Auringonvaloa lehdellä – fotosynteesi

Yhteyttäminen pitää elämän käynnissä

Fotosynteesin eli yhteyttämisen ansiosta kasvit ja levät pystyvät muuttamaan hiilidioksidin ja veden elämää ylläpitäviksi hapeksi ja sokeriksi. Siksi tutkijatkin perehtyvät fotosynteesiin taistelussa ilmastonmuutoksia ja elintarvikepulaa vastaan.

Fotosynteesin eli yhteyttämisen ansiosta kasvit ja levät pystyvät muuttamaan hiilidioksidin ja veden elämää ylläpitäviksi hapeksi ja sokeriksi. Siksi tutkijatkin perehtyvät fotosynteesiin taistelussa ilmastonmuutoksia ja elintarvikepulaa vastaan.

Mitä yhteyttäminen on?

Kun maapallo syntyi nuorta Aurinkoa kiertäneestä pöly- ja kaasupilvestä noin 4,6 miljardia vuotta sitten, sen ilmakehässä ei ollut happea.

Noin miljardi vuotta myöhemmin kehittyivät ensimmäiset sini- eli syanobakteerit, jotka alkoivat tuottaa happea yhteyttämällä. Tästä alkoi kehityskulku, joka synnytti Maalle ilmakehän ja loi perustan ihmisen ja koko eläinkunnan synnylle.

Happea syntyy yhteyttämällä.

Yhteyttäminen eli fotosynteesi on prosessi, jossa kasvit, levät ja jotkin bakteerit sitovat itseensä hiilidioksidia (CO2) ja vettä (H2O) ja muodostavat niistä glukoosia eli sokeria.

Kasvi tarvitsee glukoosia kasvaakseen, mutta muiden eliöiden kannalta tärkeää on yhteyttämisen sivutuote happi. Yhteyttäminen on maailman tärkein biokemiallinen prosessi.

Tämä on yhteyttämisen kaava:

6 CO2 + 6 H2O + energiaa auringonsäteilystä --> C6H12O6 (glukoosi) + 6 O2

Miten yhteyttäminen tapahtuu?

Yhteyttämisessä vihreät kasvit hyödyntävät auringonsäteilyn energiaa muuttaakseen ilman hiilidioksidia sokereiksi ja hapeksi.

Näin yhteyttäminen toimii

Näin fotosynteesi tapahtuu
/ 6

Vesi (H2O) nousee kasvin juurista lehtiin.

1

Auringon säteilyenergia hajottaa vesimolekyylit ja vapauttaa elektroneja.

2

Yhteyttäminen tapahtuu kasvisolun viherhiukkasissa.

3

Hiilidioksidia (CO2) kulkeutuu ilmarakojen kautta lehden soluihin.

4

Kun vedestä vapautuneet elektronit hajottavat hiilidioksidia (CO2), syntyy hiiltä (C), joka on kasvin rakennusaine.

5

Prosessin sivutuotteena syntyy happea (O2), joka haihtuu lehdestä ilmaan.

6
© Claus Lunau

Milloin yhteyttäminen keksittiin?

Yhteyttäminen on tavallaan hengittämisen vastakohta. Ihmiset ja eläimethän ottavat ilmasta happea ja hengittävät ulos hiilidioksidia.

Yhteyttämistä tutki tieteellisesti ensimmäisenä alankomaalainen Jan Ingenhousz vuonna 1771. Hän havaitsi, että auringonvalossa kasveista vapautuu happea, kun taas pimeällä ne tuottavat hiilidioksidia.

Vuonna 1999 grönlantilainen tutkija Minik Rosing löysi jälkiä yhteyttävistä eliöistä Grönlannin kallioista. Jäljet olivat syanobakteereista kerrostunutta hiiltä, joka oli syntynyt 3,7 miljardia vuotta sitten.

Yhteyttäminen on ylivoimaisesti merkittävin käänne Maan elämän kehityksessä. Minik Rosing, Kööpenhaminan yliopiston geologian professori.

Kasvien tavoin myös syanobakteerit yhteyttävät ja tuottavat siinä sivussa happea. Syanobakteerien satojen miljoonien vuosien aikana tuottama happi loi perustan muiden, kehittyneempien elämän muotojen kehittymiselle.

Syanobakteerit yhteyttävät

Syanobakteereja on ollut olemassa yli kolme miljardia vuotta. Niiden yhteyttämällä tuottama happi on kaiken Maassa olevan elämän perusta.

Syanobakteerien tuottama happi ei aluksi lisännyt ilmakehän happipitoisuutta. Ilmaan vapautunut happi sitoutui muihin aineisiin, muun muassa kallioiden sisältämään rautaan.

Vähitellen happea alkoi kuitenkin kertyä myös ilmakehään. Ajan mittaan siitä syntyi myös otsonikerros, joka suodattaa pois ison osan Auringon haitallisesta ultraviolettisäteilystä.

Kahden miljardin viime vuoden ajan ilmakehä on ollut hyvin happipitoinen. Laskelmien mukaan maapallolla syntyy 280 miljardia tonnia happea vuodessa. Siitä 46 prosenttia on peräisin merien levistä ja syanobakteereista. Loput 54 prosenttia syntyy kuivalla maalla.

21 prosenttia ilmakehästä on happea (loppu on typpeä, hiilidioksidia ja muita kaasuja). Hapesta 46 prosenttia on lähtöisin merien levistä ja syanobakteereista. Loput 54 prosenttia syntyy kuivalla maalla.

Video: Nasa havainnoi yhteyttämistä avaruudesta

Ilmastonmuutos ja yhteyttäminen

Hapen ja hiilidioksidin kierto on ollut luonnollisessa tasapainossa miljoonia vuosia. Nyt ilmastonmuutos on muuttamassa tilanteen.

Vuonna 2019 ihmiskunta tuotti ilmakehään 37 gigatonnia hiilidioksidia. Se on 30 prosenttia enemmän kuin 1970-luvulla.

Enemmistö tutkijoista on sitä mieltä, että ilmakehän hiilidioksidipitoisuuden kasvu johtuu fossiilisten polttoaineiden käytöstä. Siksi kasvien luonnollinen yhteyttäminen ei riitä poistamaan kasvanutta hiilidioksidin määrää ilmakehästä.

Tutkijat etsivätkin koko ajan uusia keinoja, joilla hiilidioksidia voidaan sitoa tai varastoida niin, että sen määrä ilmakehässä ei kasvaisi.

Tekokasvit opettelevat yhteyttämään

Keinotekoiset kasvit, jotka jäljittelevät yhteyttämistä, ovat jo vanha keksintö.

Tähän asti kaikkien tekokasvien ongelmana on kuitenkin ollut se, että ne voivat sitoa vain paineistettua hiilidioksidia laboratorion säiliöstä. Ne eivät ole pystyneet ottamaan hiilidioksidia tavallisesta ilmasta.

Vuonna 2019 keksittiin erikoiskalvo, joka saattaa ratkaista tekokasvien ongelman.

Kalvo ympäröi tekokasvin lehteä, ja sen sisällä on vettä. Kun vesi lämpenee auringonpaisteessa, se höyrystyy ja poistuu lehden alapinnalla olevista raoista. Samalla lehden yläpinnan raoista imeytyy lehden sisään hiilidioksidia. Raot ovat samanlaisia kuin ilmaraot luonnollisten kasvien lehdissä.

Valoa imevä aine kerää Auringon säteilyenergiaa, joka yhdessä apuaineiden kanssa käynnistää lehdessä yhteyttämisprosessin.

Tekokasvi muuttaa hiilidioksidia hapeksi ja hiilimonoksidiksi. Happi päästetään ilmaan, ja hiilimonoksidista valmistetaan synteettisiä polttoaineita.

