Fotosynteza z turbodoładowaniem

Sześćdziesiąt lat temu w marcowym numerze dwumiesięcznika „Plant Physiology” ukazał się artykuł „Carbon Dioxide Fixation in Sugarcane Leaves” trojga autorów: Hugona Kortschaka, Constance Hartt i Georga Burra. Nie byli gwiazdami świata naukowego – pracowali w stacji badawczej Hawajskiego Stowarzyszenia Plantatorów Trzciny Cukrowej i co jakiś czas publikowali wyniki swoich badań nad fotosyntezą u tej rośliny. Publikowali niemal wyłącznie w tym czasopiśmie, kolejne artykuły rozpoczynając wstępem, że to kolejny odcinek serii. Wspomniana publikacja w gruncie rzeczy była niepozorna. Miała pięć stron (w tym niecałą kolumnę bibliografii), a streszczenie zmieściło się w 40 słowach tworzących dwa zdania.

Ale to właśnie jedno z nich było rewolucyjne. To mówiące, że u trzciny cukrowej proces fotosyntezy biegnie inną ścieżką niż u większości roślin. Oczywiście, to rewolucja w pewnym dość niszowym świecie – fizjologów roślin. Owszem, odkrywcy dostali środowiskowe nagrody, a ich odkrycie trafiło do podręczników biologii. Nawet jednak studenci fizjologii roślin nie uczą się o szlaku biochemicznym Kortschaka-Hartt-Burra. W podręcznikach akademickich sygnowany jest on bowiem nazwiskami Hatcha i Slacka.

Marshall D. Hatch i C. Roger Slack z Uniwersytetu Queenslandu opublikowali swoją pracę rok później w innymi piśmie – „The Biochemical Journal”, które z kolei dla nich było standardową platformą kolejnych artykułów. Należy dodać, że autorzy uwzględnili pierwszeństwo hawajskiego zespołu. Pierwszeństwo było tym wyraźniejsze, że Kortschak i Burr pierwszych odkryć dokonywali jeszcze wcześniej, ale chyba sami nie zdawali sobie jeszcze sprawy z ich wagi.

C4 – zaskakująca ciekawostka

Na początku lat 60. nikt się już nie spodziewał rewolucji w zakresie biochemii fotosyntezy. Wydawało się, że jest już dobrze poznana, co przypieczętowała nagroda Nobla z chemii dla Melvina Calvina. Dziś to nazwisko zna każdy student biologii, a powinien każdy maturzysta, bo cykl metaboliczny Calvina jest obowiązkowym elementem podręczników.

Chodzi o ciąg kolejnych przekształceń prostych związków organicznych, którego początkiem jest przyłączenie nieorganicznego dwutlenku węgla do organicznego związku zawierającego pięć atomów węgla (rybulozo-1,5-bifosforanu). Powstaje sześciowęglowy związek, który od razu rozpada się na dwie cząsteczki kwasu fosfoglicerynowego. Są one trójwęglowe, przez co cykl ten nazywa się również C3. Dalsze reakcje prowadzą w końcu do syntezy sześciowęglowej glukozy – paliwa większości form oddychania – zarówno tlenowego, jak i fermentacji.

Szlak Hatcha-Slacka jest modyfikacją wstępnego etapu fotosyntezy. Na jego początku dwutlenek węgla jest przyłączany do związku trójwęglowego, przez co pierwszy produkt (kwas szczawiooctowy) ma cztery atomy węgla, a ten typ fotosyntezy określa się jako C4. Jego odkrycie początkowo było ciekawostką.

Trzy atomy węgla czy cztery na wejściu – co za różnica? Na wyjściu i tak jest cykl Calvina i glukoza. Glukoza, która nie zostanie od razu zużyta w oddychaniu może być magazynowana w postaci innych węglowodanów. Jej cząsteczki mogą łączyć się w długie łańcuchy, tworząc skrobię, lub przekształcać w inne cukry proste, np. fruktozę. Glukoza z fruktozą łączy się, tworząc sacharozę, znaną jako cukier spożywczy. W połączeniu z innym cukrem daje laktozę itd. Gdy cząsteczki glukozy połączyć w łańcuch w nieco inny sposób niż dający skrobię, przestaje być surowcem zapasowym, a staje się budulcem w postaci celulozy czy – po dalszej modyfikacji – chityny.

