Ihmeellistä energian käyttöä
Näin kevätkuukausien aikana me täällä Pohjolassa näemme valtaisia luonnonprosesseja, mitä suuret energiavirrat saavat aikaan: Jäät ja lumet sulavat, routa häviää maasta ja sulamisvedet virtaavat valtoimenaan. Ja jos ilmanalat pysyvät kovin säteilevän lämpiminä, niin eipä aikaakaan kun maaperä jo alkaa rakoilla kuivuuttaan. Nämä veden olomuodon muutokset tietenkin ovat suoraa seurausta auringon lisääntyneestä säteilystä ja lämpötilan noususta, eikä niissä ole mitään ihmeellistä.
Sen sijaan ihan vallan ihmeellistä on se kasvillisuuden räjähdysmäinen kasvu mitä nämä olosuhteet saavat aikaan. Maasta, puista, pensaista, ja varvuista, joka puolella, myös kivipinnoilla ja luonnonvesissä, tunkee esiin kaikenlaista vihreää vartta, lehteä tai yksisoluista leväkasvustoa. Uutta biomassaa syntyy valtavalla vauhdilla. Tämä uusi biomassa puolestaan muuttuu meille kaikille muille eliöille ruuaksi ja energian lähteeksi.
Uuden vihreän ihme perustuu siihen että ilman hiilidioksidi sitoutuu yhteen vedestä eristettyjen vetyatomien kanssa, niin että nämä yhdessä muuttuvat kaikenlaisiksi isoiksi molekyyleiksi. Hiilidioksidi ja vesi muuttuvat sokereiksi, ja samalla syntyy lisää happea. Se varsinainen ihmeellinen juttu tässä on se hieno ja hyvin monivaiheinen prosessi miten auringon valoenergia sitoutuu kemiallisiin sidoksiin, eli muuttuu kemialliseksi energiaksi.
Kasveissa ja syanobakteereissa fotosynteesi lähtee siitä että valokvantit pommittavat klorofyllimolekyylejä, minkä seurauksena niiden ulooimmat elektronit virittyvät korkeammalle energiatasoille. Viritykset siirtyvät resonoimalla molekyyliltä toiselle. Lopulta, viritysten siirryttyä molekyylikompleksin keskelle, eli reaktiokeskukseen asti, elektronien energia onkin jo niin korkea että ne karkaavat kokonaan kyseisen klorofyllimolekyylin vaikutuspiiristä. Elektroni lähtee HYVIN sukkelasti, noin yhden pikosekuntin aikana, seilaamaan toisille, hyvin vastaanottavaisille molekyyleille; se sujahtaa monien erilaisten siirtäjämolekyylien muodostamaan sähköä johtavaan reittiin jota kutsutaan elektroninsiirtoketjuksi.
Tämä elektronien virtaaminen klorofyllimolekyyleiltä poispäin edellyttää sitä, että ne voivat lopulta siirtyä sellaiselle yhdisteelle joka voi ottaa vastaan ja varastoi niitä. Tällaisena ”akkuyhdisteenä” toimii kasveissa NADP+ niminen nukleotidijohdannainen. Elektronisiirtoketjun alkupäässä taas täytyy olla olemassa jokin aine joka loputtomasti luovuttaa elektroneja, ja koko ajan korvaa klorofylliltä pakenevat elektronit, niin että koko koneisto pysyy ehjänä ja toimivana. Alkeellisilla fotosynteettisillä bakteereilla tällaisena elektronien luovuttajina voi toimia esimerkiksi rikkivety, H2S. Kuitenkin, jo ehkä kolme miljardia vuotta sitten syanobakteerit kehittivät niin voimakkaan elektronien viritystilan ja siirtoketjun, että ne alkoivat riistää elektroneja vesimolekyyleiltä.
