Зашто је трава зелена — ближи поглед на фотосинтезу

„ЗАШТО је трава зелена?“ Можда сте ово питање поставили кад сте били дете. Да ли сте били задовољни одговором? Дечја питања, попут овог, могу бити врло дубинска. Она нас могу нагнати да дубље завиримо у свакодневне ствари које узимамо здраво за готово, и да откријемо скривена чуда за која никада нисмо претпостављали да постоје.

Да бисте разумели зашто је трава зелена, замислите нешто што можда изгледа као да нема никакве везе с травом. Покушајте да замислите савршену фабрику. Та савршена фабрика била би тиха док ради и привлачног изгледа, зар не? Уместо да загађује, савршена фабрика би самим својим радом у ствари побољшавала околину. Наравно, она би производила нешто корисно — стварно витално — за свакога. Таква фабрика би радила на соларну енергију, је л’ да? На тај начин, за њено покретање не би били потребни електрични водови нити испоруке угља или нафте.

Без сумње ова савршена соларна фабрика би користила соларне панеле који су далеко супериорнији од данашње људске технологије. Они би били веома ефикасни, не би били скупи и не би загађивали околину, ни док се праве ни док се користе. Иако би она употребљавала најнапреднију замисливу технологију, савршена фабрика би то чинила ненаметљиво, без неочекиваних кварова, прекида у раду или бескрајног усавршавања које најсавременија технологија данас изгледа захтева. Очекивали бисмо да је ова савршена фабрика потпуно аутоматизована, и да не захтева никакву пажњу од стране човека да би функционисала. Заиста она би се сама поправљала, сама одржавала, и чак сама умножавала.

Да ли је та савршена фабрика само научна фантастика? Пуки недостижни сан? Не, никако, јер ова савршена фабрика је стварна колико и трава под вашим стопалима. У ствари, она јесте та трава под вашим стопалима, заједно с папрати у вашој канцеларији и дрветом с друге стране прозора. Видите, свака зелена биљка јесте та савршена фабрика! Покретане сунчевом светлошћу, зелене биљке користе угљен-диоксид, воду и минерале да би, директно или индиректно, произвеле храну за скоро све живо на земљи. У овом процесу оне обнављају атмосферу, уклањајући угљен-диоксид а ослобађајући чист кисеоник.

Све заједно, зелене биљке на земљи произведу, како се процењује, од 150 до 400 милијарди тона шећера сваке године — што је далеко више материјала од заједничког учинка фабрика гвожђа, челика, аутомобила и авиона читавог човечанства. Оне то чине тако што уз помоћ сунчеве енергије узимају атоме водоника из молекула̂ воде и затим их прикључују молекулима угљен-диоксида из ваздуха, претварајући угљен-диоксид у угљени хидрат који познајемо као шећер. Овај изузетни процес назива се фотосинтеза. Своје нове молекуле шећера биљке могу затим користити као енергију, или их могу искомбиновати у скроб ради складиштења хране, или у целулозу, тај жилави, влакнасти материјал од којег је начињено влакно биљке. Размислите о томе! Док расте, огромно дрво секвоје које се над вама уздиже 90 метара, сачињено је углавном од ваздуха, од једног молекула угљен-диоксида којег следи молекул воде, у безбројним милионима микроскопских ’монтажних трака‘ званих хлоропласти. Али како?

Завиривање у „мотор“

Начинити секвоју од самог ваздуха (плус воде и неколико минерала) заиста је запањујуће, али то није магија. То је резултат интелигентног планирања и технологије која је далеко префињенија од било које коју човек поседује. Мало по мало, научници успевају да завире испод поклопца црне кутије фотосинтезе да би у чуду зурили у ту суперкомпликовану биохемију која се унутра одвија. Гвирнимо и ми с њима у тај „мотор“ који је одговоран за скоро сав живот на земљи. Можда ћемо почети да добијамо одговор на наше питање: ’Зашто је трава зелена?‘

Изневши наш поуздани микроскоп, испитајмо један типичан лист. Голом оку, читав лист изгледа зелен, али то је варка. Појединачне биљне ћелије које видимо под микроскопом на крају крајева уопште нису тако зелене. Уместо тога, углавном су провидне, али свака садржи можда 50 до 100 мајушних зелених тачкица. Ове тачкице су хлоропласти, у којима се налази зелени хлорофил осетљив на светло и у којима се одвија фотосинтеза. Шта се дешава унутар ових хлоропласта?

