Het is een zonnige zomerdag en u zit op een terrasje in de schaduw van een majestueuze eik te genieten van een verfrissend glas Spa rood. Niets bijzonders, toch? Totdat u zich realiseert dat die indrukwekkende boom naast het terras gegroeid is op een dieet dat nagenoeg geheel bestaat uit het bronwater dat in uw glas zit. Dat ís bijzonder!
Lang dacht men dat planten groeien door voedingsstoffen uit de bodem op te nemen, maar de Vlaams-Nederlandse alchemist Jan Baptista van Helmont bewees in de 17de eeuw dat dit niet zo kon zijn. Hij plantte een jonge wilg in een pot met aarde en gaf die niets anders dan regenwater. Na vijf jaar was de wilg 80 kilo zwaarder geworden, terwijl de massa van de grond in de pot slechts met een paar honderd gram was afgenomen. Van Helmont schreef de massatoename van de wilg alleen aan de opname van water toe, hoewel hij zelf het woord ‘gas’ in de Europese talen had geïntroduceerd.
Ruim een eeuw later ontdekten de Engelse predikant en chemicus Joseph Priestley (niet geheel toevallig ook de uitvinder van Spa rood) en de Nederlandse wetenschapper Jan Ingenhousz dat planten niet alleen van water, maar ook ‘van de wind’ leven; ze nemen met hun bladeren koolzuurgas (CO2, de prik in Spa rood) op uit de lucht en staan zuurstof af. Daarnaast nemen ze met hun wortels een kleine hoeveelheid minerale voedingsstoffen op. De massa-afname van de grond die van Helmont mat werd hierdoor veroorzaakt. Het is de reden waarom we onze tuinen en akkers bemesten.
Om uw bronwater en wat voedingssupplementen om te zetten in een eik of wilg is energie nodig. Die energie halen planten, maar ook algen en sommige bacteriën, uit zonlicht. In planten en algen worden de eenvoudige moleculen waaruit CO2 en water (H2O) bestaan onder invloed van dat licht gecombineerd tot glucose en zuurstof. Dit ingenieuze proces wordt fotosynthese genoemd, naar het Grieks voor licht (‘fotos’) en combinatie (‘synthesis’). Plantenbladeren en algen bevatten bladgroenkorrels of “chloroplasten”, een soort minizonnecellen waarin de fotosynthese zich afspeelt. Die chloroplasten waren zelf ooit kleine organismen. Ze hebben nog steeds hun eigen DNA, dat verdacht veel lijkt op dat van fotosynthetiserende bacteriën. Ook vermenigvuldigen ze zichzelf, onafhankelijk van de cellen waarin ze zich bevinden. De planten van nu lijken dus ontstaan uit een miljarden jaren oud samenlevingscontract tussen twee zelfstandige organismen.
Fotosynthese is een cascade van vele chemische reacties waarvan de eerste groep de lichtreactie wordt genoemd en de tweede de donkerreactie. In de lichtreactie wordt de energie uit zonlicht omgezet in chemische energie, die vervolgens in de donkerreactie wordt gebruikt om glucose te maken. De energie uit het zonlicht wordt opgenomen door pigmenten in de chloroplasten, zoals chlorofyl, dat zorgt voor de groene kleur van bladeren. Met behulp van de opgevangen energie worden watermoleculen grondig gesloopt. De twee zuurstofatomen uit twee moleculen H2O worden als overbodig zuurstofgas weer uitgescheiden; de overgebleven waterstofatomen worden gebruikt om een heuse moleculaire machine aan te drijven, ongeveer zoals water een watermolen aandrijft. Dat is niet zomaar beeldspraak; met behulp van moderne technieken is het mogelijk om zo’n moleculaire machine te filmen en te laten zien dat een onderdeel ervan daadwerkelijk ronddraait met ongeveer 6000 omwentelingen per minuut. Het eindproduct van deze machine is adenosine-trifosfaat, kortweg ATP, ‘de ultieme energiedrager van het leven’. De waterstofatomen die voor het aandrijven zijn gebruikt worden opgeslagen in het andere eindproduct van de lichtreactie: nicotinamide-adenine-dinucleotide-fosfaat, u snapt waarom de afkorting NADPH hiervoor de voorkeur verdient.
In de donkerreactie wordt glucose gemaakt door twee identieke kleinere moleculen te combineren. Op hun beurt worden die ‘afgetapt’ uit een cyclisch proces waarvan de overige producten precies de beginstoffen voor een nieuwe cyclus vormen. Natuurlijk is dat niet mogelijk zonder ook iets aan de cyclus toe te voegen: in dit geval koolstofdioxide en de oorspronkelijk uit water afkomstige waterstofatomen van NADPH uit de lichtreactie. Het energierijke ATP is de brandstof die de donkerreactie-cyclus laat verlopen.
