Waarom is fotosynthese onmisbaar voor de mens?
Gepubliceerd: 15-11-2018
Laatste update: 28-07-2023
De zuurstof die we iedere dag inademen, hebben we te danken aan bomen en planten. Zij zetten CO2 met behulp van licht en water om in zuurstof en suikers. Zonder deze fotosynthese zou er dus amper leven op aarde zijn. Hoe werkt fotosynthese eigenlijk? En kunnen wij de formule van fotosynthese nabootsen, op weg naar een duurzame toekomst?
Redacteur: Hermen Visser
Wie heeft fotosynthese ontdekt?
Dé ontdekker van fotosynthese bestaat niet. Verschillende wetenschappers ontdekken verschillende stappen. Lange tijd denkt men dat planten hun voedsel via de wortels uit de bodem halen. Dat is op zich geen gek idee, want wie kan er leven van de wind? De Vlaams-Nederlandse alchemist Jan van Helmont ontdekt in de zeventiende eeuw dat planten hun bouwstoffen niet alleen uit de aarde halen. Hij weegt hiervoor eerst droge aarde en plant er een boom in. Vijf jaar later blijkt de boom veel zwaarder te zijn geworden dan de aarde aan gewicht heeft verloren. Van Helmont stelt vervolgens dat de voedingstoffen uit water komen.
De Vlaams-Nederlandse alchemist Jan van Helmont ontdekt in de zeventiende eeuw dat voedingstoffen uit water komen.
Een eeuw later ontdekt de Brit Joseph Priestley - die naast heel veel andere dingen de uitvinder van spuitwater is - dat een kaars en een muis die je onder een stolp zet de lucht ‘verwonden’. De kaars gaat uit lang voordat de was op is. De muis sterft. Zet je er een plant bij, dan blijft de kaars branden en de muis leven. Blijkbaar ‘herstellen’ planten de lucht. Dat planten hier zonlicht voor nodig hebben, ontdekt de Nederlander Jan Ingenhousz. De Zwitser Jean Senebier laat vervolgens zien dat in de bladeren van planten koolstofdioxide – ook wel bekend als CO2 - omgezet wordt in zuurstof. Hij concludeert dat dit zorgt voor de groei van planten. Tot slot is het Nicolas-Théodore de Saussure, een landgenoot van Senebier, die de rol van water in het proces ontrafelt.
En zo is het plaatje compleet: planten zetten koolstofdioxide onder invloed van licht en water om in glucose en zuurstof.
Wat is fotosynthese en hoe werkt het?
Hoe werkt fotosynthese?
De naam zegt het eigenlijk al. Planten en sommige bacteriën gebruiken licht (foto) om voedingsstoffen te maken (synthese). In planten gebeurt dit in bladgroenkorrels, die in de cellen van bladeren en stengels zitten. Dit zijn de groene rondjes die je in plantencellen ziet onder een lichtmicroscoop. Zou je de bladgroenkorrels openmaken, dan zie je thylakoïden. Dit zijn stapeltjes muntjes die ronddrijven in een vloeistof die stroma wordt genoemd.
In de bladgroenkorrels vinden twee ketens van chemische reacties plaats. De een heet de lichtreactie en de ander de donkerreactie. In de lichtreactie wordt lichtenergie omgezet in chemische energie. Dat gebeurt in de thylakoïden, die met behulp van licht water opsplitsen in zuurstof en waterstof. De energie die hierbij vrijkomt wordt in twee energiehoudende moleculen gestopt: ATP en NADPH. Het overtollige zuurstof stoot de plant uit. Vervolgens gebruikt de plant in de donkerreactie de energie uit ATP en NADPH om uit water en koolstofdioxide glucose te maken. ATP en NADPH zijn dus een soort oplaadbare batterijtjes die de plant telkens opnieuw weer gebruikt.
In de thylakoïden zitten pigmentmoleculen. Ze gebruiken vooral rood en blauw licht en weerkaatsen het groene licht. Zo krijgen planten hun groene kleur. Ook planten met rode bladeren als de rode beuk maken gebruik van groen pigment, maar ze hebben daarnaast ook rode kleurstoffen in hun bladeren.
Welke rol speelt fotosynthese in de evolutie?
Het eerste leven op aarde bestaat uit primitieve eencelligen, die heterotroof zijn. Zo’n 3,5 miljard jaar geleden zijn het de cyanobacteriën of blauwalgen die als eersten tot fotosynthese in staat zijn. Ze kunnen hun eigen voedingsstoffen maken en worden autotroof.
