Proč se to učíme? Fotosyntéza

25. června 2018 v 23:57 | MAKY.OREL |  Taháky do biologie
Fotosyntéza - téměř každý si ze školy nějak zvládnul zapamatovat, že jde o proces, při kterém rostliny vyrábí kyslík. To je tak nejdůležitější minimum, které by si člověk měl odnést. Proč se ale ve školách tento proces probírá často tak zoufale detailně? Proč se do toho míchají různé chemické rovnice? A má to vůbec smysl, když tomu nakonec pramálo rozumíte? Pojďme se podívat na to, proč je vlastně důležité vědět o fotosyntéze víc než jen tu jednu kyslíkatou větu.



Fotosyntéza nám umožňuje rozklíčovat celý proces života a fungování rostliny a také nám její znalost pomáhá zbořit pár mýtů, které jsme se vlastně nenaučili nikde jinde, než právě ve škole. Z těch málo informací o rostlinách totiž člověk dochází k mylným závěrům, které by se znalostí procesu fotosyntézy nevymyslel. O jaké jde?

Rostliny vyrábí kyslík z CO2

Rostliny spotřebovávají plynný uhlík a ... něco s ním teda asi dělají... a zbyde ten kyslík, ne? Ne. Rostliny totiž neberou onen "vydechovaný" kyslík z CO2, ale z vody, jejíž vzorec je H2O. V první fázi fotosyntézy ji totiž rostlina rozkládá za pomoci světla. Tímto procesem, kdy trhá vazby mezi vodíky a kyslíkem v molekule vody, získává energii nutnou k dalším reakcím ve svém těle. Náš pan profesor nadšeně říkal, že rostliny si udělaly baterky z vody. Byl tím zcela unešen, ostatně kdo by nebyl? Baterky z vody lidi dělat fakt neumí.

Rostliny vyrábí kyslík... jenom kyslík

Nikdy nezapomínejte jednu věc - rostlina nevyrábí kyslík proto, aby nám pomohla žít. Rostlinám jsme my živočichové v zásadě ukradení (pokud jim zrovna nepomáháme s opylením). Kyslík je skutečně přebytkem reakcí v rostlinách a bez nich by ho na Zemi nebylo takové množství. Není však tím hlavním produktem fotosyntézy. Ta totiž slouží rostlině hlavně k výrobě cukrů = stavebních látek těla. Neboť rostlina je v zásadě hlavně takový velký složitý cukr.

Cukry jsou chemické látky s uhlíkatou kostrou, velká část z nich je prostě hlavně uhlík. A ten se samozřejmě bere z toho CO2 - oxidu uhličitého, který rostlina spotřebovává. Rostliny jsou autotrofové! Zatímco my zvířátka musíme cukry jíst (ve formě kytek) a neumíme si je vyrobit z neživých látek, rostliny si je umí vyrobit z opravdu neživého.

Rostliny nedýchají kyslík

Když rostlina kyslík vyrábí, tak teda vlastně nedýchá, protože by ho pak spotřebovala nám, ne? Ne. Rostlina dýchá, říká se tomu fotorespirace. Používá kyslík k přeměně některých meziproduktů fotosyntézy, čímž ve velké míře způsobuje jejich částečný rozpad zpět na CO2. To je nevýhodné, protože rostlina se naopak snaží C získat a udržet v těle.

Nicméně se soudí, že toto její dýchání kyslíku a uvolňování oxidu uhličitého slouží jako jakási pojistka proti "přehřátí" jejího fotosyntetického aparátu v případě, že je v okolí málo CO2, který by mohla rostlina spotřebovávat. Rostlina je jednoduše takový výrobní stroječek, a když jí zapojíte do "elektřiny" (světla) a nedáte stroji nic ke zpracování, tak se zhroutí. Stejně jako se vám například zkroutí prázdná pánev na zahřáté plotýnce...



Pro jednoduchou ilustraci je tady zjednodušené schéma: rostlina bere vodu a tu světlem rozkládá na vodík a kyslík. Kyslík uvolňuje jako nadbytečný a zpětně přijímá při jiných procesech. Hlavním cílem fotosyntézy, ale není výroba kyslíku, nýbrž cukru, který je zde zjednodušeně reprezentován červenými plody, nicméně cukry tvoří celé tělo rostliny! (Vyráběla jsem to schéma sama, jiné hezké nebylo... :D Zdroje samozřejmě uvádějte, pokud si vypůjčíte.)

