Oppgrader til nyeste versjon av Internet eksplorer for best mulig visning av siden. Klikk her for for å skjule denne meldingen
Ikke pålogget
{{session.user.firstName}} {{session.user.lastName}}
Du har tilgang til Idunn gjennom , & {{sessionPartyGroup.name}}

Fotosyntese og fluorescens

(f. 1982) har en doktorgrad i fysikk ved Universitetet i Bergen (2016), og jobber nå som postdoktor i optikk ved institutt for fysikk og teknologi, UiB. I doktorgraden jobbet han mest med fluorescens-levetid og hvordan man bør tolke endringer av denne i klorofyllet hos levende alger utsatt for ulike typer stress. Nå jobber han med spredning av lys fra partikler i havet.

Fotosyntesen er en kjemisk prosess som trenger vann, karbondioksid og sollys for å lage næring til alle grønne planter. Kunnskapen om hvordan plantene tar opp næring ble for det meste til i en «travel» 200-årsperiode mellom 1650 og 1850. En rekke fremtredende forskere bygget på hverandres oppdagelser, og avdekket plantenes hemmeligheter – én etter én. Et av de viktigste verktøyene var fluorescens; for eksempel, om man lyser blått lys på et grønt blad, så lyser det rødt tilbake. Det var ikke før på 1900-tallet at man skjønte hva fluorescens egentlig er for noe, men også de tidligere observasjonene av lys og plantenes respons var helt avgjørende for å sette sammen bitene i dette fascinerende puslespillet. Det mangler fortsatt mange biter, men det store bildet kan man i dag se ganske så tydelig. Forskere i hele verden jobber stadig med å finne små, manglende biter – vi kan kanskje si at innsatsen er med på å gjøre det store bildet skarpere.

Den historiske oppdagelsen av fotosyntesen

Figur 1.

Den Belgiske legen og kjemikeren Jan van Helmont (1579–1644) ble berømt for sitt Seljetre-eksperiment i 1662. Tegning av: Stuart McMillen (www.stuartmcmillen.com).

Helt frem til midten av 1600-tallet visste man svært lite om hvordan planter tar opp næring. Aristoteles’ (384–322 f. Kr) lære om at organisk materiale ble tatt opp gjennom røttene som næring, på en lignende måte som fordøyelsessystemet hos dyr, var veletablert, akkurat som hans idéer om at det bare fantes fire elementer som alt på jorden var sammensatt av: ild, vann, jord og luft. I 1662 gjorde den belgiske legen og kjemikeren Jan van Helmont en oppdagelse som skulle markere starten på en 200-årsperiode der mysteriet om plantenes næringsvei ble avdekket – litt etter litt. Van Helmont plantet et seljetre som veide 2,2 kg i en potte med jord (Helmont 1662). Jorden veide 90 kg, og det eneste han gjorde var å vanne jorden treet var plantet i. Etter fem år var treet så stort at det var på tide å avslutte eksperimentet. Det hadde da nådd en vekt på 77 kg, mens jorden i potten bare var 57 gram lettere enn da han startet. Van Helmont hadde demonstrert at næringen ikke kunne komme fra jorden treet var plantet i. Men det virket heller ikke rimelig at den store veksten bare kunne være forklart av tilført vann.

I 1727 oppdaget den Engelske botanikeren Stephen Hales at plantene kunne ta opp luft gjennom bladene, og foreslo også at sollyset kunne være med på å gi plantene næring (Hales 1727). 20 år senere kunne naturforskeren Charles Bonnet fra Geneve slå fast at det måtte være en sammenheng mellom luft, lys og plantenes næring – han gjorde eksperimenter som viste at blader i en beholder av vann produserte mange små bobler når de ble utsatt for sollys (Bonnet 1754). Dessverre trodde han at boblene var et resultat av temperaturforskjeller. Hverken Bonnet eller Hales kan krediteres for oppdagelsen av oksygen eller karbondioksid, for på denne tiden visste man ikke at luften består av flere ulike gasser1.

Figur 2.

