Eesti Looduse fotovõistlus
2010/10



   Eesti Looduse
   viktoriin


   Eesti Looduse
   fotovõistlus 2012




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
Intervjuu EL 2010/10
Inimese arvutused loodusele niipea järele ei jõua

Millega te praegu põhiliselt tegelete?

Sellesamaga, millega olen põhiliselt tegelnud viimased nelikümmend aastat. Kunagine teaduste akadeemia president Karl Rebane väitis, et üle kümne aasta ei ole teaduses mõttekas ühe asjaga tegelda, tegevus pidi muutuma konnatiigiks. Aga looduse keerukus ja tasemete hulk on nii suur, et tegelikult muidugi jätkub igal alal tööd igaveseks. Konnatiik võib tekkida siis, kui sul on piiratud metoodika, mis võimaldab vaid kindlat tüüpi mõõtmisi teha. Meie töörühm on algusest peale ehitanud ise aparaate ja pidevalt laiendanud oma mõõtmisvõimalusi. Nii pole tiigi piiri ette tulnud, konnatiik on laienenud üsna suureks järveks või mereks ja laieneb ehk edasi.

Kas peamine uurimisteema on fotosünteesi kiirust piiravad tegurid?

Tõepoolest, fotosünteesi mõistmine. Sattusin selle juurde üsna juhuslikult. Alustasin füüsikuna Juhan Rossi juures, hakkasime uurima taimkatte bioproduktsiooni ning minu esimeseks ülesandeks sai leida seos päikesekiirguse ja taimede fotosünteesi intensiivsuse vahel.Murdepunkt saabus ükskord Jõgeva sordiaretusjaama maisipõllul – oli Hruštšovi aeg ja maisi kasvatati väga hoolega. Olime mõõtnud fotosünteesi valgussõltuvust ja pidime minema lõunale. Tagasi tulles jätkasime. Kuid selgus, et leht oli vahepeal oma omadusi niipalju muutnud, et valgussõltuvus oli hoopis teistsugune kui enne lõunat. Nüüd hakkas füüsikutele koitma, et bioloogiline objekt ei ole konstantne, vaid pidevalt muutlik. Ei saa lootagi, et ükskord midagi ära mõõtes võid eeldada, et see asi on alati niisugune. Iga päev, iga tund tema omadused muutuvad.
Siit tekkiski võimalus laiendada uuringuid: miks taime fotosüntees muutub? mis tegurid seda määravad?

Uurisin taimefüsioloogia õppetooli kodulehelt (plantphys.ut.ee/estindex) kodulehelt teie teadustöö kirjeldust, kuid ei saanud suurt midagi aru.

See kirjeldus on seal vist hirmus vana. Ma ei ole ausalt öeldes eriti pannud rõhku neile lehekülgedele. See on muidugi viga, sest kui sind ei ole internetis, siis sind ei ole olemas. Kas te tahaksite lähemalt kuulda, mis me oleme teada saanud?

Küsiksin isegi üldisemalt. Tavalugeja teab lihtsalt, et fotosüntees on süsihappegaasi muutmine suhkruteks valguse jõul, ja ega ta rohkem eriti ei teagi. Kas teie teadust üldse on võimalik talle niiviisi selgitada, et ta sellest aru saab ja suudab sellega suhestuda?

