Sollys på et blad – fotosyntese

Fotosyntese er livets drivstoff

Fotosyntese gjør planter og alger i stand til å forvandle CO2 og vann til livgivende oksygen og sukker. Derfor arbeider forskere med fotosyntese i kampen mot klimaendringer og matmangel.

Fotosyntese gjør planter og alger i stand til å forvandle CO2 og vann til livgivende oksygen og sukker. Derfor arbeider forskere med fotosyntese i kampen mot klimaendringer og matmangel.

Hva er fotosyntese?

Da jorden ble dannet fra en sky av gass og støv omkring den unge solen for om lag 4,6 milliarder år siden, inneholdt planetens ikke atmosfæren noe oksygen.

Omkring en milliard år senere oppsto det mikroskopiske blågrønne bakterier i havet som begynte å produsere oksygen. De satte i gang utviklingen av jordens oksygenrike atmosfære, som er hele grunnlaget for at ikke bare mennesket, men alle dyr på kloden.

Produksjonen av oksygen skjer gjennom fotosyntese.

Fotosyntese er en biokjemisk prosess som gjør planter, alger og visse bakterier i stand til å ta opp de uorganiske stoffene karbondioksid (CO2) og vann (H20) og danne karbohydratet glukose, som får planten til å vokse.

Like viktig er det at oksygen dannes som et avfallsprodukt i denne prosessen, og dermed blir fotosyntese den viktigste biokjemiske prosessen på jorden.

Formlen for fotosyntese ser slik ut:

6 CO2 + 6 H2O + lysenergi --> C6H12O6 (glukose) + 6 O2

Hvordan foregår fotosyntese?

Grønne planter utnytter energi fra lyset ved hjelp av fotosyntese. Ved prosessen gjøres CO2 om til oksygen og karbonforbindelser (sukkerstoffer).

Slik fungerer fotosyntesen

Slik virker fotosyntese
/ 6

Vann (H2O) blir transportert fra plantens røtter og ut i bladene.

1

Lysenergi fra solen splitter vannmolekylene og frigjør elektronene.

2

Fotosyntesen finner sted i plantecellenes kloroplaster.

3

Karbondioksid (CO2) tas opp gjennom spalteåpninger i plantecellene.

4

Karbon (C), som planten er bygget opp av, hentes ut ved at frigjorte elektroner fra vannet spalter karbondioksid (CO2).

5

Oksygen (O2) avgis av planten som prosessens restprodukt.

6
© Claus Lunau

Når oppdaget man fotosyntese?

Plantene fungerer altså motsatt av mennesker og dyr, som puster inn oksygen og puster ut CO2 – også kalt respirasjon.

Det oppdaget den nederlandske forskeren Jan Ingenhousz allerede i 1771. Han dokumenterte at planter gir fra seg oksygenbobler når de blir utsatt for sollys og avgir karbondioksid når det blir mørkt.

I 1999 fant den grønlandske forskeren Minik Rosing sensasjonelt spor etter fotosyntese i stein på Grønland. Sporene kom i form av karbon som var avleiret av cyanobakterier, også kalt blågrønnalger, for omkring 3,7 milliarder år siden.

Fotosyntesen er uten tvil det mest dramatiske som har skjedd med livet på jorden. Minik Rosing, professor i geologi ved Københavns Universitet

Akkurat som plantene gjør cyanobakteriene sollys om til kjemisk energi og produserer oksygen som avfallsstoff. Alt det oksygenet bakteriene produserte i havene via fotosyntese gjennom mange hundre millioner år, skapte grobunn for nye og mer avanserte livsformer.

Cyanobakterier produserer fotosyntese

Cyanobakterier har eksistert i over tre milliarder år og den oksygendannende fotosyntesen ligger til grunn for alt livet på jorden.

Over flere geologiske tidsaldre pumpet cyanobakterier ut oksygen i omgivelsene. I første omgang ble oksygenet kjemisk bundet av stoffer som for eksempel jern, og derfor endte den ikke i atmosfæren.

Med tiden fylte oksygenet fra fotosyntesen imidlertid atmosfæren. Dessuten ble det ozonlaget, som beskytter livet mot solens ultrafiolette stråling, dannet.

I de siste to milliarder år har jorden hatt en oksygenrik atmosfære, og beregninger viser at det i dag blir dannet 280 milliarder tonn oksygen på jorden hvert år. 46 prosent av oksygenet blir skapt i havet av alger og cyanobakterier, mens resten, 54 prosent, blir dannet på land.

Det svarer til 21 prosent av atmosfærens sammensetning (resten av atmosfæren består av nitrogen, CO2 og andre gasser). 46 prosent av oksygenet blir skapt i havet, av alger og cyanobakterier, mens 54 prosent blir dannet på land.

