Kujutage ette hiiglaslikku, nähtamatut mootorit, mis töötab vahetpidamata iga päev, muutes meie planeedi elamiskõlblikuks paigaks. See mootor ei tööta bensiini ega elektriga, vaid kasutab kütusena midagi palju kättesaadavamat – päikesevalgust. Me räägime protsessist, mis on nii igapäevane, et me sageli unustame selle olemasolu, kuid ilma milleta lakkaks elu Maal eksisteerimast loetud päevade või nädalatega. See on looduse geniaalseim leiutis, mis on miljardite aastate jooksul kujundanud meie atmosfääri ja toiduahelat. Kuigi koolitunnist mäletame seda keeruliste valemite ja diagrammidena, on tegelikkuses tegemist elegantse ja loogilise süsteemiga, mis seob omavahel päikeseenergia, vee ja õhu, luues sellest mateeria, millest me kõik koosneme.
Mis on fotosüntees ja kuidas see töötab?
Lihtsustatult öeldes on fotosüntees protsess, mille käigus taimed, vetikad ja teatud tüüpi bakterid muudavad valgusenergia keemiliseks energiaks. See on justkui looduslik päikesepaneel, kuid elektri tootmise asemel salvestatakse energia suhkru molekulidesse. Selleks, et see protsess saaks toimuda, on vaja kolme peamist koostisosa: süsinikdioksiidi (CO2), vett (H2O) ja valgust.
Keemilisel tasandil on see reaktsioon, kus kuus süsinikdioksiidi molekuli ja kuus veemolekuli reageerivad valguse toimel. Tulemuseks on üks glükoosimolekul ja kuus hapnikumolekuli. Just see glükoos ongi taimede “toit” ja energiallikas, mida nad kasutavad kasvamiseks, õitsemiseks ja viljade kasvatamiseks. Hapnik, mida me hingame, on selle protsessi õnnelik kõrvalprodukt – jääkaine, mille taimed atmosfääri paiskavad.
Kus täpselt see maagia toimub?
Kui vaatame taimelehte mikroskoobi all, näeme seal väikeseid struktuure, mida nimetatakse kloroplastideks. Need ongi fotosünteesi “vabrikud”. Kloroplastide sees asub pigment nimega klorofüll. Just klorofüll on see aine, mis annab taimedele nende iseloomuliku rohelise värvuse ja millel on unikaalne võime püüda päikesevalguse footoneid.
Huvitav on märkida, et klorofüll neelab peamiselt sinist ja punast valgust, kuid peegeldab rohelist. Seetõttu näemegi meie taimi rohelistena. Sügisel, kui klorofüll laguneb, tulevad nähtavale teised pigmendid, nagu karotinoidid (oranžid ja kollased), mis on lehes kogu aeg olemas olnud, kuid rohelise värvi varjus peidus püsinud.
Protsessi kaks peamist etappi
Fotosüntees ei ole üksik sündmus, vaid koosneb kahest suuremast etapist, mis toimuvad kloroplasti eri osades. Nende mõistmine aitab aru saada, miks taimed vajavad nii valgust kui ka pimedust.
1. Valgusstaadium (Valgusest sõltuvad reaktsioonid)
See etapp toimub ainult valges. Klorofüll püüab päikeseenergiat ja kasutab seda veemolekulide lõhustamiseks. Selle protsessi käigus eraldub hapnik (mida meie hingame) ning tekivad energiakandjad molekulid ATP ja NADPH. Need molekulid on nagu väikesed laetud patareid, mis liiguvad edasi järgmisesse etappi.
2. Pimedusstaadium ehk Calvini tsükkel
Hoolimata nimest, ei pea see toimuma tingimata pimedas, kuid see ei vaja toimumiseks otsest valgust. Selles etapis kasutab taim õhulõhede kaudu omastatud süsinikdioksiidi ja eelmises etapis toodetud energiat (ATP ja NADPH), et ehitada üles glükoosimolekule. See on keeruline keemiline ehitustöö, mille tulemusena seotakse süsinik atmosfäärist ja muudetakse tahkeks orgaaniliseks aineks.
Miks fotosüntees on elu alus?
Sageli öeldakse, et metsad on planeedi kopsud, kuid fotosünteesi tähtsus ulatub kaugemale kui vaid hapniku tootmine. See on globaalse ökosüsteemi nurgakivi mitmel erineval põhjusel.
- Toiduahela vundament: Kõik toiduahelad algavad tootjatest ehk taimedest. Kui sööte kartulit, tarbite otse päikeseenergiat, mille taim on salvestanud tärklisesse. Kui sööte liha, tarbite energiat, mille loom sai taimi süües. Ilma fotosünteesita puuduks toiduahela esimene lüli ja nälg saabuks kiiresti.
- Hapniku tootmine: Enne fotosünteesi teket oli Maa atmosfäär hapnikuvaene. Tsüanobakterid ja hiljem taimed muutsid atmosfääri koostist drastiliselt, võimaldades areneda aeroobsetel organismidel, sealhulgas inimestel.
- Kliima reguleerimine: Taimed seovad atmosfäärist tohututes kogustes süsinikdioksiidi. See aitab leevendada kasvuhooneefekti ja globaalset soojenemist. Metsade hävitamine on ohtlik just seetõttu, et väheneb planeedi võime siduda liigset süsinikku.
- Fossiilkütused: Kiviõli, maagaas ja kivisüsi on sisuliselt miljonite aastate tagune “pudelisse püütud” päikesevalgus. Need kütused on tekkinud iidsetest organismidest, kes said oma energia fotosünteesist.