Syanobakteerien fotosynteesissä vedeltä otetut elektronit kuljetaan monien vaiheiden kautta NADP-molekyylille; auringonvalo siis pitää yllä miniatyyristä sähkövirtaa joka pumppaa (valtavaa vauhtia) elektroneja vesimolekyyleiltä NADP-akkuun. Vedestä irrotetaan myös vety-ytimet, joiden avulla rakennetaan kemiallinen gradientti kloroplastin kalvoston yli. Myös tämä muutetaan kemialliseksi energiaksi siten että ne valutetaan kalvon läpi, korkeammasta pitoisuudesta matalammalle, ATP-syntaasi-entsyymin läpi. Lopulta sekä elektronit että vety-ytimet liitetään hiilidioksidiin, ja tuotetaan sokeria. Vedestä jäljelle jäänyt happi haihtuu ilmaan.
Sama syanobakteereilta periytyvä molekyylikoneisto on käytössä myös kaikkien kasvien viherhiukkasissa. Koko koneisto on kaikessa miniatyyrisyydessään todellinen luonnon mestariteos. Rakenne vaihtelee hiukan lajista toiseen, mutta joka tapauksessa siihen kuuluu kaksi erillistä reaktiokeskusta ja niitä yhdistävä sytokromikompleksi, yli 10 erilaista proteiinia, erilaisia pigmenttejä (klorofyllejä, pheofytiiniä, karotenoideja), kinoneja, ja rauta-rikkikompleksi. Tämä koneisto siirtää elektroneja niin tehokkaasti siksi että molekyylit sijoittuvat hyvin tarkasti sopiviksi elektroninjohteiksi toistensa suhteen.
Fotosynteettisen koneiston jotkut osat näyttävät olevan ikivanhoja: erityisesti, klorofyllimolekyylien perustana oleva rengasrakenne, protoporfyriinirakenne syntyy spontaanisti kuumissa olosuhteissa typpeä ja hiiltä sisältävistä pyrrolirenkaista; pyrrolirenkaita taas syntyy spontaanisti aminohapoista ja formaldefydistä. Renkaan keskelle, vetyjen paikalle sitoutuu helposti jokin metallikationi. Rautaionin sitoutuessa se muodostaa hemimolekyylin, Magnesiumionin sitoutuessa klorofyllin perusrakenteen. Myös elektronien vastaanottajana toimiva NADP, di-nukleotidijohdannainen, voisi olla peräisin vaikkapa jo RNA-maailman ajoilta. Myös rikki-rauta kompleksi voisi periytyä jo hyvin varhaisen (hapettoman) maailman ajoilta.
Happea tuottavat molekyylikoneistot ovat kaikki peräisin samasta alkumuodosta, joka tarkoittaa sitä että tuo toimiva kompleksi on kasaantunut tällä planeetalla vain kerran. Koneisto on niin moniosainen, ja niin ja tarkkaan rakentunut, että itse olen monesti epäillyt saattaisiko sellaista syntyä missään muualla, muilla planeetoilla.
Täällä meillä Maassa happea tuottava fotosynteesi on kuitenkin tehnyt mahdolliseksi monimutkaisen elämän ilmestymisen planeetalle. Fotosynteesi tuottaa ravinnon kaikille meille muille eliöille, ja sen tuottama happi myös mahdollistaa energian tehokkaan irrottamisen biomolekyylien sidoksista. Tehokas hapettava aineenvaihdunta on välttämätön edellytys monisoluisten suurten eliöiden olemassaololle, ja erityisesti, se on ollut välttämätön edellytys suurten aivojen kehittymiselle ja toiminnalle. Siis ilmeisesti koko monimutkainen, suurikokoinen, ja erityisesti, tietoinen elämä on happea tuottavan fotosynteesin ansiota.
Fotosynteesin ansioista meillä on yläilmakehässä myös riittävä otsonikerros, joka hillitsee pinnalle tulevaa UV säteilyä riittävästi jotta elämä pystyy selviytymään kuivalla maalla. Sen ansioista auringon paiste ja kesätuuli tuntuvat ihanalle iholla.
Tuot mielestäni hienosti esiin sen, että mitä enemmän ymmärrämme elämää sitä ihmeellisempää se on.