Näin tekokasvi yhteyttää

Keinotekoinen lehti – fotosynteesi
/ 3

Vesi höyrystyy

Kun aurinko lämmittää kalvon sisällä olevaa vettä, vesi höyrystyy ja haihtuu ulos lehden alapinnan ilmaraoista. Samalla hiilidioksidia (CO2) kulkeutuu lehden sisään yläpinnan ilmaraoista.

1

Yhteyttäminen käynnistyy

Keinotekoisen kasvin yhteyttämisprosessi muuttaa hiilidioksidin hapeksi ja hiilimonoksidiksi (CO).

2

Hiilidioksidi muuttuu polttoaineeksi

Oikeat kasvit tuottavat sokeria. Tekokasvin yhteyttämisessä syntyy hiilimonoksidia, josta voidaan valmistaa synteettisiä polttoaineita.

3
©

Uudella kalvolla peitetty tekokasvi sitoo ilmasta kymmenen kertaa niin paljon hiilidioksidia kuin saman kokoinen oikean kasvin lehti.

Käytännössä keinotekoinen kasvi muistuttaisi aurinkopaneelia. 360 paneelin laitos voisi sitoa ilmasta 792 kiloa hiilidioksidia päivässä.

Esittelemme kolme eläintä, joilla on kyky jäljitellä kasvien yhteyttämistä. Ne ottavat talteen energiaa päivää paistattelemalla.

Merikotilo yhteyttää
©

Merikotilo imee viherhiukkasia leviltä

Merikotilo (Elysia chlorotica) imee levistä viherhiukkasia mehupillin kaltaisella ulokkeella. Viherhiukkaset asettuvat kotilon soluihin ja jatkavat yhteyttämistä.

Hernekirva yhteyttää
©

Hernekirva tuottaa kasvimaista väriainetta

Hernekirva (Acyrthosiphon pisum) tuottaa samanlaista karotenoidia kuin kasvit, ja tämä väriaine antaa sille kyvyn ottaa energiaa auringonsäteilystä.

Täpläsalamanteri saa happea ja sokeria yhteyttäviltä leviltä
©

Levät ruokkivat salamanteria

Täpläsalamanteri (Ambystoma maculatum) saa kumppanikseen leviä, kun se kypsyy munana vedessä. Yhteyttävät levät tuottavat happea ja sokeria, joita salamanterin poikanen käyttää kasvamiseen.

Yhteyttämisen salat julki

Vuonna 2019 kansainvälinen tutkimusryhmä RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) onnistui muokkaamaan tupakkakasvien geenejä niin, että niiden yhteyttäminen tehostui huomattavasti.

Kasvit sitovat ilmasta hiilidioksidia viherhiukkasten rubisco-entsyymin avulla. Sama entsyymi tosin sitoo myös happea, mistä seuraa, että kasviin syntyy myrkyllisiä yhdisteitä, joiden hajottamiseen kuluu energiaa.

Koska kasvi joutuu käyttämään energiaa haitallisten yhdisteiden hajottamiseen, sille jää vähemmän energiaa hiilidioksidin muuttamiseen sokeriksi, jota se tarvitsee kasvuunsa.

Tutkijat saivat geenimuokkauksen avulla tehostettua myrkkyjen hajoamista tupakkakasveissa niin, että ne kasvoivat nopeammin ja jopa 40 prosenttia suuremmiksi kuin tavalliset tupakkakasvit.

Seuraavaksi tutkijat aikovat testata samaa menetelmää tomaattiin, soijaan ja muihin ravintokasveihin. Jos hanke onnistuu, kasviravinnon tuotanto voidaan ehkä jopa kaksinkertaistaa seuraavien 50 vuoden aikana. Se on hyvä uutinen, sillä maapallon väkiluvun arvellaan samassa ajassa kasvavan yhdeksään miljardiin.