Hvorfor gresset er grønt — et nærmere blikk på fotosyntesen

«HVORFOR er gresset grønt?» Kanskje du spurte om det da du var barn. Var du fornøyd med det svaret du fikk? Barn kan være nokså dypsindige når de stiller slike spørsmål som dette. De kan få oss til å se nærmere på dagligdagse ting som vi tar for gitt. Kanskje vi oppdager skjulte undere som vi aldri hadde trodd var der.

For å forstå hvorfor gresset er grønt, kan du prøve å forestille deg noe som kanskje tilsynelatende ikke har noe med gress å gjøre. Prøv å se for deg den perfekte fabrikk. Den perfekte fabrikk er pen å se på, og driften foregår stille, ikke sant? Istedenfor å forurense miljøet forbedrer den det ved selve driften. Den produserer naturligvis noe som er nyttig — til og med livsviktig — for alle. En slik fabrikk går på solenergi, er du ikke enig i det? Dermed er det ikke nødvendig med tilførsel av elektrisitet eller kull eller olje som skal forsyne den med kraft.

Den perfekte, soldrevne fabrikken bruker utvilsomt solcellepaneler som er langt bedre enn dem som dagens teknologi kan framskaffe. Produksjonen av dem er høyeffektiv og rimelig og uten forurensningsproblemer, og det samme kan man si om bruken av dem. Selv om den perfekte fabrikk benytter den mest avanserte teknologi som tenkes kan, gjør den det på en stillferdig måte, uten de uventede feilene, sammenbruddene eller endeløse finjusteringene som det ser ut til at spissteknologien er belastet med nå for tiden. Vi venter av den perfekte fabrikk at produksjonen er helautomatisk — at det ikke er nødvendig med mennesker til å stå for driften. Den reparerer seg selv, holder driften i gang på egen hånd og lager til og med nye, tilsvarende fabrikker.

Er den perfekte fabrikk ren og skjær science fiction? En uoppnåelig utopi? Nei, det er den ikke, for den er like virkelig som gresset på bakken. Den perfekte fabrikk er faktisk gresset på bakken, bregnen på kontoret ditt og treet utenfor vinduet ditt. Den perfekte fabrikk er nemlig en hvilken som helst grønn plante! Med sollys som drivstoff bruker de grønne plantene karbondioksid, vann og mineraler til å produsere mat, direkte eller indirekte, til nesten alt liv på jorden. Under denne prosessen fornyer de atmosfæren ved å fjerne karbondioksid og avgi rent oksygen.

Man anslår at jordens grønne planter i alt produserer mellom 150 og 400 milliarder tonn sukker hvert år — en mengde som langt overgår den samlede produksjonen fra verdens jern- og stålverk, bilfabrikker og romfartsindustri. Denne store produksjonen hos plantene foregår ved at de bruker solenergi til å fjerne hydrogenatomer fra vannmolekyler og deretter binder disse hydrogenatomene til karbondioksidmolekyler fra luften og på den måten omdanner karbondioksid til et karbohydrat som er kjent som sukker. Denne bemerkelsesverdige prosessen kalles fotosyntesen. Plantene kan så bruke sine nye sukkermolekyler til energi, eller de kan binde dem sammen til stivelse for lagring av næring eller binde dem sammen til cellulose, det seige, trevlete stoffet som utgjør plantefiber. Et svært sequoiatre som rager 90 meter opp i været, har stort sett vokst ved hjelp av luft, ett karbondioksidmolekyl og ett vannmolekyl om gangen, i utallige millioner av mikroskopiske legemer som kalles kloroplaster. Men hvordan foregår dette?

Et blikk på «maskineriet»

At det går an å få et sequoiatre til å vokse ved hjelp av luft (pluss vann og noen få mineraler), er virkelig forunderlig, men det er ikke noe magisk ved det. Det er en følge av en nøye uttenkt konstruksjon og teknologi som er langt mer avansert enn en hvilken som helst teknologi som mennesker har stått bak. Litt etter litt klarer forskerne å se hva som skjuler seg av superavanserte biokjemiske prosesser i fotosyntesen. La oss se litt nærmere på hva de har kommet fram til når det gjelder de mekanismene som er ansvarlige for nesten alt liv på jorden. Kanskje vi er i ferd med å få svar på vårt spørsmål: «Hvorfor er gresset grønt?»

La oss undersøke et typisk blad under et mikroskop. For det blotte øye virker hele bladet grønt, men det er en illusjon. De enkelte plantecellene vi ser under mikroskopet, er ikke så grønne allikevel. De er for det meste gjennomsiktige, men hver av dem inneholder kanskje 50—100 ørsmå grønne flekker. Disse flekkene er kloroplastene, hvor det lysømfintlige, grønne klorofyllet er, og hvor fotosyntesen foregår. Hva er det som skjer inni kloroplastene?

