LUND UNIVERSITY

PO Box 117221 00 Lund+46 46-222 00 00

Växterna bygger livets rum

Björn, Lars Olof

Published in:Ett växande vetande : Vetenskapsrådets temabok 2002.

Published: 2002-01-01

Link to publication

Citation for published version (APA):Björn, L. O. (2002). Växterna bygger livets rum. In Ett växande vetande : Vetenskapsrådets temabok 2002.Vetenskapsrådet.

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authorsand/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by thelegal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of privatestudy or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portalTake down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will removeaccess to the work immediately and investigate your claim.

Download date: 21. Sep. 2018

Växterna bygger livets rum 139

En av svårigheterna med att förstå evolutionens gångär att den i början inte bara var som ett träd, med fi-nare och finare förgreningar. Nej, som man kommitunderfund med de senaste åren, liknade utveck-lingen också ett nät med överföring av arvsanlagmellan organismer som sitter långt ifrån varandra påträdet – till och med på olika huvudgrenar.

Växternabyggerlivets rum

Lars Olof Björn

Vi tror att allt levande härstammar från

en enda cell. Hur den var beskaffad vet

vi inte så mycket om, men vi tror att

evolutionen mycket tidigt ledde in på

tre parallella spår. Vetenskapligt talar

man om tre domäner: Bacteria, Archaea

och Eukarya (bakterier, arkebakterier och

Eukarya). Dessa skulle vara ursprunget

till det mesta av våra egna celler.

Kanske uppstod det första livet inuti jorden ochdrevs av reaktioner mellan de olika beståndsdelarsom jorden byggdes upp av, till exempel vätgas,metan och metalloxider. Livet fanns i alla fall redanför drygt , miljarder år sedan. Då var jordklotetännu inte färdigbyggt och det regnade fortfarandeen hel del stenar och is från rymden.

Foto

: Pia

Sc h

mid

tbau

er.

Växterna bygger livets rum140

Illu

stra

tio

n: P

er N

ilsso

n.

Jag ligger under trädet, mitt på dagen.Mot marken har jag ryggen, och mot himlen magen.

Det är så stilla – grönskan är ju stum,men i det tysta, i det lilla, äger det ett under rum.

Bladet fångar luftens molekyl och solens ljusså att energin blir, liksom kolatomen, bunden,

och lägger därmed grundenför andras liv i sus och dus.

(Dikt av artikelförfattaren)

Växterna bygger livets rum 141

Bakterier har givit växter fotosyntesen

Fotosyntes är den process genom vilken växter ochfototrofa bakterier omvandlar ljus till kemiskt bun-den energi. Fotosyntesprocessen kom tidigt igång,men troligen först efter att livet hade delat upp sigmellan de tre domänerna. Den slutsatsen kan vi draeftersom fotosyntesen endast förekommer på bakte-rielinjen bland nu levande varelser! Det kanske låteregendomligt; den här boken handlar ju om växteroch växter behärskar ju fotosyntes. Förklaringen äratt det är bakterierna som har givit växterna derasförmåga att utföra fotosyntesen. Det är en åsikt somsåg dagens ljus redan i slutet på -talet, men somkunnat bevisas först med molekylärbiologiska me-toder.

Fotosyntes ägde säkert rum på jorden för nästantre miljarder år sedan inom bakteriedomänen. Menäven varelser inom domänen Archaea och den an-tagligen därur härstammande domänen Eukarya,som så småningom gav upphov till bland annat väx-terna, lärde sig att utnyttja ljus både som infor-mationsmedium och för att samla energi. Än i dagfinns det archea som använder ljus för att pumpa jo-ner. Halobacterium halobium, en archaeon, kan tilloch med leva i mättad koksaltlösning tack vare sinförmåga att pumpa ut överskottet av salt ur cellernamed hjälp av ljusenergi. Men det vore fel att kalladetta för fotosyntes.

Fotosyntesens många facetter

Hos nutida varelser finns olika typer av fotosyntes.De olika processerna är spridda över de flesta avbakteriedomänens utvecklingslinjer. Trots detta upp-visar samtliga fotosyntesvarianter så stora likheter attvi måste tro att de har ett gemensamt ursprung.Antagligen har de flesta av dagens bakterier anfädersom har bedrivit fotosyntes.

Redan i slutet av -talet upptäcktes växternassyrgasutveckling av Joseph Priestley. Så småningom

fick man klart för sig att det rörde sig om ettinfångande av solenergi. De flesta bakterier utveck-lar emellertid inte syrgas vid sin fotosyntes, så somväxter gör. Den ursprungliga fotosyntesen skeddeantagligen utan syre. Ett tungt vägande skäl fördenna teori är att syreutveckling innebär en oxida-tion av vatten, vilket är något mycket komplicerat.Oxidationen kräver att två olika seriekopplade såkallade fotokemiska processer samverkar, och attenergiinnehållet i ett tiotal ljuspartiklar samordnas.Andra typer av fotosyntes är däremot enklare förorganismerna att utföra.

