A fotoszintézis evolúciója

Ennek a videónak a témája a fotoszintézis evolúciója a Földön, mivel ez az egyetlen hely, ahol – eddigi tudomásunk szerint – kialakult. Én személy szerint úgy vélem, hogy az univerzumban sokfelé megjelent, csak még nem tudunk róla. Kezdésnek idézzük fel, hogy mi is az a fotoszintézis. Ez az a folyamat, amelynek során egyes élőlények képesek megkötni a légkörből származó szén-dioxidot víz jelenlétében, majd a napfény energiáját felhasználva ezekből állítanak elő cukrokat (C₆H₁₂O₆), illetve elemi oxigént (O₂). Az így felírt kémiai egyenlet még nincs rendezve. Lássuk csak, itt van hat szénatom, úgyhogy erre az oldalra egy hatos kerül, ide előre. Itt 12 hidrogén van, itt viszont csak kettő, úgyhogy ezt is meg kell szorozni hattal. A bal oldalon 6x2, azaz 12 oxigén van, plusz még hat oxigén, tehát összesen 18, ezért a másik oldalon is 18 oxigénnek kell lennie. Már van hat, tehát kell még 12, ezért ideírok egy hatost. Most már rendezve van. Vegyük észre, hogy ez milyen nagy dolog! Fotoszintézis nélkül te sem léteznél. Tudom, most arra gondolsz: „Én nem is fotoszintetizálok.” De mindaz, amit megeszel, vagy amit azok esznek, amiket te megeszel, valamiképpen a fotoszintézis eredménye. Végeredményben az összes energiánk a Napból érkezik. Akkor is, ha állatot eszünk, az az állat pedig egy másik állatot, amelyik növényevő, a növény pedig a napfény energiáját használja, és szerves molekulákban tárolja, általában cukrokként. Így amikor mi megesszük ezeket, energiát tudunk nyerni belőlük, például oktató videók elkészítéséhez. Érdekes kérdés, hogy vajon honnan származik a fotoszintézis. Az őszinte válasz az, hogy erről nem tudunk még mindent, de a tudósoknak van egy egészen jó elképzelése arról, hogy honnan eredhet. Kékbaktériumokkal ma is találkozhatunk. Így néznek ki a kékbaktériumok. Mint minden baktérium, ezek is prokarióták, és képesek a fotoszintézisre. A tudósok szerint a kékbaktériumokhoz nagyon hasonló élőlények – valószínűleg a kékbaktériumok ősei – már léteztek a Földön két és fél vagy három milliárd éve, vagy talán annál is régebben. Ez a földtörténet egy igen korai szakasza. A Föld mindössze négy és fél milliárd éves. A kékbaktériumoknak ez az őse – akárcsak a mai kékbaktériumok – képes volt megkötni a légköri szén-dioxidot víz jelenlétében, és eközben oxigént termelt. Bár ezek csak baktériumok, és mind nagyon parányiak, együtt nagy dolgokra képesek. Ez például egy kékbaktériumtelep Fidzsi közelében. Ezek már láthatóan komolyabb tömeget képviselnek, és jelentős mennyiségű oxigént képesek a légkörbe juttatni. A tudósok szerint a kékbaktériumok ezen ősei voltak azok, akik a Földön megjelenve és elszaporodva elkezdték átalakítani a Föld légkörét. Ezen a grafikonon a földi légkör becsült oxigéntartalma látható az időben visszafelé haladva. Ennek a megállapítása nagyon régi kőzetminták és kövületek alapján lehetséges. Hogy megértsük, miről is van szó: a vízszintes tengely az eltelt évmilliárdokat mutatja, 1 milliárd, 2 milliárd, 3 milliárd, 3,8 milliárd éve. Ez lefedi a Föld történetének nagy részét. Viszonyítási alapként: a modern emberek mindössze 200-300 ezer éve jelentek meg, ami annyi sem volna, mint egy pixel (képpont) ezen az ábrán. Szóval jócskán visszaugrunk az időben. A tudósok szerint az első fotoszintetizáló élőlény valamikor 3 milliárd éve jelenhetett meg, bár ebben nem vagyunk egészen biztosak. Lehet, hogy ezek az élőlények már termeltek oxigént a fotoszintézis során, de ez elnyelődhetett például az óceánban. De végül ezek az élőlények – akik valószínűleg a kékbaktériumok ősei – elegen lettek ahhoz, hogy elkezdjék emelni a légkör oxigénszintjét. Itt látható ez a pont. Ezelőtt gyakorlatilag nem volt oxigén a légkörben. Ekkor viszont beindult a Nagy Oxigenizációs Esemény (GOE), és egycsapásra növekedni kezdett az oxigén aránya a légkörben. E két vonal kétféle becslést tükröz arra vonatkozóan, hogy a légkör hány százalék oxigént tartalmazott az egyes időszakokban. Ez egészen napjainkig nőtt, így ma a légkörünk 20-21%-a oxigén. Ezt a folyamatot néha Oxigén Katasztrófának nevezik, mivel korábban számos olyan anaerob élőlény élt, akik számára az oxigén mérgező volt. Így a légkörben felhalmozódott oxigén egy nagy kihalási eseményt is okozott. Egykori őseink számára azonban ez nem volt katasztrófa, hiszen számunkra nem csak a fotoszintézisből származó cukor hanem az oxigén is létszükséglet. Ez az oxigén a sejtlégzéshez szükséges. A sejtlégzés akár fordított fotoszintézisnek is tekinthető. Felhasználjuk a cukrokat, és oxigén jelenlétében ki tudjuk nyerni a cukrokban lévő energiát, ami az élethez kell. Érdekes kérdés, hogy mikor alakultak ki ezekből a prokarióta baktériumokból az eukarióták, amik képesek a fotoszintézisre. Elsősorban a növények. Ennek a kulcsa az endoszimbiózis elmélete, amiről van egy külön videónk is, de a lényege az, hogy a kékbaktériumok ősei szimbiózisban élhettek egy másik, eukarióta sejttel, amelyben a kékbaktériumok őse fényenergiát tudott hasznosítani ahhoz, hogy cukrokat készítsen a nagyobb sejtnek. Cserébe a nagyobb sejt védelmet vagy tápanyagokat biztosított. Tehát úgy tartjuk az endoszimbiózis elmélet alapján, hogy a zöld színtestek – itt a képen növényi sejteket látunk, bennük zöld színtestekkel – tehát a zöld színtestek a kékbaktériumok őseinek leszármazottai. A kékbaktériumok szintén az ő leszármazottaik, de ezek azok, amelyek szimbiózisban kezdtek élni a növényi sejtek elődeivel. Vannak bizonyítékok arra, hogy az őseik önálló élőlények voltak. Egyik az, hogy a DNS-ük nagyon hasonló a kékbaktériumok DNS-éhez. Emellett vannak saját riboszómáik, amelyek nagyon hasonlítanak a kékbaktériumok riboszómáihoz. Így a mitokondriumokhoz hasonlóan, úgy véljük, hogy valaha a zöld színtestek is önálló baktériumszerű élőlények voltak, melyeket később bekebelezett egy eukarióta sejt. Ezzel a végére is értünk. A fotoszintézis nagy dolog, és nagyon érdekes az eredete. Valószínűleg a Földön alakult ki évmilliárdokkal ezelőtt, feltehetően nagyjából három milliárd éve, 2,3 - 2,4 milliárd évvel ezelőtt azonban lényegesen megváltoztatta a bolygót: rengeteg oxigént juttatott a légkörbe, amely sok élőlényt megölt, viszont más élőlényeknek lehetőséget adott az életre. Ezeknek a korai fotoszintetizáló élőlényeknek egyes leszármazottai elkezdek szimbiózisban élni nagyobb, eukarióta sejtekkel, amelyekből végül kifejlődhettek például a növényi sejtek.