|
...maar door een soort constructiefoutje kunnen
ze het groene licht niet absorberen.. (11:47e min)
|
Op vrijdag 2 decmber 2016 hield professor Robbert Dijkgraaf een zeer
geslaagd college in de DWDD University serie. Beslist de moeite waard
om
terug te kijken. Het onderwerp was dit keer Licht. Ik vind dit tot nu toe het
meest succesvolle college.
Waarschijnlijk omdat ik veel herkenbare dingen tegenkwam,
verschijnselen die we allemaal in het dagelijkse leven kunnen ervaren.
Teveel om op te noemen: cosmologische, natuurkundige, chemische,
biologische, psychologische, en kunsthistorische aspecten van licht.
Alles geïllustreerd met filmpjes, experimenten en voorwerpen. Het hoogst
bereikbare in het genre
populair-wetenschappelijk college c.q. entertainment. Hij 'moest'
beloven het volgende jaar weer een college te geven. Onderwerp onbekend.
Maar ik kan me haast niet voorstellen dat dit college te overtreffen
is.
Hij maakte één terloopse opmerking die me niet losgelaten heeft, en die
me nog steeds bezig houdt. Volgens professor Dijkgraaf wordt door een
soort constructiefoutje groen licht niet gebruikt door planten bij de
fotosynthese. Planten zijn heel goed in het benutten van rood, geel en
blauw, maar niet van groen licht. Omdat ze groen licht niet absorberen,
maar reflecteren. "Als je planten in groen licht zet, groeien ze niet"
zegt Dijkgraaf. Fraaie opmerking!
|
|
chlorophyll heeft een opvallend dieptepunt in het groen (wiki)
|
Dat is de reden dat de natuur er groen uitziet, dat we spreken over
groenvoorziening, groenbeheer, openbaar groen, groene stroom, groen gas,
groenste politicus, etc.
Een constructiefoutje?
Prof. Dijkgraaf noemt het 'een constructiefoutje' zonder verdere
toelichting. Klopt dit? Eén blik op de grafiek hierboven maakt duidelijk
dat chlorophyl ongevoelig is voor groen licht, terwijl het logisch zou
zijn, dat daar een piek zou zitten. Als we die
piek zouden aantreffen, zouden we niet verbaasd zijn.
Want daar zit de meeste [1] ook energie.
Chlorophyl lijkt geen logische keuze als je zonne-energie optimaal wilt
benutten. Na miljoenen jaren evolutie zou je toch een betere keuze
verwachten. Deze evolutionaire puzzel is al bekend sinds dit soort
grafieken zijn gemaakt. En dat is vele tientallen jaren.
Hoe erg is dit constructiefoutje?
Ik voel me -het klinkt raar- geroepen fotosynthese te verdedigen.
Als er een constructiefoutje in het fotosynthetisch apparaat van
planten zit, dan heeft dat niet verhinderd dat planten de basis vormen van
het ecosysteem op aarde. Mensen eten koeien en koeien eten gras. Zonder
gras geen vlees. Alle dieren zijn direct of indirect afhankelijk van
planten. Zonder planten, geen dieren. Je kunt dus zeggen dat
planten-met-een-constructiefoutje de aarde leefbaar hebben gemaakt!
Planten maken
het leven van 7 miljard mensen mogelijk.
En die planten produceren ook nog zuurstof. Zonder zuurstof geen grote
intelligente dieren. In hete gebieden geven bomen schaduw voor mens en
dier. De hoogste Sequoia sempervirens is 115 meter hoog. Dat zijn geen geringe
prestaties voor een systeem met een constructiefoutje. Maar toch. Het
blijft aan je knagen. Ik wil een verklaring.
Eigenlijk kun je pas van een fout spreken als het systeem kapot is
of een risico op falen heeft. Zoals dat balkon dat door een
constructiefout van de vijfde verdieping naar beneden stortte. Of als een
vliegtuig crasht door ontwerp-
of constructiefouten. Maar het
fotosynthese systeem is niet kapot! Het werkt!
Er is ook geen risico op falen. Fotosynthese is een robuust
systeem. Je zou fotosynthese hoogstens inefficiënt kunnen noemen.
Kan het beter?
Het fotosynthese systeem is
niet kapot, maar de keuze voor chlorofyl vraagt om een verklaring. Je
ziet een dal in de grafiek waar je een piek verwacht. Kan het anders?
Zijn er betere moleculen? Dat heeft professor Dijkgraaf helaas niet
onthuld! Kun je een chlorofyl variant ontwerpen die ook nog groen
absorbeert zonder verlies van andere gunstige eigenschappen? (zoals
stabiliteit van het molecuul). Dat lijkt me typisch een vraag voor een
fysicus!