Když kytka dýchá kyslík, co budem dýchat my?

Nebojte, vaše kytička vám kyslík v obýváku nevyčuchá. Kytky totiž umožňují zvýšení hladiny kyslíku v atmosféře tím, že vážou uhlík do svého těla. Nechápem, co? Tak šířeji a zjednodušeně. Už tak logicky bychom mohli říct, že CO2 je molekula, ve které je kyslík a uhlík. Když vezmete uhlík a nacpete ho do kytky, rázem je v okolí více "svobodného" kyslíku.

No jistě, víme, že to není tak jednoduché, on ten kyslík totiž pochází z vody. Ale když rostlina umře, začne zahnívat, což je proces, při kterém se kyslík spotřebovává na oxidační reakce. Uhlík zabudovaný v těle organismu se uvolňuje a potřebuje se s něčím spárovat - třeba s kyslíkem, když je volný. Dokud jsou kytky živé a nehnijí, drží v sobě spoustu uhlíku (stejně jako my...), který si tím pádem nikde nemůže poletovat. To je to jejich hlavní kouzlo.

Rostlina dělá fotosyntézu listy

Představa o tom, kde fotosyntéza probíhá, je často špatná. Nikdo vám to nevyčítá, ostatně se o tom leckdy moc nemluví. Fotosyntéza není tak docela "v listech", ale probíhá přímo v každé jednotlivé buňce toho listu, která obsahuje organely chloroplasty (ty s tím zeleným barvivem chlorofylem). V těchto organelách jsou tzv. thylakoidy, což jsou takové penízky naskládané ve sloupečcích. No a právě na jejich membráně (obalu) se to začne dít. Probíhá tam tzv. světelná fáze fotosyntézy, která vyrábí energii. Není to tedy vyloženě list, musíme hledat trochu hlouběji.

Temnostní fáze je v noci

Učili jste se také možná o tom, že fotosyntéza má dvě fáze. Jedné se říká světelná - ta potřebuje světlo. Druhá je temnostní a ta světlo nepoužívá. To však neznamená, že běží v noci. Prostě jen nepoužívá energii ze světla, protože tu už kytka získala ve fázi světelné, proto se jí říká světelná. Energie ze světla k temnoství fázi už není potřeba, v téhle fázi kytka vyrábí ze získané energie cukry... Chápem? Žádná noc nebo den, jen potřebuju/nepotřebuju.

Jak to teda celé probíhá?

Fotosyntéza má v zásadě dvě různé fáze. Rostlina je stroj na výrobu cukrů - ve zjednodušeném podání je. Aby mohl stroj běžet, potřebuje energii. A tu si musí nějak vyrobit, což umí. První fáze fotosyntézy, tedy slouží k výrobě energie a jmenuje se světelná. Rostlina při ní využívá zelené barvivo jménem chlorofyl, který umí chytat kvanta energie.

Neboť světlo je v zásadě především proud energie, kytka ho chytá... když nějaké je (svítí sluníčko), a proto tomu říkáme světelná fáze. První, co kytka s těmihle chycenými kvanty energie udělá, že vezme vodu (H2O) a začne jí rozdělovat na kyslík a vodík, aby si vyrobila chemickou energii, kterou může skladovat jako baterky. Což se světlem dělat neumí. To vypadá jako blbost... No kytka ví, co dělá. Na povrchu membrány thylakoidu jsou takové turbíny na výrobu skladovatelné energie, jedná se o tzv. protonové pumpy, které trochu vypadají jako ty turbíny v elektrárně. Na jejich roztočení nepotřebujete vodní páru, ale ionty, takže nějakou nabitou částici. V tomto případě použijeme vodík, který má jen jeden proton jádře, bereme si tedy kationt - kladně nabitý - H+, nikoli molekuly H2.


Takhle vypadá rozříznutá membrána thylakoidu uvnitř chloroplastu. Nahoře na obrázku je vnitřek chloroplastu a dole vnitřek thylakoidu. Na membráně sedí několik pomocníků, kteří se starají o předávání a výrobu energie pro další fázi fotosyntézy. zdroj: Wikimedia

Rostliny tedy využívají všudypřítomnou vodu k tomu, aby z ní vyrobily vodík jako takové vlastní raketové palivo, ten pak proženou turbínou a vyrobí si energii. Tu schovávají v podobě molekuly ATP (adenosintrifosfát) - taková buněčná baterka. A s touhle baterkou už pak můžeme jít ke stroji a začít vyrábět to, kvůli čemu rostlina fotosyntézu má a to je cukr. Tahle pásová výroba probíhá opět v organele chloroplast, tentokrát však nikoli na thylakoidu, ale v hmotě zvané stroma, která vyplňuje prostor uvnitř chloroplastu (mezi membránou a thylakoidy).