Ciekawostka – nieoczekiwana rewolucja

W tym czasie biochemicy badający fotosyntezę mieli różne ciekawostki do przedstawienia. Jedną z nich były botaniczne fotografie. W klasycznej czarno-białej fotografii światło wywołuje reakcję soli srebra, zaczerniając błonę fotograficzną. Podobny efekt można uzyskać wybiórczo naświetlając i zacieniając liście, np. przykrywając je negatywem fotografii, a następnie pokrywając je płynem Lugola. Jego podstawową funkcją jest wykrywanie skrobi, którą barwi na fioletowo. Ponieważ skrobia to główny sposób roślin na przechowywanie zapasów glukozy, płyn Lugola może tworzyć na liściach barwne obrazy tam, gdzie jest zgromadzona. Rośliny często magazynują zapasy cukru w postaci sacharozy czy skrobi w wyspecjalizowanych komórkach miękiszu spichrzowego lub bielmie nasion, ale zanim tam zostaną przetransportowane, znajdują się w chloroplastach, powstając bardzo szybko po przyswojeniu dwutlenku węgla.

Ciekawostka biochemiczna okazała się jednak rewelacją ekofizjologiczną. Fotosynteza potrzebuje światła. Wykorzystuje energię niesioną przez jego fotony. Im intensywniejsze światło, tym intensywniej przebiega przyswajanie dwutlenku węgla i wydzielanie tlenu. Do pewnego stopnia – w pewnym momencie zwiększanie naświetlenia nie zwiększa fotosyntezy – układ się nasyca. Roślina nie jest w stanie zużyć energii z większej liczby fotonów, tak jak zwierzę nie jest w stanie zjeść więcej, niż mieści jego żołądek.

Czasem wręcz następuje proces odwrotny – dalszy wzrost intensywności światła hamuje fotosyntezę, co jest określane jako fotoinhibicja. Coś sprawia, że światło przestaje być zasobem, a staje się zagrożeniem. Może chodzić chociażby o promieniowanie nadfioletowe. Rośliny mają różną wydajność wykorzystania światła. Te, które na co dzień żyją na dnie lasu, gdzie jest go zawsze mało, z reguły w zacienieniu wykorzystują je wydajniej niż rośliny terenów otwartych. Za to dość szybko osiągają punkt nasycenia. Tymczasem u roślin terenów otwartych tempo fotosyntezy spada dopiero przy wartościach kilkukrotnie wyższych. Jednak na tym nie koniec – wśród nich zdarzają się gatunki, u których punkt nasycenia w ogóle wydaje się nie mieć znaczenia, bo pojawia się w warunkach maksymalnego spotykanego na Ziemi nasłonecznienia.

Te wyjątki wyróżnia jedno – stosują one fotosyntezę C4. Ekologiczną rolę tej wersji fotosyntezy zauważył Olle Björkman, czego ukoronowaniem był jego referat otwierający konferencję w Limburgu nt. ekologicznych i biologicznych uwarunkowań fotosyntezy w 1974 r. W podręcznikach do ekologii jego nazwisko pojawia się dzięki temu częściej niż nazwiska hawajskich i australijskich odkrywcach C4.

Rubisco – zaskakująco wszechobecne

Tym, co pozwala roślinom C4 przesuwać punkt nasycenia światłem, jest unikanie fotooddychania. To zaskakujący mechanizm, który wziął nazwę od tego, że wydaje się łączyć cechy fotosyntezy i oddychania. Roślina pod wpływem światła wydziela dwutlenek węgla, a pochłania tlen. Jednak w odróżnieniu od fotosyntezy – nie buduje dzięki temu użytecznych związków organicznych z nieorganicznego gazu, a w odróżnieniu od oddychania, nie zyskuje na tym energii, a ją traci. Szacuje się, że mniej więcej jedna czwarta tego, co roślina wyprodukuje w fotosyntezie, marnotrawione jest na fotooddychanie.