Joseph Priestley (1732–1804) har blitt kreditert for oppdagelsen av både fotosyntesen og grunnstoffet oksygen, selv om begge deler kan diskuteres. Han publiserte også den første instruksjonen på å lage mineralvann ved hjelp av kullsyre. (Bilde fra commons.wikimedia.org.)

Det største steget i retning oppdagelsen av fotosyntesen gjorde imidlertid engelskmannen Joseph Priestley i 1772. Han gjorde en rekke eksperimenter som involverte ulike typer luft (Priestley 1772). Siden det var kjent at dyr bare kunne overleve en begrenset tid i et lufttett kammer, tenkte man at dyret konverterte den rene luften til en uren type luft. Det samme gjaldt for eksempel for et stearinlys, som etter kort tid ville slukke dersom man stanset tilgangen på ren luft. Priestley oppdaget, til sin store overraskelse, at dette ikke skjedde med planter. Tvert imot så plantene ut til å stortrives når de ble innestengt sammen med en slik uren type luft. Som om ikke det var nok, fant han også ut at plantene rett og slett hadde konvertert den urene luften tilbake til sin rene form! Utover 1770-tallet fortsatte Priestley å arbeide med sammenhengen mellom lys og plantevekst, men Nederlenderen Jan Ingenhousz kom ham i forkjøpet med neste store gjennombrudd. Ingenhousz hadde faktisk møtt Priestley noen år tidligere, og ble så inspirert av sin engelske kollega at han like godt flyttet til England og satte i gang med en makeløs eksperimentvirksomhet. I løpet av bare tre måneder i 1779 utførte han over 500 ulike eksperimenter, og samme år kunne han stolt publisere sine resultater. Det viktigste Ingenhousz hadde kommet frem til var videreutviklingen av Charles Bonnet sine observasjoner av bobler fra planter under vann. Men i motsetning til Bonnet, kunne Ingenhousz vise at disse boblene var helt avhengige av lys (Ingenhousz 1779). Han oppdaget også at det bare var de grønne delene av planten som var i stand til å produsere disse boblene. Siste halvdel av 1700-tallet var i det hele tatt en svært produktiv tid for vitenskapelig utvikling, og i 1782 kunne den Sveitsiske presten Jean Senebier demonstrere beviser for at planter var nødt til å ha tilgang på fiksert luft (karbondioksid) for å kunne produsere det som på dette tidspunkt hadde fått sitt nåværende navn: oksygen (Senebier 1782). Både Priestley, Ingenhousz og Senebier har ofte blitt kreditert som oppdagerne av fotosyntesen, men det virker ikke rimelig å gi æren verken til bare en eller tre personer når vi vet at så mange vitenskapsfolk over så lang tid har bidratt med sine oppdagelser – spesielt siden forståelsen av fotosyntesen langt ifra var fullstendig ved starten av 1800-tallet!

Figur 3.

Jan Ingenhousz (1730–1799) viste at det bare var de grønne delene av plantene som kunne lage luftbobler, og at disse boblene var helt avhengige av lys. (Bilde fra commons.wikimedia.org.)

Det neste gjennombruddet var det fysikeren Julius Robert Mayer fra Tyskland som kom med. Han argumenterte i 1845 for at energi ikke kunne dannes i organiske systemer, eller noen andre steder for den saks skyld – han mente at energi verken kunne dannes eller ødelegges, men bare overføres fra ett system til et annet (Mayer 1845). Dette var en av de første formuleringene av det vi i dag kjenner som termodynamikkens første lov. Mayer mente at energi må være konservert i biologiske såvel som fysiske systemer, og at planter som utfører fotosyntese dermed må kunne lagre energien fra sollyset som en eller annen form for kjemisk energi. Med dette var den grunnleggende ligningen for fotosyntesen etablert:

I andre halvdel av 1800-tallet og starten på 1900-tallet skjedde ting veldig raskt på de fleste fronter innen utviklingen av vitenskapen, men det var relativt stille når det gjaldt nytt om fotosyntesen. Riktignok rapporterte den tyske biologen Theodor Wilhelm Engelmann i 1881 om hvilke bølgelengder av lyset som var mest effektive for fotosyntesen. I alle grønne planter er det pigmentet klorofyll som i hovedsak absorberer lysenergien, og klorofyllet har, som vi kan se av figur 4, sterk absorpsjon både for blått og rødt lys. At det nesten ikke absorberer i det grønne området er naturligvis grunnen til at plantene er grønne – lys med denne fargen blir reflektert tilbake til omgivelsene!

