Fotosynthese

Fotosynthese, het proces waarmee groene planten en bepaalde andere organismen lichtenergie omzetten in chemische energie. Tijdens fotosynthese in groene planten wordt lichtenergie opgevangen en gebruikt om water, kooldioxide en mineralen om te zetten in zuurstof en energierijke organische verbindingen.

Het zou onmogelijk zijn om het belang van fotosynthese voor het behoud van het leven op aarde te overschatten. Als de fotosynthese zou stoppen, zou er binnenkort weinig voedsel of ander organisch materiaal op aarde zijn. De meeste organismen zouden verdwijnen en mettertijd zou de atmosfeer van de aarde bijna verstoken raken van gasvormige zuurstof. De enige organismen die onder dergelijke omstandigheden kunnen bestaan, zijn de chemosynthetische bacteriën, die de chemische energie van bepaalde anorganische verbindingen kunnen gebruiken en dus niet afhankelijk zijn van de omzetting van lichtenergie.

Energie geproduceerd door fotosynthese uitgevoerd door fabrieken miljoenen jaren geleden verantwoordelijk is voor de fossiele brandstoffen (dwz steenkool, olie en gas) die de industriële samenleving aandrijven. In vroegere tijden namen groene planten en kleine organismen die zich met planten voedden sneller toe dan ze werden geconsumeerd, en hun overblijfselen werden afgezet in de aardkorst door sedimentatie en andere geologische processen. Daar werden deze organische resten, beschermd tegen oxidatie, langzaam omgezet in fossiele brandstoffen. Deze brandstoffen leveren niet alleen een groot deel van de energie die wordt gebruikt in fabrieken, huizen en transport, maar dienen ook als grondstof voor kunststoffen en andere synthetische producten. Helaas heeft de moderne beschaving in een paar eeuwen de overtollige fotosynthetische productie die zich in miljoenen jaren heeft verzameld, opgebruikt. Bijgevolg wordt het koolstofdioxide dat gedurende miljoenen jaren uit de lucht is verwijderd om koolhydraten te maken in fotosynthese, in een ongelooflijk snel tempo teruggevoerd.De koolstofdioxideconcentratie in de atmosfeer van de aarde stijgt het snelst ooit in de geschiedenis van de aarde en dit fenomeen zal naar verwachting grote gevolgen hebben voor het klimaat op aarde.

Vereisten voor voedsel, materialen en energie in een wereld waar de snelle groei van de menselijke bevolking heeft de behoefte doen ontstaan om zowel de hoeveelheid fotosynthese als de efficiëntie van het omzetten van fotosynthetische output in producten die nuttig zijn voor mensen, te vergroten. Een antwoord op die behoeften – de zogenaamde Groene Revolutie, begonnen in het midden van de 20e eeuw – zorgde voor enorme verbeteringen in de landbouwopbrengst door het gebruik van chemische meststoffen, bestrijding van plagen en plantenziekten, plantenveredeling en gemechaniseerd bewerken, oogsten, en gewasverwerking. Deze inspanning beperkte ernstige hongersnoden tot enkele delen van de wereld ondanks de snelle bevolkingsgroei, maar het elimineerde de wijdverbreide ondervoeding niet. Bovendien begon vanaf het begin van de jaren negentig de snelheid waarmee de opbrengsten van belangrijke gewassen toenamen, af te nemen. Dit gold vooral voor rijst in Azië. Stijgende kosten in verband met het aanhouden van hoge landbouwproductietempo s, waarvoor steeds meer meststoffen en pesticiden nodig waren en de constante ontwikkeling van nieuwe plantensoorten, werden ook problematisch voor boeren in veel landen.

Een tweede landbouwrevolutie, gebaseerd op genetische manipulatie van planten, zou naar verwachting leiden tot een toename van de productiviteit van planten en daarbij ondervoeding gedeeltelijk verlichten. Sinds de jaren zeventig hebben moleculair biologen de middelen in handen om het genetisch materiaal van een plant (deoxyribonucleïnezuur of DNA) te veranderen met als doel verbeteringen te bereiken in ziekte- en droogteresistentie, productopbrengst en kwaliteit, vorsthardheid en andere gewenste eigenschappen. Dergelijke eigenschappen zijn echter inherent complex, en het proces van het aanbrengen van wijzigingen in gewassen door genetische manipulatie is ingewikkelder gebleken dan verwacht. In de toekomst zou dergelijke genetische manipulatie kunnen resulteren in verbeteringen in het fotosyntheseproces, maar tegen de eerste decennia van de 21ste eeuw moest het nog aantonen dat het de gewasopbrengsten dramatisch zou kunnen verhogen.

Nog een intrigerend gebied in de studie van fotosynthese is de ontdekking dat bepaalde dieren in staat zijn lichtenergie om te zetten in chemische energie. De smaragdgroene zeeslak (Elysia chlorotica) verwerft bijvoorbeeld genen en chloroplasten van Vaucheria litorea, een alg die hij consumeert, waardoor hij een beperkt vermogen heeft om chlorofyl te produceren. Als er voldoende chloroplasten zijn opgenomen, kan de slak afzien van de inname van voedsel. De erwtenbladluis (Acyrthosiphon pisum) kan licht gebruiken om de energierijke verbinding adenosinetrifosfaat (ATP) te maken; dit vermogen is gekoppeld aan de productie van carotenoïde pigmenten door bladluizen.