TASA, TÖÖ KÄIB! Pärn röögib fotosünteesida: veest ja süsihappegaasist saab suhkur! Foto: MARI LUUD
Rainer Kerge 18. mai 2014 08:00
Te hingasite praegu sisse? See on fotosünteesi tulemus. Teil on kõht täis? Ka see on fotosünteesi tulemus. Tänu fotosünteesile hoiate te käes ajalehte või lustite (tahvel)arvuti või nutitelefoniga. Võib-olla lugesite hetk tagasi, kuidas Gazprom nõuab Ukrainalt gaasi eest hiiglaslikku ettemaksu – siingi on osaline fotosüntees, mis selle gaasi kunagi valmis tegi.

Küllap te olete kuulnud nalja, kuidas moodsa saia retsept koosneb kolmest ainest: jahuasendaja, maitsetugevdaja ja õhk. Või siis vana tõde, et sõjaväes tehakse mitte millestki kõike. Mida inimene ka välja ei mõtleks ega leiutaks – looduses on juba olemas selle sarnane ja sageli tõhusam mudel.

Fotosüntees on taime lehes käiv nõiduslik protsess, kus sisuliselt õhust ja armastusest – veest, süsihappegaasist ning päikesevalgusest – tehakse suhkrut ja teisi toiduaineid; nii-öelda tootmisjäägina lendub aga õhku hapnik. Fotosünteesi käigus saadud suhkur on planeedi Maa toiduahela a ja o. Sellest saab kõhu täis kogu maailm alates vesikirbust ja kapsaussist ning lõpetades jääkaruga; vahepeale jäävad kakandid, kitsed, kašelotid ja kondorid kaasa arvatud.

Erandlikud on vaid mõned bakterirühmad, näiteks väävlibakterid, kes saavad orgaanilise aine tootmiseks vajalikku särtsu väävliühendite aine keemilisest energiast.

Kogu ülejäänud elusloodus püsib taimedes toimuva fotosünteesi käigus orgaanilisse maailma toodud toidul, laiemalt võttes, selles toidus peituval energial. Peale selle, et rohtu süües saab kõhu täis halljänes ja halljänest süües saab kõhu täis hunt – tänu ammustele hiigelmetsadele on olemas sellised maavarad nagu kivisüsi, gaas, nafta. Iseäranis viimasest tehakse moodsas maailmas kõike: alates bensiinist ja plastist ning lõpetades ravimitega. Boonuseks veel miljardite aastate jooksul fotosünteesi tulemusena Maa atmosfääri kogunenud hapnik.

Fotosünteesi teke nii umbes 4 miljardit aastat tagasi pani aluse ka aeroobsele, see tähendab: hapnikku hingavale elule. Sisuliselt kogu nüüdisaegsele floorale ja faunale: kõigile, kes suudab mingil viisil – kas taimelehel olevate õhulõhede, lõpuste, naha või kopsude kaudu – hapnikku omastada ja seda organismis kasutada. Taas on erandlikud vaid mõned bakterirühmad, kes saavad hakkama hapnikuta ja kellele on hapnik koguni mürk.

Miks siis puud ikkagi roheliseks lähevad ja kuidas seejärel tehakse nii-öelda mitte millestki suhkur ja hapnik?

Kust kask teab, et nüüd tuleb lehte minna?

Kui vapralt vastu pidavad tamm ja saar välja arvata, on puud, põõsad ja niidud juba rohelised. Millest taimed teavad, et kevad on käes?

Taimefüsioloog Arne Sellin kinnitab, et kõige olulisema vihje kevade saabumisest annab mulla- ja õhutemperatuuri tõus; vihjet kinnitab taimele fakt, et päevane valge aeg pikeneb ja päike käib kõrgemalt.

Kui pungad avanevad, algab lehtede ülesehitus, muu hulgas luuakse fotosünteesivatele leherakkudele omased kloroplastid. Need on keerulise sisseseadega, mõneti päikese-elektrijaamaga võrreldavad umbes mõne mikromeetri mõõtu organellid, kus paikneb klorofüll – fotosünteesil võtmerolli mängiv pigment, mis neelab päikeseenergiat.