Figur 4.

De to viktigste pigmentene i grønne planter, klorofyll a og b, har sterk absorpsjon for både blått og rødt lys, men svært lite i det grønne området, noe som forklarer hvorfor plantene er grønne. (Bilde fra commons.wikimedia.org, med tekst oversatt til norsk.)

Klorofyll-fluorescens er et nyttig verktøy når man skal studere fotosyntesen

Klorofyllet i planter har også en annen spesiell egenskap – det fluorescerer! Når et atom eller molekyl absorberer et foton, vil det oppnå en høyere energitilstand – vi sier at det har blitt eksitert. Men den eksiterte tilstanden er ustabil, og molekylet vil gjerne returnere til den stabile grunntilstanden. For å gjøre dette kan det sende ut et nytt foton, og dermed kvitte seg med den overflødige energien. Det utsendte lyset kalles for fluorescens. Men litt energi vil alltid gå tapt på veien, så det utsendte fotonet vil ha en lavere energi, altså lengre bølgelengde, enn det absorberte fotonet. For eksempel så vil klorofyll som absorberer blått lys sende ut rødt lys som fluorescens.

Det skulle vise seg at fluorescens kom til å bli et svært nyttig verktøy for å finne ut mer om fotosyntesen utover på 1900-tallet. Den neste milepælen kom i 1931, da Østerrikerne Kautsky og Hirsch publiserte oppsiktsvekkende resultater fra hurtige målinger av fluorescens (Kautsky 1931). Ved kontinuerlig belysning av en grønn plante, kunne de vise at fluorescensen fra klorofyllet raskt nådde et intensitetsmaksimum, for deretter å avta og stabilisere seg på et lavere nivå, alt i løpet av noen få minutter. Dette kalles for Kautsky-effekten, og små variasjoner i hvor lang tid det tar å nå maksimal fluorescensintensitet kan si mye om fotosynteseaktiviteten hos planten. Dette er altså et ypperlig verktøy, spesielt siden metoden er så hurtig, og generelt er det heller ikke skadelig for plantene å bli belyst på denne måten.

Figur 5.

Figuren viser den såkalte Kautsky-effekten, der fluorescensen fra en kontinuerlig belyst grønn plante viser seg å variere med tiden. Denne variasjonen kan gi nyttig informasjon om tilstanden til det fotosyntetiske apparatet i planten. (Bilde fra commons.wikimedia.org, med tekst oversatt til norsk.)