Zarówno w fotooddychaniu, jak i w fotosyntezie kluczowym enzymem jest rubisco. Enzym ten, którego pełna nazwa brzmi „karboksylaza/oksygenaza rybulozo-1,5-bisfosforanu”, a czasem zapisywana jest jako akronim RuBisCO, ma podwójną naturę, co wyraża ukośnik. W zależności od proporcji stężenia tlenu i dwutlenku węgla w komórce przyłącza jeden lub drugi gaz do jednego z elementów cyklu Calvina. To wywołuje ujemne sprzężenie zwrotne – im intensywniejsza fotosynteza, tym więcej powstaje tlenu i tym chętniej rubisco uruchamia fotooddychanie. Z kolei im więcej dwutlenku węgla, tym fotooddychanie jest słabsze. U roślin C4 wydzielanie tlenu zachodzi gdzie indziej niż asymilacja dwutlenku węgla, przez co rubisco ma kontakt niemal wyłącznie z tym drugim substratem.

W 1979 r. R. John Ellis (wśród biologów posługiwanie się drugim imieniem jest zaskakująco częste) opublikował w „Trends of Biochemical Science” artykuł „The most abundant protein in the world”, gdzie zasugerował, że najczęściej spotykanym na świecie białkiem jest rubisco. U roślin C4 jest go mniej niż u roślin C3, ale nadal kilka lat temu szacowano, że jest go około 0,7 Gt, co pozwala na podtrzymanie tego stwierdzenia.

Tak naprawdę nikt nie wykazał przekonującego wyjaśnienia, czy Janusowe oblicze tego enzymu jest skutkiem ubocznym, czy jednak niesie jakieś korzyści. Istnieją hipotezy wskazujące, że fotooddychanie może mieć znaczenie dla gospodarki azotem albo być swoistym wentylem bezpieczeństwa chroniącym przed nieoczekiwanymi skutkami intensywnej fotosyntezy (np. zużywaniem innych zasobów czy powstawaniem wolnych rodników). Plantatorów kukurydzy czy trzciny cukrowej jednak chyba nie za bardzo przekonują – dzięki jego eliminacji plony są większe niż podobnych roślin.

Co interesujące, fotosynteza C4 występuje u gatunków z różnych gałęzi ewolucyjnych. Najwyraźniej powstała wielokrotnie, a nie jest dziedzictwem wspólnego przodka. Zdolne są do niej tylko rośliny okrytonasienne (najczęściej z rodziny traw), co tłumaczy opóźnienie odkrycia, bo większość pionierskich badań nad fotosyntezą prowadzono na chlorelli, glonie dość odlegle spokrewnionym z roślinami lądowymi.

Fotosynteza C4 nie jest jedynym mechanizmem na wydłużenie szlaku metabolicznego fotosyntezy i uniknięcie fotooddychania. Wśród sukulentów z różnych grup taksonomicznych wykształcił się typ określany skrótowcem CAM (od łacińskiej nazwy grubosza, czyli Crassula). Rośliny te najpierw asymilują dwutlenek węgla, tworząc kwasy organiczne, głównie kwas jabłkowy. Dopiero one są transportowane do rejonu bogatego w rubisco, gdzie uwalniany jest dwutlenek węgla tak, aby był przechwycony przez ten enzym. Cała ta praca jest rozdzielona w czasie – dwutlenek węgla jest pobierany przez aparaty szparkowe nocą, kiedy parowanie jest mniejsze, a przekazywany do cyklu Calvina w dzień. Wtedy aparaty szparkowe w skórce mogą być zamknięte, chroniąc roślinę przed utratą wody.

Oddychanie – długo nie było rozumiane

Fakt, że powstawanie kwasów organicznych jest etapem przechowywania dwutlenku węgla na potrzeby opóźnionej fotosyntezy odkryto w połowie XX w., ale samo zjawisko zakwaszania znano wcześniej. 20 kwietnia 1813 r. Benjamin Heyne napisał list do zastępcy przewodniczącego Towarzystwa Linneuszowego, A. B. Lamberta, w którym zawarł opis zmiany smaku liści żyworódki pierzastej.

Roślinę tę znał z wyprawy do Indii, gdzie zauważył, że jest kwaśna. Tymczasem w angielskim ogrodzie okazała się bez smaku. Próby jednak powtórzył – wieczorem była gorzkawa i dopiero ranem nabrała znanej kwaśności. Prawidłowo uznał, że czynnikiem zmieniającym smak jest gaz absorbowany nocą. Pomylił się jednak w szczegółach, bo zgodnie z ówczesnym poglądem stwierdził, że jest to kwasoród, dziś znany jako tlen. Lambert list przeczytał tego samego dnia (londyńska poczta widocznie działała wówczas lepiej niż dziś), ale opublikował w czasopiśmie naukowym dopiero po dwóch latach.

