Izvor života

Ex sole vita (Iz sunca dolazi život)

Dok udišemo vazduh u čijem sastavu je životno važan kiseonik, biljke oko nas tiho obavljaju jedan od najvažnijih hemijskih procesa u prirodi – fotosintezu. Ovim hemijskim procesom biljke apsorbuju ugljen-dioksid i vodu, pa koristeći energiju sunčeve svetlosti stvaraju ugljene hidrate – glukozu za svoju ishranu i rast i takođe oslobađaju kiseonik. Uprošćeno, hemijska reakcija može da se prikaže kao:

ugljen-dioksid + voda + energija svetlosti → ugljeni hidrati + kiseonik.

To je najvažnija hemijska reakcija na Zemlji, bez koje ne bi bilo kiseonika, ali ni biljaka, životinja i ljudi. Okeani i mora takođe igraju važnu ulogu u proizvodnji kiseonika i često se nazivaju „plućima Zemlje”. Većina kiseonika na Zemlji dolazi od okeanskih i morskih sitnih organizama i algi koji proizvode kiseonik kao nusproizvod pretvaranja ugljen-dioksida i energije sunčeve svetlosti u hemijsku energiju. Procenjuje se da se u okeanima i morima proizvede preko 50 odsto kiseonika u Zemljinoj atmosferi. Preostali kiseonik dolazi od kopnenih biljaka, posebno drveća i šuma, pa se efekat staklene bašte izazvan povećanjem ugljen-dioksida u atmosferi može umanjiti samo očuvanjem i obnavljanjem šuma.

Fotosinteza je takođe osnova većine lanaca ishrane. Lanac ishrane je niz koji određuje koji organizam se hrani drugim organizmom. Na primer: gusenica jede list; ptica jede gusenicu; kuna i lasica jedu pticu i tako dalje. Biljke su takozvani primarni proizvođači, što znači da su na početku lanca ishrane i obezbeđuju energiju svim ostalim živim bićima.

Vrba u saksiji

Fotosintezu postepeno je otkrivalo više naučnika. Prva naznaka o toj pojavi bio je eksperiment sa vrbom koji je izveo flamanski lekar i fizičar Jan Baptista van Helmont. Van Helmont (1580–1644) je uzgajao vrbu u saksiji i posle pet godina izmerio masu zemlje, drveta i vode koju je dodavao u toku rasta biljke. Biljka je dobila na masi nekoliko desetina kilograma, a pošto je količina zemlje neznatno smanjena u odnosu na početak njegovog eksperimenta, zaključio je da je povećanje mase drveta u potpunosti nastalo od vode. Iako nije bio potpuno u pravu, to je bio prvi značajan korak u otkrivanju fotosinteze.

Džozef Pristli (1733–1804), engleski naučnik, teolog, filozof i predavač, uspešan u više naučnih oblasti (hemija, elektrotehnika, politička teorija) prvi je uočio da biljke „popravljaju” vazduh. Džozef Pristli bio je univerzalni naučnik, što je tada bilo uobičajeno, pa je imao značajne radove o elektricitetu, osmislio je aparat za proizvodnju gazirane vode, otkrio je osam gasova, od kojih je najznačajniji kiseonik (po njemu „deflogistikovani vazduh”), koji je potom francuski hemičar Lavoazje nazvao kiseonik. Njegova podrška Američkoj i Francuskoj revoluciji i kontroverzne publikacije izazvale su negodovanje javnosti i vlasti, pa mu je rulja spalila kuću i laboratoriju, što ga je primoralo da emigrira u Sjedinjene Države, gde je svečano dočekan. Pristlija je zaintrigiralo pitanje: zašto je vazduh na poljima i u šumama čistiji nego u gradovima?

Pristli je izveo čuveni eksperiment: u zatvorenu posudu je stavio sveću koja se ugasila posle nekog vremena. I miš nije mogao dugo da preživi u zatvorenoj posudi. Međutim, kada je u posudu stavio biljku, posle nekog vremena vazduh se poboljšao, sveća je gorela, a miš je ostao živ. On nije znao šta se tačno dešava, jer tada još uvek nije bio poznat kiseonik u modernom značenju ove reči niti je bila poznata suština procesa sagorevanja, ali je postavio temelj otkriću fotosinteze. Bio je član Kraljevskog društva u Londonu i dobitnik Koplijeve medalje. Povodom njegove smrti američki predsednik Tomas Džeferson nazvao ga je „jednim od retkih ljudi dragocenih čovečanstvu”.

Novi, važan korak u otkriću fotosinteze napravio je britanski lekar, biolog i hemičar holandskog porekla Jan Ingenhaus (1730–1799), poznat i kao savetnik i lekar na dvoru austrijske carice Marije Terezije. On je proširio Pristlijeva zapažanja i pokazao ulogu svetlosti u proizvodnji kiseonika od strane biljaka. Nakon što je biljke snabdeo vodom i zatim najpre izložio svetlosti, a potom stavio u mračnu prostoriju, otkrio je da je svetlost neophodna biljci da bi obnovila vazduh i da su samo zeleni delovi biljke uključeni u taj proces.