Хлоропласт је попут мајушне торбе с још мањим спљоштеним торбама званим тилакоиди у својој унутрашњости. Коначно, лоцирали смо оно зелено у трави. Зелени молекули хлорофила утиснути су у површину тилакоида, не произвољно, већ у брижљиво организованим скуповима званим фотосистеми. Постоје две врсте фотосистема у већини зелених биљака, познати као PSI (фотосистем I) и PSII (фотосистем II). Ови фотосистеми делују попут специјализованих производних тимова у фабрици, и сваки се стара о одређеним серијама корака у фотосинтези.

„Отпад“ који се не баца

Кад сунчева светлост падне на површину тилакоида, PSII низови молекула хлорофила, познати као комплекси за жетву светлости, чекају да је зграбе. Ови молекули су нарочито заинтересовани да апсорбују црвену светлост специфичне таласне дужине. На различитим местима на тилакоиду, PSI низови ишчекују светлост нешто веће таласне дужине. У међувремену, и хлорофил и неки други молекули, попут каротеноида, апсорбују плаву и љубичасту светлост.

Онда зашто је трава зелена? Од свих таласних дужина које падају на биљке, једино је зелена светлост за њих бескорисна, па је оне једноставно рефлектују у наше проматрачко око или камеру. Размислите о томе! Префињена зеленила пролећа, као и дубоко смарагдна зеленила лета, јесу резултат таласних дужина које биљкама не требају, а ми људи сматрамо драгоценим! За разлику од загађивања и отпада из човекових фабрика, овај светлосни „отпад“ сасвим сигурно није бачен док нетремице посматрамо предивну ливаду или шуму, што крепи наше душе пријатном бојом живота.

А тамо у хлоропласту, у PSII низу, енергија из црвеног дела сунчеве светлости преноси се на електроне у молекулима хлорофила, све док, коначно, један електрон не бива толико пун енергије, то јест толико „побуђен“, да потпуно искаче из низа, у руке молекула носача који чека у тилакоидној опни. Налик плесачу који прелази од једног партнера до другог, овај електрон бива преношен од једног молекула носача до другог, док постепено губи енергију. Када му енергија довољно опадне, он се безбедно може употребити да замени електрон у оном другом фотосистему, PSI. (Видите дијаграм 1.)

У међувремену, PSII низу недостаје један електрон, што га чини позитивно наелектрисаним и гладним за електроном који би заменио онај изгубљени. Слично човеку који је управо установио да му је џеп опељешен, подручје PSII знано као комплекс за еволуцију кисеоника је избезумљено. Где да нађе електрон? Аха! У близини дангуби један несрећни молекул воде. Сад ће га задесити гадно изненађење.

Цепање молекула воде

Молекул воде се састоји од једног релативно великог атома кисеоника и два мања атома водоника. Комплекс за еволуцију кисеоника PSII садржи четири јона метала мангана који одстрањују електроне из атома̂ водоника у молекулу воде. Резултат је да се молекул воде цепа на два позитивна водоникова јона (протона), један атом кисеоника и два електрона. Кад се више молекула воде рашчлани, атоми кисеоника образују парове као молекули гаса кисеоника који биљка враћа у ваздух за нашу употребу. Јони водоника почињу да се нагомилавају унутар тилакоидне „торбе“, где их биљка може употребити, а електрони служе да попуне залихе PSII комплекса, који је сада спреман да овај циклус понови много пута у секунди. (Видите дијаграм 2.)

Унутар тилакоидне кесице, нагужвани јони водоника започињу да трагају за излазом. У ову тилакоидну кесицу бивају додата не само два јона водоника сваки пут кад се расцепи молекул воде, већ електрони PSII, док прелазе у комплекс PSI, маме и друге јоне водоника. Врло брзо, јони водоника зује попут љутих пчела у пренасељеној кошници. Како могу изаћи?

Изгледа да је бриљантни Дизајнер фотосинтезе обезбедио једна обртна врата са само једним излазом, у облику специјалних ензима који се употребљавају да произведу веома важно ћелијско гориво звано ATP (аденозин трифосфат). Како јони водоника силом излазе кроз обртна врата, они обезбеђују енергију потребну да се поново напуне истрошени ATP молекули. (Видите дијаграм 3.) ATP молекули су попут минијатурних ћелијских батерија. Они обезбеђују мале налете енергије, баш ту на лицу места, за сваковрсне реакције у ћелији. Ови ATP молекули ће касније бити потребни, на шећерној монтажној траци фотосинтезе.

