Varför gräset är grönt — En närmare granskning av fotosyntesen

”VARFÖR är gräset grönt?” Som barn kanske du ställde den frågan. Var du nöjd med det svar du fick? Barns frågor, sådana som den här, kan vara mycket djupsinniga. De kan få oss att närmare undersöka vardagliga ting, som vi tar för självklara, och uppenbara dolda under, vars existens vi aldrig hade haft en aning om.

För att förstå varför gräset är grönt kan du tänka på något som inte verkar ha något med gräs att göra. Försök föreställa dig den perfekta fabriken. Den perfekta fabriken skulle vara tyst när den är i drift och tilltalande att se på, eller hur? I stället för att förorena skulle den perfekta fabriken i själva verket förbättra miljön genom att den är i drift. Den skulle naturligtvis producera något användbart — verkligt livsnödvändigt — för alla. En sådan fabrik skulle drivas med solenergi, tycker du inte det? På så sätt skulle det inte behövas någon elektrisk anslutning eller leveranser av kol eller olja för att driva den.

Den perfekta soldrivna fabriken skulle med all sannolikhet använda solceller som är vida överlägsna den teknik som människor använder i dag. Dessa solceller skulle vara högeffektiva, billiga och inte miljöförstörande, och det gäller både tillverkning och användning. Även om den perfekta fabriken skulle använda den mest avancerade teknik man kan tänka sig, skulle den göra det diskret utan de oförutsedda tekniska fel, stopp eller oändliga finjusteringar som den senaste moderna tekniken tycks kräva nu för tiden. Vi skulle förvänta att den perfekta fabriken var helautomatiserad, utan behov av någon mänsklig tillsyn för att fungera. Den skulle faktiskt vara självreparerande, självförsörjande och till och med självduplicerande.

Är den perfekta fabriken bara science fiction? Bara en ouppnåelig önskedröm? Visst inte! För den perfekta fabriken är lika verklig som gräset under dina fötter. Den är i själva verket gräset under dina fötter, tillsammans med ormbunkarna på kontoret och träden utanför fönstret. Du förstår, den perfekta fabriken är varje grön växt! Gröna växter får energi från solljuset och använder koldioxid, vatten och mineralämnen för att producera föda, direkt eller indirekt, för nästan alla livsformer på jorden. Under tiden kompletterar den atmosfären genom att ta bort koldioxid och avge rent syre.

Tillsammans producerar jordens gröna växter uppskattningsvis 150–400 miljarder ton socker varje år — mycket mer material än vad mänsklighetens alla järn- och stålindustrier och bil- och flygplansfabriker producerar. De gröna växterna gör detta genom att använda energi från solen för att avlägsna väteatomer från vattenmolekyler och därefter fästa dessa väteatomer vid koldioxidmolekyler från luften. Genom denna process omvandlas koldioxid till en kolhydrat känd som socker. Denna märkliga process kallas fotosyntes. Växterna kan använda de nya sockermolekylerna som energikälla eller sammanföra dem till stärkelse som näringsförråd eller till cellulosa, det starka, trådiga material som växtfibrer består av. Tänk på följande! Det enorma sequoiaträdet som reser sig till en höjd av 90 meter har till större delen framställts av luft — en koldioxidmolekyl och en vattenmolekyl åt gången — i oräkneliga miljoner mikroskopiska ”löpande band” som kallas kloroplaster. Men hur går detta till?

Vi tar en titt på ”motorn”

Att göra ett sequoiaträd av bara luft (plus vatten och några mineralämnen) är verkligen fantastiskt, men det är inte magi. Det är resultatet av intelligent formgivning och teknik som är långt sinnrikare än någonting som människan behärskar. Steg för steg upptäcker forskare fotosyntesens komplicerade mekanismer och tittar förundrade på de enormt sinnrika biokemiska processer som äger rum. Låt oss tillsammans med forskarna i detalj granska ”motorn” som är ansvarig för nästan allt liv på jorden. Kanske skall vi börja få ett svar på frågan: ”Varför är gräset grönt?”

Vi plockar fram vårt pålitliga mikroskop och undersöker ett löv. För blotta ögat verkar hela lövet vara grönt, men det är en illusion. De enskilda växtceller som vi ser i mikroskopet är inte så gröna när allt kommer omkring. De är mest genomskinliga, men var och en av dem innehåller kanske 50 till 100 små gröna prickar. Dessa prickar är kloroplasterna, där det ljuskänsliga gröna klorofyllet finns och där fotosyntesen äger rum. Vad är det som sker inuti kloroplasterna?

