Hvad er fotosyntese?
Da Jorden blev dannet fra en sky af gas og støv omkring den unge Sol for cirka 4,6 milliarder år siden, indeholdt planetens atmosfære ingen ilt.
Omkring en milliard år senere opstod der mikroskopiske blågrønne bakterier i havet, som begyndte at producere ilt. De satte gang i udviklingen af Jordens iltrige atmosfære, som er hele grundlaget for, at ikke blot mennesket, men alle dyr på kloden kan trække vejret.
Produktionen af ilt sker gennem fotosyntese.
Fotosyntese er en biokemisk proces, som gør planter, alger og visse bakterier i stand til at optage de uorganiske stoffer kuldioxid (CO2) og vand (H20) og danne kulhydratet glukose, som får planten til at vokse.
Lige så vigtigt er det, at ilt dannes som et affaldsprodukt i denne proces, og dermed bliver fotosyntese den vigtigste biokemiske proces på Jorden.
Formlen for fotosyntese er:
6 CO2 + 6 H2O + lysenergi --> C6H12O6 (glukose) + 6 O2
Hvordan foregår fotosyntese?
Grønne planter udnytter energi fra lyset ved hjælp af fotosyntese. Ved processen omdannes luftens CO2 til ilt og kulstofforbindelser (sukkerstoffer).
Sådan fungerer fotosyntesen
Fotosyntese er en proces, hvor planter bruger mikroskopiske grønkorn i bladene til at indfange lysets energi og udnytte den til at omdanne vand og kuldioxid til sukker og ilt.
Vand (H2O) bliver transporteret fra plantens rødder og ud i bladene.
Lysenergi fra Solen splitter vandmolekylerne og frigør elektronerne.
Fotosyntesen finder sted i plantecellernes grønkorn.
Kuldioxid (CO2) optages gennem spalteåbninger i plantecellerne.
Kulstof (C), som planten opbygges af, bliver dannet ved, at frigjorte elektroner fra vandet spalter kuldioxid (CO2).
Ilt (O2) afgives af planten som processens affaldsprodukt.
Hvornår opdagede man fotosyntese?
Planterne fungerer altså modsat af mennesker og dyr, der indånder ilt og udånder CO2 – også kaldet respiration.
Det opdagede den hollandske forsker Jan Ingenhousz helt tilbage i 1771. Han dokumenterede, at planter frigiver iltbobler, når de bliver udsat for sollys og afgiver kuldioxid, når det bliver mørkt.
I 1999 fandt den grønlandske forsker Minik Rosing sensationelt spor efter fotosyntese i grønlandske klipper. Sporene kom i form af kulstof, som var aflejret af cyanobakterier, også kaldet blågrønalger, for omkring 3,7 milliarder år siden.
Fotosyntesen er uden tvivl det mest dramatiske, der er overgået livet på Jorden. Minik Rosing, professor i geologi ved Københavns Universitet
Ligesom planterne omdanner cyanobakterierne sollys til kemisk energi og producerer ilt som affaldsstof. Al den ilt, bakterierne producerede i havene via fotosyntese de næste mange hundrede millioner år, skabte grobund for nye og mere avancerede livsformer.
Cyanobakterier har eksisteret i over tre milliarder år, og deres iltdannende fotosyntese ligger til grund for alt liv på Jorden, som vi kender det.
Over flere geologiske tidsaldre pumpede cyanobakterier ilt ud i omgivelserne. I første omgang blev ilten kemisk bundet af stoffer som fx jern, og derfor endte den ikke i atmosfæren.
Med tiden fyldte ilten fra fotosyntesen dog atmosfæren. Desuden dannedes det ozonlag, som beskytter livet mod Solens ultraviolette stråling.
I de seneste to milliarder år har Jorden haft en iltrig atmosfære, og beregninger viser, at der i dag bliver dannet 280 milliarder tons ilt på Jorden hvert år. 46 procent af ilten bliver skabt i havet af alger og cyanobakterier, mens de resterende 54 procent bliver dannet på landjorden.
Det svarer til 21 procent af atmosfærens sammensætning (resten af atmosfæren består af kvælstof, CO2 og andre gasarter). 46 procent af ilten bliver skabt i havet af alger og cyanobakterier, mens de resterende 54 procent bliver dannet på landjorden.
Video: NASA observerer fotosyntese set fra rummet
Hundredvis af kilometer fra Jordens overflade opfanger satellitter det usynlige lys – fluorescerende lys – som planterne afgiver ved fotosyntese.
Klimaforandringer og fotosyntese
I millioner af år var forholdet mellem ilt og CO2 i naturlig balance i atmosfæren, men i løbet af de seneste årtier er balancen blevet forstyrret.