Rostlina pak rozjede poměrně složitý proces výroby cukrů, kterému říkáme temnostní fáze. Jeho zásadní fází je cyklický proces (takže jede pořád dokolečka), s názvem Calvinův cyklus (podle pána, co ho objevil - jako vždy). Tenhle proces má za úkol vzít jednoduché cukry, které rostlina má, a upravit je na trochu jiný typ stále jednoduchého cukru, který však může již jako kostičky lega pospojovat do cukrů složitých. Těm pak říkáme třeba škroby a je jich plná kytka...


Fotosyntéza v jednoduchém přehledu - dole vlevo schéma chloroplastu, vpravo detail thylakoidů. zdroj: KhanAcademy

Tahle výroba nepůsobí moc efektivně - kytka si bere jednoduchý cukr ribulózu, k té přicpe CO2, který si nadýchá dovnitř listu skrz průduchy, a to začne mixovat dohromady pomocí energie z ATP, kterou získala ve světelné fázi předtím. Vyrobí tím několik molekul glyceraldehydu, což je ta kostička lega, ze která pak může stavět ty škroby. Jenže takových kostiček si vyrobí v jednom cyklu 6 a pouze jednu může použít a zbytek musí vrátit do výroby. Tam se tyhle kostičky zase předělají na ribulózu a jede to celé odznova. No, jak říkám, na člověka to působí pěkně složitě a pěkně otravně...

Některé kytky ale přišly na to, jak tuhle výrobu trochu zefektivnit, takže pak také rychleji rostou (víc cukru = víc kytky). Jsou to teplomilné rostliny jako cukrová třtina nebo kukuřice a říkáme jim C4 rostliny podle toho, že si hrají se čtyřuhlíkatými látkami před výrobou cukrů. Používají totiž před výrobou cukrů ještě tříuhlíkaté látky, ke kterým nalepí CO2, a tak ho skladují. Vytvoří tím látky čtyřuhlíkaté a ty pak lépe dopravují uhlík k výrobě glyceraldehydů v Calvinově cyklu. Co vám mám povídat, je to složité, ale funguje to.

Závěrem...

Ačkoli mluvíme o rostlinách jako hlavních producentech kyslíku, je to trochu zavádějící. Kyslík produkují organismy, které jsou "zelené", takže mají chloroplasty. Jenže to nejsou jen kytky, většina z těchto organismů jsou jednobuněčné řasy/plankton, které žijou v mořích. Ostatně oceány zabírají víc plochy Země než souš. Takže to, co dýcháme, je mnohem spíš produktem vodních mini-zvířátek, než lesa za barákem.

To však nic nemění na tom, že i ten les za domem je zásobárna uhlíku, stejně jako třeba sloje uhlí, přírodní nádrže ropy apod. Všechno tohle je schovaný uhlík, který se nemůže kámošit s kyslíkem - kdykoli něco z toho spálíme, pouštíme uhlík na svobodu. A proto jou fosilní paliva takový problém, protože tím opravdu můžeme ovlivňovat složení atmosféry. A pokud se navíc budeme chovat hnusně k našim oceánům a trávit je vypouštěním odpadů, zabijeme pak ještě navíc všechna ta mini-zvířátka, která nám vyrábí většinu kyslíku.

Snad jste trochu prokoukli, proč se tak blbne s tou ochranou přírody - všechno sice není na tom světě tak propojené, ale leccos je. A nezapomeňte, že tenhle model fotosyntézy, je krapet zjednodušený, aby se to dalo dobře pobrat. Jeho detaily najdete vždy v případě zájmu v dobré učebnici i na wikipedii.

Čtení (nejen) pro angličtináře:
BigPicture - The great RuBisCO and its amazing carbon fixation
KhanAcademy - The Calvin cycle
Science Focus - How does Earth maintain a constant level of oxygen?
Wikipedie - Protonové pumpy
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama