Извор живота

Ex sole vita (Из сунца долази живот)

Док удишемо ваздух у чијем саставу је животно важан кисеоник, биљке око нас тихо обављају један од најважнијих хемијских процеса у природи – фотосинтезу. Овим хемијским процесом биљке апсорбују угљен-диоксид и воду, па користећи енергију сунчеве светлости стварају угљене хидрате – глукозу за своју исхрану и раст и такође ослобађају кисеоник. Упрошћено, хемијска реакција може да се прикаже као:

угљен-диоксид + вода + енергија светлости → угљени хидрати + кисеоник.

То је најважнија хемијска реакција на Земљи, без које не би било кисеоника, али ни биљака, животиња и људи. Океани и мора такође играју важну улогу у производњи кисеоника и често се називају „плућима Земље”. Већина кисеоника на Земљи долази од океанских и морских ситних организама и алги који производе кисеоник као нуспроизвод претварања угљен-диоксида и енергије сунчеве светлости у хемијску енергију. Процењује се да се у океанима и морима произведе преко 50 одсто кисеоника у Земљиној атмосфери. Преостали кисеоник долази од копнених биљака, посебно дрвећа и шума, па се ефекат стаклене баште изазван повећањем угљен-диоксида у атмосфери може умањити само очувањем и обнављањем шума.

Фотосинтеза је такође основа већине ланаца исхране. Ланац исхране је низ који одређује који организам се храни другим организмом. На пример: гусеница једе лист; птица једе гусеницу; куна и ласица једу птицу и тако даље. Биљке су такозвани примарни произвођачи, што значи да су на почетку ланца исхране и обезбеђују енергију свим осталим живим бићима.

Врба у саксији

Фотосинтезу постепено је откривало више научника. Прва назнака о тој појави био је експеримент са врбом који је извео фламански лекар и физичар Јан Баптиста ван Хелмонт. Ван Хелмонт (1580–1644) је узгајао врбу у саксији и после пет година измерио масу земље, дрвета и воде коју је додавао у току раста биљке. Биљка је добила на маси неколико десетина килограма, а пошто је количина земље незнатно смањена у односу на почетак његовог експеримента, закључио је да је повећање масе дрвета у потпуности настало од воде. Иако није био потпуно у праву, то је био први значајан корак у откривању фотосинтезе.

Џозеф Пристли (1733–1804), енглески научник, теолог, филозоф и предавач, успешан у више научних области (хемија, електротехника, политичка теорија) први је уочио да биљке „поправљају” ваздух. Џозеф Пристли био је универзални научник, што је тада било уобичајено, па је имао значајне радове о електрицитету, осмислио је апарат за производњу газиране воде, открио је осам гасова, од којих је најзначајнији кисеоник (по њему „дефлогистиковани ваздух”), који је потом француски хемичар Лавоазје назвао кисеоник. Његова подршка Америчкој и Француској револуцији и контроверзне публикације изазвале су негодовање јавности и власти, па му је руља спалила кућу и лабораторију, што га је приморало да емигрира у Сједињене Државе, где је свечано дочекан. Пристлија је заинтригирало питање: зашто је ваздух на пољима и у шумама чистији него у градовима?

Пристли је извео чувени експеримент: у затворену посуду је ставио свећу која се угасила после неког времена. И миш није могао дуго да преживи у затвореној посуди. Међутим, када је у посуду ставио биљку, после неког времена ваздух се побољшао, свећа је горела, а миш је остао жив. Он није знао шта се тачно дешава, јер тада још увек није био познат кисеоник у модерном значењу ове речи нити је била позната суштина процеса сагоревања, али је поставио темељ открићу фотосинтезе. Био је члан Краљевског друштва у Лондону и добитник Коплијеве медаље. Поводом његове смрти амерички председник Томас Џеферсон назвао га је „једним од ретких људи драгоцених човечанству”.

Нови, важан корак у открићу фотосинтезе направио је британски лекар, биолог и хемичар холандског порекла Јан Ингенхаус (1730–1799), познат и као саветник и лекар на двору аустријске царице Марије Терезије. Он је проширио Пристлијева запажања и показао улогу светлости у производњи кисеоника од стране биљака. Након што је биљке снабдео водом и затим најпре изложио светлости, а потом ставио у мрачну просторију, открио је да је светлост неопходна биљци да би обновила ваздух и да су само зелени делови биљке укључени у тај процес.

