Kuidas fotosünteesist rohkem välja pigistada?

Arko Olesk
, teadusajakirjanik
Copy
Juhime tähelepanu, et artikkel on rohkem kui viis aastat vana ning kuulub meie arhiivi. Ajakirjandusväljaanne ei uuenda arhiivide sisu, seega võib olla vajalik tutvuda ka uuemate allikatega.
Foto: Corbis/Scanpix

Teadlased on asunud ­katsetama, kuidas saaks planeedi jõujaama – foto­sünteesi – tõhusamaks ­muuta, et selle abil lahendada inim­konna ­toidu- ja energiaprobleeme. Kas ­tulekul on uus roheline revolutsioon, uuris teadusajakirjanik Arko Olesk.
 

Fotosüntees on ebaefektiivne, kõlab mantrana iga taimeuurija suust, kellega vaid rääkida. See on küll protsess, mis toidab seni edukalt kogu maailma ja millele peame olema tänulik ka kütuse eest, mida paaki valame. Kuid arvestades seda, kui palju tasuta päikest ja süsihappegaasi taimede käsutuses on, võiksid nad olla suutelised palju enamaks.

Teadlased räägivad suurematest viljasaakidest ja biokütustest, mida toodavad vetikad või bakterid. Kui vaid õnnestuks fotosünteesi tõhusamaks muuta, ootab meid ees uus roheline revolutsioon, kõlab lubadus.

«Kui eelmise sajandi teisel poolel olid maailmas pidevalt viljasaagi ülejäägid, siis viimase kümnendi jooksul on seitsmel aastal tarbimine ületanud tootmise,» märgib Illinoisi ülikooli taimebioloogia professor Steve Long. «Võib karta, et olukord läheb hullemaks. Samal ajal ei soovita põllumaad kasutada mitte ainult toidu, vaid ka kütuste, kiudainete ja loomasööda tootmiseks.»

Eelmise sajandi keskpaigas alanud aretustöö, uued maaharimisviisid ja väetiste kasutamine aitasid eriti arengumaades viljasaake mitmekordistada ning päästsid näljast sadu miljoneid inimesi. Nüüd rohelise revolutsiooni nime all tuntud areng on aga jõudnud oma suutlikkuse piirideni, kust traditsiooniliste vahenditega enam hüppelist edasiminekut loota ei saa.

Uute võimaluste otsingul ongi teadlased jõudnud selle põhilise protsessi juurde, mis taimedele energiat annab. Fotosüntees on looduse imepärane leiutis, mis võimaldab taimedel (ja ka vetikatel ning mõningatel bakteritel) veest ja süsihappegaasist päikesevalguse toel toota eluks ja kasvamiseks vajalikke ühendeid. Selle käigus vabaneb hapnik, mida me hingame. Nafta, põlevkivi, kivisüsi ja teised fossiilkütused pole samuti muud kui iidse fotosünteesi käigus kinni püütud ja maapõue ladestunud süsinik.

Kuid nagu öeldud, ei ole fotosüntees tegelikult kuigi tõhus protsess ning teadlased on hakanud otsima võimalusi, kuidas seda paremini inimkonna toidu- ja kütuseprobleemide lahendamisel ära kasutada. Ameerika teadusorganisatsiooni AAAS tänavusel aastakonverentsil Vancouveris oli sellele teemale pühendatud eraldi sessioon.

«Otsime viise fotosünteesi parendamiseks nii kultuurtaimedes kui tehissüsteemides,» räägib Long, kes konverentsil mainitud sessiooni juhatas. «Vaatame, kuidas parendada fotosünteesi mehhanismi olemasolevates kultuurtaimedes, samuti seda, kuidas tõhusama fotosünteesi jaoks manipuleerida bakterigeene.»

