4.2 Fotosyntese og celleånding

Den store energidansen

Hvert eneste oyeblikk, overalt pa jorden, pagar en utrolig dans mellom to prosesser som holder alt liv i gang. Pa den ene siden star plantene og fanger sollys for a lage mat. Pa den andre siden star alle levende organismer, fra bakterier til blahvaler, og bryter ned denne maten for a fa energi. Disse to prosessene heter fotosyntese og celleanding, og de er sa tett knyttet sammen at den ene ikke kunne eksistert uten den andre.

Tenk deg en verden uten fotosyntese. Ingen planter ville vokst. Ingen oksygen ville blitt produsert. Ingen dyr kunne overlevd. Og uten celleanding? Da kunne ingen organisme brukt energien som finnes i maten, og alt liv ville stoppet opp.

Det vakre er at disse to prosessene er som et perfekt kretslopssystem. Fotosyntesen bruker karbondioksid og vann og lager glukose og oksygen. Celleandingen bruker glukose og oksygen og lager karbondioksid og vann. De er som to sider av samme mynt, og sammen holder de karbonkretslop og oksygenkretslop i gang pa hele planeten.

I dette kapittelet skal vi dykke dypt inn i begge prosessene. Vi skal forsta ligningene, se hvor i cellen de skjer, og oppdage hvordan de henger sammen i det store bildet.

Fotosyntesen - naturens egen solcellepark

Fotosyntesen er prosessen der planter, alger og noen bakterier bruker lysenergi til a lage næringsstoffer. Ordet fotosyntese kommer fra gresk: «foto» betyr lys, og «syntese» betyr a sette sammen. Sa fotosyntese betyr bokstavelig talt «a sette sammen ved hjelp av lys».

Den kjemiske ligningen for fotosyntese ser slik ut:

6 CO2 + 6 H2O + lysenergi -> C6H12O6 + 6 O2

La oss oversette dette til vanlig sprak: Seks molekyler karbondioksid pluss seks molekyler vann, pluss energi fra sollys, gir ett molekyl glukose (druesukker) pluss seks molekyler oksygen.

Men hvor skjer alt dette? Fotosyntesen finner sted i kloroplastene, de gronne organellene vi snakket om i forrige kapittel. Inne i kloroplastene finnes det stableformede strukturer kalt tylakoider, som inneholder det gronne pigmentet klorofyll. Det er klorofyllet som fanger opp lysenergien fra solen.

Fotosyntesen skjer i to hovedtrinn. I det forste trinnet, kalt lysreaksjonene, fanger klorofyllet sollys og bruker energien til a spalte vannmolekyler. Dette frigjor oksygen (som vi puster inn!) og produserer energibaerere. I det andre trinnet, kalt morkereaksjonene (eller Calvin-syklusen), brukes disse energibararene til a binde karbondioksid fra luften og bygge glukosemolekyler.

Sluttresultatet er glukose, et sukkermolekyl fullt av lagret kjemisk energi, og oksygen som frigjores til atmosfaeren. Planten bruker glukosen som byggmateriale og energikilde, og vi og alle andre dyr nyter godt av oksygenet.

Hva pavirker fotosyntesen?

Fotosyntesen er ikke en prosess som alltid gar like fort. Flere faktorer pavirker hvor effektivt planten kan produsere glukose.

Den mest oppplagte faktoren er lys. Uten lys, ingen fotosyntese. Nar lysmengden oker, oker ogsa fotosyntesehastigheten, men bare opp til et visst punkt. Etter det er det andre faktorer som begrenser prosessen, selv om det er massevis av lys tilgjengelig.

Den neste faktoren er karbondioksid. Siden CO2 er en av ravarenene i fotosyntesen, vil mer CO2 i luften gi raskere fotosyntese, opp til et visst punkt. I drivhus pumper gartnere noen ganger ekstra CO2 inn for a fa plantene til a vokse raskere.

Temperatur spiller ogsa en viktig rolle. Fotosyntesen er avhengig av enzymer, som er proteiner som fungerer som biologiske katalysatorer. Enzymer fungerer best ved bestemte temperaturer. For de fleste planter er dette rundt 25-30 grader Celsius. Hvis det blir for kaldt, gar enzymreaksjonene for sakte. Hvis det blir for varmt (over ca. 40 grader), begynner enzymene a bli odelagt, og fotosyntesen stopper.

Vann er ogsa viktig, bade som ravare i fotosyntesen og for a holde cellene i god form. Nar planter ikke far nok vann, lukker de spalteapningene (sma porer) i bladene for a spare vann. Men da slipper heller ikke CO2 inn, og fotosyntesen bremses.

Den faktoren som begrenser mest til enhver tid, kalles den begrensende faktor. Pa en overskyet vinterdag er det lys som er begrensende. Pa en varm sommerdag med mye sol kan det være CO2-nivået som setter grensen. A forsta begrensende faktorer hjelper gartnere og bonder med a optimalisere forholdene for plantevekst.

Celleanding - nar cellen henter ut energi

Na har vi sett hvordan planter lager glukose gjennom fotosyntese. Men glukose i seg selv er ikke direkte brukbar energi for cellen. Den ma forst brytes ned, og det er her celleandingen kommer inn.

Celleanding er prosessen der celler bryter ned glukose ved hjelp av oksygen for a frigjore energi. Denne energien lagres i ATP-molekyler, cellens universelle energivaluta. Den kjemiske ligningen for celleanding ser slik ut:

C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O + energi (ATP)

Legg merke til noe? Denne ligningen er det stikk motsatte av fotosyntese-ligningen! Fotosyntesen bruker CO2 og H2O og lager glukose og O2. Celleandingen bruker glukose og O2 og lager CO2 og H2O. De er som speilbilder av hverandre.

Celleandingen skjer hovedsakelig i mitokondriene, cellens kraftverk. Prosessen kan deles inn i tre hovedtrinn. Forst brytes glukosemolekylet ned i to deler gjennom glykolysen, som skjer i cellens vaeskeinnhold (cytoplasmaet). Deretter gar disse delene inn i sitronsyresyklusen (Krebs' syklus) inne i mitokondriene. Til slutt skjer elektrontransportkjeden, ogsa i mitokondriene, der det meste av ATP-en produseres.

Og her er et viktig poeng: celleanding skjer i ALLE levende celler, ikke bare dyreceller. Planter driver ogsa celleanding! Pa dagtid driver planter bade fotosyntese og celleanding, men fotosyntesen produserer mer oksygen enn celleandingen bruker. Om natten, nar det er morkt og fotosyntesen stopper, driver planter bare celleanding, akkurat som dyr.

Karbonkretslop - det store samspillet

Fotosyntese og celleanding er ikke bare viktige for individuelle organismer. Sammen utgjor de en sentral del av karbonkretslop, den evige sirkelen der karbon beveger seg mellom atmosfaeren, levende organismer og jorden.

Slik fungerer det: Planter tar opp CO2 fra atmosfaeren gjennom fotosyntese og binder karbonet i glukose og andre organiske molekyler. Nar dyr spiser planter, far de dette karbonet i seg. Bade planter og dyr frigjor karbon tilbake til atmosfaeren som CO2 gjennom celleanding. Nar organismer dor, bryter nedbrytere (sopp og bakterier) dem ned, og enda mer CO2 frigjores.

Dette er et lukket kretslopssystem som har fungert i milliarder av ar. Karbon forsvinner ikke - det bare skifter form og plassering. Det er det samme karbonet som har sirkulert rundt og rundt siden jorden var ung.

Men i moderne tid har menneskene forstyrret denne balansen. Ved a brenne fossilt brensel (kull, olje og gass), som er rester av organismer som levde for millioner av ar siden, frigjor vi enorme mengder karbon som har vært lagret under bakken. Dette oker CO2-nivaet i atmosfaeren, noe som forsterker drivhuseffekten og bidrar til global oppvarming.

Forstaelsen av karbonkretslop hjelper oss a se hvorfor skog er sa viktig. Traar er enorme karbonlagre. Et stort tre kan binde hundrevis av kilo karbon gjennom fotosyntese. Nar vi hugger ned skog uten a plante ny, frigjores dette karbonet, og vi mister en viktig CO2-svamp. Derfor er bevaring og planting av skog en viktig del av arbeidet mot klimaendringer.

Anaerob celleanding - nar oksygenet tar slutt

Vanligvis bruker celleandingen oksygen, og dette kalles aerob celleanding (aerob betyr «med luft»). Men hva skjer nar det ikke er nok oksygen tilgjengelig? Da kan cellene bytte til en nod-losning kalt anaerob celleanding eller gjæring (anaerob betyr «uten luft»).

Det finnes to hovedtyper av anaerob celleanding. Den forste er melkesyregjæring, som skjer i muskelcellene dine nar du trener sa hardt at blodet ikke klarer a levere nok oksygen. Da bryter cellene ned glukose uten oksygen og produserer melkesyre i stedet. Det er melkesyren som gir den brennende folelsen i musklene nar du loper for lenge eller lofter for tungt.

Den andre typen er alkoholgjaering, som skjer i gjarceller (en type sopp). Her brytes glukose ned til etanol (alkohol) og CO2, uten oksygen. Denne prosessen brukes i baking, der CO2-boblene far brodeigen til a heve seg, og i brygging av ol og vin, der etanolen er det onskte produktet.

Viktig a merke seg: Anaerob celleanding gir mye mindre energi enn aerob celleanding. En glukosemolekyl gir bare 2 ATP gjennom anaerob celleanding, sammenlignet med opptil 38 ATP gjennom aerob celleanding. Det er derfor du ikke kan sprinte i evig tid - nar cellene ma bytte til anaerob modus, far de mye mindre energi per glukosemolekyl.

Anaerob celleanding er altså en midlertidig nodlosning, ikke en langsiktig strategi. Men den er livsviktig i situasjoner der oksygentilgangen er begrenset, og den har vært utnyttet av mennesker i tusenvis av ar til a lage mat og drikke.

Oppsummering

I dette kapittelet har vi utforsket de to livsviktige prosessene fotosyntese og celleanding.

Fotosyntesen skjer i kloroplastene og bruker karbondioksid, vann og lysenergi til a lage glukose og oksygen: 6 CO2 + 6 H2O + lysenergi -> C6H12O6 + 6 O2. Prosessen pavirkes av lys, CO2-nivå og temperatur.

Celleandingen skjer hovedsakelig i mitokondriene og er det motsatte: glukose og oksygen brytes ned til karbondioksid, vann og energi (ATP): C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O + ATP. Alle levende celler, bade plante- og dyreceller, driver celleanding.

Sammen utgjor fotosyntese og celleanding kjernen i karbonkretslop, der karbon sirkulerer mellom atmosfaeren og levende organismer. Menneskelig brenning av fossilt brensel har forstyrret denne balansen ved a tilfare ekstra CO2.

Vi har ogsa lært om anaerob celleanding, som skjer uten oksygen. Melkesyregjæring i muskler gir den brennende folelsen under hard trening, mens alkoholgjaering i gjaer brukes i baking og brygging. Anaerob celleanding gir mye mindre energi (2 ATP) enn aerob celleanding (opptil 38 ATP).