Rośliny są wszędzie wokół nas. Łatwo jest przyzwyczaić się do ich obecności. Wyobraźmy sobie jednak świat bez bujnych, zielonych traw i drzew – planetę pokrytą pustynią. Czy bylibyśmy w stanie przetrwać? Rośliny są integralną częścią naszego środowiska, dostarczają pożywienia, tlenu i włókien, od których zależy nasze przetrwanie. Ich zdolność do fotosyntezy jest jednym z najbardziej zdumiewających i istotnych fenomenów natury.

Wie o tym dobrze Alessia Para Gallio, asystentka profesora na Northwestern i w Ogrodzie Botanicznym w Chicago. Ukończyła studia magisterskie w dziedzinie nauk biologicznych na Uniwersytecie w Pawii we Włoszech, a tytuł doktora w dziedzinie botaniki fizjologicznej uzyskała na Uniwersytecie w Uppsali w Szwecji, z pracą na temat rozwoju roślin. Jej obecne zainteresowania badawcze obejmują zegar okołodobowy i odżywianie mineralne roślin.

Nauka w społeczeństwie rozmawiał z Para Gallio o znaczeniu fotosyntezy i roli, jaką odgrywa w jej badaniach.

Na poziomie podstawowym, co to jest fotosynteza?

Fotosynteza jest procesem, w którym energia świetlna od słońca jest absorbowana i przekształcana w związki organiczne. Związki organiczne to w zasadzie różne formy cukru. Są one metabolizowane, a następnie pozyskiwana jest z nich energia. Te formy energii mogą być następnie wykorzystane przez systemy biologiczne, takie jak my, na przykład, i zwierzęta w ogóle.

Co się dzieje, gdy pigmenty absorbują światło słoneczne?

Pigmenty to specjalne cząsteczki, które biorą udział w zbieraniu światła słonecznego. Kiedy świecisz światłem na pigment, absorpcja fotonów może energetyzować elektrony i sprawić, że przejdą one z niskiego do wyższego stanu energetycznego. Aby powrócić do stanu niskiej energii, energia jest szybko oddawana jako ciepło, światło, fosforescencja lub, w przypadku pigmentów fotosyntetycznych, może zostać przeniesiona do innej cząsteczki pigmentu, takiej jak chlorofil.

Jaką rolę odgrywa chlorofil?

Chlorofil jest prawdopodobnie najważniejszym pigmentem pochłaniającym światło, nie tylko w roślinach, ale także w algach i bakteriach. Kiedy chlorofil zostaje wzbudzony, uwalnia elektron do akceptora elektronów, inicjując łańcuch transportu elektronów. Oznacza to, że elektrony są przenoszone z donora (reduktanta) do akceptora (utleniacza), który ma nieco niższy poziom energii.

Podczas przenoszenia elektronów protony (czyli jony wodorowe) są pompowane przez błonę chloroplastów, wyspecjalizowanych organelli, w których zachodzi fotosynteza. Dlatego chloroplasty działają jak małe baterie, z różnym potencjałem po każdej stronie, a różnica ta jest wykorzystywana do wytwarzania energii.

Dlaczego fotosynteza jest ważna? Co by się stało, gdybyśmy jej nie mieli?

Rośliny, algi i bakterie są jedynymi organizmami, które mogą zbierać światło słoneczne i wykorzystywać energię do przekształcania CO2 (dwutlenku węgla) w substancje organiczne. Dwutlenek węgla jest jednym z głównych zanieczyszczeń powietrza, więc organizmy fotosyntetyzujące utrzymują powietrze w czystości. W procesie tym wytwarzają tlen, który stanowi znaczną część powietrza, którym oddychamy, więc mniej roślin oznacza mniejszy recykling dwutlenku węgla i mniejszą produkcję tlenu. Rośliny dostarczają nam również pożywienia i włókien do produkcji ubrań, a bez fotosyntezy nie bylibyśmy w stanie utrzymać życia, które prowadzimy.

Jaką rolę odgrywa fotosynteza w Twoich badaniach?