I 1960 presenterte Amerikaneren Theodore Maiman verdens første laser (Maiman 1960). Han hadde laget en fungerende prototype basert på teoretisk arbeid som ble påbegynt av Einstein i 1917, men han hadde nok ikke sett for seg at oppfinnelsen skulle blir så til de grader vellykket, med millioner av applikasjoner i alle tenkelige kategorier. For forskning på biologiske materialer, som planter, var laseren spesielt godt egnet. Planter består av en rekke ulike komponenter, og flere av dem vil avgi fluorescens når de blir bestrålt med lys av riktig bølgelengde – det vil si lys som treffer absorpsjonsspekteret til komponenten. Om man bruker en lampe, vil lyset som regel bestå av et bredt spekter av bølgelengder, og dermed vil en kunne få fluorescens av alle komponentene som har absorpsjon i spekteret. Men laseren sender ut lys med bare én (ideelt sett) bølgelengde, og dermed kan en, i forhold til komponentens absorpsjonsspekter, velge passende bølgelengde til å indusere fluorescens. Utover 1960-tallet ble det vanlig med lasere som kunne tunes i store deler av det synlige spekteret, noe som førte til en stor økning i forskning på grønne planter og fotosyntesen. På 1980- og 1990-tallet kom enda et gjennombrudd, nemlig lasermikroskopet. Det ble mulig å fokusere laserstrålen mye mer effektivt inn i en prøve, og å scanne over et gitt område. Slik kunne en dermed få gode avbildninger av mikroskopiske strukturer i plantene. I tillegg begynte en å bruke laserpulser istedenfor en kontinuerlig laserstråle, noe som gjorde at en kunne trenge lenger inn i plantevevet. Dette var muliggjort av en spesiell teknikk som kalles to-foton-eksitasjon: Ved å bruke en bølgelengde med lavere energi, men samtidig fokusere pulsene inn på et så lite område at molekylene absorberte to fotoner samtidig, kunne en på en måte lure dem til å tro at de bare hadde absorbert ett foton med den normalt nødvendige energien. Fordelen er at en da bare får et fluorescenssignal fra akkurat det området en fokuserer laserpulsene, og man eliminerer da støy fra andre deler av prøven. I tillegg er det mye mer skånsomt for levende celler, siden energien er så lav unntatt akkurat i fokalpunktet. For å illustrere hvor høy fotontetthet en kan oppnå i fokalpunktet på denne måten kan vi se for oss alt sollyset som treffer jordkloden på en gang. Om man så samler alt dette lyset inn på under én kvadratmeter, vil en omtrent ha like mange fotoner per areal som det man får ved å bruke laserpulser fokusert i mikroskopet!

Figur 6.

Klorofyll i planter er samlet i komplekser på noen få hundre pigmenter om gangen, som har som oppgave å absorbere lysenergi og overføre denne til et reaksjonssenter, der energien kan nyttiggjøres i fotosyntesen. Overflødig lysenergi vil gå til fluorescens eller varmetap, men kan også effektivt «hoppe» fra pigment til pigment via resonans, helt til den når reaksjonssenteret. (Figur laget av artikkelforfatteren.)

Fluorescerende molekyler er ikke bare karakteriserte av intensiteten og dens variasjon med tiden. Dersom man har en stor mengde fluorescerende molekyler, og tilfører dem energi slik at de går over i en eksitert tilstand, vil hvert enkelt molekyl returnere til grunntilstanden på én av flere mulige måter. Fluorescens er en av disse, men alle molekylene vil ikke sende ut lys samtidig. Dette vil følge en eksponentiell kurve, som er bestemt av den gjennomsnittlige tiden molekylene er eksitert før de sender ut et fluorescens-foton. Denne tiden kalles fluorescens-levetiden til det fluorescerende stoffet, og er i stand til å gi enda mer informasjon om hva som foregår inne i stoffet enn bare intensiteten. I klorofyll i planter vil fluorescens konkurrere med både overføring til varme og ikke minst selve fotosyntesen, når det gjelder å ta imot den energien som ble brukt til å eksitere molekylene. Siden disse ulike måtene å returnere til grunntilstanden på er i konkurranse med hverandre, kan vi si at dersom fluorescens-levetiden går opp eller ned, så må noen av de andre konkurrentene ha gått ned eller opp. For eksempel, dersom levetiden går opp, kan det bety at den fotosyntetiske aktiviteten har gått ned. På denne måten kan en indirekte få informasjon om fotosyntesen ved å måle fluorescens-levetiden.

Figur 7.

Artikkelforfatteren avbildet på laboratoriet ved Universitetet i Bergen. Foto: Arne S. Kristoffersen.