Niisugust asja, mida ei ole võimalik selgitada, ei olegi olemas. Kui teadlane ei oska oma tegevust lahti mõtestada, siis ei saa ta sellest ise aru. Küsimus on ainult, millist informatsiooni hulka see jutt haarab ja millal võib lugeja ära väsida.Ega fotosüntees ole kaugeltki nii lihtne, nagu seda kooliraamatutes kirjeldatakse. Kui keegi võtab vaevaks vaadata valemit CO2 + H2O = CH2O + O2, siis märkab ta kohe kas või seda, et valemi vasaku ja parema poole valentsid ei ole tasakaalus. See näitab, et tegu on tugeva lihtsustusega, ja tegelikult on asi tunduvalt keerukam. Aga väga lihtsalt öeldes, tõepoolest käib asi nõnda, et süsihappegaasi taandatakse (redutseeritakse) ehk liidetakse sellele elektrone. Ja kui elektrone liidetakse, siis liituvad ka prootonid. Seega liidetakse sisuliselt vesinikuaatomeid. Sel viisil taandatakse süsihappegaas suhkruks. Kust need liidetavad elektronid tulevad? Veest. Teame, et elektronide äravõtmise protsessi nimetatakse tavaliselt oksüdeerimiseks, rahvakeeles põlemiseks. Nii et väga piltlikult öeldes tuleb fotosünteesis vett põletada. Ja nagu me teame, see aine ei taha sugugi põleda. Ometi saab taim sellega hakkama.
Ütlen küll, et võetakse elektronid ära ja kantakse üle. Aga sellekski on vaja üsna keerukaid elektronikandjaid, mis ulatavad elektrone üksteisele, ütleme, samamoodi kui inimesed ulatavad üksteisele ketis kas või ehitusel telliskive. Ja ega elektron ei taha otse süsihappegaasile minna. Süsihappegaas on hästi stabiilne aine. Et tema ilusat stabiilset struktuuri rikkuda ja sinna elektrone juurde torkida, selleks läheb vaja üsna keerukaid keemilisi reaktsioone.
Vast ei ole mõtet rohkem detailidesse minna, kuid vaadakem nüüd, kuidas hangib taim selle reaktsiooni lähteainet süsihappegaasi. Eks ikka õhust. Enamik inimesi praegu muretseb, et õhku koguneb süsihappegaasi liiga palju ja see on meile kahjulik, sest põhjustab kliima soojenemist. Ent keemilisest vaatepunktist on süsihappegaasi kontsentratsioon õhus väga-väga väike, tuhandeid kordi väiksem kui neil ainetel, mis osalevad rakkudes tavalistes biokeemilistes reaktsioonides. Pealegi ei oska taim süsihappegaasi õhust aktiivselt kokku koguda: ainus viis, kuidas see taimerakku jõuab, on difusioon, molekulide juhuslik soojusliikumine.
Et süsihappegaas sisse pääseks, peab taimeleht hoidma lahti oma õhulõhed. Ent elu on enamiku ajast kujunenud vees, n.-ö. märjas keskkonnas, seetõttu sisaldavad rakud väga palju vett. Kui anda süsihappegaasile võimalus rakku sisse difundeeruda, siis difundeerub sealt paratamatult kohe vesi välja ka. Seega taimed transpireerivad, lasevad veeauru välja selleks, et süsihappegaas pääseks sisse. Kusjuures iga süsihappegaasimolekuli eest tuleb piltlikult öeldes maksta umbes 200–400 veeaurumolekuliga. See ongi põhjus, miks taimed saavad kasvada ainult siis, kui on vett.
Nii et vee liikumise peaeesmärk taimes ei olegi kanda toitaineid mullast rakkudesse?
Oi ei, mitte ainult. Selleks läheb vett väga vähe vaja. Paljud taimed kasvavad ju täiesti vee all, kus neist vett välja ei auru. Ometi saavad nad juurte kaudu piisavalt mineraalaineid.
Mul tekib kohe küsimus, et hingates ju taimed eritavad ise süsihappegaasi. Kas poleks odavam seda taaskasutusse võtta, selle asemel et jääda lootma üksikutele õhus leiduvatele süsihappegaasimolekulidele.
Seda taimed teevadki. Päevasel ajal hingates eraldunud süsihappegaasist püütakse kuni kolmandik tagasi. Öine läheb paraku raisku, sest siis päike ei paista ja süsihappegaasi ei kasutata. Häda on aga selles, et hingamine on vähemalt kümme kuni kakskümmend korda aeglasem, nõrgem protsess kui fotosüntees. Hingamisel eralduv süsihappegaas on vaid väike osa sellest, mida vajab fotosüntees. Seega tuleb õhulõhed ikkagi lahti hoida ja süsihappegaasi juurde koguda. Nendesamade õhulõhede kaudu aga läheb ka suur osa hingamisel eraldunud süsihappegaasi kaotsi. Kui süsihappegaas väljub mitokondrist – organellist, kus toimub hingamine –, siis on juhuse tahe, kas see difundeerub kloroplasti fotosünteesi lähteaineks, või kaob välisõhku.