Kloroplasten er som en ørliten pose med enda mindre flate poser inni, som kalles thylakoider. Endelig har vi lokalisert det grønne i gresset. De grønne klorofyllmolekylene i thylakoidmembranene sitter ikke vilkårlig her og der, men er samlet i nøye organiserte grupper som kalles fotosystemer. Det er to forskjellige fotosystemer i de fleste grønne planter. De kalles FS1 (fotosystem 1) og FS2 (fotosystem 2). Fotosystemene fungerer som spesialiserte produksjonsteam på en fabrikk; hvert av dem tar seg av bestemte trinn i fotosyntesen.

«Avfall» som ikke går til spille

Når sollyset treffer overflaten til thylakoidet, venter samlinger av klorofyllmolekyler i FS2, lyshøstingskomplekser, på å fange opp lyset. Disse molekylene er særlig interessert i å absorbere rødt lys fra et bestemt bølgelengdeområde. Andre steder på thylakoidet er FS1 på utkikk etter rødt lys som har en noe lengre bølgelengde. Samtidig absorberer både klorofyll og noen andre molekyler (karotenoider) blått og fiolett lys.

Hvorfor er så gresset grønt? Av alle de bølgelengdene som treffer plantene, er det bare grønt lys som er unyttig for dem, så det blir rett og slett reflektert bort til våre ventende øyne og kameraer. Tenk på det! De herlige grønnfargene vi ser om våren, og de dype, smaragdgrønne nyansene som hører sommeren til, er et resultat av de bølgelengdene som plantene ikke bryr seg om, men som vi mennesker setter så stor pris på! I motsetning til forurensningen og avfallsstoffene fra menneskenes fabrikker er dette «avfallslyset» noe som ikke går til spille, for synet av en vakker eng eller skog virker oppkvikkende på oss, og vi fryder oss over den behagelige fargen som er knyttet til livet.

Men tilbake til kloroplasten. I FS2 er energien fra den røde delen av sollyset blitt overført til elektroner i klorofyllmolekylene, inntil et elektron er blitt såpass eksitert (tilført energi) at det hopper inn i armene på et ventende bærermolekyl i thylakoidmembranen. I likhet med en danser som går fra den ene dansepartneren til den andre, går elektronet fra det ene bærermolekylet til det andre etter hvert som det mister energi. Når energien er lav nok, kan det trygt brukes til å erstatte et elektron i det andre fotosystemet, FS1. — Se figur 1.

I mellomtiden har et bestemt klorofyllmolekyl i FS2 mistet et elektron, og derfor er det positivt ladd og klart til å ta imot et elektron som kan erstatte det som er tapt. I likhet med en mann som nettopp har oppdaget at han er blitt ranet, er det området i FS2 som skiller ut oksygen, helt febrilsk. Hvor kan det finne et elektron? Aha! Et uheldig vannmolekyl i nærheten skal få seg en ubehagelig overraskelse.

Vannmolekyler som rives i stykker

Et vannmolekyl består av et forholdsvis stort oksygenatom og to mindre hydrogenatomer. Det kompleks i FS2 som skiller ut oksygen, inneholder fire ioner av metallet mangan som fjerner elektronene fra hydrogenatomene i vannmolekylet. Resultatet blir at vannmolekylet blir brutt ned til to positive hydrogenioner (protoner), ett oksygenatom og to elektroner. Etter hvert som flere vannmolekyler blir spaltet, grupperer oksygenatomene seg to og to som oksygengassmolekyler, og planten avgir dette oksygenet til luften til bruk for oss. Hydrogenionene begynner å hope seg opp inni thylakoidsekken, hvor de kan bli nyttiggjort, og elektronene blir brukt til å erstatte tapte elektroner i FS2, som nå er parat til å gjenta syklusen mange ganger i sekundet. — Se figur 2.

Inni thylakoidsekken begynner de tettpakkede hydrogenionene å se etter en vei ut. Ikke nok med at det blir to nye hydrogenioner hver gang et vannmolekyl blir spaltet, men andre hydrogenioner blir også lokket inn i thylakoidsekken av elektroner i FS2 når disse blir overført til FS1. Snart svirrer hydrogenionene omkring som sinte bier i en overfylt bikube. Hvordan kan de komme seg ut?

Det viser seg at den fremragende Konstruktøren av fotosyntesen har sørget for at det er en svingdør med bare én vei ut, i form av et spesielt enzym som blir brukt til å danne et meget viktig celledrivstoff som kalles ATP (adenosintrifosfat). Når hydrogenionene presser seg ut av svingdøren, skaffer de til veie den energi som trengs for at brukte ATP-molekyler skal bli ladet opp igjen. (Se figur 3.) ATP-molekylene er som ørsmå cellebatterier. De gir energi i små impulser, der inni cellen, til alle slags reaksjoner i cellen. Senere vil det bli bruk for disse ATP-molekylene i syntesen av sukker.

I tillegg til ATP er det et annet lite molekyl som er helt nødvendig for sukkersyntesen. Det heter NADPH (redusert nikotinamid-adenin-dinukleotid-fosfat). NADPH-molekyler fungerer som små distribusjonsbiler som hver har med seg et hydrogenatom til et ventende enzym som trenger hydrogenatomet for å kunne hjelpe til med å bygge et sukkermolekyl. FS1 har som oppgave å danne NADPH. Mens det ene fotosystemet (FS2) er travelt opptatt med å rive i stykker vannmolekyler og bruke dem for å danne ATP, absorberer det andre fotosystemet (FS1) lys og skyter ut elektroner som til slutt blir brukt til å danne NADPH. Både ATP- og NADPH-molekyler blir lagret på utsiden av thylakoidet for å være med ved syntesen av sukker.

Nattskiftet

Fotosyntesen produserer milliarder av tonn sukker hvert år, men de lysavhengige reaksjonene i fotosyntesen produserer egentlig ikke noe sukker. Det de produserer, er ATP («batterier») og NADPH («distribusjonsbiler»). Enzymene i stroma, utenfor thylakoidene, bruker fra dette punkt ATP og NADPH for å lage sukker. Planten kan faktisk lage sukker i fullstendig mørke! Vi kan sammenligne kloroplasten med en fabrikk hvor det er to skift (FS1 og FS2) inni thylakoidene som lager batterier og distribusjonsbiler (ATP og NADPH) som skal brukes av et tredje skift (spesielle enzymer) ute i stroma. (Se figur 4.) Dette tredje skiftet lager sukker ved å føye til hydrogenatomer og karbondioksidmolekyler i en nøyaktig rekke av kjemiske reaksjoner som bruker enzymene i stroma. Alle de tre skiftene kan arbeide om dagen, og det skiftet som lager sukker, arbeider om natten i tillegg, i hvert fall til forsyningen av ATP og NADPH fra dagskiftet er brukt opp.

Vi kan tenke oss stroma som et slags ekteskapsbyrå — den er full av atomer og molekyler som trenger å bli «gift» med hverandre, men som aldri vil klare å bli det på egen hånd. Visse enzymer er som ivrige små utgaver av Kirsten Giftekniv.a De er proteinmolekyler med en spesiell form som gjør at de kan gripe fatt i akkurat de rette atomene eller molekylene for at det skal finne sted en bestemt reaksjon. Men de nøyer seg ikke med bare å presentere vordende molekylære ektefeller for hverandre. Enzymene er ikke fornøyd før de ser ekteskapet bli inngått, så de griper det vordende paret og bringer de nølende partene i direkte kontakt med hverandre og tvinger dem inn i et biokjemisk hastverksekteskap. Etter «vielsen» slipper enzymene det nye molekylet og gjentar prosessen om og om igjen. I stroma blir ufullstendige sukkermolekyler ført rundt av enzymene i en utrolig fart. Enzymene omdanner dem, gir dem energi med ATP, tilfører karbondioksid, binder dem til hydrogen og sender til slutt av gårde en sukkerart med tre karbonatomer som et annet sted i cellen vil bli brukt til å danne mer komplekse sukkerarter og andre stoffer. — Se figur 5.

Hvorfor er gresset grønt?

Fotosyntesen er langt mer enn bare en fundamental kjemisk reaksjon. Den er en biokjemisk symfoni av forbløffende kompleksitet og uutgrunnelighet. Boken Life Processes of Plants uttrykker det på denne måten: «Fotosyntesen er en bemerkelsesverdig, høyt regulert prosess for utnytting av energien fra solens fotoner. Plantenes kompliserte oppbygning og de utrolig innviklede biokjemiske og genetiske styringsmekanismene som regulerer den fotosyntetiske aktiviteten, kan betraktes som noe høyst avansert i den grunnleggende prosessen som består i å fange opp fotonet og omdanne dets energi til kjemisk energi.»

For å finne ut hvorfor gresset er grønt, må vi med andre ord studere en forbløffende formgivning og teknologi som langt overgår noe av det som menneskene noen gang har klart å skape — selvregulerende, selvdrevne, submikroskopiske «maskiner» som arbeider i et tempo av tusener, ja millioner av sykluser hvert sekund (uten støy, forurensning eller skjemming av landskapet) ved å gjøre sollys om til sukker. Dette gir oss en liten anelse om evnene til en uforlignelig konstruktør og ingeniør — vår Skaper, Jehova Gud. Tenk på dette neste gang du beundrer en av Jehovas vakre, livsoppholdende «perfekte fabrikker», eller neste gang du rett og slett går på det herlige, grønne gresset.

[Fotnote]

[Bilderettigheter på side 18]

Innfelt: Colorpix, Godo-Foto

[Bilde på side 19]

Hvordan har fotosyntesen fått dette treet til å vokse?

[Illustrasjon på side 20]

Figur 1

[Illustrasjon på side 20]

Figur 2

[Illustrasjon på side 21]

Figur 3

[Illustrasjon på side 21]

Figur 4

[Illustrasjon på side 22]

Figur 5