Video: Nasa observerer fotosyntese fra verdensrommet

Klimaendringer og fotosyntese

I millioner av år var forholdet mellom oksygen og CO2 i naturlig balanse i atmosfæren, men i løpet av de siste tiårene har balansen blitt forstyrret.

I 2019 lå de globale utslippene av CO2 i atmosfæren på 37 gigatonn, noe som er 30 prosent høyere enn på 1970-tallet.

Blant forskere er det bred enighet om at økningen skyldes brenning av kull, olje og gass, og det forklarer at den naturlige fotosyntesen ikke kan henge med – og hvorfor innholdet av CO2 i atmosfæren fortsatt stiger.

Derfor forskes det også på å finne nye måter å lagre eller fange opp CO2 på, slik at konsentrasjonen i atmosfæren ikke fortsetter å vokse like raskt.

Kunstige blader driver fotosyntese

Kunstige blader, som etterligner naturens fotosyntese, er funnet opp flere ganger.

Dessverre har de alle hatt det samme problemet. Bladene kan gjøre om CO2 fra trykktanker i et laboratorium, men de kan ikke trekke CO2 ut av vanlig luft utendørs. Før nå.

I 2019 utviklet forskere nemlig en spesiell membran som kan løse problemet.

Membranen kapsler inn det kunstige bladet og sørger for å bade det i vann mens det driver fotosyntese. Når solen varmer opp vannet bak membranen, kan det fordampe ut gjennom bladets underside og i prosessen trekke CO2 inn gjennom små spalteåpninger på bladets overside. Åpningene svarer til de spalteåpningene naturlige blader har.

Et lysabsorberende materiale fanger energi fra solens stråler, som sammen med en rekke hjelpestoffer setter i gang fotosyntesen i det kunstige bladet.

Det kunstige bladet gjør om CO2 til oksygen og karbonmonoksid (CO). Oksygenet kan samles opp eller slippes ut, mens karbonmonoksid kan brukes i syntetisk drivstoff.

Slik lager kunstig blader fotosyntese

Kunstige blader – fotosyntese
/ 3

Vann fordamper

Når sola varmer opp vannet bak membranen, kan det fordampe ut gjennom undersiden av bladet. Mens vanndampen forlater bladet, trekkes CO2 inn gjennom små spalteåpninger på oversiden.

1

Fotosyntesen sparkes i gang

Med rikelige mengder CO2 kan bladet drive fotosyntese, der drivhusgassen forvandles til oksygen og karbonmonoksid.

2

Drivstoff slipper ut

Mens naturlige blader skaper sukker, er sluttproduktet i det kunstige bladet karbonmonoksid, CO, som kan brukes i syntetisk drivstoff.

3
©

Pakket inn i forskernes nye membran kan kunstige blader trekke ut ti ganger så mye CO2 som et vanlig blad med samme overflate.

I praksis vil et kunstig blad ligne et solpanel, og en park av 360 paneler vil kunne trekke 792 kilo CO2 ut av luften hver dag.

Her er tre merkverdige dyr som etterligner algenes og plantenes evne til å drive fotosyntese, slik at de kan høste energi fra solens stråler.

Havsnegl bruker fotosyntese
©

Havsnegl høster grønkorn

Havsneglen (Elysia chlorotica) suger kloroplaster ut av algene med en sugerørslignende struktur og tar dem inn i sine celler, slik at den kan omdanne sollys til energi.

Ertebladlus bruker fotosyntese
©

Ertebladlus lager pigmenter

Ertebladlusen (Acyrthosiphon pisum) produserer plantepigmenter som trolig gjør insektet i stand til å høste energi av solstråler.

Salamander bruker fotosyntese
©

Salamander snylter på alger

Salamander Ambystoma maculatum koloniseres av alger i fosterstadiet, når egget vokser i vannet. Her hamstrer fosteret oksygen og glukose fra algene som driver fotosyntese.

Forskere hacker fotosyntese

I 2019 klarte et nyt internasjonalt forskningsprosjekt ved navn Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) å genmodifisere bladene på tobakksplanter slik at de ble mye mer effektive til å drive fotosyntese.

Når planter fanger inn karbondioksid fra luften, skjer det via enzymet rubisko. Dessverre fanger ikke enzymet bare inn karbondioksid, men også oksygen, noe som skaper giftstoffer som planten må bruke energi på å bryte ned.

Denne prosessen innebærer at planten har mindre energi til å gjøre CO2 om til glukose, som driver plantens vekst.

Forskernes genmodifiserte blader gjorde rensingen i tobakksplantene mye mer effektiv, slik at plantene vokste raskere og ble opp mot 40 prosent større sammenlignet med normale tobakksplanter.

Neste skritt er å teste metoden på tomater, soyabønner og lignende planter, slik at den plantebaserte matvareproduksjonen kan fordobles over de neste 50 år, noe som er nødvendig for å brødfø en befolkning som på det tidspunktet forventes å nå ni milliarder.