Niisiis üldistatult võiks öelda, et taimede kasvu piirab see, kui palju neil õnnestub hankida süsihappegaasi?
See on üks väga oluline kasvu piiraja, eriti veepuuduse, näiteks põua puhul. Aga see pole ainuke. Kasvuks on vaja ka teisi aineid peale süsihappegaasi; näiteks lämmastikku, millest saaks teha valkusid. Nagu iga elusorganism sisaldab ka taim väga tähtsa komponendina valkainet. Süsihappegaasi lisades võib fotosüntees kiireneda küll ja kiiremini võivad kasvada näiteks puutüved, mis valku peaaegu üldse ei sisalda. Aga n.-ö. roheline mass ei saa minna suuremaks, juhul kui lämmastiku hulk on piiratud. Nii et paraku ei saa loota, et süsihappegaasi hulga kasvades taimkate aktiveerub ja maakera kattub rohelusega.
Teie teadustöö olulise rakendusliku väljundina on siiski märgitud, et see võib aidata tekitada kiiremini kasvavaid taimi. Kas selle koha pealt paistab valgust?
Kui alustasin, 1961. aastal, siis tõepoolest õitses see teaduse osa, mis püüdis taimkatte produktiivsust suurendada. Aga mida rohkem ma fotosünteesist olen aru saanud, seda rohkem jääb vaid imestada, kui otstarbekalt loodus selle süsteemi on kokku pannud nendest n.-ö. ehituskividest, neist molekulidest, mis tal käepärast on. Sellest ideest, et taimede fotosünteesi kas või natukenegi kiirendada, ei ole muidugi loobutud. Eks natuke on suudetud kah, kas või selektsiooni teel.
Aga peamiselt valitseb fotosünteesi rakendustele pürgides maailmas praegu kolm suunda. Kõigile neile on iseloomulik see, et püütakse kasutusse võtta neid fotosünteesi omadusi, mille poolest ta on unikaalne fotoelementide ja teiste tehniliste vahendite ees. Üliõpilased küsivad mu käest ikka, et kas tehislik fotosüntees võib olla võimalik. Vastan, et see on imelihtne. Võtke päikesepaneel ja pistke traadiotsad vette. Vee molekulid hakkavad elektri mõjul lagunema, toimub vee elektrolüüs. Ühe traadi juures hakkab eralduma hapnik ja teise juures vesinik, Sisuliselt on see sama mis fotosüntees – ainult, et fotosünteesis püütakse see vesinik kinni ja pannakse süsihappegaasi külge.
Nüüd teaduses ongi üks suund selline, et püütakse fotosünteesist see vesinik puhtal kujul kätte saada. Fotosünteesi häda on ju see, et lõppsaaduseks on tahke aine, peamiselt tselluloos, mis küll põleb, aga mida ei saa automootorisse panna, kütusepaaki kallata jne. Palju parem oleks, kui saaks tekkinud vesiniku taimest enne kätte kui see süsihappegaasiga suhkruks kokku seotakse. Ma ei kujuta küll ette, kuidas seda vesinikku põldudelt kokku koguma hakatakse, aga ometi nende uuringute eest makstakse ja teadlased töötavad. Veidi on tõepoolest juba ka õnnestunud vetikatelt seda vesinikku kätte saada, mitte aga lehttaimedelt.
Teine suund on valmistada põlevaid vedelikke fotosünteesi lõppsaadusest tselluloosist. Siingi ei ole jõutud eriti kaugemale kui see päris vana moodus: piirituseks kääritamine. Vahe on ehk selles, et praegu osatakse kääritada juba peaaegu et tselluloosi ennast, mitte ainult suhkrut. Aga tselluloosi otse vedelikuks teha veel ei osata.
Kolmas suund on seotud vee lagundamise endaga. See on üks imeline protsess: sisuliselt küll seesama, kui pistame päikesepaneeli traadiotsad vette, kuid töötab tunduvalt suurema kasuteguriga. Sest päikesepaneeli traatide juures ei ole katalüsaatoreid ning alguses tekivad hapniku üksikmolekulid, mis on väga suure energiaga seisund. Aga fotosünteesi imeline masinavärk vabastab kahest vee (H2O) molekulist otsekohe O2. Pealegi töötab see osa fotosünteesist (nn. fotosüsteem II) imekiiresti, umbes kakskümmend korda kiiremini, kui see osa, mis püüab süsihappegaasi ja teeb sellest suhkrut (nn. fotosüsteem I).
Fotosüsteemi I puhul on veel see häda, et see toimib üsna tõhusalt mõõdukas valguses, aga tugeva päikese käes n.-ö. küllastub: suurem osa valgust läheb siis lihtsalt raisku, taim ei suuda seda ära kasutada, sest süsihappegaasi ei jätku. Seevastu fotosüsteem II töötab täiesti proportsionaalselt päikesevalguse hulgaga: annate kaks korda valgust juurde, tuleb kaks korda rohkem hapnikku ja vesinikku. Annate kümme korda rohkem valgust, tuleb saadusi kümme korda rohkem.
Kui vaid õnnestuks see fotosüsteem II taimest elusalt isoleerida või siis kunstlikult ehitada ja tööle panna ning tekkiv vesinik ka kokku koguda, vaat see oleks juba saavutus!
Aga üldiselt on kogu probleem ikkagi selles, et need süsteemid on kõik valgulised ja keerukad ja toimivad üksnes elavas organismis, tehislikult neid keegi veel praegu luua ei suuda.
Nii et fotosünteesi ei ole veel lõpuni mõistetud ja paberile või skeemidesse joonistatud?
Maailmas ei ole miskit lõpuni mõistetud. Elusainet ei saagi lõpuni skeemidesse joonistada, sest siis me peaksime tagatipuks ka omaenese aju skeemidesse joonistama, aga sellest tekib ringprotsess. Iseenese tunnetamine ei ole põhimõtteliselt võimalik. Sest mida sügavamalt sa ennast tunnetad, seda keerukamaks sa ise paratamatult muutud – nii jäädki tsüklisse. Põhimõtteliselt ei saa elusorganism iseennast lõpuni tunnetada.
Looduslikku olukorda on raske mõista seetõttu, et kõik varieerub pidevalt. Kui keskkond püsiks aina samasugune, siis võiksime sordiaretuse või mingi molekulaarbioloogilise võttega fotosünteesi optimeerida. Aga looduslike alatasa muutuvate keskkonnaolude tarbeks on looduslik valik tegelikult juba üsna optimaalse lahenduse välja kujundanud – inimene oma arvutustega talle niipea järele ei jõua.
Fotosüntees peab ilmselt olema äärmiselt unikaalne ja keeruline protsess, sest see on looduses tekkinud arvatavasti ainult üks kord ja siis endosümbioosiga eri rühmadesse laiali kandunud. Ning näiteks loomariiki ei ole see siiamaani vist jõudnud.
Ma ei rõhutaks tema bioloogilist ainulaadsust. Keerukaid bioloogilisi protsesse on palju ja mitmesuguseid. Üks asi on tõesti ainulaadne, võrreldes kõigi muude ainevahetusprotsessidega: fotosünteesi kiirus, tema intensiivsus. Lühikese ajaga toimuvad suhteliselt väikeses organismi osas energeetiliselt väga suure kiirusega protsessid.
Kas fotosüntees võiks olla maailma energiaprobleemi lahendus?
Senini igatahes on olnud. Kõik, mida me põletame, on kunagi fotosünteesi teel tekkinud. Samuti muld, millel taimed kasvavad. Tõsi, tuumaenergia ei ole, samuti hüdro- ja tuuleenergia, mis küll on oma olemuselt samuti päikeseenergia vormid: päike tõstab õhu või vee üles, see kukub alla tagasi.
Aga kas me saame käima panna nii kiire ja ulatusliku fotosünteesi, et see kataks inimkonna praeguse väga kiire elutegevuse energiakulu? Ei oska öelda, ei ole arvutanud. Võib-olla isegi kataks, kuid takistuseks võib saada magevee puudus. Erinevalt tehislikest päikesepaneelidest nõuab fotosüntees vett ja paljud maakera piirkonnad on seetõttu sobimatud. Eelis tehisvahendite ees on jällegi see, et fotosünteesi tegijaid pole vaja tehases toota, need paljundavad ennast ise.
Teadustöö kõrval tegutsete ka õppejõuna ning olete tuntud kriitilise eksamineerijana. Enamik inimesi püüab füüsikast ja matemaatikast oma elus üldse mööda hiilida, või kui see ei õnnestu, siis kiruvad, et hirmus keeruline on. Bioloogiaüliõpilastele näib füüsika olevat üks raskemaid aineid. Kuidas seda seletada?
Minu meelest on füüsika mõistmises ja õpetamises toimunud tohutu taandareng nii Eestimaal kui ka maailmas üldse, midagi on väga mäda. Probleem algab sellest, et füüsikud peavad ennast keerulisteks matemaatikateadlasteks. Füüsika ei ole matemaatika. Füüsika on loodusteadus. Nii nagu bioloogia. Kui keegi ütleb, et füüsika on matemaatiline teadus, et füüsika on valemite teadus, siis see on jama. Valem on viimane asi, mida füüsikas vaja on. Seda on vaja, aga see on viimane asi, mida on vaja.
