Kui hingate sügavalt sisse, tunnete tõenäoliselt vaid õhu liikumist oma kopsudes, mõtlemata sellele, kust see eluliselt vajalik hapnik pärineb. Tegelikkuses on iga meie hingetõmme otseselt seotud vaikse, kuid äärmiselt võimsa keemilise protsessiga, mis toimub miljardites taimedes, vetikates ja bakterites üle kogu planeedi. See protsess on elu nurgakivi, mootor, mis käitab biosfääri ja reguleerib meie planeedi kliimat. Ilma selleta oleks Maa kõle ja elutu kiviklibu. Järgnevalt võtame selle keerulise biokeemilise nähtuse lahti “puust ja punaseks” meetodil, et mõista, kuidas päikesevalgusest saab toit ja hapnik.
Mis on fotosüntees oma olemuselt?
Kõige lihtsamalt öeldes on fotosüntees protsess, mille käigus taimed, vetikad ja teatud bakterid muudavad valgusenergia keemiliseks energiaks. Sõna ise tuleneb kreekakeelsetest sõnadest phōs (valgus) ja synthesis (ühendamine või koostamine). See on looduse viis salvestada päikeseenergiat suhkru molekulidesse, mida elusorganismid saavad hiljem kasutada kütusena.
Kuigi me kipume mõtlema taimedest kui passiivsetest objektidest, on nad tegelikult keerulised keemiatehased. Erinevalt loomadest ja inimestest, kes peavad energia saamiseks toitu tarbima, suudavad taimed ise endale toitu toota, kasutades selleks vaid kolme peamist komponenti:
- Päikesevalgus: Energiaallikas, mis käivitab kogu protsessi.
- Süsihappegaas (CO2): Gaas, mida loomad ja inimesed välja hingavad ning mis tekib ka põlemisprotsessides. Taimed omastavad seda õhulõhede kaudu.
- Vesi (H2O): Hädavajalik koostisosa, mille taimed saavad enamasti juurte kaudu maapinnast.
Selle “tootmise” käigus vabaneb kõrvalproduktina hapnik, mis on enamikule elusorganismidele ellujäämiseks hädavajalik. Seega võib öelda, et fotosüntees on sild elutu looduse (valgus, vesi, gaasid) ja elusa looduse (orgaaniline aine) vahel.
Kus ja kuidas protsess täpselt toimub?
Fotosüntees ei toimu taimes suvalises kohas, vaid spetsiaalsetes organellides, mida nimetatakse kloroplastideks. Need asuvad peamiselt taime lehtedes olevates rakkudes. Kloroplastid sisaldavad pigmenti nimega klorofüll, mis annab taimedele nende iseloomuliku rohelise värvuse. Klorofülli peamine ülesanne on püüda kinni päikesevalguse footonid.
Kogu protsessi võib jagada kaheks suureks faasiks, mis töötavad tandemina:
- Valgusstaadium (valgusest sõltuvad reaktsioonid): See etapp toimub ainult valguse käes. Klorofüll püüab päikeseenergiat ja kasutab seda veemolekulide lagundamiseks vesinikuks ja hapnikuks. Just selles etapis vabaneb hapnik atmosfääri. Tekkinud energia salvestatakse ajutistesse energiamolekulidesse (ATP ja NADPH).
- Pimedusstaadium (Calvini tsükkel): See etapp ei vaja otsest valgust, kuid see kasutab esimeses etapis toodetud energiat. Siin seotakse süsihappegaas ja kombineeritakse see vesinikuga, et moodustada glükoos ehk suhkur.
Lõpptulemusena valmib glükoos, mis on taime peamine energiaallikas ja ehitusmaterjal. Ülejääv glükoos muudetakse sageli tärkliseks ja talletatakse taime juurtesse, vartesse või viljadesse, saades hiljem toiduks loomadele ja inimestele.
Miks on fotosüntees toiduahela vundament?
Sageli alahinnatakse fotosünteesi rolli meie igapäevases toidulauas. Tegelikkuses on peaaegu kogu energia, mida me tarbime, pärit algselt päikesest ja on salvestatud taimede poolt. Seda seost võib vaadelda läbi toiduahela astmete:
- Tootjad: Taimed on esmased tootjad. Nad loovad anorgaanilistest ainetest orgaanilist ainet.
- Tarbijad: Taimetoidulised loomad saavad oma energia otse taimedest. Lihatoidulised loomad söövad omakorda taimetoidulisi loomi.
Isegi kui te sööte praadi, tarbite te kaudselt töödeldud päikeseenergiat, mille loom on saanud taimi süües. Ilma fotosünteesita katkeks toiduahel täielikult. Lisaks toidule pakuvad taimed tänu fotosünteesile toorainet ka paljudeks muudeks eluks vajalikeks asjadeks, alates puidust ja puuvillast kuni ravimite ja fossiilkütusteni (mis on sisuliselt iidne, ladestunud päikeseenergia).
Süsinikuringe ja kliimamuutuste leevendamine
Tänapäeva maailmas, kus räägitakse palju globaalsest soojenemisest, on fotosünteesil kriitiline roll planeedi termoregulaatorina. Taimed toimivad looduslike “süsinikuimejatena”. Nad seovad atmosfäärist tohututes kogustes süsihappegaasi (CO2), mis on üks peamisi kasvuhoonegaase.
Metsad, eriti vihmametsad, ja ookeanides elavad mikroskoopilised vetikad (fütoplankton) teevad ära suure töö meie atmosfääri puhastamisel. Arvatakse, et ligikaudu 50-80% Maa hapnikust toodavad just ookeanides elavad fotosünteesivad organismid. Kui inimtegevus hävitab metsi või reostab ookeane, väheneb planeedi võime siduda liigset süsinikku, mis omakorda kiirendab kliimamuutusi.
Seega ei ole puude istutamine ja metsade kaitsmine vaid emotsionaalne või esteetiline tegevus, vaid praktiline vajadus süsinikutasakaalu säilitamiseks atmosfääris.
Fotosünteesi mõjutavad tegurid
Kuigi protsess tundub automaatne, sõltub selle efektiivsus paljudest välisteguritest. Aednikud ja põllumehed peavad neid tegureid arvestama, et saagikust maksimeerida:
- Valguse intensiivsus: Mida rohkem valgust, seda kiirem on fotosüntees, kuid ainult teatud piirini. Liiga intensiivne valgus võib taime rakke kahjustada.
- Temperatuur: Fotosüntees on keemiline reaktsioon, mida juhivad ensüümid. Liiga madal temperatuur aeglustab protsessi, liiga kõrge temperatuur (tavaliselt üle 40°C) aga hävitab ensüümid ja peatab protsessi.
- Süsihappegaasi kontsentratsioon: CO2 on tooraine. Selle taseme tõstmine (näiteks kasvuhoonetes) kiirendab taimede kasvu, eeldusel et valgust ja vett on piisavalt.
- Vee kättesaadavus: Veepuudus sunnib taime sulgema oma õhulõhed, et vältida niiskuse kadu. See aga takistab CO2 sisenemist lehte ja peatab fotosünteesi.
Korduma kippuvad küsimused (FAQ)
Kas taimed fotosünteesivad ka öösel?
Ei, klassikaline fotosüntees nõuab valgusenergiat, seega pimedas valgusstaadiumi reaktsioonid ei toimu. Küll aga toimub öösel rakuhingamine – taimed tarbivad hapnikku ja lagundavad päeval toodetud suhkruid, et saada energiat kasvamiseks ja eluspüsimiseks. Samuti toimuvad öösel teatud reaktsioonid (pimedusstaadium), mis kasutavad päeval salvestatud energiat.
Kas kõik taimed on rohelised ja kas ainult rohelised taimed fotosünteesivad?
Enamik fotosünteesivaid taimi on rohelised tänu klorofüllile. Siiski on olemas taimi, mille lehed on punased või lillad (näiteks veripunane kukehari). Need taimed sisaldavad samuti klorofülli, kuid see on peidetud teiste, tugevamate pigmentide (antotsüaniinide või karotenoidide) alla. Seega fotosünteesivad nad endiselt, kuigi nad ei paista rohelised.
Mis vahe on C3, C4 ja CAM taimedel?
Need on erinevad fotosünteesi tüübid, mis on kohastunud erinevatele kliimatingimustele. Enamik meie vöötme taimi on C3 taimed. C4 taimed (nagu mais) on efektiivsemad kuumas ja valgusküllases keskkonnas. CAM taimed (nagu kaktused) avavad oma õhulõhed ainult öösel, et säästa vett, ja salvestavad CO2 päevaseks kasutamiseks.
Kas inimene suudaks fotosünteesida?
Ei, inimestel puuduvad kloroplastid ja klorofüll. Meie nahk suudab päikesevalguse abil toota D-vitamiini, kuid me ei suuda muuta valgust keemiliseks energiaks (suhkruks) ega toota sellest hapnikku. Teadlased uurivad küll võimalusi luua inimkudedesse integreeritud vetikaid või kunstlikke süsteeme, kuid see on alles väga teoreetiline tulevikumuusika.
Tehislik fotosüntees ja tuleviku energia
Teadusmaailm ei piirdu vaid loodusliku fotosünteesi uurimisega; üha enam ressursse suunatakse tehisliku fotosünteesi arendamisse. See on kiiresti arenev uurimisvaldkond, mille eesmärk on jäljendada looduslikku protsessi, et toota puhta energiaga kütuseid. Kui taimed toodavad süsihappegaasist ja veest suhkrut, siis teadlased üritavad sarnast põhimõtet kasutades toota vesinikku või metanooli, mida saaks kasutada autode kütusena või elektri tootmiseks.
Tehislehed (inglise k. artificial leaves) on seadmed, mis kasutavad päikesevalgust vee lagundamiseks vesinikuks ja hapnikuks. Erinevalt päikesepaneelidest, mis toodavad elektrit, toodavad need seadmed kütust, mida on lihtsam ladustada ja transportida. Edukas tehislik fotosüntees võiks lahendada kaks inimkonna suurimat probleemi korraga: vähendada atmosfääri CO2 taset (kasutades seda toorainena) ja pakkuda lõputut, puhast energiaallikat, mis ei sõltu fossiilkütustest.
Kuigi tehnoloogia on veel arendusjärgus ja silmitsi seisab väljakutsetega nagu kuluefektiivsus ja stabiilsus, näitab see selgelt, et looduse miljardite aastate pikkune evolutsiooniline “leiutis” on endiselt parim eeskuju jätkusuutliku tuleviku loomisel. Fotosünteesi süvitsi mõistmine ja rakendamine võib olla võti, mis avab ukse rohelisemasse ja puhtamasse maailma.
