Încercaţi să vă imaginaţi uzina perfectă. Ea nu va face zgomot în timpul funcţionării, şi în loc să polueze, va îmbunătăţi mediul prin însăşi activitatea ei. Bineînţeles, ea va produce ceva util - ba chiar vital - pentru toţi. O asemenea uzină va fi alimentată cu energie solară. În acest fel, ea nu va trebui să fie conectată la o reţea de curent electric sau să primească petrol sau cărbune pentru a fi alimentată cu energie. Fără îndoială că uzina perfectă alimentată cu energie solară va folosi panouri solare cu mult superioare celor folosite azi de om. Acestea vor fi foarte eficiente, ieftine şi nepoluante, atît cînd sînt fabricate, cît şi cînd sînt utilizate. Deşi va folosi cea mai avansată tehnologie pe care ne-am putea-o imagina, uzina perfectă o va face în mod lin şi discret, fără neaşteptate perturbări în funcţionare, avarii sau nesfîrşite reglaje fine de care pare să aibă nevoie tehnologia de vîrf din zilele noastre. Ne vom aştepta ca uzina perfectă să fie complet automatizată, fără să fie nevoie de oameni care să supravegheze lucrul. Într-adevăr ea se va repara singură, se va întreţine singură şi chiar se va extinde singură.
Este o asemenea uzină perfectă doar de domeniul science-fiction-ului? O simplă închipuire de neatins? Nu, nici vorbă, deoarece uzina perfectă este la fel de reală ca şi iarba de sub picioarele voastre. De fapt, ea este iarba de sub picioarele voastre, feriga din birou, copacul ce se zăreşte de la fereastră. Uzina perfectă este orice plantă verde! Alimentate de lumina soarelui, plantele verzi folosesc dioxidul de carbon, apa şi unele minerale ca să producă hrană, direct sau indirect, pentru aproape toate formele de viaţă de pe pămînt. În timpul acestui proces, ele alimentează din nou atmosfera, luînd dioxid de carbon şi eliberînd oxigen pur.
Se estimează că plantele verzi de pe tot pămîntul produc anual 150 pînă la 400 de miliarde de tone de zahăr, depăşind cu mult producţia cumulată de fier, oţel, automobile şi nave spaţiale a tuturor uzinelor construite de om. Ele fac acest lucru folosindu-se de energia de la soare pentru a extrage atomii de hidrogen din moleculele de apă, după care aceşti atomi de hidrogen sînt fixaţi pe moleculele de dioxid de carbon din aer, transformînd astfel dioxidul de carbon într-un hidrat de carbon, cunoscut sub numele de zahăr. Acest proces remarcabil se numeşte fotosinteză. Plantele pot folosi apoi noile lor molecule de zahăr pentru a produce energie sau le pot combina între ele pentru a produce amidon, pe care îl folosesc la depozitarea hranei, sau pentru a produce celuloză, acel material rezistent şi fibros care alcătuieşte fibra plantei. Gîndiţi-vă puţin! Pe măsură ce a crescut, acel sequoia uriaş care se înalţă cu 90 de metri deasupra voastră a fost făcut, în mare parte, doar din aer, o moleculă de dioxid de carbon şi una de apă, adunate pe rînd în cadrul nenumăratelor milioane de "linii de asamblare" microscopice, numite cloroplaste. Dar cum se face acest lucru?
Să examinăm "mecanismul"
Haideţi să aruncăm o privire împreună cu ei asupra "mecanismului" care face posibilă aproape orice formă de viaţă de pe pămînt. Aşa facem şi primii paşi ca să găsim răspunsul la întrebarea noastră: "De ce este iarba verde?".
Să scoatem microscopul şi să examinăm o frunză obişnuită. Cu ochiul liber, întreaga frunză pare verde, însă acest lucru este o iluzie. Celulele plantei pe care le vedem la microscop nu sînt, în realitate, chiar atît de verzi. Dimpotrivă, ele sînt în mare parte transparente, însă fiecare conţine, probabil, 50 pînă la 100 de micuţe puncte verzi. Aceste puncte sînt cloroplastele, în care se găseşte clorofila verde, sensibilă la lumină, şi în care are loc fotosinteza. Ce se petrece în interiorul cloroplastelor?
Cloroplastul este ca un mic sac care are în interior nişte vezicule turtite, numite tilacoizi. În sfîrşit, am localizat culoarea verde a ierbii. Moleculele verzi de clorofilă sînt prinse în membrana tilacoizilor, nu la voia întîmplării, ci în sisteme bine organizate, numite fotosisteme. În majoritatea plantelor verzi există două tipuri de fotosisteme, cunoscute sub numele de FSI (fotosistem I) şi FSII (fotosistem II). Aceste fotosisteme acţionează ca nişte echipe calificate care lucrează într-o uzină, fiecare dintre acestea avînd grijă de o anumită serie de etape ale fotosintezei.