Sügise saabumisest aga annab taimele märku ööpäeva keskmiste soojakraadide stabiilne kukkumine, päeva pikkuse lühenemine ning päikesevalguse kvaliteedi, see tähendab spektraalse koostise ehk värvuse muutumine. Siis monteeritakse puulehtedes kloroplastides sisalduvad ained taas lahti ja viiakse talveks puutüvesse ja juurtesse varju.

"Lammutamine sügisel on vajalik ressursside säästmiseks," dotseerib Arne Sellin. "Muidu kukuvad need lehed maha ega kao küll ökosüsteemist – lehed langevad maapinnale, kus seened ja mikroobid lagundavad orgaanilised ained mineraalaineteks ja taimed saavad neid uuesti kasutada –, aga konkreetse taime jaoks lähevad lehes olnud ressursid siiski kaduma."

Põhimõtteliselt sarnaneb sügisel lehtedest vähegi kasuliku materjali kokkupakkimine ja puu sisse ladustamine tööga, mida inimenegi talve tulekul teeb: suvel kasvatatud kartul, kapsas ja porgand viiakse salve; batuut kruvitakse lahti ja tassitakse kuuri alla; muruniiduk lükatakse garaaži. Nüüd ei saa tormid, raske lumi ega jäätumine varanatukest rikkuda.

Talveks jätavad lehed ja okkad külge igihaljad taimed, nagu kuusk või pohl, aga nemad näevad sealsete rakkude kaitsmisega ka spetsiaalselt vaeva, suurendades näiteks suhkrute ja muude madalamolekulaarsete ainete sisaldust. Tavaliselt üsna veerohkete rakkudega kaselehe muudaks juba esimene talvekülm kasutuks jääklotsiks.

Miks lehed on rohelised, aga mitte mustad?

Fotosünteesi kloroplastides käivitab päikeseenergia. "Päikeselt tuleb meile tihe sadu valguse kvante ehk footoneid," õpetab taimefüsioloog, akadeemik Agu Laisk. "Footonid jõuavad Maale ja neelduvad, muundudes peamiselt soojusenergiaks. Näiteks selle musta värvi tooli sisse neeldub kogu valgus ja tema energia muundub soojuseks. Valgus on oma olemuselt niisugune kiirgus-energia, et kui ta aines neeldub, siis selle tulemusena hüppab mingi elektron mõnes molekulis kõrgemale, aatomituumast kaugemale. Kui elektron kohe vanasse kohta tagasi kukub, siis tekib soojus. Kui aga elektron hüppab üle naabermolekulile, kus nii madalal vaba kohta ei ole, siis osa energiat jääb soojuseks muundumata, salvestudes keemilise energiana – ja see ongi fotosüntees!"

Fotosünteesil kasutatakse footoni energiat selleks, et tõmmata vee molekulist lahti elektron ja prooton – vesiniku aatom – ning siirata viimane süsihappegaasi molekulile. Probleem seisneb aga selles, et footoni energia kandub üle üksnes nendele elektronidele, mis footoneid neelavad. Aga vesi ei neela, vesi paistab ilusasti läbi.

"Taim on roheline, sest piltlikult öeldes värvitakse vesi ära – et footon neelduks. Sisuliselt tehakse vee ja rohelist värvi aine – klorofülli – segu," näitlikustab Agu Laisk.

Mis asi klorofüllis siis roheline on? Õige vastus on: mitte midagi. "Klorofüll on üks suhteliselt keeruline keemiline aine, mis neelab silmale nähtavat valgust ehk neid footoneid, mida tuleb Päikeselt kõige rohkem," selgitab Laisk. Klorofüll neelab sinised ja punased kvandid, rohelised aga saadab meile silma – nii näemegi lehte rohelisena. "Molekulid neelavad valguselaineid, mis lähevad resonantsi nende elektronidega; sinise ja punase footoni sagedus läheb klorofüllis resonantsi – elektron hüppab üles. Rohelise footoni sagedus aga ei lähe, roheline footon lendab klorofüllist läbi," illustreerib Laisk.

Kui taime leht oleks must, neelaks ta ära kõik footonid, rohelisse lehte neeldub 85 protsenti. Miks jätab taim 15 protsenti valgusest pilla-palla?

Taimebioloog Hannes Kollist selgitab, et sageli kujuneb olukord, kus valgust on taime jaoks ülearu: "Üleliigne valgus tekitab aga teatud liiki stressi." Kollisti kirjeldatud juhul tähendab stress seda, et liigne päikesevalgus, milleks taim veel valmis pole, lõhub sedasama fotosünteesiaparaati. Näiteks varakevadel, kui ilm on veel külm, kuid päike hele, laguneb päikesevalguse käes isegi klorofüll ja igihaljad okkad ning lehed tõmbuvad kollakaks.

Aga valguse töö ei ole klorofülli lõhkuda, vaid teha seda vee molekuliga, nii et hapnik eralduks, vesinik aga ümber tõsta süsihappegaasi molekulile. Kuna süsihappegaasi on õhus väga vähe, mahu järgi kõigest 0,04 protsenti, ja ta satub lehte juhuslikult, difusiooni teel, siis ei pruugi lehes pidevalt leiduda vajalikku hulka süsihappegaasi. Kõige stressirohkem, ohtlikum ongi olukord, kus valgust on küllaga, aga süsihappegaas ei pääse piisavalt kiiresti lehte sisse.

Kuidas mittemillestki suhkrut meisterdada?

Lihtne öelda: valgus lõhub vee molekuli, paneb vesiniku süsihappegaasi külge ning tekibki suhkur. Tegelikkuses on fotosüntees mitmeosaline keeruline protsess, millest teadlased siiani päris põhjani aru ei saa; rääkimata sellest, et nad oskaks ehitada seadeldise, mis veest ja süsihappegaasist suhkrutoosi täidaks.

Fotosüntees jaguneb kaheks suureks töötsükliks: valgusstaadiumiks ja keemiliseks staadiumiks.

Hästi lihtsustatult: valgusstaadiumis lööb footon klorofülliga seotud vee molekuli küljest lahti vesiniku, hapnik lendub õhku. Hulga reaktsioonide tulemusel toodetakse energia vahekandja adenosiintrifosfaat ATP, mis keemilises staadiumis aitab vesiniku ja süsihappegaasi ühendada, nii et järjekordne süsihappegaasi (CO2) molekul lisatakse juurde CH2O ühikutest koosnevasse pärliketti. Kuuest taolisest ühikust koosnev kett on glükoos, kaheteistkümnest sahharoos ehk lauasuhkur. Tärklise ja tselluloosi moodustavad aga omavahel liitunud suhkrud, nii et tekkinud väga pikad ketid enam vees ei lahustugi.

Need ongi põhilised toiduained, millest elab ära taim ja saab kõhu täis kogu ülejäänud maailm.

Hapniku tootsid planeedi Maa atmosfääri sinivetikad

"Hapniku seis on olnud väga kaua aega tasakaalus, seda ei tule enam kuskilt juurde, on sama palju kui on," õpetab taimede evolutsioonilise ökoloogia professor Kristjan Zobel.

Praegune hapniku sisaldus õhus – mahu järgi 21 protsenti – töötati välja ammu-ammu, kui planeedil Maa fotosünteesisid peamiselt sinivetikad ehk tsüanobakterid.

"Ökoloogilises mõttes on nad vetikad, elavad vees ja fotosünteesivad; aga bakterid on nad sellepärast, et nad on eeltuumsed, neil ei ole rakutuuma," selgitab Zobel.

Sinivetikad muudkui fotosünteesisid vabalt, sest polnud veel kedagi, kes oleks neid söönud ja sealjuures hinganud. Üle jäi seninägematus koguses hapnikku.

Kõigepealt reageeris see raua ja väävliga – nii tekkis näiteks rauamaak. Kui kogu vaba raud ja vaba väävel olid ära oksüdeeritud, hakkas hapnikku üle jääma – just sedasi kuhjus see atmosfääri.

Viimaks ilmusid elukad, kes suutsid hapnikku tarvitada ja selle hulk globaalses atmosfääris stabiliseerus nimelt 21 protsendi juures.

"Tänapäeval hapnikku eriti palju fotosünteesist üle ei jää, sest enamvähem sama palju kui fotosünteesil hapnikku toodetakse, teda ka seotakse," selgitab Zobel.