Mietin tässä kuinka paljon tähden koko (säteilyspektri, valon aallonpituus tai intensiteetti tmv.) on vaikuttanut klorofyllimolekyylin syntyyn. Aurinkohan ei kai aina ole säteillyt yhtä kirkkaasti, esimerkiksi silloin muinoin kun klorofyllimolekyylin alkumuoto on syntynyt? Olisiko vähän punaisempi tai kirkkaampi aurinko johtanut erilaiseen loppuulokseen?
Klorofyllimolekyylien synty ilmeisesti olisi alunperin tapahtunut auringovalosta riippumatta, pelkistään kuumissa, välillä kastuvissa ja välillä kuivuvissa olosuhteissa. Se ehkä oli, sattumalta, käyttökelpoinen valoenergian talteenotossa, koska se virittyi tietyillä aallonpituuksialla. Jossakin vaiheessa elävät solut oppivat hyödyntämään tätä – ja sitten joskus myöhemmin, oppivat jopa itse syntetoimaan tuota hyödyllistä pigmenttiä.
Ursan Twitterketjussa jo vähän pohdittiinkin sitä arvoitusta, että miksi Maapallon kasvit ovat nimenomaan vihreitä. Tehokkaammaat yhteyttäjät käyttäisivät tehokkaasti hyväkseen myös vihreän valon eivätkä heijastaisi sitä suurimmaksi osaksi pois – optimaaliset kasvit olisivat kaiken järjen mukaan mustia!
Onko kyse vain evoluutiohistoriallisesta sattumasta, kun tällainen mekanismi on syntynyt, sen pohjalta ei yksinkertaisesti ole luontevaa reittiä myös vihreän valon käyttöön?
Kasvien yhteyttäminen on tosiaan hirvittävän monimutkainen prosessi ja tietääksemme syntynyt Maapallolla vain kerran, epäilemättä lukemattoman monen sattuman kautta.
Voisi kuvitella, että jos muualla maailmankaikkeudessa on syntynyt yhteyttäviä eliöitä, ne voivat olla minkävärisiä, vaan riippuen siitä millaista reittiä ne ovat valoa ravinnokseen kehittyneet hyödyntämään. Ehkä jollain planeetalla kasvit ovat punaisia?
Kyllä vain, kaikki nuo kommenttisi ovat aivan aiheellisia. Kasvien yhteyttäminen on todella hirvittävän monimutkainen prosessi. Se ei ole kehittynyt vain evoluutiohistorian sattuman kautta, vaan sellaisten sopeutumien kautta jotka ovat tehneet koneistosta toimivan ja tehokkaan: Ne valon aallonpituudet(eli sininen ja punainen valo) joita reaktiokeskukset absorboivat, ne vastaavat klorofyllimolekyylin spesifisiä viritystiloja; klorofylli pystyy sitomaan energiaa vain näillä aallonpituuksilla.
Nämä absorptiospektrit vastaavat siis erilaisten klorofyllimolekyylien (a, b, bakteeriklorofylli) viritystiloja. Mutta sitten, nämä toteuttavat vielä sellaisenkin kasvisolukoiden tarpeen että ne heijastavat pois päin pitkäaaltoista punaista valoa, ja toimivat tällä tavalla jäähdytysjärjestelmänä joka estää kasvien ylikuumenemisen.
Syanobakteerit ovat ”onnistuneet” tekemään fotosynteesiprosessin hyvin tehokkaaksi siten että ne ovat järjestäneet KAKSI reaktiokeskusta peräkkäin: ensimmäisestä reaktiossa irrotetut elektronit saavat toisessa reaktiokeskuksessa vielä toisenkin virityksen. Nämä kaksi peräkkäistä valoviritystä lisäävät elektronien pelkistyspotentiaalia yhteensä 2,4 elektronivoltin verran, mikä on riittävä energia siihen että elektronit irrotetaan vedeltä, ja siirretään vastaanottajamolekyyleille, eli NADP:lle. Kuten jo on mainittu, syanobakteerien (ja kasvien viherhiukkasten) fotosynteesikoneisto on ainoa joka pystyy tähän.
