wat deur ’n derde span (spesiale ensieme) buite in die stroma gebruik word. (Sien diagram 4.) Daardie derde span vervaardig suiker deur die toevoeging van waterstofatome en koolstofdioksiedmolekules in ’n presiese reeks chemiese reaksies deur ensieme in die stroma te gebruik. Al drie spanne kan gedurende die dag werk, en die suikerspan werk ook ’n nagskof, ten minste totdat die voorraad ATP en NADPH van die dagskof opgebruik is.

Jy kan die stroma vergelyk met ’n soort huweliksbemiddelingsburo vir selle, wat vol atome en molekules is wat met mekaar “getroud” moet wees, maar wat nooit self die moed bymekaar sal skraap nie. Sekere ensieme is soos uiters opdringerige klein huweliksbemiddelaars.a Hulle is proteïenmolekules met ’n spesiale vorm wat hulle in staat stel om presies die regte atome of molekules vas te gryp vir ’n bepaalde reaksie. Dit is egter nie genoeg vir hulle om toekomstige molekulêre huweliksmaats net aan mekaar voor te stel nie. Die ensieme sal nie tevrede wees totdat hulle die huwelik voltrek sien nie; daarom gryp hulle die toekomstige egpaar en bring die teësinnige maats in direkte kontak met mekaar, en voer sodoende ’n soort gedwonge biochemiese huwelik uit. Ná die seremonie laat die ensieme die nuwe molekule vry en herhaal die proses, oor en oor. In die stroma stuur die ensieme die gedeeltelik voltooide suikermolekules teen ’n ongelooflike spoed rond terwyl hulle dit rangskik, ATP gee vir energie, koolstofdioksied byvoeg, waterstof aanheg en, uiteindelik, ’n driekoolstofsuikermolekule wegstuur om êrens anders in die sel verder te verander in glukose en ’n menigte ander variasies.—Sien diagram 5.

Waarom is die gras groen?

Fotosintese is veel meer as net ’n basiese chemiese reaksie. Dit is ’n biochemiese simfonie wat verstommend ingewikkeld en subtiel is. Die boek Life Processes of Plants stel dit soos volg: “Fotosintese is ’n merkwaardige, uiters noukeurig beheerde proses wat gebruik word om die energie van die son se fotone te benut. Die komplekse samestelling van die plant en die ongelooflik ingewikkelde biochemiese en genetiese beheermiddels wat fotosintetiese bedrywighede beheer, kan beskou word as verfynings van die basiese proses om die foton vas te vang en die energie daarvan in chemiese vorm om te sit.”

Met ander woorde, as jy uitvind waarom die gras groen is, sal jy in verwondering staar na ontwerpkuns en tegnologie wat ver verhewe is bo enigiets wat die mens uitgevind het—selfregulerende, selfonderhoudende submikroskopiese “masjiene” wat duisende, of selfs miljoene, siklusse per sekonde voltooi (sonder dat dit raas, besoedel of onsierlik is) en sonlig in suiker verander. Vir ons is dit ’n vinnige blik op die verstand van ’n ontwerper en ingenieur sonder gelyke—ons Skepper, Jehovah God. Dink daaraan wanneer jy weer een van Jehovah se pragtige, lewensonderhoudende, volmaakte fabrieke bewonder of wanneer jy weer op daardie pragtige groen gras loop.

[Voetnoot]

[Foto-erkenning op bladsy 18]

Inlasfoto: Colorpix, Godo-Foto

[Prent op bladsy 19]

Hoe het fotosintese hierdie boom laat groei?

[Diagram op bladsy 20]

Diagram 1

[Diagram op bladsy 20]

Diagram 2

[Diagram op bladsy 21]

Diagram 3

[Diagram op bladsy 21]

Diagram 4

[Diagram op bladsy 22]

Diagram 5