Zonlicht op een blad - fotosynthese

Fotosynthese is de brandstof van het leven

Fotosynthese stelt planten en algen in staat om CO2 en water om te zetten in zuurstof en glucose, waar ze van leven. Daarom willen wetenschappers fotosynthese inzetten in de strijd tegen klimaatveranderingen en voedseltekorten.

Fotosynthese stelt planten en algen in staat om CO2 en water om te zetten in zuurstof en glucose, waar ze van leven. Daarom willen wetenschappers fotosynthese inzetten in de strijd tegen klimaatveranderingen en voedseltekorten.

Wat is fotosynthese?

Toen de aarde 4,6 miljard jaar geleden ontstond in een wolk van gas en stof rond onze nog jonge zon, bevatte de atmosfeer nog geen zuurstof.

Ongeveer een miljard jaar later ontstonden er minuscule blauwgroene bacteriën in zee, die zuurstof begonnen te produceren. Dit was het begin van de zuurstofrijke atmosfeer rond de aarde, die ervoor zorgt dat alle mensen en dieren op onze planeet kunnen ademen.

De productie van zuurstof vindt plaats door middel van fotosynthese.

Fotosynthese is een biochemisch proces, waardoor planten, algen en sommige bacteriën de anorganische stoffen kooldioxide (CO2) en water (H20) kunnen opnemen, en vervolgens het koolhydraat glucose kunnen aanmaken. Hierdoor kunnen planten groeien.

Misschien nog wel belangrijker voor ons is het feit dat er bij dit proces zuurstof wordt aangemaakt als afvalstof. Daardoor is fotosynthese het belangrijkste biochemische proces op aarde.

De formule voor fotosynthese is als volgt:

6 CO2 + 6 H2O + lichtenergie --> C6H12O6 (glucose) + 6 O2

Hoe verloopt fotosynthese?

Groene planten halen energie uit licht dankzij fotosynthese. Tijdens dit proces wordt CO2 uit de lucht omgezet in zuurstof en koolstofverbindingen (suikers).

Zo werkt fotosynthese

Zo werkt fotosynthese
/ 6

Water (H2O) wordt vanuit de wortels naar de bladeren getransporteerd.

1

Lichtenergie van de zon splitst watermoleculen, waarbij elektronen vrijkomen.

2

Fotosynthese vindt plaats in de bladgroenkorrels van plantencellen.

3

Kooldioxide (CO2) wordt opgenomen door huidmondjes in de plantencellen.

4

Koolstof (C), waaruit de plant is opgebouwd, wordt aangemaakt doordat vrije elektronen uit water kooldioxide (CO2) splijten.

5

De plant geeft zuurstof (O2) af als afvalproduct van het proces.

6
© Claus Lunau

Hoe werd fotosynthese ontdekt?

Planten doen eigenlijk precies het tegenovergestelde van mensen en dieren. Wij ademen zuurstof in en ademen CO2 uit.

De Nederlandse onderzoeker Jan Ingenhousz ontdekte dit al in 1771. Hij kwam erachter dat planten luchtbelletjes afgeven als ze worden blootgesteld aan zonlicht en kooldioxide als het donker wordt.

In 1999 ontdekte de Groenlandse onderzoeker Minik Rosing sensationele sporen van fotosynthese op Groenlandse rotsen. De sporen waren zichtbaar in de vorm van koolstof die 3,7 miljard jaar geleden werd gevormd door cyanobacteriën, ook wel blauwalgen genoemd.

Zonder fotosynthese was er geen leven op aarde mogelijk geweest. Minik Rosing, hoogleraar in de geologie aan de Universiteit van Kopenhagen

Blauwalgen zetten, net als planten, zonlicht om in chemische energie en ze produceren daarbij zuurstof als afvalstof. De zuurstof die de bacteriën in de loop van honderden miljoenen jaren door fotosynthese onder water produceerden, vormden de voedingsbodem voor nieuwe en meer geavanceerde levensvormen.

Cyanobacteriën zorgen voor fotosynthese

Cyanobacteriën bestaan al meer dan 3 miljard jaar en doordat zij sinds hun ontstaan al zuurstof produceren door middel van fotosynthese, staan zij aan de basis van het leven.

Gedurende verschillende geologische tijdperken gaven blauwalgen zuurstof af aan hun omgeving. In het begin werd zuurstof chemisch gebonden door stoffen als ijzer, waardoor het niet in de atmosfeer terechtkwam.

Na verloop van tijd kwam er echter steeds meer zuurstof in de atmosfeer terecht, en werd er een ozonlaag gevormd die het prille leven op aarde beschermde tegen de uv-straling van de zon.

De aarde heeft al ruim 2 miljard jaar een zuurstofrijke atmosfeer. Uit berekeningen blijkt dat er jaarlijks 280 miljard ton zuurstof op aarde wordt geproduceerd. Algen en cyanobacteriën in de zee zijn verantwoordelijk voor 46% van de zuurstofproductie, terwijl de overige 54% op het land wordt geproduceerd.

In totaal bestaat 21% van de atmosfeer uit zuurstof (de overige 79% bestaat uit stikstof, CO2 en andere gassen). Algen en cyanobacteriën in zee zijn verantwoordelijk voor 46% van de zuurstofproductie, terwijl de overige 54% op het land wordt geproduceerd.

Video: NASA observeert fotosynthese vanuit de ruimte

Klimaatverandering en fotosynthese

Miljoenen jaren lang was de verhouding tussen zuurstof en CO2 in onze atmosfeer volledig in balans. De afgelopen decennia is deze balans echter flink verstoord.