Het opnemen van koolstofdioxide in de cyclus is de taak van een enzym dat Rubisco wordt genoemd. Het is het meest vóórkomende enzym op aarde, maar een behoorlijk inefficiënt exemplaar, omdat het de beginstoffen van de donkerreactie-cyclus ook met zuurstof kan laten reageren, waarbij juist weer koolstofdioxide wordt gevormd! Het vastleggen van koolstofdioxide gaat moeilijker bij hoge temperaturen, zodat het nutteloze en energieverspillende maken ervan de plant dan wel 50% van zijn glucoseproductie kan kosten. Sommige tropische planten, zoals suikerriet, leggen koolstofdioxide daarom op een andere manier tijdelijk vast, vervoeren het naar zuurstofarme delen van het blad en laten het daar weer vrij, zodat Rubisco ongestoord zijn werk kan doen. Deze omweg kost de plant energie, maar veel minder dan hij zou verspillen door het niet te doen.
Met de productie van glucose zijn planten er nog niet, daar is een eikenboom immers niet van gemaakt. Van glucose kunnen echter wel lange, ketenvormige moleculen worden geregen: cellulose, het hoofdbestanddeel van hout. Daar maken wij weer dankbaar gebruik van als bouwmateriaal of als grondstof voor papier om de krant op te drukken. Glucose is ook de basis voor zetmeel, dat planten opslaan als energievoorraad voor slechtere tijden, zoals in aardappelen. Helaas voor de plant hebben mens en dier dat ook door; praktisch ál het voedsel dat wij consumeren is direct of indirect van planten afkomstig.
Fotosynthese vormt de bron van al het leven op aarde en niet alleen omdat het ons van aardappelen en ander voedsel voorziet. Zonder dit proces was bijna al het leven dat zich vier miljard jaar geleden op aarde ontwikkelde, onherroepelijk gedoemd geweest weer uit te sterven. Leven kan niet bestaan zonder de energie om levensprocessen aan te drijven. De eenvoudige prehistorische organismen op aarde waren hiervoor afhankelijk van de beperkte voorraad chemische energie uit stoffen in hun omgeving. De ontwikkeling van fotosynthese bood ze de mogelijkheid die beperking te ontstijgen en zich te ontwikkelen tot veel complexere levensvormen. Als de stralen van de zon er niet waren geweest, zou alleen het kleine aantal organismen dat zijn energie haalt uit vulkanische schoorstenen diep onder de zeespiegel zijn blijven bestaan.
Door het succes van fotosynthetiserende organismen ging de atmosfeer, die tot dan toe vrijwel zuurstofvrij was geweest, steeds meer zuurstof bevatten. Zuurstof is eigenlijk een giftig gas; het reageert erg makkelijk met allerlei stoffen, ook die waaruit organismen zijn opgebouwd. Het leven op aarde dreigde zo een paar miljard jaar geleden alsnog ten onder te gaan aan zijn eigen succes. Het is kenmerkend voor het aanpassingsvermogen van het leven dat het deze ‘zuurstofcatastrofe’ tot een voordeel wist om te buigen. Zuurstof is, juist doordat het zo reactief is, ook een ideaal middel om de in chemische stoffen vastgelegde energie weer vrij te maken voor gebruik. Tegenwoordig bestaat de aardatmosfeer voor 21 % uit zuurstof, allemaal door het leven zelf geproduceerd. Tegelijk is het leven er ook volledig afhankelijk van; de meeste dieren kunnen er niet meer dan een paar minuten zonder.
Ondanks de enorme invloed die fotosynthese al op ons en de aarde heeft, vinden sommigen dat het nog wel wat meer zou mogen zijn. De alsmaar groeiende wereldbevolking en de razendsnelle groei van de wereldeconomie zorgen voor een wereldwijde toename van de behoefte aan voedsel, grondstoffen en energiebronnen. Als gevolg hiervan stijgt het gehalte CO2 in de atmosfeer. Fotosynthese wordt vaak genoemd als hét mechanisme dat in onze behoeftes kan voorzien en tegelijk tegenwicht kan bieden aan de stijging van de CO2-concentratie. Het kopen van bomen om de negatieve impact van een vliegreis te compenseren is hier een eenvoudig voorbeeld van. Maar uiteindelijk zet dat nauwelijks zoden aan de dijk. Een verbeterde versie van het Rubisco-enzym zou wél een grote invloed hebben; de productiecapaciteit van planten kan daardoor aanzienlijk worden verhoogd. Biochemici zijn hier dan ook naarstig naar op zoek.
Het fotosyntheseproces in planten biedt ook inspiratie voor de ontwikkeling van nieuwe technologie. Goedkope zonnecellen gebaseerd op bladgroenkorrels zouden in principe meer dan 90% van het zonlicht dat ze opvangen in elektriciteit kunnen omzetten. Dat is heel wat beter dan de magere 15% die zonnecellen van silicium nu halen. Een andere toekomstdroom is het gebruik van de waterstofatomen uit gesplitst H2O voor de productie van waterstofgas. En ook de rechtstreekse productie van alcohol met behulp van fotosynthese lijkt niet onmogelijk. Die schone brandstoffen kunnen benzine mogelijk op den duur vervangen. Als dat gebeurt zijn de Engelsen zeer voorzienig geweest. In het Engels betekent het woord plant immers zowel ‘plant’ als ‘energiecentrale’.
Tekst: Tom Bloemberg (1981)
Relevante boeken
Worden in de loop van 2020-2021 toegevoegd (3 september 2020)
Homepage Bètacanon
(zaterdag 24 maart 2007)
