Kujuta ette maailma ilma värske õhu, roheliste metsade, mahlaste puuviljade ja elurikkuseta. See on täpselt see kõle ja elutu reaalsus, mis ootaks meid ees, kui planeedil Maa puuduks üks nähtamatu, kuid äärmiselt võimas bioloogiline mehhanism. Iga kord, kui me hingame kopsudesse värsket õhku või hammustame krõmpsuvat õuna, kogeme tegelikult ühe keerulise loodusliku protsessi otseseid vilju. See protsess töötab vaikselt iga päev, igal hetkel, mil päikesekiired langevad maapinnale, muutes elutu valgusenergia eluks vajalikeks bioloogilisteks ehituskivideks. Kuigi me õpime sellest juba põhikooli loodusõpetuse tundides, kipub selle nähtuse tegelik mastaapsus ja fundamentaalne tähtsus igapäevaelu kiires tempos ununema.
Planeet Maa on eriline just seetõttu, et siin eksisteerib elu sellisel kujul, nagu me seda tunneme. Kogu see keeruline eluvõrgustik on aga alguse saanud ja püsib elus tänu mikroskoopilisele keemiatehasele, mis asub taimede lehtedes, ookeanide vetikates ja isegi teatud bakterites. See biokeemiline imetegu ei varusta meid mitte ainult eluks hädavajaliku hapnikuga, vaid seob ka atmosfäärist süsihappegaasi, aidates hoida meie planeedi kliimat tasakaalus. Ilma selleta lakkaksid toimimast kõik toiduahelad, loomad sureksid nälga ning Maa muutuks peagi elamiskõlbmatuks kivipalliks, mis tiirleb tühjuses ümber Päikese.
Mis on fotosüntees ja kuidas see täpsemalt toimib?
Fotosüntees on keeruline biokeemiline protsess, mille käigus rohelised taimed, vetikad ja mõned bakterid muudavad päikesevalguse energia keemiliseks energiaks. Lihtsamalt öeldes on see viis, kuidas loodus “sööb” päikesevalgust ja toodab sellest endale toitu. Kogu protsessi käivitavaks jõuks on valgusenergia, mida püütakse spetsiaalsete pigmentide abil. Neist kõige tuntum ja olulisem on klorofüll – aine, mis annab taimedele nende iseloomuliku rohelise värvuse. Kui päikesevalgus langeb taimele, neelab klorofüll footoneid ning see energia käivitab reaktsioonide ahela, mis muudab anorgaanilised ained orgaanilisteks ühenditeks.
Selleks, et see tehas saaks töötada, vajab taim lisaks valgusele veel kahte peamist toorainet: vett ja süsinikdioksiidi ehk süsihappegaasi. Vesi imatakse tavaliselt juurte kaudu maapinnast ja transporditakse mööda taime vart lehtedesse. Süsinikdioksiid aga võetakse otse õhust läbi väikeste mikroskoopiliste avade, mida nimetatakse õhulõhedeks ja mis asuvad enamasti lehtede alaküljel. Kui need kolm elementi – valgus, vesi ja süsinikdioksiid – kloroplastides kohtuvad, toimub keemiline reaktsioon. Selle tulemusena valmib glükoos, mis on taimele energiaallikaks ja ehitusmaterjaliks, ning kõrvalsaadusena eraldub hapnik, mis lastakse õhulõhede kaudu tagasi atmosfääri.
Protsessi peamised komponendid
- Päikesevalgus: Annab kogu süsteemile käivitamiseks vajaliku algenergia. Valguse intensiivsus ja spekter on protsessi efektiivsuse juures määrava tähtsusega.
- Klorofüll: Roheline pigment taime rakkudes, mis toimib justkui päikesepaneel, püüdes kinni valgusosakesi.
- Süsinikdioksiid (CO2): Gaas, mille taimed imavad õhust. Sellest saab uute orgaaniliste molekulide süsiniku allikas.
- Vesi (H2O): Pumbatakse juurte kaudu lehtedesse. Vee molekuli lõhustamisel saadakse vesinik ja eraldub meile vajalik hapnik.
Elu alustalad: miks sõltub inimkond fotosünteesist?
Sageli peame looduse hüvesid iseenesestmõistetavateks, kuid iga hingetõmme ja iga toidupala meie taldrikul viib meid tagasi selle ühe biokeemilise reaktsioonini. Taimede võime toota orgaanilist ainet ja vabastada hapnikku on kogu planeedi ökosüsteemi toimimise vundament. Selle protsessi mastaap on nii hoomamatu, et see mõjutab otseselt isegi planeedi geoloogiat ja atmosfääri koostist, rääkimata bioloogiast.
Pidev hapnikuvarustus
Hapnik, mida me hingame, ei ole atmosfääris alati sellises koguses eksisteerinud. Üle kahe miljardi aasta tagasi puudus Maa atmosfääris vaba hapnik peaaegu täielikult. Alles siis, kui ookeanides arenesid välja esimesed fotosünteesivad organismid – tsüanobakterid –, hakkas hapnikku suurtes kogustes vabanema. Seda sündmust tuntakse Suure Hapnikusündmusena ja see muutis planeedi elukeskkonda igaveseks, võimaldades hapnikku hingavate organismide, sealhulgas meie eellaste, arengut. Tänapäeval on taimed ja vetikad need, kes pidevalt atmosfääri hapnikuvarusid täiendavad, kompenseerides seda, mida inimesed, loomad ja tööstus ära tarbivad.
