Φωτοσύνθεση ΤΟ ΤΕΛΕΙΟ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΟ Πώς θα ήταν το τέλειο εργοστάσιο; Φυσικά θα λειτουργούσε αθόρυβα, θα ήταν όμορφο εξωτερικά. Αντί να ρυπαίνει, θα βελτίωνε το περιβάλλον με τη λειτουργία του και μόνο. Ασφαλώς θα παρήγαγε κάτι χρήσιμο -μάλιστα ζωτικό- για όλους. Ενα τέτοιο εργοστάσιο θα λειτουργούσε με ηλιακή ενέργεια ασφαλώς. Με αυτόν τον τρόπο δεν θα χρειαζόνταν ηλεκτρικό ρεύμα, κάρβουνο ή πετρέλαιο για να λειτουργεί. Χωρίς αμφιβολία, το εργοστάσιο αυτό θα χρησιμοποιούσε ηλιακές συστοιχίες πολύ ανώτερες τεχνολογικά απο τη σημερινή ανθρώπινη τεχνολογία. Αυτές θα ήταν εξαιρετίκα αποδοτικές, φτηνές και δεν θα ρύπαιναν τόσο στην κατασκευή τους οσο και στη χρήση τους. Ολα αυτά θα τα έκανε αθόρυβα χωρίς τα απρόοπτα προβλήματα, τις βλάβες ή τις ατέλειωτες ρυθμίσεις που απαιτεί η πιο εξελιγμένη τεχνολογία σήμερα. Θα αναμέναμε από το τέλειο εργοστάσιο να είναι πλήρως αυτοματοποιημένο και να μην χρειάζεται ανθρώπινη φροντίδα. Μάλιστα θα αυτοδιορθωνόνταν, θα αυτοσυντηρούνταν, και θα αυτοαναπαραγόνταν. Είναι το τέλειο εργοστάσιο απλώς ουτοπικό όνειρο; Στην ουσία αυτό το τέλειο εργοστάσιο είναι το χορτάρι που πατάμε, στη πραγματικότητα κάθε πράσινο φυτό. Εχοντας ως καύσιμο το ηλιακό φώς, τα πράσινα φυτά χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα, νερό και μεταλλικά στοιχεία για να παράγουν τροφή άμεσα η έμμεσα, σχεδόν για όλες τις μορφές ζωής στη γη. Στην πορεία, ανεφοδιάζουν την ατμόσφαιρα απομακρύνοντας το διοξείδιο του άνθρακα και εκλύοντας καθαρό οξυγόνο. Συνολικά τα πράσινα φυτά της γής παράγουν όπως υπολογίζεται 150 ως 400 δισεκατομμύρια τόνους σακχάρων ετησίως -πολύ μεγαλύτερη ποσότητα υλικών από την συνολική παραγωγή της παγκόσμιας βιομηχανίας σιδήρου, χάλυβα, αυτοκινήτων και διαστημοπλοίων. Το πετυχαίνουν αυτό χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια προκειμένου να αφαιρέσουν άτομα υδρογόνου από μόρια νερού και κατόπιν να ενώσουν αυτά τα άτομα υδρογόνου με μόρια διοξειδίου του άνθρακα που περνούν από την ατμόσφαιρα μετατρέποντας το διοξέιδιο του άνθρακα σε έναν υδατάνθρακα γνωστό ως σάκχαρο. Αυτή η διαδικασία λέγεται φωτοσύνθεση. Τα φυτά κατόπιν χρησιμοποιούν τα νέα μόρια σακχάρου για ενέργεια, είτε μπορούν να τα συνδιάσουν για να σχηματίσουν άμυλο που θα το αποθηκεύσουν για τροφή ή κυτταρίνη, την σκληρή ινώδη ουσία από την οποία αποτελούνται οι φυτικές ίνες. Για παράδειγμα μια τεράστια σεκόγια ύψους ενενήντα μέτρων αποτελείται κυρίως από αέρα, ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα και ένα μόριο νερού τοποθετημένο διαδοχικά σε αναρίθμητα εκατομύρια μικροσκοπικές "αλυσίδες παραγωγής" που ονομάζονται χλωροπλάστες. Σιγά σιγά οι επιστήμονες ανασηκώνουν το καπάκι του μαύρου κουτιού της φωτοσύνθεσης για να παρατηρήσουν την φοβερά πολυσύνθετη βιοχημική διεργασία που γίνεται στο εσωτερικό του δέντρου. Με γυμνό μάτι ολόκληρο το φύλλο φαίνεται πράσινο αλλά αυτό είναι οφθαλμαπάτη. Ομως, κάτω από το μικροκόπιο τα πράγματα αλλάζουν. Τα μεμονωμένα κύτταρα του φυτού που βλέπουμε δεν είναι και τόσο πράσινα. Αντίθετα, στο μεγαλύτερο μέρος τους είναι διαφανή αλλά το καθένα περιέχει γύρω στους 50 με 100 πολύ μικρούς πρασινους κόκκους. Αυτοί οι κόκκοι είναι οι χλωροπλάστες, εκεί όπου βρίσκεται η φωτοευαίσθητη πράσινη χλωροφύλλη και λαβαίνει χώρα η φωτοσύνθεση. Τι συμβαίνει όμως μέσα στους χλωροπλάστες; Ο χλωροπλάστης μοιάζει με μικροσκοπικό σάκκο που περιέχει ακόμη μικρότερους πεπλατυσμένους σάκκους, οι οποίοι ονομάζονται θυλακοειδή. Εκεί εντοπίζουμε την πηγή του πράσινου χρώματος του χορταριού. Πράσινα μόρια χλωροφύλλης εμπεριέχονται στην επιφάνεια των θυλακοειδών, όχι τυχαία, αλλά σε προσεκτικά οργανωμένες στοιβάδες που ονομάζονται φωτοσυστήματα. Υπάρχουν δύο είδη φωτοσυστημάτων στα περισσότερα πράσινα φυτα, γνωστά ως φωτοσύστημα Ι (PSI) και ως φωτοσύστημα ΙΙ (PSII). Τα φωτοσυστήματα ενεργούν όπως οι ειδικευμένες ομάδες παραγωγής σε ένα εργοστάσιο, το καθένα φροντίζει για μια συγκεκριμένη σειρά βημάτων στην φωτοσύνθεση. Καθώς το ηλιακό φώς πέφτει πάνω στην επιφάνεια του θυλακοειδούς, συμπλέγματα μορίων χλωροφύλλης του PSII που ονομάζονται συλλέκτες φωτός είναι έτοιμα να δεσμεύσουν το φως. Αυτά τα μόρια ενδιαφέρονται ιδιαίτερα να απορροφήσουν ερυθρό φως που έχει συγκεκριμένο μήκος κύματος. Σε διαφορετικά σημεία του θυλακοειδούς τα συμπλέγματα του PSI αναζητούν φώς με κάπως μεγαλύτερο μήκος κύματος. Στο μεταξύ τόσο η χλωροφύλλη όσο και μερικά άλλα μόρια, όπως τα καροτινοειδή, αορροφούν ανοιχτό μμπλέ και ιώδες φώς. Από όλα τα μήκη κύματος που πέφτουν στα φυτά, μόνο το πράσινο φως τους είναι άχρηστο, με αποτέλεσμα να ανατανακλάται και να μπορούμε να το δούμε εμείς. Τα πράσινα χρώματα και τα βαθιά σμαραγδοπράσινα χρώματα προέρχονται από μήκη κύματος που δεν τα εκτιμούν τα φυτά αλλά εμείς οι άνθρωποι τα θεωρούμε πολύτιμα. Σε αντίθεση με την ρύπανση και τα απόβλητα από τα ανθρώπινα εργοστάσια, αυτό το φώς που "αποβάλλεται" ασφαλώς δεν πηγαίνει χαμένο ακριβώς γιατι είμαστε εμείς που το απολαμβάνουμε όταν κοιτάμε ένα πράσινο λιβάδι ή ένα καταπράσινο δάσος που μας γοητεύει. Επιστρέφοντας