Amiért a fű zöld — A fotoszintézis beható vizsgálata

„MIÉRT zöld a fű?” Talán te is feltetted ezt a kérdést gyermekkorodban. Megelégedtél a válasszal? A gyermekek ehhez hasonló kérdései nagyon mélyrehatóak lehetnek. Arra indíthatnak bennünket, hogy alaposabban vizsgáljunk meg olyan hétköznapi dolgokat, amelyeket természetesnek veszünk, és azok olyan rejtett csodákat tárnak fel, amelyekről sohasem gyanítottuk, hogy ott vannak.

Annak megértéséhez, hogy miért zöld a fű, képzelj el valamit, aminek látszólag talán semmi köze a fűhöz. Próbáld meg elképzelni a tökéletes gyárat. Ugye, hogy a tökéletes gyár csendesen működne, és megnyerő kinézetű lenne? A tökéletes gyár nem lenne szennyező, hanem igazából éppen hogy jobbá tenné a környezetet a működésével. És persze valami hasznosat, valami igazán létfontosságú dolgot hozna létre mindenki számára. Egy ilyen gyár napenergiával működne, nem gondolod? Így a működéséhez nem lenne szüksége elektromos összeköttetésre vagy szén-, illetve olajszállításra.

Nem kétséges, hogy a napenergiával működő, tökéletes gyár olyan napelemeket használna, amelyek messze felülmúlják az ember jelenlegi technikáját. Ami a gyártásukat és a használatukat illeti, rendkívül hatékonyak és olcsók lennének, nem szennyeznék a környezetet. Bár a tökéletes gyár a legfejlettebb technikát alkalmazná, amit csak el tudunk képzelni, ezt szerényen, váratlan működési és műszaki hibák vagy végtelen finombeállítások nélkül tenné, melyekre úgy látszik, hogy a csúcstechnológiának szüksége van napjainkban. Azt várnánk a tökéletes gyártól, hogy teljesen automata legyen, és a működésére ne kelljen odafigyelnie az embernek. Igazából önjavító, önfenntartó, sőt önsokszorosító lenne.

Vajon a tökéletes gyár csak sci-fi? Egyszerűen egy elérhetetlen vágyálom? Egyáltalán nem, mivel a tökéletes gyár éppolyan valóságos, mint a fű a lábad alatt. Jobban mondva a tökéletes gyár maga a fű a lábad alatt, valamint a páfrány az irodádban, és kint a fa az ablakod előtt. Tulajdonképpen minden zöld növény tökéletes gyár! A napfénnyel „üzemeltetett” zöld növények szén-dioxid, víz és ásványi anyagok felhasználásával közvetlen vagy közvetett módon a föld szinte minden élőlénye számára táplálékot állítanak elő. Ennek során újra feltöltik a légkört, szén-dioxidot távolítanak el abból, és tiszta oxigént szabadítanak fel.

A földön lévő zöld növények a becslések szerint összesen 150-400 milliárd tonna cukrot állítanak elő évente — amely jóval több anyag, mint az emberiség összes vas-, acél-, autó- és repülőgép- illetve űrhajógyárának a termelési eredménye együttvéve. Ezt úgy csinálják, hogy napenergia felhasználásával eltávolítják a hidrogénatomokat a vízmolekulákból, majd pedig ezeket a hidrogénatomokat a levegőből származó szén-dioxid-molekulákhoz kapcsolják, mellyel a szén-dioxidot a cukorként ismert szénhidráttá változtatják. Ezt a rendkívüli folyamatot nevezik fotoszintézisnek. Ezután a növények újdonsült cukormolekuláikat energiának használhatják, vagy összekapcsolhatják őket, hogy tápláléktároló keményítőt vagy cellulózt készítsenek belőlük, mely a növényi rostokat alkotó kemény, rostos anyag. Gondolj csak bele! A 90 méter magasan föléd emelkedő mamutfenyő jobbára csak puszta levegőből, meg egymás után egy szén-dioxid- és egy vízmolekulából készült, sok-sok millió mikroszkopikus „futószalagon” keresztül, melyeket kloroplasztiszoknak neveznek. De hogyan történik ez?