Klorofyllipigmenttien toiminta on optimaalista täällä maassa myös siitä syystä, että niiden viritys-spektrit vastaavat juuri niitä aallonpituuksia mitä auringonvalossa tulee eniten tälle planeetalle. Muissa aurinkokunnissa keskustähden säteily vaihtelee paljonkin: himmeissä kääpiötähdissä se on punaisempaa, suurissa tähdissä sinisempää. Voitaisiin ajatella että elliöt voisivat sopeutua aina paikallisiin olosuhteisiin ja absorboida juuri niitä aallonpituuksia mitä on saatavilla. Mutta, mutta … tässä saattaa olla kuitenkin rajoittavana tekijänä se miten eri pigmenttimolekyylit voivat virittyä ja luovuttaa elektroneja.
Tuo fotosyntettisten pigmenttien vihreä väri täällä maassa riippuu siis juuri klorofyllin rakenteesta ja sen absorptiospektristä. Muitakin pigmenttejä on täällä käytössä, mm. kasvien karotenoidit absorboivat keltaisia ja punaisia aallonpituuksia. Sitten erilaisissa fotosynteettisissä bakteereissa esiintyy myös muita, kuten fykosyaniinia ja fykoerytriiniä jotka absorboivat myös tuossa vihreillä aallonpituuksilla. Kukissa esiintyy ksantofylliä ja antosyaania, sitten taas jotkut flavonoidit absorboivat UV-alueella. Erilaiset eliöt pystyvät siis tuottamaan erilaisia valoa absorbiovia pigmenttejä, jopa me eläimet tuotamme rhodopsiinia joka reagoi valoon silmien verkkokalvoilla. Itseasiassa, kaikki väriaineet ovat pigmenttejä jotka absorboivat tiettyjä aallonpituuksia. Mutta, se oleellinen kysymys on se, voivatko muut pigmnetit toimia klorofyllin tapaan, siis, virittyä niin korkeille energiatiloille että ne myös tehokkaasti luovuttaisivat pois ulkoelektronejansa.
Bakteerirhodopsiini – eli Halobakteerin fotosynteettinen pigmentti – pystyy pitämään yllä alkeellista fotosynteesiä siten että se muuttaa muotoaan valossa, ja pumppaa samalla vetyioneita kalvon läpi, mutta varsinaista pelkistyspotentiaalia (elektronien luovutusta) tekevät vain erilaiset klorofyllit.
Tuolla jo aikaisemmin manitsin että klorofyllin perusrakenne, eli se suuri pylyporfyriinirengas, on sillä tavalla mielenkiintoinen että se syntyy kuumissa, vuorotellen kastuvissa ja kuivuvissa olosuhteissa, prebioottisesti, aminohapoista ja formaldehydistä. Se olisi voinut tulla varhaisen elämän käyttöön sieltä –
Keinotekoisissa fotosynteesisysteemeissä voidaan vastaavassa roolissa käyttää jonkinlaista suurta Ruthenium-kompleksia… siis joitakin vaihtoehtoja on, mutta ei ehkä kovin monia??
Kiitos! Enpä ollut juuri perillä vaikka eri klorofylliversioiden viritysspektrien eroista. Pitää opiskella!
Jos katsoo (ilmakehän läpi tulleen) auringonvalon spektriä niin sininen ja punainen on tietysti oikein hyvä kaksihuippuinen otanta siitä. Mutta kolmihuippuinen olisi vielä parempi, vihreä ja keltainen valo esimerkiksi menevät kasveissa aikalailla haaskuun.
Ehkä kyse on siitä, mihin tuo keinotekoisen fotosynteesin vaikeuskin viittaa, että vaihtoehtoja yhteyttämiseen sopivaksi perusmolekyyliksi ei välttämättä paljon ole – ja joka tapauksessa, kun yhteyttäminen kerran on lähtenyt käyntiin evoluutio tuunaa ja muokkaa sitä sen pohjalta mitä jo on – käytännössä mahdollista polkua esimerkiksi kolmihuippuiseen valon spektrin hyväksikäyttöön saati ”täydellisiin” mustiin kasveihin ei vain ole.
