tiistai 11. joulukuuta 2012

NewScientist tarinoi fotosynteesin alkuperästä


NewScientist kertoo tarinoita fotosynteesin alkuperästä. Lehden verkkosivuston mukaan geologit ovat löytäneet todisteita tärkeästä evoluutiotapahtumasta, ajalta ennenkuin syanobakteerit oppivat hajottamaan vettä.

Fotosynteesin perustapahtumat. (personal.inet.fi)

Artikkelin mukaan miljardeja vuosia sitten pienet syanobakteerit hajottivat vettä, ja päästivät vapaaksi myrkkyä, joka toi mukanaan tuhoa ja hävitystä. "Mikrobi oli juuri suorittanut fotosynteesin - prosessin, joka vapauttaa veden sisään vangitun hapen ja tappoi varhaisen Maan anaerobiset eliöt." NewScientist kertoo myös hapen olevan fotosynteesissä syntyvää jätettä.

Fotosynteesissä ei vapauteta veden sisään vangittua happea, vaan vesi hajotetaan ja vapautuneista happiatomeista muodostetaan happimolekyylejä rakentamalla happiatomien välille sidos (O-O sidos). Mikäli happimolekyylit todellakin vain "vapautuisivat" fotosynteesissä, niin niitä voisi ehkä pitää veden hajottamisessa syntyvänä jätteenä. Mutta happimolekyylien rakentaminen liittämällä happiatomeja yhteen ei ole tarkoituksettoman jätteen tuottamista. Se on ohjattua toimintaa, jonka päämääränä on tuottaa elämälle välttämätöntä happea. O-O sidoksen rakentuminen fotosysteemi II:ssa on kuitenkin niin monimutkainen prosessi, että se on edelleen hämärän peitossa (Dau et al. 2012).

NewScientist väittää, että ei ole olemassa jälkiä hapen muodostumisesta 3,4 miljardia vuotta sitten, jolloin ensimmäisten fotosynteettisten organismien uskotaan ilmaantuneen. Sen vuoksi varhaisten fotosynteettisten organismien oletaan käyttäneen elektronien lähteenään veden sijasta muita molekyylejä.

NewScientist ei ole näköjään lukenut ScienceDaily uutissivustoa, joka on kertonut Penn State yliopiston professorin Hiroshi Ohmoton löytäneen todisteita siitä, että Maan happipitoisuus oli nykyisellä tasolla jo 3,46 miljardia vuotta sitten.

Artikkeli kertoo apulaisprofessori Woodward Fischerin (California Institute of Technology) kollegoineen löytäneen Etelä-Afrikasta kalliomuodostelmia, joiden uskotaan muodostuneen hiukan yli 2,4 miljardia vuotta sitten, eli vähän ennenkuin happea ilmakehään tuottavan fotosynteesin oletetaan alkaneen maapallolla. Kalliomuodostelmien uskotaan syntyneen hapettomissa olosuhteissa, mutta silti niistä löydetty mangaani on hapettuneessa muodossa.

Fischerin tutkimusryhmän mukaan paras selitys hapettuneelle mangaanille on se, että muinainen fotosynteettinen organismi käytti magnaania elektronilähteenään veden sijaan. "Tässä syntyi epästabiileja mangaani-ioneja, jotka reagoivat veden kanssa muodostaen oksideja."

NewScientist kertoo kaikkien tutkijoiden, joihin he ovat ottaneet yhteyttä, ylistäneen Fischerin ryhmän tutkimusta, osoittain siksi, että se on tarkasti yhteensopiva evoluutioteorian antaman ennusteen kanssa.

Karvakuono ei tiedä mihin evoluutioteorian antamaan ennusteeseen NewScientist viittaa. Ehkä tämä tarkoittaa sitä, että alle 2,4 miljardia vuotta vanhoista kallioista löytyneet hapettuneet yhdisteet todistavat ilmakehän sisältäneen happea (vettä hajottavan fotosynteesin ansiosta). Mutta mikäli vastaavia yhdisteitä löydetään vanhemmista kallioista (kuten Fischerin ryhmä teki), niin se ei todista ilmakehän olleen happipitoinen vettä hajottavan fotosynteesin ansiosta, koska evoluutioteorian mukaan sellainen fotosynteesi ei vielä ollut kehittynyt. Se todistaa siis vain, että varhainen fotosynteesi ei hajottanut vettä (eikä tuottanut happea), koska sillä oli joku muu elektroninlähde. Karvakuono ei osaa sanoa, millainen geologinen havainto todistaisi (kehitysoppiin uskovien mielestä) ilmakehän olleen happipitoinen yli 2,4 miljardia vuotta sitten.

NewScientist jatkaa:

"Kasvien ja levien lähempi tarkastelu osoittaa, että mangaanin hapettuminen on yhä edelleen oleellinen osa fotosynteesiä. Niiden fotosynteettisissä rakenteissa on magnaania sisältäviä yhdisteitä, joiden luovuttamat elektronit ajavat fotosynteesiä eteenpäin. Yhdisteet sitten sieppaavat elektroneja ohi kulkevilta vesimolekyyleiltä täyttääkseen oman elektronivajauksensa. Tämä elektronien varastaminen hajottaa vesimolekyylin ja tuottaa happea, jota me hengitämme.

Tällä monimutkaisella prosessilla täytyy olla yksinkertaisempi alkuperä. Vuonna 2007 John Allen (Queen Mary, University of London) ja William Martin Düsseldorfin yliopistosta ehdottivat erästä skenaariota. He uskovat, että nykyaikainen fotosynteesi syntyi, kun varhaiset syanobakteerit sattumalta ajautuivat runsaasti magnaania sisältävään ympäristöön ja ne nopeasti oppivat käyttämään hyväksi uutta elektronilähdettä.

Koska magnaania on saatavilla melko niukasti, eikä sitä riitä loputtomasti, niin myöhemmin syanobakteerit kehittivät toisenlaisen strategian. Ne liittivät mangaanin suoraan fotosynteettisiin rakenteihinsa ja käyttivät sitä varattavan akun tavoin: ottaen siltä elektroneja ja sallimalla sen täydentää elektronivajaustaan käyttämällä runsaasti saatavilla olevaa resurssia eli vettä.

Fisherin ryhmä on löytänyt todisteita tämän prosessin alkuvaiheesta: hapettunutta magnaania happettomasta ympäristöstä. Hapettumisen on melko varmasti aikaansaaneet alkukantaiset syanobakteerit. "Evoluutioprosessissa on täytynyt olla välimuotoja," Kevin Redding (Arizona State University, Tempe) sanoo. "Tämä on suuri uutinen," Martin toteaa. Hän lisää, että me voimme odottaa tulevaisuudessa lisää tutkimusraportteja, jotka tarjoavat todisteita teorialle. "Mutta tämä melko suora geokemiallinen todiste on todella mielenkiintoinen."

NewScientist antaa tässä hyvin yksinkertaistetun kuvan fotosynteesistä. Kysymys ei ole vain "magnaanin hapettumisesta", vaan monimutkaisten molekyylirakenteiden muodostamasta elektroninsiirtoketjusta. Jotkut rakenteista sisältävät mangaania. Ketjun alkupäässä P680-reaktiokeskuksen sisältämä klorofylli absorboi fotonin ja luovuttaa korkeaenergisen elektronin elektroninsiirtoketjuun, jossa elektronin energia käytetään tarkoin hyödyksi. Vettä hajottava kompleksi (Mn4CaO5) tuottaa elektronitäydennystä reaktiokeskukselle ja valmistaa siinä sivussa happea, joka on elintärkeä kaasu monille eliöille.

Syanobakteerit näyttävät olevan melko eteviä insinöörejä. Varaavan akun rakentaminen ja liittäminen omaan metaboliajärjestelmään on melko vaativa tehtävä. Lisäksi ne ovat olleet kovin onnekkaita, ajautumalla sattumalta runsaasti mangaania sisältävään ympäristöön.

Kevin Reddingin usko fotosynteesin evolutiivisiin välimuotoihin perustuu maailmankatsomuksellisen näkemykseen ja tulkintaan eikä empiiriseen havaintoon. Fotosynteesiin liittyy myös erikoinen kvanttiefekti, jonka NewScientist "unohtaa" mainita. Tämän kvanttiefektin ansiosta fotosynteettisillä eliöillä on erinomainen kyky ottaa talteen fotonin energia. Ovatko jo "alkukantaiset" syanobakteerit hallinneet kvanttimekaniikan paremmin kuin parhaimmat hiukkasfyysikkomme? Vai onko kvanttiefektissäkin ollut evolutiivisia "välimuotoja"?

Dau et al. kutsuvat vettä hajottavaa ja happea tuottavaa fotosysteemi II:ta "hämmästyttäväksi (astounding) proteiinikompleksiksi". Ja sitä se onkin. Fotosynteesin reaktioiden ja siihen liittyvien rakenteiden yksityiskohtainen selvittäminen olisi varmasti Nobelin arvoinen työ.


Lähteet:

http://www.newscientist.com/article/mg21628944.500-captured-the-moment-photosynthesis-changed-the-world.html

Dau, Holger & Zaharieva, Ivelina & Haumann, Michael (2012): Recent developments in research on water oxidation by photosystem II, Current Opinion in Chemical Biology, 16:3–10.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti