Mi a fotoszintézis, és hogyan működik? Létezik-e mesterséges fotoszintézis?

A fotoszintézis egy kémiai folyamat. Ez a folyamat, mely a mai napig tart minden nap minden növényben, annak idején, amikor még nem volt élet a bolygón, nagyjából 2 és fél milliárd évvel ezelőtt, az oxigénhiányos Föld légkörét megváltoztatta, és ezzel elindult a szerves és a bonyolultabb élet lehetősége a földön. Cikkünkben megnézzük, mi az a fotoszintézis, melyek a szakaszai. Annak is utánajárunk, hogy vajon létezik-e mesterséges fotoszintézis. 

Mi az a fotoszintézis? Miért nélkülözhetetlen?

A fotoszintézisről mind tudjuk, hogy a növények csinálják, melyek napfényből táplálkoznak, és ennek során oxigént adnak. Az alapvetően emberközpontú interpretáció valójában egy kémiai folyamatot takar, amelynek során a növények a napfényből és a levegőből energiát állítanak elő. A fotoszintézisben a növények a saját maguk számára szenet kötnek meg a levegőben található szén-dioxidból, s melléktermékként valóban oxigént juttatnak a levegőbe.

Fotoszintetizálni elsősorban a növények, valamint a színesmoszatok tudnak, de van néhány baktériumfajta (a cianobaktériumok, illetve a bíbor- és a zöldbaktériumok), amelyek szintén fotoszintézist alkalmaznak, bár ez utóbbi két baktériumfajta nem termel oxigént a folyamat közben. Ezt a folyamatot, amikor oxigén nem termelődik a fotoszintézis során, szaknyelven anoxigénikus fotoszintézisnek hívják. 

A fotoszintézist Jan Ingenhousz fedezte fel a 18. században: kísérletei során kimutatta, hogy a növények oxigéntermeléséhez napfény szükséges, és mindeközben a növény nemhogy nem veszít a tömegéből, mint akkoriban gondolták sokan, hanem ellenkezőleg: növekszik, hajtásokat és termést hoz. 

Képzeljük el, hogy minden táplálékunk a földből, a vízből és a napfényből származik: a növények így élnek. Az ásványi anyagokat és tápanyagokat, amelyek a növekedéshez szükséges, részben nyerik csak a földből és a vízből, szükséges hozzá a fény is. Maga a fotoszintézis szó görög eredetű, a foton szó fényt jelent, a szintézis pedig előállítást, összetételt jelent. A folyamat metabolizmus, vagyis anyagcsere. A növények a fotoszintézis során a napfény energiáját használják arra, hogy szervetlen anyagokból, például a levegőben található szén-dioxidból, valamint a vízből szerves anyagokat állítsanak elő: ezek lesznek a cukrok, vagyis a glükóz. Az előállított glükózt a növény a saját növekedéséhez használja. Mindennek során keletkezik az oxigén is. Van olyan növény, amely éjszaka valamennyi oxigént fogyaszt, és szén-dioxidot bocsát ki, ez azonban jóval kisebb arányú, mint a napközben végzett fordított irányú tevékenysége. 

A fotoszintézis a klorofillt tartalmazó kloroplasztiszban, vagyis a pigmentet tartalmazó fotoreceptorban zajlik. A levelekben található klorofill egyébként elnyeli a fény kék és a vörös hullámhosszát, ezért látjuk zöldnek a fák leveleit és a növényeket. 

Hogyan működik a fotoszintézis folyamata?

A növényekben a fotoszintézis két szakaszban zajlik. Az első szakasz a fény szakasza, a második a sötét szakasz. A fotoszintézis során a fényenergia kémiai energiává alakul át, majd a növény számára a növekedéshez felhasználható szénhidrátokká, zsírokká, fehérjévé alakítja a levegőből felvett szén-dioxidot.

Mi a fotoszintézis képlete?

A képlet a következő: 

6CO2 + 12H2O + napfény → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Milyen szakaszai vannak a fotoszintézisnek?

A “fény szakasz”

A fény szakaszában a fényt a növény megköti a klorofillban, és elraktározza. Ez egy úgynevezett katabolikus, vagyis lebontó folyamat: a fény kémiai energiává alakul át. Ez mindaddig tart, amíg a növényt fény éri. A fotoszintézishez szükséges szén-dioxidot a növény a leveleken található apró pórusokon szerzi be a levegőből, a vizet a gyökerek szívják fel a talajból, és szállítják a levelekig. A napsugárzás energiáját a klorofill szívja magába, pontosabban a klorofillban található színtest, a kloroplasztisz. Ennek során, a fényenergia megkötésekor vízbontás is történik. Ezután jön a fotoszintézis második szakasza, a sötét szakasz. 

A “sötét szakasz”

A sötét szakasz az, amikor a fényenergia, melynek során a felvett szén-dioxidból cukor válik. Ekkor történik meg az, hogy a növény a szén-dioxidot és a többi szervetlen anyagot, amelyhez hozzájut, az átalakított energiával megköti, és szénhidrátokká, zsírokká, fehérjévé alakítja, mert ebben a formában tudja hasznosítani a növekedéséhez. Ezt a szakaszt Calvin-ciklusnak vagy szénfixációs fázisnak nevezik. 

Létrehozható-e mesterséges fotoszintézis?

A tudósok kísérleteznek a mesterséges fotoszintézissel, igaz, még csak néhány éve. 2020-ban a Cambridge Egyetemen hoztak létre a kutatók egy olyan berendezést, amely nagyon hasonló módon működik ahhoz, ahogyan a növények a napfényt hasznosítják. Ez a gép a levegőből szén-dioxidot vesz ki, majd a napfény és a víz energiájával energiahordozóvá alakítja. A végtermék egyrészt oxigén lesz, másrészt hangyasav.

Az eddigi kísérleteknél annyival több ez a szerkezet, hogy nem igényel elektromos áramot, vagyis külső segítséget. A hangyasav pedig – jó hír! – közvetlen energiatermelésre alkalmas, mert hidrogénné alakítható. A hidrogén pedig, mivel az “égése” során vízzé válik, tiszta (és környezetbarát) energiaforrásnak számít. A szerkezet egészen aprócska, két kézben elfér, ezért még kísérleti prototípus, de ha a gyakorlatban is használható eszközt tudnak belőle gyártani, akkor abban már a napelemtáblákhoz hasonló lehetőségek is vannak. 

A Chicagói Egyetem kutatói tavalyelőtt szintén tág perspektívájú eredményt értek el a fotoszintézis utánzásával: sikerült egy olyan módszert létrehozniuk, amelynek során a légkörből kivont szén-dioxidot megkötik a napfény segítségével, és szerves anyagokat állítanak elő belőle. Míg a természetes fotoszintézis során elsősorban szénhidrátok keletkeznek, a mesterséges fotoszintézis során etanol, metán és hasonló, hosszú távon akár üzemanyagként is felhasználható anyag. Ettől persze még messze vagyunk, de az ötlet határozottan előrevivő. 

Attól még messze vagyunk, hogy a kivágott erdők helyett mesterséges gépek termeljék számunkra az oxigént, és a fák és a növények fotoszintetizálása még mindig létfontosságú az ember számára. De ezek a kísérletek mindenképpen segítenek jobban megismerni a körülöttünk lévő, olykor még mindig megismerhetetlennek tűnő világot. És olykor még hasznuk is lehet.

Stenszky Cecília I költő, irodalmár, mesemondó és pedagógus; a természetközeli élet, a tánc, a vadon és a könyvek rajongója.