Nyt kun miettii, niin tuota fotosynteesin kehittymisen epätodennäköisyyttä on pohdittu yllättävän vähän monimutkaisen elämän synnyn todennäköisyyksiä arvioitaessa. Maapallollakin elämä porskutteli ihan tyytyväisenä ehkä miljardi vuotta ennen fotosynteesin syntyä. Tuntuisi uskottavalta, että jos muualla on elämää syntynyt, niin useimmiten tällainen huikea tapa hyödyntää tähden säteilyä on jäänyt keksimättä.
Fossiililöytöjen peruseella näyttää siltä että fotosynteesi sinänsä on alkanut jo ihan elämän alkuvaiheissa; tätä voidaan päätellä siitä että jo 3,7 miljardia vuotta vanhat mikrofossiilimuodostelmat osoittavat että jotkut niistä kasvoivat synanobakteerien tapaan ja muodostivat kerroksellisia mikrobimattoja. Myös, jotkut mikrofossiilimatot jotka ovat peräisin noilta ajoilta elivät selvätikin matalassa medessä, missä ei ole muita energialähteitä saatavilla kuin valoa. Valo toimi siis jo silloin noiden mikrobien energialähteenä. Kuitenkaan tuohon aikaan fotosynteesi ei vielä tuottanut happea. Syanobakteerit oppivat hajottamaan vettä ja samalla tuottamaan happea vasta n. miljardi vuotta myöhemmin, enkä n. 2,5 mrd vuotta sitten – ja kuten jo tulikin mainittua, tähän prosessiin piti valjastaa kaksi reaktiokeskusta peräkkäin jotta energialataus tuli riittävän suureksi. Jo varhaisimmat fotosynteettiset bakteerit olisivat todennäköisesti hyödyntäneet klorofyllimolekyylejä fotosynteesiproktissään, koska se on todellakin ainoa pigmentti joka pystyy luovuttamaan elektronit vastaanottaja-aineella.
Minun pitää näemmä päivittää vähän tietojani fotosynteesin alusta… Tällainen uusi juttu putkahti heti vastaan kun aloin etsiä
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5857716/
Aika isoa epävarmuutta fotosynteesin synnyn ajoittamisessa tietysti on niin kuin koko elämän synnynkin ajoittamisessa – mikähän olisi muuten tällä hetkellä paras mahdollinen valistunut arvio sille?
Tuon viittaamasi artikkelin väitteiden mukaisesti lienee todellakin mahdollista että vettä hapettava ja happea tuottava fotosynteesi olisi ilmestynyt, ensimmäisessä primitiivisessä muodossaan jo hyvinkin varhain. Se että hapen määrä ilmakehässä alkoi nousta vasta miljardi vuotta myöhemmin selittyisi sillä että hapen tuotanto oli aluksi tehotonta ja hidasta – myös siksi että se oli ilmeisesti myrkyllistä myös syanobakteereille itselleen. Tätä osoittaa se että happipitoisuus nousi ja laski syklisesti satojen miljoonien vuosien ajan; myös tuo PsaA ja PsaB geenien eriytyminen ilmeisesti liittyy juuri siihen että solut olivat sopeutumassa hapen haitallisuuteen. Meriveden ja kahden arvoisen raudan hapettuminen sitoivat aluksi valtavan paljon happea.
Vanhimmat, varmasti eloperäiset mikrofossiilit ovatkin juuri ohuita stromatoliittien kaltaisia fossiloituneita mikrobimattoja, iältään 3,7 – 3,8 mrd vuotta vanhoja. Tätäkin vanhempia mahdollisia mikrofossiileja (4,1 mrd vuotta) tunnetaan, mutta ne eivät ole yleisesti tunnustettuja eloperäisiksi.
Katselin, että onko tästä ”miksi kasvit eivät ole mustia?” -arvoituksesta mitään uutta ja huomasin, että Dianna Cowern (@thephysicsgirl) on tehnyt aiheesta videon, mikä minusta oli aika huippu:
https://www.youtube.com/watch?v=3BRP4wcSCM0
Kiva video, ja osoittaa myös miksi monia erilaisia pigmenttjä hyödynnetään fotosynteesissä. Pigmenttejähön on monia, ja erityisesti karotenoidit ja phykoerytriinit absorboivat vihreällä alueella. Nämä toimivat kuitenkin vain klorofyllin apupigmenteinä, ja absorboivat siis alueilla missä klorofyli ei absorboi.