De zuurstof die vrijkomt bij de fotosynthese wordt het leven op aarde bijna noodlottig. Het leven heeft het tot dan toe zonder zuurstof gesteld en de stof is giftig voor de micro-organismen. Al dat extra zuurstof leidt tot wat wel de zuurstofcrisis wordt genoemd: het leven op aarde sterft bijna uit. Pas 1,7 miljard jaar geleden ontstaan organismen die wel tegen zuurstof kunnen.
Pas 540 miljoen jaar geleden is er genoeg zuurstof in het water voor het ontstaan van ingewikkeldere levensvormen.
Hierna gaat het snel met de evolutie. Door het hoge zuurstofgehalte ontstaat de ozonlaag, die schadelijke UV-straling wegvangt. Bovendien kunnen dankzij zuurstof veel ingewikkeldere levensvormen en uiteindelijk de mens ontstaan. Zuurstof is waarschijnlijk ook op andere planeten een voorwaarde voor het ontstaan van ingewikkelde levensvormen. Waar vloeibaar water op mogelijk leven duidt, duidt zuurstof op mogelijk complex leven.
Hele college zien? Bekijk het hier.
Welke rol speelt fotosynthese in de ecologie?
Fotosynthese is cruciaal voor het leven op aarde. Dankzij fotosynthese kunnen planten en sommige bacteriesoorten koolstofdioxide uit de atmosfeer omzetten in de koolstofverbindingen waarvan hun lichaam is gemaakt. Met behulp van zonne-energie zetten eikenbomen, gras en algen het anorganische koolstofdioxide om in organische stoffen als suikers, aminozuren en vetten. Konijnen, mussen, watervlooien en andere planteneters (of herbivoren) gebruiken deze organische stoffen om hun lichaam op te bouwen. Vleeseters (carnivoren) als vossen, sperwers en stekelbaarsjes eten andere dieren om aan kant en klare bouwstoffen te komen. En dan heb je nog de alleseters (omnivoren) als de mens die zowel planten als dieren eten. In de natuur gaat niets verloren. Alles wat doodgaat wordt door afvaleters (detrivoren) opgegeten. Ze zetten de laatste restjes organische koolstofverbindingen om in anorganische koolstofdioxide die weer beschikbaar is voor planten.
Dankzij fotosynthese wordt koolstof voortdurend gerecycled. Ook het zuurstof dat als afvalproduct vrijkomt is voor het meeste leven onmisbaar. We gebruiken zuurstof voor de verbranding van koolhydraten (glucose) en vetten. Bij deze verbranding komt warmte vrij, maar ook de energie die nodig is om bijvoorbeeld te bewegen, te groeien en te denken. En het afvalproduct van onze verbranding is koolstofdioxide.
Natuurkundige Wubbo Ockels, beter bekend als de eerste Nederlander in de ruimte, vertelt meer over het belang van fotosynthese voor dier én mens.
Kunnen planten zonder fotosynthese?
De meeste planten produceren hun eigen voedsel, maar sommige planten spelen vals. Ze stelen hun voedsel van andere planten. Echte valsspelers zijn parasieten zoals de bremraap. Deze vampier onder de planten leeft als knol onder de grond en zuigt met zijn wortels water en voedingsstoffen uit de wortels van andere planten. De bremraap komt alleen in de bloeiperiode boven de grond. Omdat de plant niet aan fotosynthese doet, is het een vrijwel bladloze en bleke stengel met bloemen.
Soms is het bedrog nog listiger. Als je door een bos loopt, vindt er onder je voeten ruilhandel plaats op ongekende schaal. Planten leveren koolstof aan schimmels in ruil voor bodemmineralen. Zogenaamde mycoheterotrofen - myco is het Griekse woord voor schimmel - stelen hun voedsel van schimmels. Indirect stelen ze ook van andere planten, omdat ze ook hun koolstof uit de schimmeldraden halen. En omdat deze plantjes niet hun eigen voedsel hoeven te produceren, zijn het niet meer dan onaanzienlijke sprietjes.
De hele aflevering zien? Kijk dan op NPO Start.
Welke rol speelt fotosynthese in het klimaat?
