Kui te võtate praegu sügava hingetõmbe, siis täitute oma kopsud eluks hädavajaliku hapnikuga, mille on atmosfääri paisanud mõni taim, vetikas või mikroskoopiline tsüanobakter. See on protsess, mida me peame sageli iseenesestmõistetavaks, kuid mis on tegelikult planeedi Maa kõige olulisem keemiline reaktsioon. Ilma selle nähtamatu, kuid pideva tööta, mida rohelised organismid päevast päeva teevad, oleks meie koduplaneet elutu, kõle ja sarnaneks pigem Marsiga. Fotosüntees ei ole lihtsalt keeruline bioloogiline termin kooliõpikust, vaid see on mootor, mis käitab kogu toiduahelat ja hoiab atmosfääri koostist tasakaalus, võimaldades meil hommikuti ärgata ja tegutseda.
Mis on fotosüntees ja kuidas see töötab?
Lihtsustatult öeldes on fotosüntees protsess, mille käigus taimed ja teised fotosünteesivad organismid muudavad päikesevalguse keemiliseks energiaks. Mõiste ise tuleneb kreekakeelsetest sõnadest phōs (valgus) ja synthesis (ühendamine või koostamine). See on looduse viis salvestada päikeseenergiat suhkrumolekulidesse, mida hiljem kasutatakse kütusena kasvamiseks ja eluspüsimiseks.
Kogu see maagia toimub taimerakkudes asuvates väikestes organellides, mida nimetatakse kloroplastideks. Need sisaldavad pigmenti nimega klorofüll, mis annab taimedele nende iseloomuliku rohelise värvuse. Klorofüll toimib justkui looduslik päikesepaneel, püüdes kinni valgusosakesi ehk footoneid ja käivitades seeläbi keeruka reaktsioonide ahela.
Protsessi toimumiseks on taimel vaja kolme põhilist komponenti:
- Süsihappegaas (CO2): Taimed “hingavad” seda sisse läbi lehtede alaküljel asuvate väikeste avade, mida nimetatakse õhulõhedeks.
- Vesi (H2O): Seda ammutavad taimed juurte kaudu maapinnast ja transpordivad mööda vart lehtedesse.
- Päikesevalgus: See on energiaallikas, mis kogu süsteemi käimas hoiab.
Kaks faasi: valgus ja pimedus
Kuigi me räägime fotosünteesist sageli kui ühest terviklikust protsessist, koosneb see tegelikult kahest eristatavast etapist, mis töötavad käsikäes. Et mõista süsteemi keerukust ja geniaalsust, on oluline vaadelda neid eraldi.
Valgusstaadium
Esimene etapp sõltub otseselt valgusest ja toimub kloroplastide tülakoidmembraanides. Siin püütakse päikeseenergia kinni ja kasutatakse vee molekulide lagundamiseks. Selle tulemusena eraldub kõrvalproduktina hapnik – seesama gaas, mida me hingame. Samal ajal salvestatakse valgusenergia ajutistesse energiakandjatesse (ATP ja NADPH molekulidesse), mis on nagu väikesed laetud akud, valmis järgmiseks etapiks.
Pimedusstaadium (Calvini tsükkel)
Teine etapp ei vaja toimumiseks otsest valgust, mistõttu nimetatakse seda sageli pimedusstaadiumiks, kuigi see toimub tavaliselt siiski päeva ajal koos valgusstaadiumiga. Selles faasis kasutatakse “laetud akudest” saadud energiat, et siduda atmosfäärist võetud süsihappegaasi. Keeruliste tsükliliste reaktsioonide tulemusena moodustuvad lihtsuhkrud, peamiselt glükoos. See ongi see “toit”, mida taim kasutab oma kudede ehitamiseks, viljade kasvatamiseks ja seemnete tootmiseks.
Miks ilma fotosünteesita elu lakkaks?
Väide, et ilma fotosünteesita poleks elu, ei ole liialdus. See on bioloogiline fakt. Kui homme peaks mingil põhjusel fotosüntees lakkama, oleksid tagajärjed katastroofilised ja kiired. Siin on peamised põhjused, miks see protsess on asendamatu:
- Hapniku tootmine: Enamik elusorganisme Maal, sealhulgas inimesed, vajavad ellujäämiseks hapnikku. Fotosüntees on ainus looduslik protsess, mis suudab taastada atmosfääri hapnikuvarusid piisavas mahus. Ilma selleta tarbitaks olemasolev hapnik lõpuks ära ja loomne elu lämbumks.
- Toiduahela vundament: Taimed on tootjad ehk produtsendid. Kõik, mida me sööme, pärineb otseselt või kaudselt taimedest. Kui sööte salatit, tarbite fotosünteesi produkti otse. Kui sööte liha, tarbite looma, kes sai oma energia taimi süües. Ilma fotosünteesita kukuks kokku kogu toidupüramiid.
- Energiaallikad: Isegi meie fossiilsed kütused – nafta, sös ja maagaas – on tegelikult iidne päikeseenergia. Need moodustusid miljonite aastate eest elanud taimede ja organismide jäänustest, kes salvestasid päikeseenergiat fotosünteesi teel. Meie kaasaegne tsivilisatsioon jookseb sisuliselt “pudelisse püütud” iidsel päikesevalgusel.
- Kliima reguleerimine: Taimed seovad tohutus koguses süsinikku. Nad on planeedi kõige olulisemad süsiniku neelajad, aidates leevendada kasvuhooneefekti ja hoida Maa temperatuuri elamiskõlblikuna.
Fotosünteesi mõjutavad tegurid
Nagu iga bioloogiline protsess, ei tööta ka fotosüntees alati maksimaalse võimsusega. Selle efektiivsus sõltub mitmest keskkonnategurist. Põllumajanduses ja aianduses on nende tegurite mõistmine kriitilise tähtsusega saagikuse tõstmisel.
Valguse intensiivsus on peamine mootor. Mida rohkem valgust, seda kiirem on fotosüntees, kuid seda vaid teatud piirini. Kui valgust on liiga palju, võib see taime pigmente kahjustada. Samuti on oluline valguse spekter – taimed eelistavad peamiselt sinist ja punast valgust, peegeldades rohelist (mistõttu nad meile rohelised paistavad).
Temperatuur mängib samuti rolli, sest fotosünteesi reaktsioone juhivad ensüümid. Liiga madal temperatuur aeglustab ensüümide tööd, samas kui liiga kõrge temperatuur võib need hävitada. Enamiku meie vöötme taimede jaoks on optimaalne vahemik 20–25 kraadi Celsiuse järgi.
Süsihappegaasi kontsentratsioon on sageli piiravaks teguriks. Tavalises välisõhus on CO2 tase piisav, kuid kasvuhoonegaasides saab selle kunstlikul tõstmisel panna taimed kiiremini kasvama. See on ka põhjus, miks mõnedes suurtes kasvuhoonetes pumbatakse õhku lisasüsihappegaasi.
Korduma kippuvad küsimused (FAQ)
Fotosünteesi teema tekitab tihti küsimusi, mis ulatuvad kaugemale koolitarkusest. Siin on vastused mõnele levinumale küsimusele.
Kas taimed fotosünteesivad ka öösel?
Ei, klassikaline fotosüntees nõuab valgusenergiat, seega pimedas valgusstaadiumi reaktsioonid seiskuvad. Küll aga hingavad taimed ööpäevaringselt – nad tarbivad hapnikku ja eraldavad süsihappegaasi (nagu inimesedki), et hoida oma rakke elus. Kuid päeval toodavad nad fotosünteesi käigus hapnikku kordades rohkem, kui ise hingamiseks vajavad.
Miks lehed sügisel värvi muudavad?
Sügisel, kui päevad lühenevad ja temperatuur langeb, lõpetavad taimed klorofülli tootmise. Roheline pigment laguneb ja kaob lehtedest. See toob nähtavale teised pigmendid (karotenoidid ja antotsüaanid), mis on kogu aeg lehes olemas olnud, kuid rohelise värvi varjus. Nii ilmuvadki nähtavale kollased, oranžid ja punased toonid.
Kas inimene suudaks kunagi fotosünteesida?
Teaduslikult on see äärmiselt ebatõenäoline. Inimese energiatarve on võrreldes meie kehapindalaga liiga suur. Isegi kui meie nahk oleks roheline ja täis klorofülli, ei suudaks me püüda piisavalt päikesevalgust, et toita oma aju ja lihaseid. Taimed on passiivsed ja nende energiakulutus on loomadega võrreldes väga madal.
Mis on “kemosüntees” ja kuidas see erineb fotosünteesist?
Kemosüntees on protsess, kus organismid toodavad energiat mitte päikesevalgusest, vaid anorgaaniliste keemiliste ühendite (näiteks väävelvesiniku) oksüdeerimisest. Seda teevad peamiselt bakterid, kes elavad äärmuslikes tingimustes, näiteks ookeani sügavustes asuvate kuumaveeallikate juures, kuhu päikesevalgus ei ulatu.
Tehislik fotosüntees ja tulevikuenergeetika
Mõistes fotosünteesi üliolulist rolli ja selle protsessi efektiivsust energia salvestamisel, on teadlased juba aastakümneid töötanud nn tehisliku fotosünteesi kallal. See on tehnoloogiavaldkond, mis püüab matkida looduslikku protsessi, et toota purast kütust.
Eesmärk ei ole luua kunstlikke lehti salati jaoks, vaid arendada materjale, mis suudaksid päikesevalguse abil lagundada vett vesinikuks ja hapnikuks. Vesinikku saaks seejärel kasutada kütusena, mis põledes eraldab vaid veeauru, olles seega täiesti saastevaba. Teine suund on süsihappegaasi sidumine ja muutmine vedelkütusteks, mis aitaks ühtlasi vähendada atmosfääri CO2 taset.
Kuigi me oleme veel kaugel sellest, et tehislik fotosüntees oleks sama efektiivne ja odav kui looduslik, on edusammud märgatavad. See tehnoloogia võib tulevikus olla võtmeks, kuidas lahendada inimkonna energianälga ilma planeeti hävitamata. Kuni teadlased laborites töötavad, jääb meie ülesandeks hoida ja kaitsta neid miljardeid looduslikke “vabrikuid” – metsi, niite ja ookeane –, mis on miljoneid aastaid hoidnud Maa elukõlblikuna ja teevad seda vaikides edasi iga kord, kui päike tõuseb.