Pudelikael, mida teadlased ikka ja jälle mainivad, on ensüüm, mille ülipikka nime lühendatakse enamasti suupäraselt Rubiscoks. Ensüüm mängib võtmeroll süsiniku sidumise protsessis: ehk kui fotosünteesi esimesed reaktsioonid on lähteained valmis teinud, siis võtab see ensüüm need ühendid, süsihappegaasi ja meisterdab valmis taimele vajalikud süsivesikud, näiteks suhkru või tärklise.

«Rubisco on planeedi jõujaam ja ometi on ta oluliste puudustega,» tõdeb Cam­bridge’i ülikooli taimeökoloogia professor Howard Griffiths, «ta on vähetõhus ning reageerib hapnikuga.»
«Rubisco on maailma kõige levinum valk,» ütleb akadeemik, Tartu Ülikooli uurija-professor Agu Laisk, «aga seepärast, et teda peab hirmus palju tegema, et ta mingisuguse reaalse kiirusega fotosünteesi teha suudaks.»

Probleem on nii valgu enda töökiiruses kui algmaterjalide kättesaadavuses.  «Süsihappegaasiga on suur häda, taimede jaoks on teda õhus liiga vähe ja sealt teda kätte saada ei ole lihtne,» tõdeb Laisk, kes on fotosünteesi uurinud aastakümneid. «Taimede jaoks on pikka aega olnud probleem, kuidas CO2 paremini kätte saada.»

Kätte saada just nii, et sellega ei tuleks kaasa hapnikku, mida on õhus ju mitu korda rohkem. Rubisco ei ole valiv ja kui CO2 molekuli ei ole käepärast, siis reageerib ta hapniku omaga. Ent taime jaoks on see raisatud ressurss, tema sellest midagi kasulikku ei saa ja tulemusena eritab taim ainult süsihappegaasi atmosfääri tagasi – sellest ka protsessi nimi, fotohingamine.

«Fotohingamist üritatakse vähendada, sest hapnikuga reageerides läheb süsinik minema, kuid on vaja, et ta seda seoks,» selgitab Eesti Maaülikooli taimefüsioloogia professor Ülo Niinemets. «Seda on võimalik vähendada mitmel viisil.»

Nagu ikka, on loodus ise juba ühe võimaluse välja töötanud. Suur osa taimedest on sellised, mida erialapruugis nimetatakse C3-taimedeks («Sest esimene produkt, mis fotosünteesis tekib, on kolme süsinikuga,» selgitab Laisk). Kuid nende kõrval on olemas ka C4-taimed, millest tuntumad on mais, sorgo ja suhkruroog. «Neil on selline mehhanism, kus saavad süsinikku väga efektiivselt siduda,» räägib Niinemets. «Tänu sellele on fotohingamine sisuliselt maha surutud.»

Piltlikult öeldes on taimed lehtedesse ehitanud pumba, mis toob ensüümile ette rohkem süsihappegaasi ja suurendab seeläbi selle efektiivsust. Vahe on silmaga näha, kui võrdlete lopsakaid maisi- või suhkrurooväljasid näiteks nisu- või riisipõldudega.

Teadlaste eesmärk on, et tuleviku nisu ja riis kasvaksid sama lopsakalt. Selleks tuleks riisist ja nisust, mis on C3-taimed, teha C4-taimed. Nisu puhul püüdleb selle poole Euroopa Liidu rahastusel tegutsev projekt 3to4, mille osaliste seas on ka Eesti Maaülikool. Bill ja Melinda Gatesi fond rahastab teist projekti, mis püüab sama saavutada riisiga.

Tulemuseks pole ainult kõrgemad ja saagikamad, vaid ka säästlikumad taimed, osutab Griffiths, kes on seotud mõlema projektiga. «Kui tõhustame Rubisco toimimistõhusust, on sel teisene ja kaudne efekt, et taim kasutab vähem vett,» sõnab ta.

«C4-projektid juba arvestavad potentsiaalselt juhtuda võivate kliimamuutustega. Tulevikus läheb kuumemaks ja teatud kohtades on vett vähem,» kõneleb ka Niinemets. «Üritame suurendada taimede stressitaluvust. On palju kultuurtaimi, mis võiksid kasvada vähem viljakatel muldadel.»

