Planten zijn overal om ons heen. Het is gemakkelijk om aan hun aanwezigheid gewend te raken. Maar stel je een wereld voor zonder weelderige groene grassen en bomen – een planeet bedekt met woestijn. Zouden we kunnen overleven? Planten zijn een integraal onderdeel van onze omgeving, en leveren het voedsel, de zuurstof en vezels waar we van afhankelijk zijn om te overleven. En hun vermogen tot fotosynthese is een van de meest verbazingwekkende en essentiële verschijnselen van de natuur.

Dat weet Alessia Para Gallio, assistent-onderzoeker aan Northwestern en aan de Botanische Tuin van Chicago, maar al te goed. Ze voltooide haar master in Biologische Wetenschappen aan de Universiteit van Pavia, Italië, en promoveerde in de Fysiologische Plantkunde aan de Universiteit van Uppsala, Zweden, met een proefschrift over de ontwikkeling van planten. Haar huidige onderzoeksinteresses omvatten de circadiane klok en minerale voeding in planten.

Wetenschap in de Samenleving sprak met Para Gallio over het belang van fotosynthese, en de rol die het speelt in haar onderzoek.

Op een fundamenteel niveau, wat is fotosynthese?

Fotosynthese is het proces waarbij lichtenergie van de zon wordt geabsorbeerd en omgezet in organische verbindingen. Organische verbindingen zijn in feite verschillende vormen van suiker. Ze worden gemetaboliseerd en dan wordt er energie aan onttrokken. En deze vormen van energie kunnen vervolgens worden gebruikt door biologische systemen zoals wij, bijvoorbeeld, en dieren in het algemeen.

Wat gebeurt er wanneer pigmenten het zonlicht absorberen?

Pigmenten zijn speciale moleculen die betrokken zijn bij het oogsten van licht van de zon. Wanneer je met licht op een pigment schijnt, kunnen elektronen door de absorptie van fotonen van een lage naar een hogere energietoestand overgaan. Om terug te keren naar de lage energietoestand wordt de energie snel afgegeven in de vorm van warmte, licht, fosforescentie of, in het geval van fotosynthetische pigmenten, kan de energie worden overgedragen aan een ander pigmentmolecuul zoals chlorofyl.

Welke rol speelt chlorofyl?

Chlorofyl is waarschijnlijk het belangrijkste lichtabsorberende pigment, niet alleen in planten, maar ook in algen en bacteriën. Wanneer chlorofyl wordt geëxciteerd, geeft het een elektron af aan een elektronenacceptor, waardoor een elektronentransportketen in gang wordt gezet. Dit betekent dat elektronen worden overgedragen van donor (reductant) naar acceptor (oxidant), die een iets lager energieniveau heeft.

Tijdens de elektronenoverdracht worden protonen (d.w.z. waterstofionen) over het membraan van chloroplasten gepompt, de gespecialiseerde organellen waar de fotosynthese plaatsvindt. Daarom werken chloroplasten als kleine batterijen, met een verschillend potentiaal aan elke kant, en dit verschil wordt gebruikt om energie te creëren.

Waarom is fotosynthese belangrijk? Wat zou er gebeuren als we het niet hadden?

Planten, algen en bacteriën zijn de enige organismen die zonlicht kunnen opvangen en de energie kunnen gebruiken om CO2 (kooldioxide) om te zetten in organisch materiaal. Kooldioxide is een van de belangrijkste luchtverontreinigende stoffen, dus fotosynthetische organismen houden de lucht in feite schoon. Daarbij produceren ze zuurstof, die een aanzienlijk deel uitmaakt van de lucht die wij inademen. Dus minder planten betekent minder recycling van kooldioxide en minder zuurstofproductie. Planten geven ons ook voedsel en vezels om kleren van te maken en zonder fotosynthese zouden we het leven dat we leiden niet kunnen volhouden.

Welke rol speelt fotosynthese in uw onderzoek?

