Fotosyntes kommer lika naturligt för växter som att andas gör för människor. Denna process omvandlar de enkla ingredienserna koldioxid, vatten och solljus till energi. Fotosyntes gör att växter kan växa. I sin tur förlitar vi oss på fotosyntes som grunden för vårt liv på jorden.
Carina Baskett minns första gången hon lärde sig om fotosyntes. Hon säger, “Jag minns att jag kände att det här verkar så magiskt.”
Hon är nu växtbiolog vid Institute of Science and Technology Österrike i Klosterneuburg. “Det är bara så fantastiskt att växter tar luft, vatten och ljus – saker vi går runt i hela tiden – och de förvandlar det till energi och mat för hela världen.”
Solljus kan utlösa en reaktion hos gröna växter . Dess energi delar upp vattenmolekylerna i bladen till väte- och syreatomer. Anläggningen använder sedan det vätet för att reagera med koldioxid, för att bilda socker — en typ av mat och bränsle.
milena moiola/iStock /Getty Images Plus
Solens energi får oss att känna oss varma när det träffar vår bara hud. Men när solljus berör bladen på en växt gör det mer. Det driver en kemisk reaktion som omvandlar en typ av energi till en annan. Dessa växtblad innehåller mycket vatten. Det vattnet är gjort av syreatomer bundna till väteatomer. Solens energi kan excitera elektroner inuti vattenmolekylen så mycket att bindningarna splittras.
Detta utlöser en reaktion ”som tar bort syret från vattnet. Och det blir syre i luften som vi alla andas”, förklarar Baskett. Samtidigt noterar hon, “Väte från vattnet kläms ihop med koldioxiden , och det gör socker.”
Människor och alla andra djur använder detta socker – glukos – som en energikälla från mat. Växter blir den mat som våra kroppar kan omvandla till energi. I grund och botten är fotosyntesen anledningen till att vi kan existera, förklarar Baskett.
Det är inget mysterium varför fotosyntes fascinerar henne och andra forskare. Många av dem vill nu veta mer om det, imitera det – till och med förbättra det.
Blinkande växter
Grunderna för fotosyntes är välkända. Klorofyll, de gröna pigmenten i växter, använder solljus för att göra sockerarter. Men det finns fortfarande mycket att lära om hur växter styr processen och dess effektivitet. Ange Avihai Danon. Han är växtbiolog vid Weizmann Institute of Science i Rehovot, Israel. Han studerar hur växter reglerar, eller kontrollerar, fotosyntes. I en tidning som publicerades förra året i iScience, hans team beskrev en sådan bearbeta. Han beskriver det som att växter “blinkar.”
Forskare vid University of Cambridge arbetar för att skapa en typ av solbränsle som är gjord av naturliga, snarare än syntetiska, kemikalier. Katalysatorn de använder kommer från en växt.
Reisner Lab
“För mycket ljus kan faktiskt bränna växtens celler”, säger Danon. Han jämför en växt som utsätts för för mycket ljus med en person som leker med elektricitet. “Om det plötsligt kommer en höjning av ljusnivån, hur hanterar de det? Blir de brända?”
Alla trädgårdsmästare vet att växtarter är anpassade för att leva i särskilda mängder solljus. Men ljusförhållandena förändras naturligtvis. Moln färdas över himlen, vinden rufsar löv och solens position rör sig under hela dagen. För att studera hur fotosyntesen anpassar sig till dessa förändringar, studerade Danon senapsväxter i sitt labb under svagt ljus.
I ett test ökade han ljusets intensitet var tionde minut. Detta var för att efterlikna den uppgående solen. När ljuset förändrades, mätte Danon växtens fluorescens (Fluor-ESS-ents). Detta är en form av ljusenergi som frigörs genom fotosyntes. Att mäta fluorescensen hjälpte Danon att se hur mycket fotosyntes som inträffade under olika ljusnivåer.
När dagen ljusnade förväntade sig Danon att se en stadig ökning av fotosyntesen. Istället liknade mönstret mer av ett flimmer. Fotosyntesen skulle sakta ner mycket och sedan stöta upp lite igen. Ner och sedan upp. Om och om igen, lite i taget, anpassade den sig till det förstärkande ljuset.