Interesują mnie dwa główne tematy. Jednym z nich jest odżywianie mineralne roślin w ogóle, a azot w szczególności. Metabolizm azotu jest ściśle związany z fotosyntezą, ponieważ jeden z produktów asymilacji azotu, glutaminian, jest źródłem chlorofilu. A cukry, które są produkowane przez fotosyntezę są wykorzystywane do produkcji glutaminianu i innych aminokwasów.

Jedną z pierwszych oznak niedoboru azotu jest chloroza, stan, w którym liście żółkną, ponieważ nie ma wystarczającej ilości azotu do produkcji glutaminianu. Stąd, nie ma wystarczająco dużo chlorophyll.

Inny temat jestem bardzo zainteresowany w jest roślin zegary okołodobowe, a sposób zegar okołodobowy reguluje wiele różnych aspektów rozwoju roślin i metabolizmu.

I jeden z procesów, które jest pod bardzo ścisłej regulacji okołodobowej jest fotosynteza. To, co robi zegar okołodobowy, to przygotowanie organizmu do tego, co ma nastąpić później. Tak więc, przed świtem, wszystkie geny, które są wymagane do fotosyntezy są włączone tak szybko, jak tam jest światło (wschód słońca) proces jest gotowy do rozpoczęcia. Tak więc nie ma opóźnienia między tym, kiedy słońce wstaje, a kiedy rośliny są gotowe do wykorzystania światła z niego.

Podobnie, zanim się obudzimy, potrzebujemy naszej adrenaliny, aby przejść w górę, a poziomy niektórych hormonów, aby zmienić, a cukry, aby dostać się do obiegu. Więc kiedy budzik się wyłączy, jesteśmy gotowi do działania. A niektóre badania sugerują, że bez zegara okołodobowego mielibyśmy atak serca za każdym razem, gdy się budzimy, ponieważ nie bylibyśmy na to gotowi.

Więc to jest zaleta posiadania zegara okołodobowego. Jesteś gotowy na to, co przychodzi dalej, jeśli cokolwiek przychodzi dalej dzieje się codziennie.

Więc, rośliny i ludzie mają podobny zegar okołodobowy?

Tak, architektura molekularna jest inna, ale funkcja jest taka sama, czyli dostosowanie się do życia na planecie, która ma 24-godzinny okres rotacji i cykle światła i ciemności, które są naprzemienne.

Jak pogoda wpływa na fotosyntezę?

Fotosynteza jest bardzo wrażliwa na intensywność światła. Tak więc, ogólnie rzecz biorąc, system wyłącza się w południe, lub w szczytowym momencie najgorętszych godzin dnia, ponieważ zbyt dużo energii słonecznej może uszkodzić strukturę biologiczną. Spowoduje to, że wiele elektronów będzie krążyć wokół i staną się one bardzo trujące dla struktur biologicznych. Dlatego chcą się upewnić, że używają światła o odpowiedniej intensywności. A kiedy jest go po prostu za dużo, system się wyłącza.

W zimie, kiedy na drzewach nie ma liści, co dzieje się z naszymi zasobami tlenu?

Nie wierzę, że oddychamy tylko tym tlenem, który jest produkowany w miejscu, w którym żyjemy. Na przykład, Amazonia produkuje dużo tlenu i w końcu dociera on również do nas. Tak więc nie jesteśmy zależni tylko od roślin, które są wokół nas. Jesteśmy zależni od ilości roślin na planecie, na Ziemi.

Czy naukowcy wymyślili sposób na odtworzenie procesu fotosyntezy?

To było wyzwanie przez wiele lat i wiele laboratoriów podjęło to wyzwanie. Jednak niedawno w Królewskim Instytucie Technologii w Sztokholmie powstała grupa, której udało się wyprodukować katalizator zdolny do wykorzystania światła słonecznego do rozbicia wody na tlen, tak jak to robi fotosynteza.

Ważność tego odkrycia nie jest związana tylko z tlenem. Kiedy rozszczepia się wodę, powstaje również wodór, a to jest naprawdę ważne ze względu na pilną potrzebę znalezienia alternatywnych źródeł energii odnawialnej.

Więc, jeśli uda im się to zrobić poprawnie, będą mogli wykorzystać to do produkcji energii odnawialnej?