I 2019 lå den globale udledning af CO2 i atmosfæren på 37 gigatons, hvilket er 30 procent højere end i 1970’erne.
Blandt forskere er der bred enighed om, at den øgede udledning af CO2 skyldes afbrænding af fossile brændstoffer, og det forklarer, hvorfor den naturlige fotosyntese ikke kan følge med - og hvorfor indholdet af CO2 i atmosfæren er stadigt stigende.
Derfor forskes der også i at finde nye måder at lagre eller opfange CO2 på, så koncentrationen i atmosfæren ikke fortsætter sin himmelflugt.
Kunstige blade laver fotosyntese
Kunstige blade, som efterligner naturens fotosyntese, er opfundet flere gange.
Desværre har de alle haft det samme problem. Bladene kan omdanne CO2 fra tryktanke i et laboratorium, men de kan ikke trække CO2 ud af almindelig atmosfærisk luft. Indtil nu.
I 2019 udviklede forskere nemlig en særlig membran, der kan løse problemet.
Membranen indkapsler det kunstige blad og sørger for at bade det i vand, mens det udfører fotosyntese. Når Solen opvarmer vandet bag membranen, kan det fordampe ud gennem bladets underside og i processen trække CO2 ind gennem små spalteåbninger på bladets overside. Åbningerne svarer til de spalteåbninger, naturlige blade har.
Et lysabsorberende materiale fanger energi fra Solens stråler, der sammen med en række hjælpestoffer sætter fotosyntesen i gang i det kunstige blad.
Det kunstige blad omdanner CO2 til ilt og kulmonoxid (CO). Ilten kan opsamles eller slippes fri, mens kulmonoxid kan bruges i syntetiske brændstoffer.
Sådan laver kunstigt blad fotosyntese
Forskere har opfundet en membran, der indhyller kunstige blade i vand. Den gør bladene i stand til at trække CO2 ud af luften og altså forsyne sig selv med råstoffet til fotosyntese.
Vand fordamper
Når Solen opvarmer vandet bag membranen, kan det fordampe ud gennem bladets underside. Mens vanddampen forlader bladet, trækkes CO2 ind gennem små spalteåbninger på oversiden.
Fotosyntesen sparkes i gang
Med rigelige mængder CO2 kan bladet skabe fotosyntese, hvor drivhusgassen forvandles til ilt og kulmonoxid.
Brændstof slipper ud
Mens naturlige blade skaber sukker, er slutproduktet i det kunstige blad kulmonoxid, CO, som kan bruges i syntetiske brændstoffer.
Indpakket i forskernes nye membran kan kunstige blade trække ti gange så meget CO2 ud af luften som et almindeligt blad med samme overflade.
I praksis vil et kunstigt blad ligne et solpanel, og en park af 360 paneler vil kunne trække 792 kilo CO2 ud af luften om dagen.
Dyr, der bruger fotosyntese
Havsnegl høster grønkorn
Havsneglen (Elysia chlorotica) suger grønkorn ud af algerne med en sugerørslignende struktur og optager dem i sine celler, så den kan omdanne sollys til energi.
Ærtebladlus laver pigmenter
Ærtebladlusen (Acyrthosiphon pisum) producerer plantepigmenter, som sandsynligvis gør insektet i stand til at høste energi af Solens stråler.
Salamander snylter på alger
Den plettede salamander (Ambystoma maculatum) koloniseres af alger i fosterstadiet, når ægget vokser i vandet. Her hamstrer fosteret ilt og glukose fra algerne, når de laver fotosyntese.
Forskere hacker fotosyntese
I 2019 lykkedes det et nyt internationalt forskningsprojekt ved navn Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) at genmodificere bladene på tobaksplanter, så de blev langt mere effektive til at lave fotosyntese.
Når planter indfanger kuldioxid fra luften, sker det via enzymet rubisco. Desværre indfanger enzymet ikke kun kuldioxid, men også ilt, hvilket skaber giftstoffer, som planten skal bruge energi på at nedbryde.
Denne afgiftningsproces betyder, at planten har mindre energi til at omdanne CO2’en til glukose, som driver plantens vækst.
Forskernes genmodificerede blade gjorde afgiftningen i tobaksplanterne langt mere effektiv, så planterne voksede hurtigere og blev op mod 40 % større sammenlignet med normale tobaksplanter.
Næste skridt er at afprøve metoden på tomater, sojabønner og lignende planter, så den plantebaserede fødevareproduktion kan fordobles over de næste 50 år, hvilket er nødvendigt for at brødføde en befolkning, som på det tidspunkt forventes at nå ni milliarder.