In 2019 werd er 37 gigaton CO2 uitgestoten in de atmosfeer, wat ruim 30% meer is dan in de jaren 1970.

Wetenschappers zijn het er in het algemeen over eens dat de toenemende CO2-uitstoot het gevolg is van het gebruik van fossiele brandstoffen. Natuurlijke fotosynthese is niet meer voldoende om de balans te herstellen, waardoor het CO2-gehalte in de atmosfeer blijft stijgen.

Daarom wordt er gezocht naar nieuwe manieren om CO2 op te vangen, zodat de balans in de atmosfeer niet verder wordt verstoord.

Kunstbladeren zorgen voor fotosynthese

Kunstbladeren die de natuurlijke fotosynthese nabootsen, zijn eigenlijk niets nieuws onder de zon.

Tot op heden was er echter één groot probleem. De bladeren konden CO2 omzetten die afkomstig was uit een druktank in een laboratorium, maar ze waren niet in staat om CO2 aan de lucht te onttrekken.

In 2019 ontwikkelden wetenschappers echter een speciaal membraan dat wel eens de sleutel tot de oplossing kan vormen.

Het membraan omhult het kunstblad met water terwijl de fotosynthese wordt uitgevoerd. Als de zon het water achter het membraan verwarmt, kan waterdamp ontsnappen via de onderzijde van het blad en tegelijkertijd wordt CO2 opgenomen via kleine openingen aan de bovenzijde. Deze openingen lijken op de huidmondjes van natuurlijke bladeren.

Lichtabsorberend materiaal vangt de energie van zonnestralen op en samen met een aantal hulpstoffen wordt er fotosynthese uitgevoerd in het kunstmatige blad.

Het kunstblad zet CO2 om in zuurstof en koolmonoxide (CO). De zuurstof kan worden opgeslagen of worden vrijgelaten, terwijl het koolmonoxide kan worden toegepast in synthetische brandstoffen.

Zo verloopt fotosynthese in een kunstblad

Kunstbladeren - fotosynthese
/ 3

Water verdampt

Als de zon het water achter het membraan verwarmt, kan de damp uit de onderzijde van het blad ontsnappen. Terwijl de waterdamp het blad verlaat, wordt CO2 het blad ingetrokken door kleine huidmondjes aan de bovenzijde.

1

Fotosynthese wordt in gang gezet

Dankzij voldoende CO2 kan fotosynthese worden uitgevoerd, waarbij het broeikasgas wordt omgezet in zuurstof en koolmonoxide.

2

Brandstof ontstaat

Natuurlijke bladeren maken suiker aan, maar het eindproduct van kunstbladeren is koolmonoxide, CO, dat weer in synthetische brandstoffen kan worden gebruikt.

3
©

Dankzij het nieuwe membraan kunnen kunstbladeren tien keer zoveel CO2 aan de lucht onttrekken als een gewoon blad met hetzelfde oppervlak.

In de praktijk is een kunstblad te vergelijken met een zonnepaneel, en een park met 360 panelen kan dagelijks 792 kilo CO2 uit de lucht halen.

Dit zijn drie wonderbaarlijke dieren die net als algen en planten fotosynthese kunnen uitvoeren, en zo energie uit zonnestralen kunnen halen.

Zeeslak maakt gebruik van fotosynthese
©

Zeeslak oogst bladgroenkorrels

Deze zeeslak (Elysia chlorotica) zuigt bladgroenkorrels uit algen met een rietje en slaat deze korrels op in zijn eigen cellen. Nu kan de slak zonlicht omzetten in energie.

Erwtenluis maakt gebruik van fotosynthese
©

Erwtenluis maakt pigmenten aan

De erwtenluis (Acyrthosiphon pisum) maakt plantenpigmenten aan, waardoor dit insect vermoedelijk ernergie uit zonlicht kan halen.

Salamander maakt gebruik van fotosynthese
©

Salamander parasiteert op algen

De gevlekte salamander (Ambystoma maculatum) wordt in de foetale fase omringd door algen. Het eitje groeit namelijk in het water. De foetus haalt zuurstof en glucose uit de algen tijdens het fotosyntheseproces.

Wetenschappers hacken fotosynthese

In 2019 kreeg een nieuw internationaal onderzoeksproject genaamd Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) het voor elkaar om de bladeren van tabaksplanten genetisch te modificeren, waardoor het proces van fotosynthese een stuk effectiever werd uitgevoerd.

Planten onttrekken kooldioxide aan de lucht door middel van het enzym rubisco. Helaas haalt dit enzym niet alleen kooldioxide uit de lucht, maar ook zuurstof. Hierdoor ontstaan gifstoffen die de plant weer moet afbreken.

Voor dit afbraakproces is energie nodig, waardoor de plant minder energie heeft om CO2 om te zetten in glucose, dat weer in grote mate bijdraagt aan de groei van de plant.

Dankzij de genetisch gemodificeerde bladeren van de onderzoekers verliep het afbraakproces een stuk effectiever. De planten groeiden sneller en werden tot wel 40% groter dan normale tabaksplanten.

De volgende stap is om dit proces op tomaten, sojabonen en soortgelijke planten te testen. Als dit werkt kan de plantaardige voedselproductie de komende 50 jaar worden verdubbeld, wat ook hard nodig is om de dan ruim 9 miljard monden op deze aarde te voorzien van voldoende voedsel.