Kloroplasten är som en mycket liten påse med ännu mindre tillplattade påsar kallade tylakoider inuti. Till slut har vi funnit det gröna i gräset. Gröna klorofyllmolekyler är inneslutna i tylakoidernas ytskikt, inte slumpvis, utan i noggrant organiserade grupper, så kallade fotosystem. I de flesta gröna växter finns det två typer av fotosystem, kända som fotosystem I och fotosystem II. Fotosystemen fungerar som specialiserade produktionsteam i en fabrik, där de var för sig tar hand om en särskild serie steg i fotosyntesen.

”Spill” som inte går till spillo

När solljuset träffar ytan på tylakoiden, finns det fotosystem II-grupper av klorofyllmolekyler, benämnda ljusfångande proteinkomplex, vilka väntar på att fånga in ljuset. Dessa molekyler är särskilt intresserade av att absorbera rött ljus av en speciell våglängd. På andra platser på tylakoiden finns fotosystem I-grupper som är på jakt efter ljus av något längre våglängd. Under tiden absorberar både klorofyllet och en del andra molekyler, till exempel karotenoider, blått och violett ljus.

Varför är då gräset grönt? Av det ljus i olika våglängder som faller på växterna är det bara grönt ljus som är oanvändbart för dem, och därför reflekteras det helt enkelt till våra granskande ögon eller kameror. Tänk dig det! Den skira grönskan på våren och den djupa, smaragdgröna grönskan på sommaren beror på de våglängder som växterna inte behöver men som vi människor uppskattar! Till skillnad från föroreningen och spillet från människans fabriker går detta ”spilljus” verkligen inte till spillo, när vi blickar ut över en vacker äng eller skog vars behagliga gröna färg är uppiggande för vår själ.

Om vi återvänder till fotosystem II-gruppen i kloroplasten, så har energin från den röda delen av solljuset överförts till elektroner i klorofyllmolekylerna tills, slutligen, en elektron blir så stimulerad, eller ”exciterad”, att den hoppar ut från gruppen i armarna på en väntande bärarmolekyl i tylakoidmembranet. Likt en dansare, som förs från en partner till en annan, förs elektronen från en bärarmolekyl till en annan, medan den gradvis förlorar energi. När dess energi är tillräckligt låg, kan den på ett säkert sätt ersätta en elektron i det andra fotosystemet, fotosystem I. — Se bild 1.

Under tiden förlorar fotosystem II-gruppen en elektron, vilket gör den positivt laddad och hungrig på en elektron för att ersätta den förlorade. Likt en man som precis har upptäckt att han blivit rånad är området inom fotosystem II, som kallas det syreavgivande komplexet, alldeles ifrån sig. Var kan man få tag på en elektron? Aha! En stackars vattenmolekyl driver omkring i närheten. Den skall få en obehaglig överraskning.

Vattenmolekyler slits isär

En vattenmolekyl består av en relativt stor syreatom och två mindre väteatomer. Det syreavgivande komplexet i fotosystem II innehåller fyra joner av metallen mangan som tar bort elektronerna från väteatomerna i vattenmolekylen. Det leder till att vattenmolekylen delas upp i två positiva vätejoner (protoner), en syreatom och två elektroner. Efter hand som fler vattenmolekyler slits isär, sluter syreatomerna sig samman två och två och bildar syrgasmolekyler, vilka växten frisätter i luften till vår nytta. Vätejonerna börjar lagras inuti ”tylakoidpåsen”, där de kan användas av växten, och elektronerna används till att återfylla fotosystem II-komplexet, vilket nu är redo att upprepa cykeln många gånger per sekund. — Se bild 2.

Inuti tylakoidsäcken börjar de tätt packade vätejonerna leta efter en väg ut. Det är inte bara två vätejoner som tillkommer varje gång en vattenmolekyl sönderdelas, utan andra vätejoner luras in i tylakoidsäcken av fotosystem II-elektroner, när dessa överförs till fotosystem I-komplexet. Mycket snart surrar vätejonerna som ilskna bin i en överfull bikupa. Hur kan de komma ut?

Det visar sig att den mästerlige Konstruktören av fotosyntesen har tillhandahållit en svängdörr som bara går utåt — det är ett speciellt enzym som används för att framställa ett mycket viktigt cellbränsle kallat ATP (adenosintrifosfat). När vätejonerna tränger sig ut genom svängdörren, avger de den energi som behövs för att ladda upp använda ATP-molekyler. (Se bild 3.) ATP-molekyler liknar små batterier. De ger små utbrott av energi, mitt inne i cellen, för alla olika typer av reaktioner i cellen. Senare behövs dessa ATP-molekyler till fotosyntesens ”löpande band” för framställning av socker.