Forskere ved Universitetet i Bergen har nylig forsket på fluorescens-levetiden til klorofyll i alger under ulike stress-scenarioer (blant annet næringsmangel og ultrafiolett (UV) stråling), og har da funnet ut at algene er mye mer robuste og i stand til å reparere seg selv enn det man tidligere har trodd. Grønnalgen Tetraselmis inneholder mye klorofyll, og er gunstig med tanke på et sterkt fluorescenssignal. For å undersøke hvordan disse algene blir påvirket av økt UV-stråling om sommeren, startet forskerne et eksperiment der de gradvis økte dosen UV-B (som er den typen stråling som forårsaker solbrenthet) algene ble utsatt for. I løpet av eksponeringsperioden ble alger hentet ut, og fluorescenslevetiden til klorofyllet ble målt. Resultatene var forbløffende. Det viste seg at det ikke var noen endringer å spore før algene hadde blitt bestrålt i omtrent to timer (Kristoffersen mfl. 2015). Men da fordoblet plutselig fluorescenslevetiden seg, helt opp til et nivå tilsvarende der ingen fotosyntese forekommer. Dette har man vist ved å kjemisk sperre for elektrontransport mellom plantenes fotosystemer, og dermed effektivt hindre muligheten for fotosyntese. Algene holdt altså stand lenge, og fotosyntesen fungerte normalt. Men så brøt systemet sammen, og algecellene var etter alt å dømme ødelagte. Enda mer overraskende var det at når de samme cellene fikk hvile seg i mørket over natten, så returnerte fluorescenslevetiden nesten tilbake til normale verdier! Dette var det ingen som hadde vist før, algene var altså i stand til å reparere seg selv på en tidshorisont over noen få timer.

Figur 8.

Algeceller fra arten H. pluvialis som er fargekodet for fluorescenslevetid, kan være små kunstverk. Foto: Arne S. Kristoffersen.

Referanser og videre lesning

Bonnet C. 1754. Recherches sur l’usage des feuilles dans les plantes... E. Luzac fils.

Hales S. 1727. Vegetable staticks: or, An account of some statical experiments on the sap in vegetables. Also, a specimen of an attempt to analyse the air. W. & J. Innys.

Helmont J v. 1662. Oriatrike or physick refined. Translated by Walter Charleton. London.

Ingenhousz J. 1779. Experiments upon vegetables: discovering their great power of purifying the common air in the sun-shine, and of injuring it in the shade and at night. To which is joined, a new method of examining the accurate degree of salubrity of the atmosphere. Printed for P. Elmsly and H. Payne.

Kautsky H, Hirsch A. 1931. Neue versuche zur kohlensäureassimilation. Naturwissenschaften 19: 964–964. DOI 10.1007/BF01516164.

Kristoffersen A S, Hamre B, Frette Ø, Erga S R. 2015. Chlorophyll a fluorescence lifetime reveals reversible uv-induced photosynthetic activity in the green algae tetraselmis. European Biophysics Journal: 1–10.

Maiman T H. 1960. Stimulated optical radiation in ruby. Nature 187: 493–494.

Mayer J R. 1845. Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhange mit dem Stoffwechsel. C. Drechsler.

Partington J. 1962. The discovery of oxygen. Journal of chemical education 39: 123.

Priestley J. 1772. Observations on different kinds of air. Philosophical transactions 62: 147–264.

Senebier J. 1782. Mémoires physico-chymiques sur l’influence de la lumière solaire. Chez Barthelemi Chirol, Libraire.

West J B. 2014. Joseph Black, carbon dioxide, latent heat, and the beginnings of the discovery of the respiratory gases. American Journal of Physiology-Lung Cellular and Molecular Physiology 306: 1057–1063.

1Etter årevis med disputter er det nå stort sett enighet om at svensken Carl Wilhelm Scheele var den første som oppdaget oksygen, i 1771 eller 1772 (Partington 1962). Joseph Priestley gjorde imidlertid en uavhengig oppdagelse noe senere, og publiserte resultatene sine i 1775, mens Scheele ikke publiserte før i 1777. Navnet oksygen ble først benyttet av Antoine Lavoisier i 1778. Karbondioksid ble oppdaget av Joseph Black i 1754, men siden oksygen enda ikke var oppdaget, fikk denne gassen da navnet fiksert luft (West 2014).

Idunn bruker informasjonskapsler (cookies). Ved å fortsette å bruke nettsiden godtar du dette. Klikk her for mer informasjon