Осим ATP, још један мали молекул је виталан за образовање шећера. Зове се NADP (редуковани облик никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфата). NADP молекули су налик малим камионима за испоруку, од којих сваки носи по један атом водоника до ензима који чека, и којем атом водоника треба како би помогао у изградњи молекула шећера. Стварање NADP је посао PSI комплекса. Док је један фотосистем (PSII) заузет цепањем молекула воде и тиме да их користи за стварање ATP, онај други фотосистем (PSI) апсорбује светлост и избацује електроне који ће на крају бити употребљени за стварање NADP. И ATP и NADP молекули смештени су у простору изван тилакоида за каснију употребу на шећерној монтажној траци.

Ноћна смена

Фотосинтеза сваке године ствара милијарде тона шећера, а ипак те реакције у фотосинтези које покреће светлост у ствари уопште не производе никакав шећер. Оне само праве ATP („батерије“) и NADP („камионе за испоруку“). Од ове тачке, ензими у строми, то јест простору ван тилакоида, користе ATP и NADP за стварање шећера. У ствари, биљка може стварати шећер и у потпуном мраку! Хлоропласт бисте могли упоредити с фабриком у којој две смене (PSI и PSII) унутар тилакоида праве батерије и камионе за испоруку (ATP и NADP) које ће користити трећа смена (специјалних ензима), напољу у строми. (Видите дијаграм 4.) Ова трећа смена прави шећер тиме што додаје атоме водоника и молекуле угљен-диоксида по прецизном редоследу хемијских реакција, користећи ензиме у строми. Све три смене могу радити преко дана, а шећерна смена такође ради и ноћну смену, барем док се не искористе залихе ATP и NADP из дневне смене.

Строму можете замишљати као неку врсту ћелијске проводаџијске агенције, пуне атома и молекула који треба да се „венчају“ али се никада на то не би одлучили сами. Одређени ензими су попут врло навалентних малих проводаџија.a То су протеински молекули са специјалним облицима који им омогућавају да зграбе баш праве атоме или молекуле за неку специфичну реакцију. Међутим, они се не задовољавају само тиме да упознају будуће молекуларне брачне партнере. Ензими неће бити задовољни све док не виде да се свадба одиграва, и зато грабе будући пар, и доводе неодлучне супружнике у директан контакт, силом остварујући брак у некој врсти биохемијског венчања из морања. После церемоније, ензими ослобађају нови молекул и понављају овај процес стално изнова. У строми ензими невероватном брзином проносе делимично довршене молекуле шећера, реорганизујући их, дајући им енергију с ATP, додајући угљен-диоксид, прикључујући водоник, и на крају, шаљући шећер с три угљеника да негде другде у ћелији буде надаље преобликован у глукозу и у мноштво варијација. (Видите дијаграм 5.)

Зашто је трава зелена

Фотосинтеза је далеко више од основне хемијске реакције. Она је једна биохемијска симфонија запањујуће сложености и финоће. Књига Life Processes of Plants изражава то на следећи начин: „Фотосинтеза је изузетан, високорегулисан процес за коришћење енергије сунчевих фотона. Сложена грађа биљке и невероватно замршене биохемијске и генетске контроле, које регулишу фотосинтетичку активност, могу се посматрати као побољшања основног процеса хватања фотона и претварања његове енергије у хемијски облик.“

Другим речима, утврдити зашто је трава зелена јесте у чуду зурити у дизајн и технологију далеко супериорнију у односу на било шта што је човечанство измислило — субмикроскопске „машине“ које се саме регулишу, саме одржавају, и које функционишу у хиљадама, и чак милионима циклуса у секунди (без буке, загађивања или ружног изгледа), док претварају сунчеву светлост у шећер. За нас, то значи бацити летимичан поглед на делић ума дизајнера и инжењера пар екселанс — нашег Створитеља, Јехове Бога. Размислите о томе следећи пут кад се будете дивили једној од Јеховиних предивних савршених фабрика које подржавају живот или следећи пут кад једноставно будете ходали по тој љупкој зеленој трави.

[Фуснота]

[Извор на 18. страни]

Уметнута фотографија: Colorpix, Godo-Foto

[Слика на 19. страни]

Како је фотосинтеза учинила да ово дрво израсте?

[Дијаграм на 20. страни]

Дијаграм 1

[Дијаграм на 20. страни]

Дијаграм 2

[Дијаграм на 21. страни]

Дијаграм 3

[Дијаграм на 21. страни]

Дијаграм 4

[Дијаграм на 22. страни]

Дијаграм 5