Förutom ATP är en annan liten molekyl viktig för sockerframställningen. Den kallas NADPH (en reducerad form av nikotin-adenin-dinukleotidfosfat). NADPH-molekyler fungerar som små transportbilar, där var och en fraktar en väteatom till ett väntande enzym som behöver hjälp av väteatomen för att bygga en sockermolekyl. Att skapa NADPH är ett arbete för fotosystem I-komplexet. Medan ett fotosystem (fotosystem II) är upptaget med att slita isär vattenmolekyler och använda dem för att skapa ATP, absorberar det andra fotosystemet (fotosystem I) ljus och kastar ut elektroner som så småningom används för att skapa NADPH. Både ATP- och NADPH-molekylerna lagras i utrymmet utanför tylakoiden för framtida bruk i det ”löpande bandet” för sockerframställning.

Nattskiftet

Miljarder ton socker bildas varje år genom fotosyntesen, och ändå framställer de av ljuset drivna reaktionerna i fotosyntesen egentligen inget socker. Det enda de framställer är ATP (”batterier”) och NADPH (”transportbilar”). I den här fasen börjar enzymerna i stroman, området utanför tylakoiderna, använda ATP och NADPH för att framställa socker. Växten kan faktiskt framställa socker i totalt mörker! Man skulle kunna jämföra kloroplasterna med en fabrik med två arbetslag (fotosystem I och fotosystem II) inuti tylakoiderna, vilka tillverkar batterier och transportbilar (ATP och NADPH) som skall användas av ett tredje arbetslag (speciella enzymer) ute i stroman. (Se bild 4.) Det här tredje arbetslaget framställer socker genom att tillfoga väteatomer och koldioxidmolekyler i en noggrant ordnad följd av kemiska reaktioner med hjälp av enzymerna i stroman. Alla tre arbetslagen kan arbeta under dagen, och arbetslaget som framställer socker arbetar även ett nattskift, åtminstone till dess att förråden av ATP och NADPH som dagskiftet framställt är förbrukade.

Man skulle kunna betrakta stroman som en sorts cellulär äktenskapsförmedling, full av atomer och molekyler som behöver bli ”gifta” med varandra, men som aldrig på egen hand skulle bli det. Vissa enzymer är som mycket framfusiga små äktenskapsförmedlare.a De är proteinmolekyler med speciella former som gör att de kan hugga tag i just de rätta atomerna eller molekylerna för en särskild reaktion. De är emellertid inte nöjda med att bara presentera blivande äktenskapspartner. Enzymerna blir inte nöjda förrän de ser själva äktenskapet vara ingånget, och därför hugger de tag i det blivande paret och för de motsträviga makarna i direkt kontakt med varandra och tvingar fram giftermålet genom ett slags biokemisk tvångsvigsel. Efter ceremonin släpper enzymerna den nya molekylen och upprepar processen om och om igen. I stroman skickar enzymerna med otrolig hastighet runt delvis kompletta sockermolekyler, arrangerar om dem, ger dem energi i form av ATP, tillför koldioxid, fogar till väte och skickar till sist i väg en sockermolekyl med tre kolatomer till att på annan plats i cellen bli ytterligare modifierad till glukos och en mängd andra varianter. — Se bild 5.

Varför är gräset grönt?

Fotosyntesen är mycket mer än bara en grundläggande kemisk reaktion. Den är en biokemisk symfoni av häpnadsväckande komplexitet och finess. I boken Life Processes of Plants uttrycks det så här: ”Fotosyntesen är en anmärkningsvärd, i hög grad reglerad process för att utnyttja energin i solens fotoner. Växtens komplicerade uppbyggnad och de otroligt invecklade biokemiska och genetiska kontrollanordningar som reglerar fotosyntetisk aktivitet kan betraktas som förfiningar av den grundläggande processen att fånga fotonen och omvandla dess energi till kemisk form.”

Med andra ord, för att få reda på varför gräset är grönt stirrar vi med häpnad på en formgivning och teknik som är vida överlägsen allt som människor har uppfunnit — självreglerande, självreparerande, submikroskopiska ”maskiner” som arbetar i tusentals, eller rentav miljontals, cykler per sekund (utan buller, förorening eller anskrämlighet) och förvandlar solljus till socker. Detta ger oss en möjlighet att få en skymt av intellektet hos en formgivare och tekniker som är oss vida överlägsen — vår Skapare, Jehova Gud. Tänk på det nästa gång du beundrar en av Jehovas vackra, livsuppehållande perfekta fabriker eller nästa gång du bara går på det underbara gröna gräset.

[Fotnoter]

[Bildkälla på sidan 18]

Infälld bild: Colorpix, Godo-Foto

[Bild på sidan 19]

Hur fick fotosyntesen detta träd att växa?

[Diagram på sidan 20]

Bild 1

[Diagram på sidan 20]

Bild 2

[Diagram på sidan 21]

Bild 3

[Diagram på sidan 21]

Bild 4

[Diagram på sidan 22]

Bild 5