Heyne uważał, że jego obserwacja wspiera tezy Josepha Priestleya i Jana Ingenhousza. Ten odkrył, że powietrze dzieli się na różne rodzaje, np. „saletrzane” czy „odflogistonowane”. To ostatnie jest potrzebne do oddychania czy spalania. W podręcznikach odkrycie azotu przypisuje się jednak innemu chemikowi („saletrzane powietrze” identyfikując jako tlenek azotu), a odkrycie tlenu dzieli między Priestleya i Lavoisiere’a.

Priestley odkrył, że oddychanie na poziomie organizmu polega na pochłanianiu powietrza odflogistonowanego, nazywanego też prościej „czystym” i wydzielaniu powietrza kwasowęglowego. Zauważył, że nie dotyczy to tylko zwierząt, ale też roślin. Oczywiście na poznanie mechanizmów biochemicznych z glukozą w centrum było za wcześnie. Pochodzący z Holandii Jan Ingenhousz w Anglii zajmował się m.in. szczepieniem na ospę, ale po spotkaniu Priestleya postanowił zgłębić oddychanie roślin. Ostatecznie odkrył, że oprócz tego procesu zachodzącego cały czas, w obecności światła rośliny robią coś odwrotnego. Ostatecznie jednak wydalają więcej tlenu niż przyswajają „powietrza kwasowęglowego”, czyli dwutlenku węgla. W związku z tym rzucił rewolucyjną tezę, że pochłanianie tego drugiego gazu to roślinny sposób na przyrost ciała. Zatem w 1779 r. odkrył zarys fotosyntezy.

Teza Ingenhousza była na tyle kontrowersyjna, że kilkadziesiąt lat później Heyne, wciąż stawiał się po jednej ze stron sporu. Wówczas idea, że gaz jest materią w pełnym tego słowa znaczeniu, w tym posiadającą masę, była wciąż świeża. Mimo jej akceptacji, większość botaników uważała, że rośliny odżywiają się wodą i glebą. Ostatecznie znajdują się w nich substancje organiczne zawierające węgiel.

Sprawie nie pomagał fakt, że tak właśnie jest u grzybów, wówczas uważanych za rośliny. Podjął ją jednak szwajcarski przyrodnik Jean Senebier i to on jest właściwym pionierem badania fotosyntezy jako sposobu odżywiania. Współpracował z rodziną innych szwajcarskich naukowców – de Saussure’ami. Jeden z nich, Nicolas Théodore, pod wpływem Lavoisiere’a zainteresował się nowoczesną chemią, a po powrocie do Genewy został uczniem Senebiera i wprowadził ją do botaniki, stając się jednym z założycieli ekologii roślin, wydając w 1804 r. książkę „Recherches chimiques sur la Végétation”.

Fotosynteza – nie jest niezbędna

Tak oto fotosynteza i oddychanie stały się obiektem badań biochemicznych. Dziś w skrajnym uproszczeniu oba procesy zapisuje się tym samym wzorem, zmieniając tylko kierunek strzałek 6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 (glukoza) + 6O2. Pod pewnymi względami wciąż antropocentrycznie patrzymy na powietrze jak Priestley – to z tlenem jest „czyste”, to z dwutlenkiem węgla „zepsute”. Rośliny „oczyszczają” powietrze.

Sprawa jest o wiele bardziej złożona. Nawet w tym równaniu łatwo zignorować wodę. Tymczasem wbrew temu, co może się wydawać, tlen, który wydzielają rośliny nie pochodzi z „oczyszczonego” dwutlenku węgla, a właśnie z rozkładu wody. Są organizmy, które zamiast wody wykorzystują do tego trujący dla nas siarkowodór, a zamiast tlenu wydzielają siarkę. Są też takie, które do rozkładu wody używają innego źródła energii niż światło. Fotosynteza jest bardzo starym procesem o historii dłuższej niż dwa, a może i trzy miliardy lat, ale życie ziemskie całkiem dobrze radziło sobie i bez niej.