Kuidas taimed ennast liigse valguse eest kaitsevad?

Kui päike liiga eredalt kõrvetab, siis paneb inimene ette päikeseprillid või otsib varju. Rohelistel taimedel sellist varjumise võimalust pole, ometi suudavad nemadki ennast liigse valguse eest kaitsta.

Ilma fotosünteesita poleks elu Maal võimalik. Päikesevalguse energiat kasutades toodetakse taimedes, vetikates ja fotosünteesivates bakterites süsihappegaasist suhkruid. Fotosünteesi kõrvalproduktina tekib vee lõhustamisel hapnik. Kuid mis saab siis, kui päikesevalgusest saadud energiat on taimel liiga laialt käes?

Tartu Ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudis hiljuti doktorikraadi kaitsnud Eero Talts kasutas päevalilletaimedega tehtud katsetes unikaalset aparatuuri, mis võimaldab mõõta täpselt, kui palju hapnikku taim õhulõhedest välja laseb ning kui palju süsihappegaasi taim endasse ammutab.

Samuti oli võimalik teha mitmeid keerukaid optilisi mõõtmisi hindamaks fotosüsteemide tööd. Fotosüsteemid kujutavad endast komplekseid valkstruktuure, millega on seotud klorofülli sisaldavad valgust koguvad antennid.

Kaks fotosüsteemi

Kõrgemates taimedes esineb kahte tüüpi fotosüsteeme, mis töötavad nagu üksteisega järgipidi ühendatud veskid. Fotosünteesis lõhustatakse esimese sammuna taimerakkude kloroplastides valgusenergia toimel veemolekul prootoniteks, elektronideks ning molekulaarseks hapnikuks. Viimane väljub taime õhulõhede kaudu. Kogu selle protsessi eest vastutavad ühte tüüpi fotosüsteemid (PS2).

Järgnevalt suunab PS2 tekkinud elektronid spetsiaalsesse elektrontransportahela ossa – Q-tsüklisse, kus elektrone kasutatakse prootonite transpordiks tülakoidi. Kloroplasti tülakoidi kogunenud prootonite abil sünteesitakse aga makroergilist ühendit ATP (adenosiintrifosfaat), mis on universaalne energiatalletaja. Kui fotosünteesi teises etapis süsihappegaasist suhkruid tootma asutakse, siis võetakse appi ATPst saadud energia. Peale Q-tsüklist väljumist, lisatakse elektronidele teist tüüpi fotosüsteemide (PS1) poolt lisaenergiat ning suunatakse nad süsihappegaasi redutseerima. Nii saavad vee lagundamisel tekkinud elektronid ning prootonite energia suhkru tasemel jälle kokku.

Eero Taltsi eesmärk oli uurida, kuidas taimes fotosüsteemid töötavad ning valgusest saadud energiat kasutavad. Nagu juba eelnevalt hästi teada oli, kaitsevad PS2 tüüpi vett lagundavad fotosüsteemid end fluorestentsiga – kasutamata jäänud valguskvandi väljakiirgamisega.

Just nagu vedurivile

PS1 tüüpi fotosüsteemidel on fluoresteerumisvõime seevastu hästi madal ning viise, kuidas PS1 üleliigset energiat utiliseerib, on puudulikult kirjeldatud. Talts lõi oma katsetes olukorra, kus nii taimedele kättesaadav süsihappegaasi tase kui ka taimedest eralduva hapniku tase olid äärmiselt madalad.

„Seega suhkruid ei toodeta ning energiavajadus on äärmiselt väike,“ ütles ta. Fotosüsteemide ergastamiseks kasutas Talts valge valguse asemel kaugpunast (720 nm) energiaallikat, nii et PS1 ergastus 15 korda rohkem kui vett lagundav PS2. Eelnevalt mainitud tingimuste tulemustel võis lehtedes detekteerida spetsiifilist protsessi, tsüklilist elektrontrantsporti, kus elektronid ei läinud süsihappegaasi redutseerima vaid pöördusid hoopiski tagasi Q-tsüklis osalevatele valkkompleksidele.

„Tsüklilist elektrontransporti on oluliseks energiat tootvaks protsessiks peetud juba pool sajandit, aga antud juhul oleme leidnud olukorra, kus kiire tsükkel eksisteerib ilma, et energiatootmiseks otsest vajadust oleks,“ sõnas Talts. „Sisuliselt käivitus protsess, mida saab kasutada üleliigse energia ärakulutamiseks. Just nagu orav jookseb rattas või vedur laseb vilet, nii ajab taim elektrone lihtsalt niisama ringi, et liigsetest energiast vabaks saada.“

Uudset ideed sisaldavate tulemuste avaldamine oli Taltsi sõnul üsna raske pähkel. "Teadusmaailm on oma põhiuskumuste koha pealt üsna konservatiivne ja seetõttu osutus ka 50 aastat kestnud "tsükli-müüdi" murdmine päris raskeks. Meie fotosünteesi uurimise aparatuuri täpsus ning mitmekülgsus on maailma mastaabis üsna tipus ja seetõttu eksisteerib väga vähe uurimisgruppe, kes suudaksid neid katseid järgi teha," põhjendas Talts olukorda, kus teadusartiklit ei soovitud avaldada selle liigse revolutsioonilisuse tõttu.

Eero Taltsi doktoritööd loe siit.