Vessünk egy pillantást a „működési folyamatára”

Igazán bámulatba ejtő létrehozni a mamutfenyőt a puszta levegőből (meg vízből és néhány ásványi anyagból), de mégsem varázslat. Intelligens tervezés és technika eredménye, melyek jóval kifinomultabbak, mint amilyenek ma az ember birtokában vannak. A tudósok lassanként lehúzzák a leplet a fotoszintézis fekete dobozáról, hogy csodálattal bámulják a benne lejátszódó rendkívül bonyolult biokémiát. Mi is lessünk bele velük együtt a „működési folyamatba”, amely szinte az összes földi élőlényért felelős. Talán idővel majd megkapjuk a választ arra a kérdésünkre, hogy: „Miért zöld a fű?”

Vegyük elő megbízható mikroszkópunkat, és vizsgáljunk meg egy jellegzetes levelet. Puszta szemmel az egész levél zöldnek látszik, ez azonban tévedés. Az egyes növényi sejtek, amelyeket a mikroszkóp alatt látunk, végül is nem is annyira zöldek. Jórészt inkább átlátszóak, de mindegyik talán 50-100 apró, zöld pontot tartalmaz. Ezek a pontok a kloroplasztiszok, melyekben a fényérzékeny zöld klorofill található, és ahol a fotoszintézis lejátszódik. Mi megy végbe a kloroplasztiszok belsejében?

A kloroplasztisz olyan, mint egy kis batyu, amelyben még kisebb, lapos batyuk vannak, melyeket tilakoidoknak neveznek. Végre megtaláltuk a zöldet a fűben. A zöld klorofillmolekulák beágyazódnak a tilakoidok felszínébe, de nem csak úgy véletlenszerűen, hanem gondosan megszervezett futószalagokon, melyeket fotoszisztémáknak hívnak. A legtöbb zöld növényben kétfajta fotoszisztéma van, melyek PS I (I. fotoszisztéma) és PS II (II. fotoszisztéma) néven ismertek. A fotoszisztémák úgy viselkednek, mint a gyárakban a szakosodott munkásbrigádok: mindegyik a fotoszintézis egy bizonyos lépéssorozatára ügyel.

„Selejt”, ami nem megy kárba

Ahogy a napfény érinti a tilakoid felszínét, a PS II soraiban lévő klorofillmolekulák, melyeket fénygyűjtő komplexeknek hívnak, már várják, hogy elcsíphessék azt. Ezek a molekulák különösen egy bizonyos hullámhosszúságú vörös fény elnyelése iránt érdeklődnek. A tilakoid különböző helyein a PS I sorai valamivel nagyobb hullámhosszúságú fényre várnak. Időközben mind a klorofill, mind néhány más molekula, például a karotinoid, a kék és az ibolya fényt nyeli el.

Tehát miért is zöld a fű? A növényekre eső összes hullámhossz közül egyedül a zöld fény az, amelyik használhatatlan a számukra, ezért ezt egyszerűen visszaverik a mi várakozó tekintetünknek és fényképezőgépünknek. Gondolj csak bele! A tavasz pompás zöld színei, csakúgy, mint a nyár mély smaragdzöldjei, azokból a hullámhosszokból származnak, amelyeket a növények nem méltányolnak, mi emberek viszont nagyra értékelünk! Az emberek gyárainak szennyező és selejtes anyagaival ellentétben ez a „selejt” fény biztosan nem megy kárba, amikor bámulunk egy csodálatos rétet vagy erdőt, s felfrissül a lelkünk az élet kellemes színétől.

Visszatérve a kloroplasztiszhoz, a PS II soraiban a napfény vörös részéből származó energia áthelyeződik a klorofillmolekulákban található elektronokra, míg egy elektron végül annyira gerjesztett, vagyis „izgatott” állapotba nem kerül, hogy teljesen kiugrik a sorból, egyenesen a tilakoid membránjában várakozó szállítómolekula karjaiba. Az elektron egyik szállítómolekulától a másikig továbbítódik, mint amikor egy táncos egyik partnertől a másikhoz kerül, míg fokozatosan elveszti energiáját. Amikor elég alacsony az energiája, biztonságosan felhasználható arra, hogy a másik fotoszisztémában, a PS I-ben pótoljon egy elektront. (Lásd az 1. ábrát.)

Időközben a PS II sorából hiányzik egy elektron, amitől pozitív töltésű lesz, és megéhezik egy elektronra, hogy pótolja azt, amelyiket elveszítette. Mint egy ember, amikor éppen észreveszi, hogy kiloptak valamit a zsebéből, a PS II területe, melyet oxigénfejlesztő komplexnek neveznek, őrjöng. Hol talál egy elektront? Aha! A közelben ténfereg egy szerencsétlen vízmolekula. Kellemetlen meglepetés fogja érni.

A vízmolekulák széthasítása

A vízmolekula egy viszonylag nagy oxigénatomból és két kisebb hidrogénatomból áll. A PS II oxigénfejlesztő komplexe a mangán nevű fém négy ionját tartalmazza, amely a vízmolekulában lévő hidrogénatomokból eltávolítja az elektronokat. Ennek az lesz az eredménye, hogy a vízmolekula két pozitív töltésű hidrogénionra (protonra), egy oxigénatomra és két elektronra bomlik. Ahogy egyre több vízmolekula darabolódik fel, az oxigénatomok az oxigéngáz molekuláiként párba rendeződnek, s ezeket a növények visszajuttatják a levegőbe, hogy mi felhasználhassuk. A hidrogénionok kezdenek felhalmozódni a „tilakoidbatyu” belsejében, ahol a növény fel tudja őket használni, az elektronokat pedig arra használja a növény, hogy újra ellássa velük a PS II-komplexet, mely ekkor már kész másodpercenként többször is megismételni a körfolyamatot. (Lásd a 2. ábrát.)

A tilakoidzsákban az összezsúfolódott hidrogénionok kivezető út után kezdenek kutatni. Nemcsak két hidrogénionnal lesz több minden egyes alkalommal, amikor egy vízmolekula felbomlik, hanem a PS II elektronjai más hidrogénionokat is a tilakoidzsákba csalogatnak, amint a PS I-komplexbe továbbítódnak. A hidrogénionok meglehetősen hamar úgy dongnak-zsongnak, mint egy túlzsúfolt méhkasban a mérges méhek. Hogyan juthatnak ki?

Kiderül, hogy a fotoszintézis brilliáns Megformálója egy különleges enzim formájában gondoskodott egy forgóajtóról, amely az egyetlen kifelé vezető út, és ez az enzim a sejt nagyon fontos üzemanyagát, az ATP-t (adenozin-trifoszfátot) hozza létre. Amint a hidrogénionok átküzdik magukat a forgóajtón, energiát termelnek, amely éppen szükséges az elhasznált ATP-molekulák feltöltéséhez. (Lásd a 3. ábrát.) Az ATP-molekulák olyanok, mintha a sejt apró elemei lennének. Rögtön a helyszínen egy kevés kirobbanó energiát szolgáltatnak a sejtben lezajló mindenféle reakciókhoz. Ezekre az ATP-molekulákra később még szükség lesz a fotoszintézis cukorkészítő futószalagján.

Az ATP mellett egy másik kis molekula is létfontosságú a cukorkészítő futószalagon. Ezt NADPH-nak (a nikotinsavamid-adenin-dinukleotid-foszfát redukált formájának) hívják. A NADPH-molekulák olyanok, mintha apró szállítókocsik lennének, melyek mindegyike egy hidrogénatomot szállít egy várakozó enzimhez, melynek azért van szüksége a hidrogénatomra, hogy a segítségével cukormolekulákat építsen fel. A NADPH létrehozása a PS I-komplex feladata. Míg az egyik fotoszisztéma (a PS II) serényen széthasítja a vízmolekulákat, és arra használja fel őket, hogy ATP-t hozzon létre, addig a másik fotoszisztéma (a PS I) elnyeli a fényt, és elektronokat bocsát ki, amelyek végül a NADPH előállításánál kerülnek felhasználásra. Az ATP- és a NADPH-molekulákat a tilakoidon kívül raktározzák, hogy később a cukorkészítő futószalagon felhasználják.