Eesti Maaülikooli roll europrojektis hakkab olema uute taimede katsetamine. «Kui on olemas parandatud fotosünteesiomadustega taimed, mõõdame konkreetseid fotosünteesi omadusi nii väli- kui ka kontrollitud tingimustes,» ütleb Niinemets. Enne nisu muundamiseni jõudmist käib töö rapsi peal, mis on geneetiliselt lihtsam.

Ülesanne tõotab aga olla keerukam, kui see esmalt kõlab. C3-taimedest C4-taimede tegemine on kui lennukimootori tõstmine võrri peale.

«C4-taimede lehed on täiesti erineva anatoomilise struktuuriga. Seal on juhtsoonte ümber tihe kiht hästiisoleeritud rakke, kus tegelik fotosüntees toimib,» räägib Laisk. «Kui tahame teha riisist C4-taime, ei aita ainult see, kui saame kuidagi vajalikud ensüümid sisse istutada, vaid peame ümber tegema anatoomia.»

«Selline riis, kuhu on sisse viidud kõik maisi C4-määravad geenid, on ammu olemas,» märgib ka Niinemets. «See oli suhteliselt ebaedukas.» Süsihappegaasi kontsentreeriv mehhanism jooksis selles tühja, sest ei olnud neid paksu seinaga rakke, millesse gaasi koguda.

«Mehhanismist, mis tekitab sellise tugevalt kompartmentaliseeritud süsteemi, ei saada veel väga palju aru,» tunnistab ta. «Me räägime ikkagi kümnetest ja sadadest geenidest, mille ekspressiivsust tuleb muuta. Ei ole nii, et viime paar üksikut ensüümi taime sisse ja saame soovitud tulemuse.»

Kui uute C4-kultuurtaimede tegemine viimaks ka õnnestub, siis Eesti põldudelt lopsakat nisu ilmselt leidma ei hakka. Meil on liiga jahe kliima, Laisa sõnul kaotab C4-süsteem efektiivsuse alla 15 plusskraadi puhul.

Nii võib Eestist leida vaid ühe liigi, mis kasutab C4-fotosünteesi. «See on rand-sooda­hein, üks igerik taim mererandades,» ütleb Niinemets. «Meil ei olegi [uute kultuurtaimede aretus] nii oluline, põllumajandustingimused lähevad siin ilmselt järjest paremaks. Uued taimed on mõeldud kogu inimkonnale.»

Teine võimalus foto­sünteesi tõhustamiseks on leida ensüüm, mis tööd paremini teeks. «Rubisco on nagu fotosünteesi maailma tarkade kivi, alati üritatakse seda paremaks teha,» sõnab Niinemets. «Kaua aega üritati ja kogu aeg oli tulemus, et looduse vastu ikka ei saa. Alati läks kehvemaks, kui seal midagi muudeti.»

Pilgud on pööratud eelkõige bakterite ja vetikate maailma, kus Rubisco töö tõhustamiseks on leitud biofüüsikaline viis. «Meie küsimus on, kas me saaksime võtta vetikatelt ja bakteritelt nende CO2 transpordisüsteeme ja viia need sisse kõrgematesse taimedesse,» mõtiskleb Griffiths. «Kui me neist fundamentaalsetest süsiniku kontsentreerimise mehhanismi osistest aru saame, võib-olla oleks lihtsam need viia igasse fotosünteesivasse rakku, selle asemel, et püüda nokitseda nende tingimustega, mida on vaja C4-ainevahetuse ehitamiseks riisi sisse.»

Saagikamate taimede aretamise kõrval püüavad teadlased leida ka hoopis teistsuguseid võimalusi fotosünteesi ärakasutamiseks. Näiteks kütuse tootmiseks. Maailmas on tekkinud arvukalt laboreid ja firmasid, mis muundavad vetikad või bakterid nafta, etanooli või piirituse minivabrikuteks.

