Robbert Dijkgraaf in DWDD college: fotosynthese heeft constructiefoutje

...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 (bron)

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

1. Met dank aan Marleen die me wees op deze fout. Een constructiefoutje! [maandag 23 januari ]

Vorige blogs over dit onderwerp

1. Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (1) 4 juli 2011
2. Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (2) 6 juli 2011
3. Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (3) 9 juli 2011
4. Bas Haring over de inefficiëntie van fotosynthese (4) 16 juli 2011

Aanbevolen literatuur

• Solar Radiation and Photosynthetically Active Radiation is een zeer nuttig overzicht!
• Redesigning photosynthesis to sustainably meet global food and bioenergy demand (PNAS) geeft een overzicht van manieren waarop chemici fotosynthese zouden kunnen verbeteren
• De Engelse wikipedia pagina photosynthesis is uiteraard belangrijk als algemeen overzicht, en speciaal de pagina Photosynthetically active radiation bespreekt het spectrum van het licht dat voor fotosynthese gebruikt kan worden.