Klorofyllistäkin on toki olemassa uesita eri versoita joilla on erilaiset absorbtiospektrit; bakteeriklorofylli absorboi aloa ainakin 870 nm:een asti.
Yksi kohta mainiosta blogikirjotuksesta on jäänyt kommentteja vaille. Se on tämä:
”Happea tuottavat molekyylikoneistot ovat kaikki peräisin samasta alkumuodosta, joka tarkoittaa sitä että tuo toimiva kompleksi on kasaantunut tällä planeetalla vain kerran. Koneisto on niin moniosainen, ja niin ja tarkkaan rakentunut, että itse olen monesti epäillyt saattaisiko sellaista syntyä missään muualla, muilla planeetoilla.”
Tämä seikka yhdessä ilmakehän ja magneettikentän luoman säteilysuojan kanssa, unohtamatta vuodenaikojen vaihtelua ja sopivaa lämpötilaa, tekee Maasta ainutlaatuisen planeetan. Vaikka Linnunradan planeettojen määrä on valtava, koko universumin jopa ihmisjärjelle käsittämätön, en usko, että ÄLYLLISTÄ elämää on voinut syntyä mihinkään muualle.
Olennaista kehittyneelle elämälle on uusiutuvasta energialähteestä, kasveista, lähtöisin oleva ravintoketju ja evoluution muovaama luonnon huikea monimuotoisuus. Skifielokuvista tuttu punaisen auringon valaisema autio hiekkainen planeetta oudon näköisine korkean teknologian hallitsevine olioineen ei mielestäni ole loppuun asti pohdittu vaihtoehto.
Olet oikeassa siinä että karut hiekkaplaneetat eivät millään voi tuottaa korkean teknologian tasolle kehittyneitä älyllisiä olentoja, eivätkä muutakaan monimutkaisia elämänmuotoja: niiden pieni bioenergian tuotanto (josko sellaista olisikin olemassa joidenkin yksisouluisten mikrobien tasolla), ja hapeton ilmakehä eivät voi pitää yllä sellaisia elämänmuotoja jotka tarvitsevat paljon energiaa.
Mielenkintoista on että myöskään vesiplaneetat eivät voi tuottaa teknisiä sivilisaatoita, nämä kun voivat kehittyä vain kuivalla maalla, ja tulta avuksi käyttäen. Lienee myös niin että pelkällä vesiplaneetalla ei voi tapahtua edes elämän syntyä, sekin kun tarvitsee kuivaa ja kuumaa maata…. niin että kyllä Maa on monella tavalla ainutlaatuinen planeetta. Mutta voihan se olla että jotakin samantapaista on silti olemassa, jossakin.
Toisaalta Maassakin elämän kolme edellytystä eli ravinteet, energia ja vesi esiintyvät siten että vaikka tuplaa on kaikkialla, triplaa on vain paikoitellen. Esimerkiksi merten pintavesissä on vettä ja aurinkoa, mutta ravinteet ovat minimitekijä koska ne tuppaavat vajoamaan pohjalle. Meren pohjassa taas on kyllä ravinteita, mutta aurinkoa ei, ja mantereilla rittää ravinteita ja aurinkoa, mutta vettä usein puuttuu. Alkuperäisiä triplapaikkoja ovat olleet rannat, myöhemmin mm. maakasvit ovat metsittäneet ja soistaneet osan mantereista ja lisänneet triplaa. Mutta triplatonta aavikkoa ja ulappaa on edelleen riittämiin.
Totta puhut: elämän edellytykset täälläkin ovat satunnaiset. Pidämme niitä itsestään selvinä – mutta tämä itsestäänselvyys johtuu vain siitä että itse elämme vain just siinä kohtaa missä niitä on runsaasti.