Током процеса фотосинтезе врло је значајан и енергетски биланс, на који је најпре указао славни немачки лекар и термодинамичар Јулијус Роберт Мајер, творац првог закона термодинамике, који је закључио да биљке претварају светлосну енергију у хемијску енергију. Процењује се да фотосинтеза сваке године на Земљи ускладишти око три милијарде тераџула енергије у облику органске материје, што је око пет пута више од укупне потрошње енергије целог човечанства. Осим тога, фотосинтезом се претвори око 100 милијарди тона угљеника годишње у биомасу.

У даљем откривању суштине фотосинтезе више научника се бавило овим проблемом, при чему је свако од њих дао свој допринос да се открије једна од најважнијих тајни природе. Међутим, сама суштина хемијских процеса који се дешавају приликом фотосинтезе дуго није била решена. Била је мистерија одакле долази кисеоник, сматрало се да кисеоник потиче из угљен-диоксида, а касније је утврђено да је извор кисеоника вода, а не угљен-диоксид. Али и даље цео процес фотосинтезе није био објашњен. Мноштво научника је истраживало ову загонетку, али је тек у двадесетом веку амерички хемичар Мелвин Калвин, уз сарадњу и других научника, решио хемијску суштину фотосинтезе.

Мелвин Калвин (1911–1997), син совјетских емиграната, рођен је у америчкој савезној држави Минесота. Најпре је студирао на данас престижном Универзитету МИТ, а затим докторирао хемију на универзитету у Минесоти. После Другог светског рата постао је директор Одељења за биоорганску хемију у Берклију, где се посветио проучавању фотосинтезе. Године 1961. Калвин је добио Нобелову награду за откриће механизма фотосинтезе, познато као Калвин-Бенсонов циклус.

Двостепени процес

Не улазећи дубље у све хемијске реакције и молекуларне механизме фотосинтезе, она поједностављено може да се објасни као двостепени процес. Разликује се реакција зависна од светлости (примарна реакција) и реакција зависна од таме (секундарна реакција). У првој фази сунчева светлост обасјава листове биљке и зелени пигмент – хлорофил који апсорбује сунчеву светлосну енергију. Хлорофил изгледа зелено, јер одбија зелену, а упија црвену и плаву таласну дужину светлости. Други пигменти омогућавају листовима да покажу различите боје. Користећи ову енергију, биљка воду, која долази од корена до листова, разлаже на кисеоник и водоник. Кисеоник се ослобађа у атмосферу, а водоник се користи за редукцију угљен-диоксида до органских супстанци. У другој фази биљка користи створену хемијску енергију да претвори угљен-диоксид из ваздуха у шећер – глукозу, што даје биљци енергију, којом се даље добија скроб и целулоза који обезбеђују биљци храну и раст, а служе и за изградњу делова биљке, као што су листови и стабљике.

Енергетска ефикасност фотосинтезе, односно ефикасност претварања сунчеве енергије у биохемијску енергију у биљкама зависи од тога шта се мери. На нивоу молекула фотосинтеза скоро савршено управља енергијом светлости, али на нивоу целе биљке у хемијску енергију се претвори само мали део укупне сунчеве енергије, у просеку десет пута мање него у соларним ћелијама којим се сунчева енергија претвара у електричну енергију. Због тога се фотосинтеза и даље истражује с циљем повећања њене ефикасности, што би у случају хранљивих биљака довело до већих приноса. Научници данас покушавају да направе и вештачку фотосинтезу – технологију која би имитирала биљке и омогућила јефтино добијање водоника из воде помоћу енергије сунчеве светлости. Ако би то успело у великом обиму, водоник би заиста могао да постане једно од главних чистих горива будућности и могао би да замени фосилна горива. То је сложени процес и велики изазов, али може да се учи на примеру природне фотосинтезе.

Од једне врбе у саксији до разумевања молекула живота, прича о фотосинтези показује како наука напредује – стрпљиво, корак по корак, откривајући механизме природе од виталног значаја за човека и све живе организме.