Éjjeli műszak

A fotoszintézis által évente több milliárd tonna cukor készül, pedig a fotoszintézis során a fénnyel működő reakciók tulajdonképpen semennyi cukrot sem készítenek. Ők mindössze ATP-t („elemeket”) és NADPH–t („szállítókocsikat”) állítanak elő. Ettől kezdve a sztrómában — vagyis a tilakoidokon kívül — lévő enzimek használják fel az ATP-t és a NADPH-t a cukorkészítéshez. Sőt a növény még teljes sötétségben is képes cukrot készíteni! A kloroplasztiszt egy olyan gyárhoz lehetne hasonlítani, ahol a tilakoidokban két csapat (a PS I és II) elemeket és szállítókocsikat (ATP-t és NADPH-t) állít elő azért, hogy azokat egy harmadik csapat (különleges enzimek) a sztrómában felhasználhassa. (Lásd a 4. ábrát.) Ez a harmadik csapat készíti a cukrot, úgy, hogy a kémiai reakciók pontos sorrendjében hidrogénatomokat és szén-dioxid-molekulákat ad, amihez felhasználja a sztrómában lévő enzimeket. Mind a három csapat nappal dolgozhat, a cukorkészítő csapat pedig még éjjeli műszakban is, legalábbis addig, amíg el nem használja a nappali műszakból származó ATP- és NADPH-készletet.

Úgy képzelhetnéd el a sztrómát, mint a sejt egyfajta házasságközvetítő irodáját, amely tele van atomokkal és molekulákkal, amelyeket össze kell „házasítani” egymással, mert maguktól sohasem kapcsolódnának össze. Bizonyos enzimek olyanok, mint a nagyon rámenős kis házasságközvetítők.a Ezek különleges formájú fehérjemolekulák, ami lehetővé teszi számukra, hogy egy bizonyos reakcióhoz megmarkolják az éppen megfelelő atomot vagy molekulát. De nem elégednek meg azzal, hogy csak bemutassák egymásnak a jövendőbeli molekula-házastársakat. Az enzimek addig nem nyugszanak, amíg nem látják a házasság megkötését, ezért megragadják a jövőbeni párt, és a vonakodó házastársakat közvetlen kapcsolatba hozzák egymással, kierőszakolva a frigyet, mint valami biokémiai kényszerházasságot. A szertartás után az enzimek elengedik az új molekulát, és újra meg újra megismétlik az eljárást. A sztrómában az enzimek hihetetlen sebességgel körbeadogatják a majdnem kész cukormolekulákat, újra elrendezik őket, feltöltik őket az ATP energiájával, hozzáadják a szén-dioxidot, összekapcsolják a hidrogénnel, és végül elküldik a három szénatomos cukrot, hogy a sejt más részén tovább módosuljon glukózzá, valamint sok-sok másfajta anyaggá. (Lásd az 5. ábrát.)

Miért zöld a fű?

A fotoszintézis jóval több, mint csupán alapvető kémiai reakció. Ez az elképesztő összetettség és bonyolultság biokémiai harmóniája. A Life Processes of Plants című könyv ezt így fejezi ki: „A fotoszintézis figyelemre méltó és rendkívül szabályozott folyamat a nap fotonjai energiájának a hasznosítására. A növény összetett szerkezetét, valamint a fotoszintetizáló tevékenységet szabályozó, hihetetlenül komplikált biokémiai és genetikai vezérléseket úgy is tekinthetjük, mint ami tökéletesítése annak az alapfolyamatnak, hogy a foton csapdába esik, és az energiája kémiai formává alakul.”

Más szóval, ahogy kiderítjük, miért zöld a fű, csodálattal bámuljuk a tervezést és a technikát, amely jóval meghalad mindent, amit az ember kigondolt — önszabályozó, önfenntartó, szubmikroszkopikus „gépezet”, melynek működése másodpercenként több ezer, sőt több millió körfolyamatból áll (zaj, szennyezés vagy csúfság nélkül), miközben a napfényt cukorrá alakítja. Számunkra ez azt jelenti, hogy futó képet kapunk egy megformáló és mérnöki kiválóság — Teremtőnk, Jehova Isten elméjéről. Gondolj erre legközelebb, amikor megcsodálod Jehova egyik gyönyörű, létfenntartó, tökéletes gyárát, vagy amikor legközelebb sétálsz azon a szép, zöld füvön.

[Lábjegyzet]

[Kép forrásának jelzése a 18. oldalon]

Belső kép: Colorpix, Godo-Foto

[Kép a 19. oldalon]

Hogyan idézte elő a fotoszintézis ennek a fának a növekedését?

[Kép a 20. oldalon]

1. ábra

[Kép a 20. oldalon]

2. ábra

[Kép a 21. oldalon]

3. ábra

[Kép a 21. oldalon]

4. ábra

[Kép a 22. oldalon]

5. ábra