στον χλωροπλάστη, στο σύμπλεγμα του PSII, η ενέργεια από το ερυθρό τμήμα του ηλιακού φωτός μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια που υπάρχουν μέσα στα μόρια της χλωροφύλλης, ώσπου, τελικά ένα ηλεκτρόνιο ενεργοποιείται, ή "διεγείρεται", τόσο πολύ ώστε εκτινάσσεται από το σύμπλεγμα και πέφτει στην αγκαλιά ενός μορίου-μεταφορεά που περιμένει στην μεμβράνη του θυλακοειδούς. Σαν χορεύτρια που περνάει απο παρτεναίρ σε παρτεναίρ, το ηλεκτρόνιο περνάει από το ένα μόριο-μεταφορέα στο άλλο ενώ χάνει σταδιακά ενέργεια. Οταν η ενέργεια του μειωθεί αρκετά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ασφάλεια για να αντικαταστήσει ένα ηλεκτρόνιο στο άλλο φωτοσύστημα, το PSI. Στο μεταξύ το σύμπλεγμα του PSII χάνει ένα ηλεκτρόνιο, φορτιζεται θετικά και είναι έτοιμο να πάρει ένα ηλεκτρόνιο σε αντικατάσταση εκείνου που έχασε. Λόγω της απώλειας του ηλεκτρονίου, το σύμπλεγμα PSII αναστατώνεται και αναζητά αντικαταστάτη. Το πλησιέστερο μόριο νερού που περιφέρεται εκεί κοντά θα δώσει την λύση. Το μόριο του νερού αποτελείται από ένα σχετικά μεγάλο άτομο οξυγόνου και δυό μικρότερα άτομα υδρογόνου. Το συγκρότημα παραγωγής οξυγόνου του PSII, περιέχει τέσσερα ιόντα μαγγανίου, τα οποία αφαιρούν τα ηλεκτρόνια από τα άτομα υδρογόνου που υπάρχουν στο μόριο του νερού. Το αποτέλεσμα είναι το ότι το μόριο του νερού διασπάται σε δύο θετικά ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια), ένα άτομο οξυγόνου και δύο ηλεκτρόνια. Καθώς μόρια νερού διαμελίζονται, τα άτομα του οξυγόνου ζευγαρώνουν σχηματίζοντας μόρια αερίου οξυγόνου τα οποία το φυτό επιστρέφει στον αέρα για δική μας χρήση. Τα ιόντα υδρογόνου αρχίζουν να συσσωρεύονται μέσα στον θυλακοειδή σάκκο όπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν από το φυτό και τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται για να ανεφοδιάσουν το συγκρότημα PSII, το οποίο είναι τώρα έτοιμο να επαναλάβει τον κύκλο πολλές φορές το δευτερόλεπτο. Μέσα στον θυλακοειδή σάκκο, τα στριμωγμένα ιόντα υδρογόνου αρχίζουν να αναζητούν κάποια διέξοδο. Κάθε φορά που κάποιο μόριο νερού διασπάται, όχι μόνο προστίθενται δύο ιόντα υδρογόνου αλλά και άλλα ιόντα υδρογόνου ελκύονται μέσα στον θυλακοειδή σάκκο από τα ηλεκτρόνια του PSII, καθώς αυτά μεταφέρονται στο συγκρότημα του PSI. Πολυ γρήγορα, τα ιόντα υδρογόνου αρχίζουν να στριφογυρίζουν σαν αγριεμένες μέλλισσες σε γεμάτη κυψέλη. Η λειτουργία της φωτοσύνθεσης έχει προμηθεύσει μια περιστρεφόμενη πόρτα με μία μόνο έξοδο, με την μορφή κάποιου ειδικού ενζύμου που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ενός πολύ σημαντικού κυτταρικού καυσίμου, το οποίο ονομάζεται τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ). Καθώς τα ιόντα υδρογόνου βγαίνουν με δύναμη από την περιστρεφόμενη πόρτα, παρέχουν την ενέργεια που απαιτείται για να επαναφορτιστούν τα χρησιμοποιημένα μόρια της ΑΤΡ. Τα μόρια της ΑΤΡ είναι σαν μικροσκοπικές μπαταρίες. Παρέχουν μικρες εκρήξεις ενέργειας, στο κατάλληλο σημείο, για κάθε είδους αντιδράσεις που λαβαίνουν χώρα στο κύτταρο. Αργότερα, αυτά τα μόρια ΑΤΡ θα χρειαστούν στην φωτοσυνθετική αλυσσίδα παραγωγής σακχάρων. Εκτός απο την ΑΤΡ, ένα άλλο μικρό μόριο είναι ζωτικό για την σύνθεση σακχάρων. Ονομάζεται "ανηγμένο φωσφορικό νικοτιναμιδο-αδενινο- δινουκλεοτίδιο" (σας φάνηκε δύσκολο; πιό χαιδευτικά NADPH). Τα μόρια του NADPH μοιάζουν με μικρά φορτηγά μεταφορών, που το καθένα μεταφέρει ένα άτομο υδρογόνου σε ένα ένζυμο που περιμένει και το οποίο χρειάζεται το άτομο υδρογόνου για να μπορέσει να συνθέσει ένα μόριο σακχάρου. Η κατασκευή του NADPH είναι δουλειά του συγκροτήματος του PSI. Ενώ το φωτοσύστημα PSII ασχολείται με την διάσπαση του μορίου του νερού και τα χρησιμοποιεί για να φτιάξει ΑΤΡ, το άλλο φωτοσύτημα PSI απορροφά φως και εκπμέπει ηλεκτρόνια τα οποία τελικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή του NADPH. Τα μόρια τόσο της ΑΤΡ όσο και του NADPH βρίσκονται αποθηκευμένα στον χώρο που υπάρχει έξω από το θυλακοειδές για να χρησιμοποιηθούν μελλοντικά στην αλυσσίδα παραγωγής σακχάρων. Δισσεκατομύρια τόνοι σακχάρων δημιουργούνται κάθε χρόνο από την φωτοσύνθεση, εν τούτοις, οι φωτοσυνθετικές αντιδράσεις που γίνονται με την επίδραση της ηλιακή ςενέργειας, στην πραγματικότητα δεν παράγουν καθόλου σάκχαρα. Το μόνο που παράγουν είναι ΑΤΡ ("μπαταρίες") και NADPH ("φορτηγά μεταφορών"). Από αυτό το σημείο τα ένζυμα που υπάρχουν στο στρώμα, δηλ. στον χώρο έξω από τα θυλακοειδή, χρησιμοποιούν το ΑΤΡ και το NADPH για να παράγουν σάκχαρα. Στην παργματικοτητα το φυτό μπορεί να παράγει σάκχαρα στο απόλυτο σκοτάδι. Θα μπορούσαμε να παρομοιάσουμε τον χλωροπλάστη με ένα εργοστάσιο το οποίο έχει δύο συνεργεία (PSI και PSII) μέσα στα θυλακοειδή για να κατασκευάζουν μπαταρίες και φορτηγά μεταφορών (ΑΤΡ και NADPH), τα οποία θα τα χρησιμοποιήσει ένα τρίτο συνεργείο (ειδικά ένζυμα) που βρίσκεται έξω στο στρώμα. Αυτό το τρίτο συνεργείο παράγει σάκχαρα προσθέτοντας άτομα υδρογόνου και μόρια διοξειδίου του άνθρακα σε μια ακριβή αλληλουχία χημικών αντιδράσεων στις οποίες χρησιμοποιεί τα ένζυμα που υπάρχουν στο