Toiduahelate alguspunkt
Looduses jagunevad organismid laias laastus autotroofideks ja heterotroofideks. Autotroofid on isetoitujad – näiteks taimed, mis toodavad oma energia ise. Heterotroofid, kelle hulka kuulume ka meie ja kõik teised loomad, ei suuda ise anorgaanilisest ainest toitu teha. Me peame ellujäämiseks sööma teisi organisme. Isegi kui sa sööd ainult liha, sõltud sa ikkagi kaudselt fotosünteesist, sest loom, kelle liha sa sööd, toitus omakorda taimedest või teistest taimetoidulistest loomadest. Ilma roheliste taimedeta kukuks kogu planeedi toiduahel kokku nagu kaardimaja.
Süsinikuringe ja kliimamuutuste leevendamine
Üks kaasaegse maailma suurimaid probleeme on atmosfääri kogunev liigne süsinikdioksiid, mis põhjustab kasvuhooneefekti ja kliima soojenemist. Siin tulevad appi metsad, sood ja ookeanide ökosüsteemid, mis toimivad hiiglaslike süsinikusidujatena. Fotosüntees on kõige efektiivsem looduslik mehhanism atmosfäärist süsihappegaasi eemaldamiseks. Taimed võtavad CO2 õhust ja lukustavad süsiniku oma tüvedesse, juurtesse ja lehtedesse aastakümneteks või isegi aastasadadeks. Seega on vihmametsade ja muude rohealade säilitamine kriitilise tähtsusega mitte ainult elurikkuse, vaid ka globaalse kliima stabiilsuse seisukohalt.
Kus looduses see maagiline protsess aset leiab?
Kui me räägime hapniku tootmisest ja süsiniku sidumisest, lendab meie mõte esmalt suurte laante ja lopsakate vihmametsade poole. Kuigi maismaataimed, nagu puud, põõsad ja rohttaimed, teevad ära tohutu töö, peitub tõeline hapnikutehas hoopis mujal. Teadlaste hinnangul toodetakse 50 kuni 80 protsenti maailma hapnikust meie ookeanides. Selle taga on mikroskoopiliste organismide kogum, mida nimetatakse fütoplanktoniks. Need tillukesed hõljuvad vetikad elavad maailmamere pinnakihtides, kus on piisavalt päikesevalgust. Vaatamata oma väikesele mõõtmele on nende massiline paljunemine ja leviala ookeanides nii suur, et nad teevad hapniku tootmisel silmad ette isegi Amazonase vihmametsadele.
Maismaal toimub fotosüntees peamiselt taimede lehtedes. Lehed on evolutsiooni käigus arenenud täiuslikeks päikesepüüdjateks. Nad on lamedad ja laiad, et püüda võimalikult palju valgust. Lehe sees on mesofüllirakud, mis on tihedalt täis kloroplaste. Kloroplastid on raku organellid, kus keemiline maagia reaalselt aset leiab. Need sisaldavad klorofülli ja spetsiifilisi ensüüme, mis viivad läbi valguse neelamise ja glükoosi sünteesimise tsükleid.
Mis juhtub, kui keskkond muutub? Tegurid, mis mõjutavad fotosünteesi kiirust
Fotosüntees ei toimu alati ühesuguse kiirusega. See on dünaamiline protsess, mis reageerib tugevalt taime ümbritsevale keskkonnale. Kui mõni oluline tegur on puudu või seda on liiga vähe, muutub see piiravaks faktoriks, mis aeglustab kogu protsessi. Peamised keskkonnategurid, mis efektiivsust määravad, on järgmised:
- Valguse intensiivsus: Pimeduses fotosüntees seiskub. Kui valgustugevus kasvab, suureneb algul ka protsessi kiirus. Kuid kuskil jookseb piir – kui valgust on liiga palju, saavutavad kloroplastid oma maksimumvõimsuse ja kiirus enam ei kasva. Liiga tugev UV-kiirgus võib isegi klorofülli kahjustada.
- Süsinikdioksiidi kontsentratsioon: Normaaltingimustes on atmosfääris CO2 tase suhteliselt madal (umbes 0,04%). Kui õhus on rohkem süsihappegaasi, saavad taimed toota rohkem glükoosi ja kasvavad kiiremini. Seda efekti kasutatakse ära kaasaegsetes kasvuhoonetes, kuhu pumbatakse lisaks CO2-te saagikuse tõstmiseks.
- Temperatuur: Kuna fotosünteesis osalevad erinevad ensüümid, sõltub protsess suuresti temperatuurist. Liiga madalatel temperatuuridel ensüümide töö aeglustub. Optimaalne temperatuur enamikule taimedele on vahemikus 20-30 kraadi. Kui temperatuur tõuseb üle kriitilise piiri (tavaliselt üle 40 kraadi), hakkavad ensüümid lagunema ja protsess peatub.