“Det är bättre att vara säker-än-förlåt”, förklarar Danon. Anläggningen förutsåg de värsta förhållandena, säger han, innan de anpassade sig till de faktiska förändringarna.
Danon kunde inte låta bli att jämföra hur mänskliga ögon reagerar på plötsligt, starkt solljus. När vi går ut en solig dag drar våra pupiller ihop sig. Det svaret skyddar våra ögon från skador samtidigt som vi ser till att vi fortfarande kan se viktiga saker omkring oss.
Växter kan inte röra sig, så deras “blinkande” hjälper till att skydda dem från att bränna eller bleka när de är i strålande sol. En växts ljusmätare – du kan se dem som antenner – registrerar när ljusnivåerna ändras. Dessa antenner krymper och minskar i processen fotosyntesen. Denna krympning skyddar dem också från plötsliga förändringar som kan skada hela växten.
Danon är inspirerad av vad växter kan göra. “Om växter har utvecklat denna typ av mycket sofistikerad svar, och de är framgångsrika i hundratals miljoner år, kanske det kan hjälpa oss i vår egen konstruktion”, säger han.
Artificiell fotosyntes
Forskare har redan börjat kopiera, eller efterlikna, fotosyntes. Deras artificiella processer använder också ljus för att dela syre och väte – för energi. Drömmen är att på sikt ersätta fossila bränslen. Om människor kunde göra energi från sol, luft och vatten – som växter gör – skulle det minska utsläppen av koldioxid som värms upp av planeten. Det skulle också kunna skapa en enorm ny källa till förnybar energi.
Många forskare ser på solbränslen – bränslen gjorda av solljus – som “gröna” ersättningar för dagens kolbaserade fossila bränslen. Dessa inkluderar olja, gas och kol.
Solbränslen kan ta många former. De kan se ut som traditionella kolbaserade bränslen, som använder koldioxid för att “återvinna” utsläpp från fossila bränslen. Väte och syre, fotosyntesens kemiska produkter, kan driva bränsleceller som gör att bilar kan drivas med el. Dessutom kan solenergi omvandla solljus till elektricitet som kan lagras i batterier. Oavsett vilken form solbränslen tar, är det första steget att dela vatten i dess elementära byggstenar.
“Naturen har den här kraften”, förklarar Julien Warnan. Han är en kemist som arbetar med Erwin Reisner om solbränslen vid University of Cambridge i England. Naturen har haft mycket tid på sig att komma på hur man gör detta effektivt, konstaterar han. När det gäller att dela upp vattens byggstenar är ingenjörerna “lite mer begränsade”, säger han. “Alla försöker utveckla olika verktyg för att göra det.”
Forskare vid University of Cambridge i England konstruerade en semi-artificiell form av fotosyntes i labbet. En av deras uppställningar, som visas här, använde ljus för att dela vatten i syre och väte. Att väte kan användas som bränsle för att köra fordon, som råvara för industriella processer och mer.
Katarzyna Sokół/St. John's College, Univ. of Cambridge
Förra året i tidskriften Nature Energy
, beskrev Warnans team ett nytt sätt att använda solljus för att dela vatten. Tanken, förklarar Warnan, “är att ta vatten och luft och sätta ihop det i en låda.” Sedan lägger du till en katalysator. Detta är något material som kan få kemikalier att reagera. Senare säger han: “Du lyser ljus på den här lådan. Och det som kommer ut är bränsle — som vad du stoppar i din bil eller ett flygplan.”
Forskare runt om i världen experimenterar med enheter — tänk på dem som konstgjorda löv. Liksom processerna i löv delar de vatten till väte och syre. Warnans lag var inte först att göra det. Men de gjorde det med en annan typ av katalysator. Det är samma som en växt använder för att sätta igång en kemisk reaktion.
De extraherar den katalysatorn från en växt, snarare än att skapa den från kemikalier i ett labb. Det betyder att färre starka kemikalier skulle gå in i att tillverka deras solbränsle. Men det krävs mer arbete innan människor kan producera ett solbränsle från vatten så enkelt som växter kan.