Füüsikat on vaja mõista nii nagu igat teist loodusteadust. Kui mõni füüsikanähtus on sedavõrd lihtne, rõhutan, sedavõrd lihtne ja täiuslikult uuritud, et seda saab matemaatiliste valemitega kirjeldada, siis see on tõesti üks mugav võimalus. Aga valem pole ainuke füüsika kirjaviis. Sõnad on alati olemas. Ainult et sõnad on pikemad. Ja sõnadega ei saa edasi anda kvantitatiivset ehk arvulist seost. Ent arvuline seos ei ole alati kõige tähtsam. Kõige tähtsam on sisuline seos. Sisulist seost saab alati sõnadega edasi anda.
Tahan, et üliõpilased mõistaksid füüsikas sisulisi seoseid: mis, miks ja millega seotud on ja kuidas. Näiteks Ohmi seadus, mis väljendub valemina I = U/R. Miks see ikkagi nõnda on? Lihtne: mida suurem rõhk mingit voolavat ainet tagant surub, seda kiiremini see voolab. Ja mida suurem takistus ette jääb, seda aeglasemalt see voolab. See pole nõnda ainult elektri puhul, mustmiljon asja maailmas on samasuguses seoses, seesama valem kirjutatakse lihtsalt teiste tähtedega.
See, kes arvab, et füüsika on valemite puru, ei saa füüsikast üleüldse aru. Füüsikat tuleb mõista, mitte pähe õppida. Aga vähe on häid õpetajaid, see on üks kõige suurem õnnetus.
Näiteks bioloogia on tuhat korda keerulisem kui füüsika. Tegelikult sageli taandub probleem sellele, et püütakse õpetada liiga keerulisi asju, teaduse viimaseid saavutusi, unustades aga ära, et õpilased ei ole lihtsatest asjadest veel aru saanud. Tähtis on, et üliõpilane või õpilane saaks kõigepealt aru lihtsast asjast, et see oleks tal peas ja meeles nagu jalgrattasõit või ujumisoskus. Siis saab selle peale midagi uut ja keerukamat ehitada. Ilma selleta on kogu õpetus ehitatud kui loss liivale.
FOTO:
Rahvusvahelise tunnustuse pälvinud riistapuu. Selle ainulaadsus seisneb võimaluses mõõta korraga väga palju fotosünteesi parameetreid intaktses ehk terves taimelehes, samuti automatiseerituse tasemes. Mõõtekamber asub vasakpoolse taimelehe juurde suunduva jämeda valguskaabli otsas. Kambrisse siseneva ja sealt väljuva gaasi ja valguse koostist suudab masin ülitäpselt reguleerida ning mõõta. Katsealune on päevalilletaim.
CV
Kuna korteris elasid gümnasistid, sattus kolmandas klassis õppiva Agu Laisa (sünd. 1938) kätte juhuslikult keskkooli füüsikaõpik. See oli väga põnev. Koos vanaisaga ehitas ta selle järgi oma esimese masina: elektrimasina, kus kettad pöörlesid ning lendas sädemeid. Keskkoolis meisterdas ta juba magnetofoni, treides sellele ise võllid ja rattadki.
Lõpetanud 1961. aastal Tartu ülikooli füüsikuna, asus ta Juhan Rossi töörühmas Eesti TA füüsika ja astronoomia instituudis uurima päikesekiirguse mõju fotosünteesile. 1965. aastal kaitses ta Tartu ülikoolis kandidaaditöö ning 1975. aastal Moskvas NSVL TA taimefüsioloogia instituudi juures doktoriväitekirja. 1994. aastal valiti ta Eesti teaduste akadeemia liikmeks. 1992–2002 tegutses Tartu ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudi professori ning taimefüsioloogia õppetooli juhatajana, pärast seda Eesti teaduste akadeemia uurijana-professorina sama õppetooli juures.
Agu Laisk on avaldanud üle saja teadusartikli ning kolm monograafiat, osaleb kahe fotosünteesiteemalise teadusajakirja toimetamises. Laisa töörühma eripära maailmas on asjaolu, et fotosünteesi omadusi uuritakse intaktses (terves) taimelehes, mõõtes selle gaasivahetust ja optilisi omadusi (lehe värvuse väga väikeste muutuste järgi hinnatakse elektronide asukohta ja liikumist fotosünteesi reaktsioonides). Selleks kasutatavat aparatuuri täiustab töörühm pidevalt, tänavu augustis pälviti selle eest rahvusvahelise fotosünteesiuurijate ühingu innovatsioonipreemia (kuula selle kohta nt. vikerraadio.err.ee/helid?main_id=19510). Äsja, 11.–14. oktoobril võõrustas Laisk Tartu ülikoolis 10. Põhjamaade fotosünteesiuurijate kongressi (npc10.ebc.ee).
Loe veel: Raid, Juku-Kalle; Maidla, Margus 2007. Akadeemik Agu Laisk – mees bioloogia, saksofoni ja võrkpalliga. – Akadeemiline Keskus 10 (www.kes-kus.ee).



Biofüüsik Agu Laisaga vestelnud Juhan Javoiš
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012

Loe Uudistajat
E-posti aadress:
Liitun:Lahkun: 
Serverit teenindab EENet