στρώμα. Και τα τρία συνεργεία μπορούν να εργάζονται στην διάρκεια της μέρας, ενώ το συνεργείο που φτιάχνει σάκχαρα εργάζεται και νυχτερινή βάρδια, τουλάχιστον μέχρις ότου εξαντληθοούν τα αποθέματα ΑΤΡ και NADPH που έχει ετοιμάσει η πρωινή βάρδια. Τι ακριβώς όμως είναι αυτό το στρώμα έξω από τα θυλακοειδή; Φανταστείτε ότι είναι σαν ένα είδος κυτταρικού γραφείου συνοικεσίων που είναι γεμάτο άτομα και μόρια τα οποία πρέπει να "παντρευτούν" μεταξύ τους, αλλά ποτε'δεν θα τα κατάφερναν μονα τους. Μερικα ένζυμα μοιάζουν με πολύ πιεστικούς προξενητές. Πρόκειται για μόρια πρωτεινών που έχουν ειδικά σχήματα τα οποία τους επιτρέπουν να πιαστούν απο τα σωστά άτομα ή μόρια για κάποια συγκεκριμένη αντίδραση. Ωστόσο, δεν αρκούνται απλώς και μόνο στο να φέρουν σε επαφή τους μελλοντικούς γαμήλιους μοριακούς συντρόφους. Τα ένζυμα δεν θα ικανοποιηθούν αν δεν δούν να γίνεται ο γάμος, έτσι αρπάζουν το μελλοντικό ζευγάρι και φέρνουν τους διστακτικούς συντρόφους σε άμεση επαφή επιβάλλοντς την τελετή, σαν να γίνεται ένας βιοχημικός βεβιασμένος γάμος. Μετά την τελετή τα ένζυμα απελευθερώνουν το νέο μόριο και επαναλαμβάνουν την διαδικασία ξανά και ξανά. Στο στρώμα, τα ένζυμα διακινούν σχεδόν έτοιμα μόρια σακχάρων με απίστετυη ταχύτητα, τα αναδιατάσσουν, τα ενεργοποιούν με ΑΤΡ, προσθέτουν διοξείδιο του άνθρακα, προσαρτούν υδρογόνο, και τελικά, στέλνουν ένα σάκχαρο με τρία άτομα άνθρακα σε άλλο μέρος του κυττάρου για να μετατραπεί σε γλυκόζη και σε πολλες άλλες παραλλαγές. Η φωτοσύνθεση δεν είναι απλώς μια βασική αντίδραση. Είναι μια βιοχημική συμφωνία εκπληκτικής πολυπλοκότητας και επιδεξότητας. Είναι μια εξαιρετική, φοβερά καλορυθμισμένη διεργασία για την δέσμευση της ενέργειας των ηλιακών φωτονίων. Η πολύπλοκη αρχιτεκτονική του φυτού και τα αφάνταστα περίπλοκα βιοχημικά και γενετικά συστήματα ελέγχου που ρυθμίζουν την φωτοσυνθετική δρατηριότητα, μπορούν να θεωρηθούν ως εκλεπτύνσεις της βασικής διεργασίας δέσμευσης του φωτονίου και της μετατροπής της ενέργειας του σε χημική μορφή. Είναι πραγματικά εκπληκτικό αν σκεφτούμε ότι αυτό που εμείς απλά βλέπουμε σαν πράσινο χρώμα είναι μια τεχνολογία πολύ ανώτερη από οτιδήποτε έχει επινοήσει ο άνθρωπος. Αυτορυθμιζόμενες, αυτοσυντήρητες, υπομικροσκοπικές "μηχανές" οι οποίες λειτουργούν με χιλιάδες, ή ακόμη και εκατομύρια κύκλους το δευτερόλεπτο, χωρίς θόρυβο, ρύπανση ή ασχήμια, μετατρέποντας το ηλιακό φώς σε σάκχαρα. Σκεφτείτε το αυτό την επόμενη φορά που θα δείτε ένα πανέμορφο δάσος ή θα περπατήσετε πάνω στο πράσινο χορτάρι του πιο κοντινού σας πάρκου.