Fotosinteza – izvor energije živih bića
Pretvorba svjetla u kisik. O ovome se govori u školi, detaljno istražuje na institutima, više od jednog stoljeća ovaj misterij pokušavaju odgonetnuti eminentni znanstvenici. Rastavili su ga na dijelove, pretresli sa svih strana… No, ovaj zadivljujući proces ostao je i dalje “nepoznati poznanik”. Svjetlost – vječno napeta opruga koja stavlja u pokret mehanizam zemaljskog života.
Julius Robert von Mayer
Svima je poznata izreka – jedemo da bismo živjeli. Hrana koju pojedemo izvor je energije zahvaljujući kojoj možemo kretati se, misliti, stvarati, općenito – živjeti. Da bismo iz te hrane dobili energiju, moramo i disati jer, slikovito govoreći, hrana izgara u vatri kisika i izgarajući oslobađa energiju koja nam je potrebna. Dakle, za proizvodnju energije potrebni su nam hrana i kisik. U samo jednoj godini čovječanstvo može pojesti više od 7108 milijuna tona hrane. No, potrebu za disanjem i hranom osjećaju i sva ostala živa bića na Zemlji. Dakle, iskorištene rezerve hranjivih tvari i kisika trebaju se neprekidno obnavljati. To se zaista i događa zahvaljujući biljkama i njihovoj zadivljujućoj sposobnosti fotosinteze. Prema okvirnom izračunu, u jednoj se godini djelovanjem svjetla na Zemlji stvara 61 011 milijuna tona organskih tvari.
U prirodi vlada zakon svrsishodnosti. Jedan od njegovih živih primjera je “bezotpadna tehnologija”, kada potrošene tvari jednog živog sustava automatski postaju ishodišni spoj za aktivnost drugog. To se može nazvati i kruženjem tvari u prirodi, a isto se događa u fotosintezi. Za proizvodnju hranjivih tvari i kisika biljke se ne koriste ničim drugim nego “otpadom” životnih funkcija svih živih bića, posebno vodom i ugljičnim dioksidom.
Dakle, uloga fotosinteze je jasna. Sada ćemo pokušati razjasniti njezin složeni mehanizam. Fotosinteza (od grč. photos – svjetlost) stvaranje je složenih bioloških molekula iz jednostavnih kemijskih spojeva pod utjecajem svjetla. Danas se u tom procesu uobičajeno vide dvije etape – svijetla (odvija se na svjetlu) i tamna (koja ne treba prirodno osvjetljenje). Tamna reakcija zapravo je sinteza – lanac neprekidnih kemijskih pretvorbi ugljičnog dioksida u šećer. Za odvijanje tog procesa potrebna je energija. Ali ne bilo koja energija, nego upravo ona koja će se s molekulama koje reagiraju “sporazumijevati” na njihovom jeziku – jeziku kemijskih promjena. Dakle, da bi se pokrenula sinteza, potrebno je apsorbirati energiju svjetla i transformirati je u pokretačku silu kemijskih reakcija. To je već zadatak svijetle etape fotosinteze. Karika koja povezuje obje etape je takozvana kemijska energija (energija kemijskih veza) koja je apsorbirana i transformirana energija Sunca. Zapravo, čin transformacije energije glavno je zbivanje fotosinteze u cjelini.
“Mjesto radnje” fotosinteze je biljna stanica, vrijeme radnje je, naravno, dan. Biljna stanica je složeni živi sustav koji sadrži niz struktura i ima mnoštvo funkcija. Procesi primanja (apsorpcije), prijenosa i transformacije Sunčeve energije zbivaju se u posebnim organelima biljne stanice – kloroplastima. Zato kloroplaste možemo nazvati i fototransformatorima, fotogeneratorima energije.
Kako se u kloroplastima odvijaju tri temeljna procesa: primanje, prijenos i transformacija Sunčeve energije? Glavni izvođači navedenih zbivanja specijalni su fotosenzitivni pigmenti – klorofili. Oni rade s energijom na sljedeći način: primaju, strogo prema namjeni prenose i transformiraju svjetlosnu energiju u kemijsku.
