A fotoszintézis páratlan folyamata

A fotoszintézis dióhéjban az élet csodája, mely során szervetlenből szerves anyag keletkezik. Többnyire a növények leveleihez kötjük, de más élőlények is fotoszintetizálnak. Lehet, hogy még emlékszünk az iskolában tanultakra, mindenesetre összeszedtük a folyamat részleteit.

A fotoszintézis fogalma

A fotoszintézis olyan biokémiai folyamat, amely során a fotoszintézist végző élőlények (pl. zöld növények, egyes egysejtűek és baktériumfajták, színes moszatok, algák) a napfény energiájának segítségével szervetlen anyagokból (szén-dioxidból és vízből) szerves anyagot (cukrot, azaz glükózt) állítanak elő. A cukron kívül „melléktermékként” oxigén szabadul fel. Az így keletkező oxigén, amely a legtöbb földi élőlény számára alapvető fontosságú, a légkörbe kerül.

A fényenergia kémiai energiává alakul át, miközben az élő szervezetben a szervetlen anyagokból szerves anyagok képződnek. A fotoszintézis a klorofillt tartalmazó kloroplasztiszban megy végbe. A folyamat két fázisra, fényes és sötét szakaszra osztható.

A fotoszintézis két szakasza

A fotoszintézis tehát két szakaszban megy végbe. A „fény szakaszában” a fényenergia megkötődik, és kémiai energiává alakul át kémiai kötések formájában.

A „sötét szakaszban” pedig az energia arra fordítódik, hogy a szén-dioxidból cukor termelődjön. Ekkor történik tehát a szén-dioxid megkötése és szénhidrátokká alakítása, amelyek a növény fejlődéséhez szükségesek. Ezt a szakaszt Calvin-ciklusnak vagy szénfixációs fázisnak is nevezik.

A fotoszintézis fény hatására indul meg a levelekben található pigmentben, a klorofillban. A fotoszintézis mindaddig folyamatosan zajlik, amíg a klorofillt elegendő fény éri. Ezért a növény a fotoszintézis során folyamatosan szén-dioxidot vesz fel a levegőből, és oxigént bocsát ki. Sötét helyeken és éjszaka a növény nem fotoszintetizál, hanem lélegzik, azaz oxigént vesz fel, és szén-dioxidot bocsát ki. A növények éjszakai oxigénfelvétele igen csekély mértékű. Nappal, amikor a fotoszintézis zajlik, sokkal több oxigén keletkezik, mint amennyit a növény sejtlégzése során felhasznál. Tehát ordas nagy tévhit, hogy ha sok növény van a szobánkban, éjszaka elszívják az oxigént tőlünk.

A fotoszintézis folyamata

A fotoszintézis első szakaszában a fényenergia kémiai energiává alakul át, amely nagy energiájú kémiai kötések létrehozására fordítódik, így a glükóz kémiai kötéseiben is szerepet játszik. A szén-dioxid és a víz a nap fényének hatására glükózzá alakul, miközben oxigén és víz keletkezik. A folyamatot a következő kémiai egyenlet írja le:

6CO₂ + 12H₂O + napfény → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Vagyis 6 szén-dioxid-molekulából (CO₂) és 12 vízmolekulából (H₂O) fény hatására egy glükózmolekula (C₆H₁₂O₆), 6 oxigénmolekula (O₂) és 6 vízmolekula (H₂O) keletkezik.

Ez a folyamat a növény zöld részeiben, főleg a levelekben megy végbe. Mivel a fotoszintézishez szén-dioxid, víz és napfény szükséges, ezeket a növénynek meg kell szereznie. A leveleken található apró pórusokon, gázcserenyílásokon keresztül a növény szén-dioxidot szív fel a levegőből, és ugyancsak ezeken a pórusokon keresztül bocsátja ki az oxigént. A vizet a gyökerek szívják fel a talajból, ami a szállítószövet-rendszer segítségével a levelekbe jut. A napsugárzás energiáját a zöld növényekben található pigment, a klorofill szívja magába. A klorofillt a fotoszintetizáló növényi sejtek sejtszervecskéje, a kloroplasztisz (színtest) tartalmazza.

A fényenergia megkötésekor vízbontás történik, melynek során molekuláris oxigén és hidrogénionok keletkeznek. Ez utóbbit a nagy energiájú NADPH-molekulák (enzimek) elszállítják, és a segítségükkel a sötét szakaszban szénhidrátokká alakítják a szén-dioxidot. A szén-dioxid megkötéséhez szükséges energia az ATP-molekulákban raktározódik. Az ATP- és a NAPDH-molekulák fényreakció végtermékei, de a nem fényigényes szakaszban hasznosulnak, mégpedig úgy, hogy cukrot hoznak létre.

A sötét reakciók a sztrómában mennek végbe. Az itt lejátszódó Calvin-ciklus az a reakcióút, amely a szén-dioxid megkötésétől a szénhidráttá való redukálásáig tart. A szén-dioxid enzimek segítségével kapcsolódik egy 5 szénatomos vegyülethez, és 6 szénatomos nem stabil cukormolekulává alakul. Végül pedig ez utóbbi glükóz- és fruktózmolekulákra bomlik. Ezek a szacharidok (cukrok) létfontosságúak a növény számára.

Mesterséges fotoszintézis

Évek óta kísérleteznek mesterséges fotoszintézissel, és végtére is már lehet sikerekről beszélni. Már 2020-ban a Cambridge Egyetem kutatói olyan berendezést hoztak létre, amelynek működése a növények fotoszintézisére emlékeztet: a levegőből szén-dioxidot vesz ki, amit a napfény energiájával és vízzel tiszta energiahordozóvá alakít.

Az eddigi, fotoszintézist utánzó gépeket a szóban forgó berendezés abban is meghaladja, hogy nem igényel külső elektromosságot, így megfelelő hatásfokkal dolgozik.

A Chicagói Egyetem kutatói 2022-ben újabb áttörést értek el a fotoszintézis újragondolásával. A növények a napfény energiáját arra használták fel, hogy segítségével, a légköri szén-dioxid megkötésével szerves anyagokat állítsanak elő.

A chicagói kutatóknak sikerült olyan mesterséges módszert kifejleszteniük, amellyel a természetes fotoszintézisnél egy nagyságrenddel hatékonyabban tudnak energiahordozót előállítani. A természetes fotoszintézis során szénhidrátok keletkeznek a szén-dioxidból és a vízből, a mesterséges folyamat során pedig etanol, metán vagy más hasonló anyag. Bár az még elég messze van, hogy valaki ezzel a módszerrel előállított üzemanyagot tankoljon az autójába, az eredmény új utakat nyithat meg a kutatók előtt.

Kiemelt kép: Canva