"Deşeuri" care nu sînt irosite
Cînd lumina soarelui atinge suprafaţa tilacoidului, aranjamentele FSII de molecule de clorofilă, numite complexe care adună lumina, aşteaptă să capteze lumina. Pe aceste molecule le interesează în mod deosebit să absoarbă lumina roşie care are o anumită lungime de undă. În locuri diferite de pe tilacoid, aranjamentele FSI sînt în aşteptarea luminii cu o lungime de undă ceva mai mare. Între timp, atît clorofila, cît şi alte molecule, cum ar fi carotenoizii, absorb lumina albastră şi pe cea violetă.
Prin urmare, de ce este iarba verde? Dintre toate lungimile de undă ale luminii care cade pe plante, numai lumina verde nu le este de nici un folos, aşa că ea este pur şi simplu reflectată spre ochii şi spre aparatul nostru de fotografiat care sînt în aşteptare. Gîndiţi-vă puţin! Verdele crud al primăverii, precum şi verdele viu de smarald al verii sînt rezultatul acelor lungimi de undă pe care plantele nu le apreciază, însă pe care noi, oamenii, le preţuim foarte mult! Spre deosebire de poluarea şi deşeurile provenite de la uzinele construite de om, această lumină "reziduală" nu este deloc irosită atunci cînd privim o frumoasă pajişte sau o pădure care ne înviorează sufletul cu plăcuta lor culoare a vieţii.
Întorcîndu-ne în cloroplastul din aranjamentul FSII, energia luată din domeniul roşu al luminii soarelui a fost transferată electronilor din moleculele de clorofilă pînă cînd, în cele din urmă, un electron are atîta energie, adică este atît de "excitat", încît sare din tot aranjamentul în braţele unei molecule purtătoare care stă şi aşteaptă în membrana tilacoidului. Ca un dansator care trece din braţele unei partenere în braţele alteia, electronul este trecut de la o moleculă purtătoare la alta, pe măsură ce îşi pierde treptat din energie. Cînd energia lui este destul de mică, poate fi folosit fără probleme ca să-i ia locul unui alt electron din celălalt fotosistem, FSI.
Între timp, aranjamentului FSII îi lipseşte un electron, ceea ce îl face să fie încărcat pozitiv şi să fie flămînd după un electron care să-l înlocuiască pe cel pierdut. Ca un om care tocmai a descoperit că un hoţ i-a golit buzunarele, zona din FSII, cunoscută sub numele de complex de eliberare a oxigenului, îşi iese din fire. Unde poate găsi un electron? Aha! În apropiere umblă hai-hui o moleculă de apă nenorocită. O aşteaptă o surpriză neplăcută.
Disocierea moleculelor de apă
O moleculă de apă este alcătuită dintr-un atom de oxigen destul de mare şi doi atomi de hidrogen mai mici. Complexul de eliberare a oxigenului din FSII conţine patru ioni de mangan care scot electronii din atomii de hidrogen ai moleculei de apă. Ca urmare, molecula de apă este disociată în doi ioni de hidrogen pozitivi (protoni), un atom de oxigen şi doi electroni. Pe măsură ce noi molecule de apă sînt disociate, atomii de oxigen se adună doi cîte doi, formînd molecule de oxigen gazos pe care planta le eliberează în atmosferă ca să le putem folosi noi. Ionii de hidrogen încep să se înmulţească tot mai mult în interiorul "sacului" tilacoid, unde pot fi utilizaţi de plantă, iar electronii sînt folosiţi ca să alimenteze din nou complexul FSII, care este acum pregătit să repete ciclul de mai multe ori pe secundă.
În interiorul sacului tilacoid, ionii de hidrogen înghesuiţi încep să caute o cale de scăpare. Cînd o moleculă de apă este descompusă, în sacul tilacoid nu intră numai cîte doi ioni de hidrogen de fiecare dată, ci sînt atraşi şi alţi ioni de hidrogen de către electronii FSII, pe măsură ce aceştia trec la complexul FSI. În scurt timp, ionii de hidrogen zumzăie ca albinele furioase într-un stup supraaglomerat. Cum pot ei să iasă?