Fotosynthese speelt een belangrijke rol in het weer en het klimaat op aarde. Dat gebeurt op verschillende manieren. Zo spelen planten een belangrijke rol in de watercyclus. Ze nemen regenwater op uit de bodem en gebruiken het voor de fotosynthese. Het overgrote deel van het water verdampt via de bladmondjes in de bladeren. Verdamping vanuit de bodem en vanaf het wateroppervlak worden samen evaporatie genoemd, waarmee planten ervoor zorgen dat waterdamp in de atmosfeer komt. Daar vormen zich wolken en daaruit ontstaan weer regenbuien.
Naast de rol in de watercyclus beïnvloeden planten en bacteriën die aan fotosynthese doen de samenstelling van de atmosfeer. Sinds de eerste micro-organismen aan fotosynthese gingen doen, is het zuurstofgehalte drastisch gestegen en is de ozonlaag ontstaan. Tegelijk is het gehalte koolstofdioxide sindsdien flink gedaald. Koolstofdioxide is een broeikasgas. Dit voorkomt dat zonnewarmte die op de aarde valt terugkaatst naar de ruimte, net als het glas in een plantenkas. Door koolstofdioxide uit de lucht te filteren, helpen planten dus de opwarming van de aarde tegen te gaan.
De aarde kan wel tegen een stootje, maar kan de mens omgaan met veranderingen in de koolstofcyclus?
De koolstofdioxide die nu voor klimaatverandering zorgt, is ook het product van fotosynthese. Aardolie, steenkool en aardgas zijn in de aardkorst onder hoge druk en temperatuur ontstaan uit plantaardig en dierlijk leven.
Kunnen wij fotosynthese nabootsen?
Planten kunnen iets wat wij ook maar wat graag zouden doen: ze halen energie uit licht en kunnen dit opslaan in brandstoffen. Wetenschappers proberen de kunst dan ook af te kijken van de natuur. Een manier om dit te doen is gebruik maken van planten en vooral algen om biobrandstoffen te maken. Dat gaat bijvoorbeeld om biodiesel uit plantaardige olie. Dit is een zogenaamde eerste generatie biobrandstof, wat betekent dat het gemaakt wordt van voedsel. Tweede generatie biobrandstoffen worden gemaakt van plantenmateriaal dat we niet kunnen opeten, zoals hout of afval van voedselgewassen. Nog beter is de derde generatie biobrandstoffen, die zich op dit moment nog grotendeels in een experimenteel stadium bevinden. Deze brandstoffen worden vooral door eencellige algen geproduceerd. Als de omstandigheden optimaal zijn, kunnen de algen op een kleine oppervlakte een hoge opbrengst opleveren.
Bekijk de hele aflevering op NPO Start.
Een andere manier is het helemaal kunstmatig nabootsen van fotosynthese. Wetenschappers proberen het proces onder te verdelen in een aantal tussenstappen. Zo willen ze schone biobrandstoffen maken op een manier die efficiënter is dan planten. Planten zijn namelijk behoorlijk inefficiënt en de productie van biobrandstoffen door planten neemt veel land in beslag. Hoewel de uitdaging groot is, verwachten wetenschappers binnen tien jaar de eerste systemen af te hebben. De belofte is groot: we kunnen fossiele brandstoffen in de grond laten en de CO2 die we uitstoten hergebruiken.
In het kort
Lange tijd denkt men dat planten hun voedsel via de wortels uit de bodem halen. Dé ontdekker van fotosynthese bestaat niet, maar Jan van Helmont komt tot de ontdekking dat de voedingstoffen van de plant uit water komen.
Planten en sommige bacteriën gebruiken licht (foto) om voedingsstoffen te maken (synthese). In planten gebeurt dit in bladgroenkorrels, die in de cellen van bladeren en stengels zitten.
3,5 miljard jaar geleden zijn de eerste eencelligen in staat tot fotosynthese. Dankzij de zuurstof die hierbij vrijkomt ontstaat uiteindelijk ook de mens.
Fotosynthese is cruciaal voor de voedselketen en het leven op aarde. Alles wat door fotosynthese ontstaat, wordt weer gerecycled.
De meeste planten produceren hun eigen voedsel, maar sommige planten spelen vals. Zij stelen hun voedsel van andere planten.
Fotosynthese speelt een rol in de watercyclus en beïnvloedt ook de samenstelling van de atmosfeer. Door koolstofdioxide uit de lucht te filteren, helpen planten de opwarming van de aarde tegen te gaan.
Wetenschappers proberen met behulp van planten en vooral algen biobrandstoffen te maken. De belofte is groot: we kunnen dan fossiele brandstoffen in de grond laten en de CO2 die we uitstoten hergebruiken.