Er bestaat wel een ander molecuul dat groen absorbeert:
bacterio-rhodopsine. Dat is een lichtgevoelig molecuul dat door
een speciaal soort bacteriën wordt gebruikt. Vroeg in de evolutie van
het leven bestond er op retinal gebaseerde fotosynthese dat
wel groen licht gebruikte. Die
bacteriën
zagen er paars uit (Purple Earth hypothesis). Maar dit systeem wordt niet door planten gebruikt.
Blauwalgen
benutten een groter deel van het lichtspectrum dan de meeste algen en
landplanten doordat ze beschikken over pigmentstructuren die zonlicht
met een golflengte van 550–620 nanometer
–het groene deel– kunnen benutten. (8 aug 2022 toegevoegd)
In de kunstmatige fotosynthese (Artificial photosynthesis) zijn er vele ideeën om fotosynthese te verbeteren. Er zijn kleine
successen geboekt, maar die werken goed in het laboratorium met hoge
CO2 concentraties, maar niet in
de vrije natuur met veel lagere CO2
concentraties. Ook zijn er claims dat een zgn. 'artificial leaf' tien maal zo efficiënt is in fotosynthese als een natuurlijk blad.
Dit kunstmatig blad
splitst water in waterstof en zuurstof, net als bij fotosynthese, maar produceert géén
glucose en glucose is 'het doel' van fotosynthese. Het is
interessant, maar
niet vergelijkbaar met fotosynthese.
Zwarte bladeren
"Een plant zou het liefst zwart willen zijn" vertelde prof.
Dijkgraaf. Weer zo'n rake opmerking. Ja, want dan absorbeert
(gebruikt?) hij al het zichtbare licht. Dan zouden alle planten er
zwart uitzien. Er bestaan planten met zwarte bladeren:
Begonia darthvaderiana is een schaduwplant in het oerwoud van
Borneo. Hij absorbeert alle golflengtes licht. Mar gebruikt hij
zo ook?
|
|
Canna Australia
|
De Canna Australia is
zwart door pigmenten die niet deelnemen aan de fotosynthese (prof
Alexander Ruban). Het ziet er mooi uit, maar je hebt er niets aan voor
de fotosynthese.
Licht is meestal niet beperkend
De vraag waarom planten niet of nauwelijks groen licht benutten lijkt
er vanuit te gaan dat licht een beperkende factor is in het leven van
een plant. En dat je alle energie uit licht moet halen om te overleven.
Hoe meer licht hoe beter. Maar als je de literatuur bestudeert, dan
blijkt dat helemaal niet zo te zijn. Te veel licht beschadigt de
kwetsbare fotosynthetische moleculen. Er is een verzadigingspunt waar
boven licht niet meer benut kan worden.
De plant kan de hoeveelheid fotonen gewoon niet snel genoeg verwerken.
Goed vergelijkbaar met te harde wind en storm die windturbines
beschadigen, waardoor ze stilgezet moeten worden. Planten die maximaal
aan de zon zijn blootgesteld beschikken over systemen om een teveel aan
licht om te zetten in warmte.
Een belangrijke reden waarom te veel licht nutteloos is, ligt in het
feit dat de functie van foto-synthese geen
elektriciteitsproductie is zoals bij een zonnepaneel, maar de
synthese van glucose. Een beperkende factor daarbij is CO2
transport naar de plek waar het nodig is in de cel. Dat zou verklaren
waarom planten sneller groeien bij meer CO2
in de atmosfeer. Een andere beperkende factor is het enzym Rubisco dat
te langzaam CO2 opneemt.
De enige planten die wel een gebrek aan licht hebben zijn schaduwplanten die
op de bodem van het oerwoud groeien. Zij hebben dezelfde
fotosynthese pigmenten, maar andere aanpassingen om het licht optimaal te benutten. We zouden echter niet verbaasd zijn als
deze planten een groen-gevoelig chlorophyl hadden gehad. We zouden dat een mooie aanpassing noemen!
Evolutionaire verklaring
Een mogelijke verklaring voor de groene puzzel is dat het fotosynthese
systeem, met name chlorophyl, een erfenis is uit het verre verleden. Er
zijn eencellige, in het water levende planten, die in plaats van
chlorophyl een pigment hebben dat groen absorbeert (bacterio-rhodopsin).
Op die manier kunnen groen-absorberende en rood-absorberende cellen in hetzelfde milieu leven zonder elkaars licht weg te vangen.
Een licht specialisatie zou je kunnen zeggen.
De vraag is dan waarom chlorophyl
in alle landplanten terecht is gekomen en bacterio-rhodopsin niet. Alleen omdat alle landplanten -toevallig- van
de
groene voorouder afstammen? Het had ook andersom kunnen zijn?
We kunnen niet zeggen dat evolutie niets geprobeerd heeft. Er zijn 11 chlorophyl varianten, ieder met net iets
andere eigenschappen.
Maar allemaal zijn ze niet goed in het absorberen van
groen licht. Misschien is een chlorophyl variant die ook groen licht
absorbeert
natuurkundig gewoon niet mogelijk. En dan houdt alles op.