Tokom procesa fotosinteze vrlo je značajan i energetski bilans, na koji je najpre ukazao slavni nemački lekar i termodinamičar Julijus Robert Majer, tvorac prvog zakona termodinamike, koji je zaključio da biljke pretvaraju svetlosnu energiju u hemijsku energiju. Procenjuje se da fotosinteza svake godine na Zemlji uskladišti oko tri milijarde teradžula energije u obliku organske materije, što je oko pet puta više od ukupne potrošnje energije celog čovečanstva. Osim toga, fotosintezom se pretvori oko 100 milijardi tona ugljenika godišnje u biomasu.

U daljem otkrivanju suštine fotosinteze više naučnika se bavilo ovim problemom, pri čemu je svako od njih dao svoj doprinos da se otkrije jedna od najvažnijih tajni prirode. Međutim, sama suština hemijskih procesa koji se dešavaju prilikom fotosinteze dugo nije bila rešena. Bila je misterija odakle dolazi kiseonik, smatralo se da kiseonik potiče iz ugljen-dioksida, a kasnije je utvrđeno da je izvor kiseonika voda, a ne ugljen-dioksid. Ali i dalje ceo proces fotosinteze nije bio objašnjen. Mnoštvo naučnika je istraživalo ovu zagonetku, ali je tek u dvadesetom veku američki hemičar Melvin Kalvin, uz saradnju i drugih naučnika, rešio hemijsku suštinu fotosinteze.

Melvin Kalvin (1911–1997), sin sovjetskih emigranata, rođen je u američkoj saveznoj državi Minesota. Najpre je studirao na danas prestižnom Univerzitetu MIT, a zatim doktorirao hemiju na univerzitetu u Minesoti. Posle Drugog svetskog rata postao je direktor Odeljenja za bioorgansku hemiju u Berkliju, gde se posvetio proučavanju fotosinteze. Godine 1961. Kalvin je dobio Nobelovu nagradu za otkriće mehanizma fotosinteze, poznato kao Kalvin-Bensonov ciklus.

Dvostepeni proces

Ne ulazeći dublje u sve hemijske reakcije i molekularne mehanizme fotosinteze, ona pojednostavljeno može da se objasni kao dvostepeni proces. Razlikuje se reakcija zavisna od svetlosti (primarna reakcija) i reakcija zavisna od tame (sekundarna reakcija). U prvoj fazi sunčeva svetlost obasjava listove biljke i zeleni pigment – hlorofil koji apsorbuje sunčevu svetlosnu energiju. Hlorofil izgleda zeleno, jer odbija zelenu, a upija crvenu i plavu talasnu dužinu svetlosti. Drugi pigmenti omogućavaju listovima da pokažu različite boje. Koristeći ovu energiju, biljka vodu, koja dolazi od korena do listova, razlaže na kiseonik i vodonik. Kiseonik se oslobađa u atmosferu, a vodonik se koristi za redukciju ugljen-dioksida do organskih supstanci. U drugoj fazi biljka koristi stvorenu hemijsku energiju da pretvori ugljen-dioksid iz vazduha u šećer – glukozu, što daje biljci energiju, kojom se dalje dobija skrob i celuloza koji obezbeđuju biljci hranu i rast, a služe i za izgradnju delova biljke, kao što su listovi i stabljike.

Energetska efikasnost fotosinteze, odnosno efikasnost pretvaranja sunčeve energije u biohemijsku energiju u biljkama zavisi od toga šta se meri. Na nivou molekula fotosinteza skoro savršeno upravlja energijom svetlosti, ali na nivou cele biljke u hemijsku energiju se pretvori samo mali deo ukupne sunčeve energije, u proseku deset puta manje nego u solarnim ćelijama kojim se sunčeva energija pretvara u električnu energiju. Zbog toga se fotosinteza i dalje istražuje s ciljem povećanja njene efikasnosti, što bi u slučaju hranljivih biljaka dovelo do većih prinosa. Naučnici danas pokušavaju da naprave i veštačku fotosintezu – tehnologiju koja bi imitirala biljke i omogućila jeftino dobijanje vodonika iz vode pomoću energije sunčeve svetlosti. Ako bi to uspelo u velikom obimu, vodonik bi zaista mogao da postane jedno od glavnih čistih goriva budućnosti i mogao bi da zameni fosilna goriva. To je složeni proces i veliki izazov, ali može da se uči na primeru prirodne fotosinteze.

Od jedne vrbe u saksiji do razumevanja molekula života, priča o fotosintezi pokazuje kako nauka napreduje – strpljivo, korak po korak, otkrivajući mehanizme prirode od vitalnog značaja za čoveka i sve žive organizme.