Acum descoperim că genialul Proiectant al fotosintezei a pus la dispoziţie o uşă rotativă cu un singur sens de ieşire, sub forma unei enzime speciale folosite pentru a produce un combustibil celular foarte important, numit ATP (adenozintrifosfat). Pe măsură ce ionii de hidrogen forţează ieşirea pe uşa rotativă, ei furnizează energia necesară pentru a reîncărca moleculele de ATP consumate. Moleculele de ATP sînt ca nişte mici baterii celulare. Ele generează micuţe explozii de energie chiar acolo în interiorul celulei, pentru toate tipurile de reacţii din celulă. Mai tîrziu, aceste molecule de ATP vor fi necesare la formarea liniilor de asamblare a zaharozei obţinute prin fotosinteză.
În afară de ATP, pentru asamblarea zaharozei mai este esenţială o altă mică moleculă. Ea se numeşte NADF (o formă redusă de nicotinamidă adenină dinucleotid fosfat). Moleculele de NADF sînt ca nişte micuţe camioane care livrează marfă, fiecare ducînd un atom de hidrogen la o enzimă care îşi aşteaptă atomul de hidrogen de care are nevoie ca să asambleze o moleculă de zahăr. Producerea NADF-ului cade în sarcina complexului FSI. În timp ce un fotosistem (FSII) este ocupat cu disocierea moleculelor de apă, pe care le foloseşte apoi ca să producă ATP, celălalt fotosistem (FSI) absoarbe lumina şi eliberează electronii care sînt folosiţi în cele din urmă la producerea NADF-ului. Atît moleculele de ATP, cît şi cele de NADF sînt depozitate în spaţiul exterior tilacoidului, în vederea unor viitoare utilizări la linia de asamblare a zaharozei.
Schimbul de noapte
Anual sînt produse prin fotosinteză miliarde de tone de zahăr, şi totuşi reacţiile din fotosinteză alimentate de lumină nu produc în realitate nici un fel de zahăr. Tot ce se produce este ATP ("baterii") şi NADF ("camioane care livrează marfă"). Din acest moment, enzimele din stromă, adică spaţiul exterior tilacoidului, folosesc ATP-ul şi NADF-ul ca să producă zahăr. De fapt, planta poate produce zahăr în întuneric complet! Aţi putea compara cloroplastul cu o uzină care are două echipe (FSI şi FSII) în interiorul tilacoizilor care fabrică baterii şi camioane (ATP şi NADF) pentru a fi folosite de o a treia echipă (enzime speciale) aflată afară, în stromă. Această a treia echipă produce zahăr adăugînd atomi de hidrogen şi molecule de dioxid de carbon într-o serie exactă de reacţii chimice cu ajutorul enzimelor din stromă. Toate cele trei echipe pot lucra în timpul zilei, iar echipa pentru zahăr lucrează şi în schimbul de noapte, cel puţin pînă cînd se termină rezervele de ATP şi NADF produse de schimbul de zi.
Vă puteţi imagina stroma ca pe un fel de agenţie matrimonială celulară, plină de molecule şi atomi care trebuie să fie "căsătoriţi" unii cu alţii, însă care nu vor reuşi niciodată să o facă singuri. Anumite enzime sînt ca nişte micuţi peţitori foarte insistenţi. Ele sînt molecule proteice care au forme speciale, ceea ce le permite să pună mîna exact pe atomii sau pe moleculele necesare pentru o anumită reacţie. Însă ele nu sînt mulţumite doar să facă prezentările pentru viitorii parteneri de căsătorie moleculari. Enzimele nu se vor declara mulţumite decît atunci cînd vor vedea că acea căsătorie are loc şi, prin urmare, ele îi înhaţă pe cei doi viitori parteneri şi, în ciuda împotrivirii lor, îi pune în contact direct unul cu celălalt, încheind căsătoria cu forţa într-un fel de nuntă biochimică făcută cu pistolul la tîmplă. După ceremonie, enzimele eliberează noua moleculă şi repetă procesul, fără oprire. În stromă, enzimele trimit cu o viteză incredibilă moleculele de zahăr parţial formate, rearanjîndu-le, dîndu-le energie cu ATP, adăugînd dioxid de carbon, ataşînd hidrogen şi, în final, trimiţînd o moleculă de zahăr tricarbonic într-o altă parte a celulei, ca să fie transformată în glucoză şi într-o mulţime de alte variante.
Aşadar, fotosinteza este un proces remarcabil, coordonat într-un mod extraordinar, care utilizează energia fotonilor din lumina soarelui. Arhitectura complexă a plantei şi mecanismele de control genetic şi biochimic incredibil de complicate care reglează activitatea fotosintezei pot fi considerate perfecţionări ale procesului fundamental de captare a fotonului şi de convertire a energiei acestuia într-o formă chimică.