Ook de
rode pigmenten kennen
hun varianten.
We moeten misschien rekening houden met het kosten-baten verhaal.
Misschien zijn er betere oplossingen, maar zijn die te duur. Dat wil
zeggen dat ze meer energie kosten dan ze opleveren. De vraag is dus
niet: kan het beter, maar levert het méér op dan het kost? Ook kunnen
voor de hand liggende oplossingen niet bereikbaar zijn voor een
stap-voor-stap mutatie en natuurlijke selectie proces. Evolutie kan niet
het hele systeem van de grond af aan opnieuw ontwerpen. Het moet uitgaan
van bestaande oplossingen.
Fotosynthese is 'een wonder'
Ik voel me geroepen fotosynthese te verdedigen. Fotosynthese is
wonderlijke uitvinding: licht gebruiken om uit CO2
en water glucose en zuurstof te maken. Deze uitvinding maakt een planeet
leefbaar! Al het dierlijk leven is er van afhankelijk. En dan is het een
tikje arrogant om te zeggen dat het een constructiefoutje is.
Vooral als we het zelf niet beter kunnen. Bovendien heb ik het vermoeden
dat Robbert Dijkgraaf zich niet verdiept heeft in de details van
fotosynthese.
Fotosynthese is een waanzinnig complex systeem. Er zijn honderden
enzymen en genen bij betrokken. Zo complex dat fotosynthese geen rol kon
spelen bij het ontstaan van het eerste leven. Bovendien vindt het hele
fotosynthese proces plaats in chloroplasten. Dat zijn kleine
compartimenten binnen de cel van de plant die in het verre evolutionaire
verleden zelfstandige fotosynthetiserende ééncelligen waren.
De gloeilamp en de auto
Vergelijk de nu (bijna) uitgestorven gloeilamp: een succesvolle
uitvinding van natuurkundigen om licht te maken, maar zéér inefficiënt.
De meeste energie wordt omgezet in warmte! Typisch een
constructiefoutje!
Eerlijkheidshalve
moet ik toegeven dat de gloeilamp ons jarenlang van licht heeft voorzien. Hij was niet stuk, ook al werd zijn
levensduur kunstmatig verkort. Waarschijnlijk was er geen materiaal
voorhanden dat efficiënter licht kon produceren. Misschien was het
een beperking van voorhanden materialen. De LED werkt volgens een heel ander principe. Maar dat is meer het
vakgebied van Robbert Dijkgraaf.
Evenzo zou het heel goed kunnen zijn dat de beperkingen van
fotosynthese bepaald worden door de fundamentele fysische eigenschappen van moleculen als
chlorophyl. Dus
iedereen die het heeft over
een constructiefoutje van fotosynthese, heeft de
plicht om met een molecuul te komen dat
groen licht absorbeert
én een hogere efficiëntie heeft, én op zijn minst alle gunstige
eigenschappen van chlorophyl heeft.
Nog een frappant constructiefoutje: fossiele brandstof auto's hebben
een energie efficiëntie van 14%–30%. Niet indrukwekkend. Vergelijk dat eens met
de hybride auto: 25%–40% en de elektrische auto:
74%–94%! (bron). In plaats van een constructiefoutje
kun je dit beter toeschrijven
aan een fundamentele beperking van de verbrandingsmotor. Dus
uiteindelijk weer natuurkunde!
Tenslotte
Het lijkt wel dat ik veel kritiek heb en het college van Robbert
Dijkgraaf slecht vind. Niets is minder waar. Het gaat hier tenslotte maar over één opmerking. Ondanks die ene losse opmerking
over
dat zogenaamde constructiefoutje, is zijn college een hoogtepunt in het populair-wetenschappelijk genre. We
moeten daar trots op zijn dat
we dat in
Nederland hebben.
Update 26 januari 2017
|
|
uit: Barrow, Tipler: The Anthropic Cosmological Principle, p.
556
|
De bovenste lijn is de relatieve energie van zonlicht
met een maximum tussen de 440 en 600. De linkse absorptiepieken van de chlorophylls (blauw, tussen 400 en
500) vallen redelijk goed in het maximum van de energie van de zon. De rode absorptiepieken vallen buiten de hoogste energie van de zon
(600 - 800) maar pakken nog altijd méér energie dan in het groene gebied
(500 - 600). In theorie zou
chlorophyll groen licht beter kunnen gebruiken dan het nu doet. Maar de
blauwe absorptiepieken doen het gewoon goed.
Laatste update 22 juli 2022
Noten
-
Met dank aan Marleen die me wees op deze fout. Een
constructiefoutje!
[maandag 23 januari ]
Vorige blogs over dit onderwerp
-
Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese
(1) 4 juli 2011
-
Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (2)
6 juli 2011
-
Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (3)
9 juli 2011
-
Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (4)
16 juli 2011
Aanbevolen literatuur