To se zbiva tako da Sunčevu svjetlost prima skupina od 200 do 300 molekula klorofila koja se naziva kompleks antena. Kompleks antena je kao lijevak koji prikuplja energiju svjetla i predaje je istom reakcijskom centru. Reakcijski centar je najposebnija molekula klorofila koja posjeduje rijetku i vrlo vrijednu kvalitetu – sposobnost transformacije energije. Nije slučajno što se naziva i srcem fotosinteze. Primivši svjetlosnu energiju iz kompleksa antena, klorofil reakcijskog centra transformira je i prenosi dalje lancem koji se tako i zove – lanac prijenosa elektrona.
Otkuda dolazi elektron i što se dogodilo s energijom svjetla? Djelovanjem svjetla elektroneutralna molekula klorofila reakcijskog centra izlazi iz stanja ravnoteže i u njoj se stvaraju suprotnosti – dijele se naboji: negativno nabijen elektron “izlijeće” iz molekule ostavljajući za sobom pozitivno nabijeno prazno područje – “rupicu”. Izbačen sa svog mjesta elektron se trenutno hvata za novu molekulu – prvu kariku u lancu prijenosa elektrona – i počinje svoje putovanje tim lancem od jednog do drugog prijenosnika. Tako se energija svjetla transformira u energiju kretanja elektrona.
A što je s molekulom klorofila? Ona je privremeno “nesposobna za rad”. Kako bi postala spremna za primanje nove količine Sunčeve energije, molekula klorofila mora ponovno uspostaviti ravnotežu – pripojiti praznoj “rupici” novi elektron. Odakle dolazi taj potrebni elektron? Čini se iz vode. Djelovanjem svjetla voda se rastavlja na ione vodika (protoni), elektrone i kisik. Elektroni odmah ispunjavaju već spomenutu “rupicu”, protoni se također koriste “za dobrobit” fotosinteze, a kisik u daljnjim pretvorbama ne sudjeluje te se kao sporedni produkt oslobađa u atmosferu.
Klorofil reakcijskog centra svoju je ravnotežu već uspostavio. A što je s elektronom koji putuje lancem prijenosa? On je upravljan istim principom – težnjom k sjedinjenju s nedostajućom “polovicom”. Podsjećamo da taj elektron posjeduje energiju. Na početku puta energija je maksimalna. Kasnije, kako putuje lancem prijenosa od jednog do drugog prijenosnika, energija elektrona postupno se smanjuje. Taj put možemo usporediti sa stubištem čiji su vrh i dno razine energije elektrona koji se kreće. No, najviše iznenađuje što se ta energija ne gubi, ne pretvara se u toplinu, nego se transformira u kemijsku energiju, odnosno pohranjuje se u obliku posebnih molekula posrednika. Ta pohranjena kemijska energija ne rasipa se prema van i ne zahtijeva daljnje promjene, nego se ovisno o potrebi koristi za energetsko snabdijevanje biljne stanice. Upravo taj vid energije zapravo osigurava biljnoj stanici hranjive tvari.
Što su čudesne molekule posrednici koje prenose energiju? To je adenozin trifosfatna kiselina ili ATP. U bioenergetici ATP nazivaju još i “energetskom valutom”. Ona snabdijeva sve procese kojima je potrebna dostava energije: promet i sinteza tvari.
Mitohondriji su stanični organeli u kojima se oslobađa energija potrebna za životne procese. U njima, izgarajući hranu u “plamenu kisika” (stanično disanje), dobivamo energiju iz ATP-a. Tako je ATP zajednička energetska valuta svim živim bićima jer sadrži transformiranu svjetlosnu energiju Sunca.
Stoga je Sunčeva svjetlost zaista izvor života jer nam daruje energiju koja iz “pepela” vitalnih procesa stvara ishodišnu građu – kisik i organske tvari, a što je temelj materijalne egzistencije živih bića na Zemlji.
Autor: Natalija Adnoral
S ruskog prevela: Marijana Starčević Vukajlović