”Växtens stora kraft är att den alltid kan regenerera och fylla på [the catalyst] om det går sönder”, säger Warnan. “Vi kan inte.” Den här typen av solbränsle är därför “fortfarande mycket dyrt”, påpekar han.
Förklarare: Vad är en katalysator?
Så förvänta dig inte att gasa på med solbränslen inom en snar framtid. De nuvarande enheterna kan inte skörda tillräckligt med solljus överkomligt. Det är därför växter är så bra lärare. Efter att ha gjort fotosyntes i miljontals år har de redan kommit på hur man gör det effektivt.
Energianalytiker förutspår att människor kommer att använda dubbelt så mycket energi år 2050 som de gör nu. Konstgjorda löv kan vara ett sätt att avvänja mänskligheten från sitt beroende av fossila bränslen.
Hacka växter
Nästan 8 miljarder människor delar vår planet idag. FN uppskattar att det kommer att leva 9,7 miljarder människor i denna värmande värld år 2050. De kommer att sträcka efterfrågan på mat och energi till dess gränser.
Fotosyntes har utvecklats för att fungera likaså. som det behöver – för växter. En grupp forskare försöker nu förbättra fotosyntesen – den här gången för människor. RIPE, som står för Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, är en global forskningssatsning. Det syftar till att “hacka” fotosyntes på sätt som skulle kunna ge fler grödor.
Don Ort (vänster), Paul South (mitten) och Amanda Cavanaugh studerar anläggningar som modifierats för att bli bättre återvinnare av kemikalier som av misstag gjorts av ett Rubisco-fel. Åtminstone en femtedel av tiden väljer Rubisco syre, inte koldioxid, när han försöker utföra fotosyntes. “Rubisco har ännu mer problem med att plocka ut koldioxid från syre när det blir varmare”, säger Cavanagh. “Vårt mål är att bygga bättre anläggningar som tål värmen idag och i framtiden.”
RIPE, University of Illinois
Amanda Cavanaugh är växtbiokemist vid University of Illinois i Urbana. Hon jobbar med RIPE. Hennes forskning fokuserar på ett litet enzym som har stor inverkan på fotosyntesen. Den är känd som Rubisco (Rew-BIS-koh).
“Den får inte mycket kredit, men den har utan tvekan det viktigaste jobbet i världen”, säger hon.
Rubisco tar upp koldioxid ur luften och hjälper till att omvandla den till socker eller glukos. Det är den process som gör växter till ett energiomvandlingssystem som driver djurens tillväxt.
Allt fotosyntetiskt liv är beroende av Rubisco-enzymet, säger Cavanaugh. Och även om “det är kritiskt viktigt”, tillägger hon, “är det inte särskilt bra på sitt jobb.”
Hon talar om ett vanligt misstag som växter gör under fotosyntesen. Ungefär en av fem gånger kommer en växt att “ta” en syremolekyl från luften istället för koldioxid. Det är som att råka lägga salt i kaffe snarare än socker. Så istället för att göra energi för dagen, producerar anläggningen giftiga föreningar.
Växter har kommit på ett sätt att återvinna de oönskade föreningarna. Men att göra detta använder energi som växten annars skulle kunna lägga i tillväxt. Om vetenskapen kunde ta reda på ett sätt att rätta till Rubiscos misstag, uppskattar Cavanaugh, skulle jordbruket kunna föda ytterligare 200 miljoner människor om året.
“I åratal har människor fascinerats av möjligheterna förmågan att konstruera en bättre Rubisco, säger hon. Att göra det kan göra det möjligt för bönder att “odla mer mat på mindre mark.” Och det, hävdar hon, är “det yttersta målet för en växtbiolog.”
När Rubisco gör dessa felaktiga föreningar, blir en växt av med dem. Det gör den genom att transportera dessa oönskade kemikalier till tre olika strukturer i växtcellen. Cavanaugh och hennes kollegor såg denna “återvinningsprocess” som att slösa bort en växts dyrbara energi och tid. “Vi undrade om det fanns något sätt att påskynda det”, säger hon.