Ik ben geïnteresseerd in twee hoofdonderwerpen. Het ene is plantaardige minerale voeding in het algemeen en stikstof in het bijzonder. Het stikstofmetabolisme is nauw verbonden met de fotosynthese omdat een van de producten van de stikstofassimilatie, glutamaat, de bron is van chlorofyl. En de suikers die door fotosynthese worden geproduceerd, worden gebruikt om glutamaat en andere aminozuren te maken.

Een van de eerste tekenen van stikstofgebrek is chlorose, een toestand waarbij de bladeren geel kleuren omdat er niet genoeg stikstof is om glutamaat te maken. Daardoor is er niet genoeg chlorofyl.

Het andere onderwerp waarin ik zeer geïnteresseerd ben is de circadiane klok van planten, en de manier waarop de circadiane klok veel verschillende aspecten van de ontwikkeling en het metabolisme van planten reguleert.

En een van de processen die onder zeer strakke circadiane regulatie staat, is fotosynthese. De circadiane klok bereidt het organisme voor op wat komen gaat. Vóór zonsopgang worden dus alle genen die nodig zijn voor de fotosynthese aangezet, zodat zodra er licht is (zonsopgang) het proces kan beginnen. Er is dus geen tijdsverschil tussen het moment dat de zon opkomt en het moment dat de planten klaar zijn om het licht van de zon te gebruiken.

Op dezelfde manier moeten we, voordat we wakker worden, onze adrenaline laten stijgen, het niveau van sommige hormonen laten veranderen en suikers in omloop brengen. Dus als de wekker afgaat, zijn we er klaar voor. En sommige studies suggereren dat we zonder circadiane klok elke keer als we wakker worden een hartaanval zouden krijgen omdat we er niet klaar voor zouden zijn.

Dat is dus het voordeel van een circadiane klok hebben. Je bent klaar voor wat komen gaat, als wat komen gaat elke dag gebeurt.

Dus, planten en mensen hebben een vergelijkbare circadiane klok?

Ja, de moleculaire architectuur is anders, maar de functie is hetzelfde, namelijk aanpassing aan een leven op een planeet met een rotatieperiode van 24 uur, en cycli van licht en donker die elkaar afwisselen.

Hoe beïnvloedt het weer de fotosynthese?

Fotosynthese is zeer gevoelig voor lichtintensiteit. In het algemeen schakelt het systeem zich dus uit rond het middaguur, of op het hoogtepunt van de heetste uren van de dag, omdat te veel energie van de zon de biologische structuur kan beschadigen. Er gaan dan veel elektronen rond en die worden dan zeer giftig voor biologische structuren. Dus willen ze er zeker van zijn dat ze een lichtintensiteit gebruiken die geschikt is. En als het gewoon te veel is, schakelt het systeem uit.

In de winter, als er geen bladeren aan de bomen zitten, wat gebeurt er dan met onze zuurstofvoorziening?

Ik geloof niet dat we alleen de zuurstof inademen die wordt geproduceerd waar we leven. De Amazone produceert bijvoorbeeld veel zuurstof en uiteindelijk komt die ook bij ons terecht. We zijn dus niet alleen afhankelijk van de planten om ons heen. We zijn afhankelijk van de hoeveelheid planten op de planeet, op aarde.

Hebben wetenschappers al een manier gevonden om het proces van fotosynthese na te bootsen?

Het is al vele jaren een uitdaging, en veel laboratoria zijn deze uitdaging aangegaan. Maar onlangs is een groep van het Royal Institute of Technology in Stockholm erin geslaagd een katalysator te produceren die in staat is zonlicht te gebruiken om water in zuurstof te splitsen zoals bij fotosynthese gebeurt.

Het belang van deze ontdekking heeft niet alleen met zuurstof te maken. Bij de splitsing van water wordt ook waterstof geproduceerd, en dat is heel belangrijk omdat we zo snel alternatieve bronnen van hernieuwbare energie moeten vinden.

Dus als ze dit goed kunnen laten werken, kunnen ze het gebruiken om hernieuwbare energie te produceren?