Organismide uued geenid annavad neile ülesande fotosünteesi produktina toota aineid, mis leiaksid kütusena tee meie sõidukite paakidesse. Lähteaineteks oleksid ikka needsamad päikesevalgus, vesi ja süsihappegaas.

Põhimured on senimaani seotud taas tootmise kasuteguriga ning organismide programmeerimisega sobivate ainete tootmisele. See nõuab teine­kord sünteetilise bioloogia võtteid ehk täiesti uute geenide loomist ja organismi viimist.

«On lihtne mõelda tehislikke süsteeme, kus saadavaks kütuseks oleks vesinik,» märkis Glasgow’ ülikooli molekulaarse raku- ja süsteemibioloogia instituudi direktor Richard Cogdell Vancouveris oma töörühma projekti tutvustades. «Kuid meie püüdleme kütuste poole, mida saaks kasutada transpordis praeguste sisepõlemismootorite puhul.»

«Sel on kaks eelist: esmalt saaks aluse panna süsinikuneutraalsele majandusele, sest iga kord saaks pärast süsiniku õhkupaiskamist selle uuesti siduda,» jätkab Cogdell. «Teiseks, kui sul on taastuvenergiat üleliia, saab seda hoiustada.»

Orgaanilised ühendid, mida Cogdelli labori mikroorganismid toodavad, kuuluvad terpeenide rühma. Paaki valamiseks need veel ei sobi, kuid Cog­delli sõnul on looduslik fotosüntees neile kätte näidanud suuna, kuidas tegutseda, ning nad loodavad muuta oma süsteemi tõhusamaks, kui seda on looduses toimuv protsess.

Üks fotosünteesi pudelikael on veel elektronide ülekanne. Fotosüntees jaguneb kahte staadiumisse, millest üht nimetatakse valgus-, teist pimedusstaadiumiks. Süsiniku sidumine toimub teises, valgusest sõltumatus staadiumis. Ent ta ei suuda seda teha nii kiiresti, kui esimene staadium talle elektrone pakub, nii läheb osa neist kaotsi.

«Fotosünteesi probleem on, et elektronivoog ja kütuse tootmise kiirus ei ole tasakaalus,» räägib Arizona State University biokeemik Anne Jones. «Palju elektrone heidetakse lihtsalt minema.»

«Võite ette kujutleda, et fotosüntees on kui halvasti ühendatud elektrivõrk,» toob ta võrdluse. «Meie üritame välja töötada paremaid elektriühendusi kütust tootvate tehaste jaoks, et fotosüntees saaks päikesevalgusest rohkem kasu lõigata.»

Jonesi töörühma ettepanek on lahutada staadiumid eri organismidesse, millest üks oleks hea fotosünteesija ja teine tõhus elektronide ärakasutaja kütuse tootmiseks. Jonesi töörühm tegeleb aga biojuhtme väljatöötamisega, millega need kaks osa ühendada.

Ükski neist teadlastest ei luba, et tõhustatud fotosünteesist sündiv uus roheline revolutsioon on ukse ees. Agu Laisk meenutab, et näiteks juttu C4-kultuurtaimede kohe-kohe valmimisest on räägitud juba mõnikümmend aastat, kuid alati on looduse süsteemid, hoolimata oma ebatõhusustest, osutunud tehislikest läbimõeldumaks. Griffiths ja Long kinnitavad siiski, et viimased aastad on toonud väikseid edusamme nii fotosünteesi fundamentaalses mõistmises kui üksikute etappide tõhustamises. Töö jätkub, sest vajadus selle järele ei kao.

«Vajame järgmise 50 aasta jaoks uut rohelist revolutsiooni,» ütleb Griffiths, «mis püüab saagikust suurendada, et käia ühte sammu elanikkonna kasvuga.»

Kommentaarid
Copy

Märksõnad

Tagasi üles