Mis mõjutab fotosünteesi efektiivsust?
Taimed on elusorganismid ja nende “tootlikkus” sõltub keskkonnatingimustest. Aednikud ja põllumehed peavad neid tegureid arvestama, et saak oleks maksimaalne.
- Valguse intensiivsus: Mida rohkem valgust, seda kiirem on fotosüntees, kuid seda vaid teatud piirini. Liiga intensiivne valgus võib taime rakke kahjustada.
- Süsihappegaasi kontsentratsioon: CO2 on taime peamine ehitusmaterjal. Kasvuhoonetes lisatakse sageli õhku süsihappegaasi, et kiirendada taimede kasvu.
- Temperatuur: Fotosünteesi reaktsioone juhivad ensüümid, mis töötavad kõige paremini kindlas temperatuurivahemikus (tavaliselt 20–35 kraadi). Liiga külmaga protsess aeglustub, liiga kuumaga ensüümid lagunevad.
- Vee kättesaadavus: Kui vett on vähe, sulgeb taim oma lehtedel olevad õhulõhed, et vältida niiskuskadu. See aga takistab CO2 sisenemist lehte ja fotosüntees peatub.
Erinevad strateegiad: C3, C4 ja CAM taimed
Mitte kõik taimed ei fotosünteesi täpselt ühtemoodi. Evolutsiooni käigus on taimed kohanenud erinevate kliimatingimustega, arendades välja spetsiifilisi meetodeid süsiniku sidumiseks.
Suurem osa taimi (nagu nisu, riis ja enamik puid) on C3-taimed. Nad on efektiivsed mõõdukas ja jahedas kliimas, kuid kuumas ja kuivas võivad kaotada liiga palju vett. Seevastu C4-taimed (nagu mais ja suhkruroog) on kohanenud intensiivse valguse ja kõrgemate temperatuuridega, suutes süsinikku siduda palju kiiremini ja efektiivsemalt. Kolmas rühm, CAM-taimed (nagu kaktused ja ananassid), on kohanenud äärmusliku kuivusega. Nad avavad oma õhulõhed vaid öösiti, et koguda CO2, ja säilitavad seda päevaseks ajaks, mil päike paistab, kuid õhulõhed peavad olema suletud vee säästmiseks.
Korduma kippuvad küsimused (KKK)
Kas taimed fotosünteesivad öösel?
Ei, fotosünteesi valgusstaadium nõuab otsest valgusenergiat, seega see protsess peatub pimeduse saabudes. Küll aga toimub öösel hingamine – taimed tarbivad hapnikku ja eritavad süsihappegaasi, sarnaselt loomadega, et hoida oma elutegevust käigus, kuigi toodetud hapniku kogus päeval ületab öösel tarbitava koguse mitmekordselt.
Kas roheline valgus sobib taimedele kasvamiseks?
Kuna klorofüll peegeldab rohelist valgust, on see fotosünteesi jaoks kõige vähem efektiivne valguse spekter. Taimed kasvavad kõige paremini sinise ja punase valguse käes. Siiski on uuemad uuringud näidanud, et roheline valgus võib aidata valgusel tungida sügavamale taimelehtedesse ja alumistesse rinnetesse.
Mis juhtuks, kui fotosüntees Maal lakkaks?
See oleks katastroofiline. Esmalt sureksid taimed, seejärel taimetoidulised loomad ja lõpuks kiskjad. Atmosfääri hapnikusisaldus hakkaks aeglaselt langema ja CO2 tase tõusma. Enamik eluvorme hääbuks lühikese aja jooksul, ellu jääksid vaid mõned spetsiifilised bakterid ja organismid, kes saavad energiat keemilistest ühenditest (kemosüntees) süvaookeanis.
Kas ainult taimed suudavad fotosünteesida?
Ei, lisaks taimedele on väga olulised fotosünteesijad vetikad (nii mikroskoopilised kui ka suured merevetikad) ja tsüanobakterid (sinivetikad). Tegelikult toodavad ookeanides elavad vetikad ja bakterid hinnanguliselt 50–80% kogu Maa hapnikust.
Tehislik fotosüntees ja tulevikuenergeetika
Mõistes fotosünteesi mehhanisme süvitsi, on teadlased asunud looma selle protsessi kunstlikke analooge. Tehislik fotosüntees on kiiresti arenev teadusharu, mille eesmärk on luua süsteeme, mis suudaksid päikesevalguse abil toota vesinikku või muid kütuseid otse veest ja süsihappegaasist, sarnaselt sellele, kuidas taimed toodavad suhkruid. See tehnoloogia võiks tulevikus lahendada kaks suurt probleemi korraga: pakkuda puhast, taastuvat energiat ja vähendada atmosfääris olevat süsihappegaasi taset.
Kuigi looduslik fotosüntees on suhteliselt madala efektiivsusega (taimed salvestavad vaid väikese osa neile langevast päikeseenergiast), loodavad insenerid luua materjale ja katalüsaatoreid, mis ületaksid loodusliku protsessi efektiivsust mitmekordselt. See tähendaks revolutsiooni energeetikas, kus “kütust” saaks toota igal pool, kus paistab päike ja on vett, ilma keskkonda saastamata. Seega on fotosüntees mitte ainult meie bioloogilise mineviku ja oleviku alus, vaid tõenäoliselt ka võti meie tehnoloogilise ja säästva tuleviku kindlustamiseks.