- Vee kättesaadavus: Kuigi vett kasutatakse keemilises reaktsioonis tegelikult väga vähe (võrreldes taime kogu veevajadusega), on veepuudusel katastroofiline mõju. Kui muld on kuiv, sulgevad taimed oma lehtedel asuvad õhulõhed, et vältida liigset veekadu aurustumise teel. See aga takistab uue süsinikdioksiidi sisenemist lehte, mis omakorda paneb seisma glükoosi tootmise.
Korduma kippuvad küsimused fotosünteesi kohta (KKK)
Kas fotosüntees toimub ka öösel?
Klassikaline fotosünteesi valgusstaadium, kus neelatakse päikeseenergiat ja vabastatakse hapnikku, vajab toimumiseks otsest valgust ega toimu öösel. Kuid protsessi teine osa, mida nimetatakse pimedusstaadiumiks (või Calvini tsükliks), kus CO2-st tegelikult glükoosi sünteesitakse, ei vaja otseselt valgust. Sellegipoolest peatub lõpuks ka pimedusstaadium öösel, kuna selleks vajalikud energiaühendid, mis toodetakse valgusstaadiumis, saavad otsa. Mõned erikohastumusega kõrbetaimed (CAM-taimed) avavad oma õhulõhed veekao vältimiseks aga just öösel ja koguvad süsihappegaasi varuks, et seda päeval kasutada.
Kas ainult rohelised taimed fotosünteesivad?
Ei, fotosünteesijaid leidub ka väljaspool taimeriiki. Nagu eelpool mainitud, teevad ookeanides suurima töö ära fütoplankton ja vetikad (sealhulgas pruun- ja punavetikad). Lisaks suudavad päikesevalgust energiaks muuta tsüanobakterid ehk sinivetikad, mis on tegelikult bakterid. On isegi mõned haruldased loomariigi esindajad, näiteks merekurgutigu, kes varastab söödud vetikatest kloroplaste ja kasutab neid päikeseenergialt “toitumiseks”.
Kuidas saame meie inimestena seda protsessi toetada?
Kõige otsesem viis on hoida ja kaitsta taimestikku nii maismaal kui vees. Metsade raadamise vähendamine, uute puude istutamine, mürgiste väetiste ja pestitsiidide vältimine ning ookeanide plastireostuse piiramine on kõik elulise tähtsusega. Mida tervem on globaalne ökosüsteem, seda sujuvamalt suudab loodus tasakaalustada meie poolt õhku paisatavat CO2-te.
Miks on osade puude lehed sügisel punased või kollased, kas nad enam ei fotosünteesi?
Sügisel, kui päevad lühenevad ja ilmad jahenevad, lõpetavad heitlehised puud aktiivse klorofülli tootmise, kuna see nõuab liiga palju energiat. Klorofüll laguneb ning nähtavale ilmuvad teised lehes juba peidus olnud pigmendid – karotenoidid (kollased ja oranzid) ja antotsüaniinid (punased). Nende värvuste ilmnemise ajal on fotosüntees juba tugevalt aeglustunud või peaaegu peatunud ning puu valmistub talviseks puhkeperioodiks.
Tulevikuvaade: tehislik fotosüntees ja rohelised tehnoloogiad
Loodus on miljardite aastate jooksul arendanud välja täiusliku süsteemi energia salvestamiseks ja materjalide taaskasutamiseks. Tänapäeva teadlased ja insenerid vaatavad üha enam taimede poole, et leida inspiratsiooni inimkonna energiakriisi lahendamiseks. Üks kõige põnevamaid uurimisvaldkondi on tehislik fotosüntees. Eesmärgiks on luua seadmeid ja materjale, mis suudavad jäljendada looduslikku klorofülli ja kloroplastide tööd, muutes päikesevalguse abil vett ja süsinikdioksiidi puhasteks, vedelateks süsivesinikkütusteks. See tähendaks, et me suudaksime toota “rohelist” kütust, mis ei lisa atmosfääri uut süsinikku, vaid hoopis tarbib seda õhust samamoodi nagu metsad.
Lisaks kütuse tootmisele on sellel tehnoloogial potentsiaal toota uusi biolagunevaid plastimaterjale ja isegi toitaineid rasketes tingimustes, näiteks tulevastel kosmosemissioonidel Marsile või Kuule. Kuigi tehislik fotosüntees on täna veel paljuski laboratoorses faasis ja vajab efektiivsuse tõstmist, näitab see ilmekalt, kui palju on meil looduselt õppida. Taimede ja vetikate igapäevane vaikne töö tuletab meile meelde, et planeedi parim ja kõige jätkusuutlikum tehnoloogia ei pruugi koosneda juhtmetest ja ränikiipidest, vaid rohelistest lehtedest ja molekulaarsest bioloogiast. Hoides ja väärtustades meie planeedi rohelist kopsustikku, anname me endale võimaluse jätkata elu sellel imelisel Maakeral.