Varför existerar då den mer komplicerade syre-utvecklande fotosyntesen över huvud taget? För-delen är inte bildningen av syre som sådan. Det ärsnarare så att organismer som kan utveckla syreockså kan använda det allmänt förekommande vatt-net för att omvandla koldioxid ur atmosfären tillorganiska ämnen. Det är just dessa ämnen som byg-ger upp allt liv på jorden. Genom att oxidera vattentill syrgas blir det möjligt för växterna att reducerakoldioxid till levande substans. Alternativ till vatten,exempelvis svavelväte, blev det med tiden alltmeront om. Det berodde till viss del på att det fri-släppta syret från fotosyntesen lätt förbrukade dessaämnen.

Den grupp som lyckades med att utveckla densyrebildande fotosyntesen var cyanobakterierna (blå-grönalgerna). Forskarna har funnit mer än två mil-jarder år gamla fossil som liknar nutida cyanobak-terier (bild ).

Redan i fossilen syns cyanobakteriernas två olikaslags celler. Hos nutida cyanobakterier utför den enacelltypen en fotosyntes som binder koldioxid ochutvecklar syre. Den andra celltypen kallas förheterocyster och utför en typ av fotosyntes som bin-der kväve, en annan av atmosfärens gaser. Den foto-syntesen utvecklar inget syre. Forskarna har ocksåfunnit kemiska spår efter cyanobakterier som troli-gen levde för , eller , miljarder år sedan. Spårenbestår av särskilda fettämnen som är typiska för

Växterna bygger livets rum142

cyanobakterier. Dessa fossil gör det troligt att syrgas-bildande fotosyntes hade uppkommit redan då.

Fotosyntesen är biosfärens motor

Cyanobakteriernas bägge typer av fotosyntes, assi-milation (levandegörande) av koldioxid och kväve,är viktiga för jordens övriga livsformer. Det cell-maskineri som med hjälp av solenergi binder kol-dioxid, och omvandlar kolet till de organiska ämnensom bygger upp allt liv, kan med rätta kallas helabiosfärens (de levande organismernas livsrums) mo-tor. Nästan alla varelser som inte själva kan utförafotosyntes är beroende av denna process. Det gäller

till och med de bakterier som finns vid de heta käl-lorna på havets botten, och som sägs livnära sig pådet svavelväte som kommer upp ur jordens inre. Debehöver nämligen syre för att kunna utnyttja svavel-vätet. Det syret kommer från den fotosyntes somäger rum i ljuset kilometervis högre upp och trans-porterats ned genom vattnet. I själva verket är detinte svavelvätet som står för energin, utan kombina-tionen svavelväte och syre.

Fotosyntesen samlar upp ljusenergi och omvand-lar energin så att den kommer till nytta i biosfären– ungefär som en motor omvandlar energin i bräns-let till rörelseenergi som driver ett fordon eller enfabrik.

Bild 1. Anabaena vigueri. Många nutida cyanobakterier har en påfallande likhet

med sådana som levde för hundratals miljoner år sedan.

Foto

: Gertru

d C

ron

berg

, limn

olo

giska avd

elnin

gen

, Lun

ds u

niversitet.

Växterna bygger livets rum 143

Cyanobakteriernas fotosyntesutrotade många livsformer

För något mer än två miljarder år sedan kom jor-dens liv in i ett nytt skede. Syrgasutvecklande foto-syntes hade slagit igenom för länge sedan, men dethade inte kommit ut mycket syre i atmosfären. Detberodde på att syret till en början hittade så mångaandra ämnen att reagera med på jorden, särskilt sva-vel och järn. Sådana reaktioner begränsade längemängden syrgas i luften, även om det lokalt kundefinnas syrgasrika miljöer. Men för ungefär , mil-jarder år sedan var huvuddelen av jordens syreupp-tagande ämnen förbrukade, och syrgashalten stegmycket snabbt.

Vi tänker oss att den snabba ökningen av syre,avfallsprodukten från cyanobakteriernas fotosyntes,ledde till en oerhörd miljökatastrof som utrotademånga livsformer som inte hade anpassat sig till sy-ret. Ett skäl till att syre kan vara farligt (också för ossmänniskor) är att det under olika livsprocesser bil-das så kallade radikaler. Detta är molekyler som imotsats till de flesta molekyler innehåller oparadeelektroner, och syre reagerar lätt med sådana ämneneftersom det självt har oparade elektroner.

De varelser som inte dog blev undanträngda tillsmå områden med ovanliga förhållanden. Mendenna förändring gav också nya möjligheter för vissaorganismer. Redan långt före miljöomvälvningenfanns troligen organismer som kunde utnyttja denbefintliga, lilla syremängden för en sorts celland-ning; för att skaffa livsenergi utan fotosyntes. Kan-ske fanns denna förmåga redan hos den sista gemen-samma cellen – före uppdelningen på de tre do-mänerna. Men först nu, för , miljarder år sedan,blev denna cellandningsförmåga riktigt spridd.

Den gröna treenigheten

När mängden syre började stiga, hade organismerfrån de tre domänerna levt tillsammans i över en

miljard år. Naturligtvis hade de påverkat varandrapå många olika sätt. Flera av dem hade säkert redaningått partnerskap, symbios.

När tillgången på syrgas ökade, visade sig vissasamarbeten mellan Bacteria och Eukarya så fram-gångsrika att de flesta organismer inom Eukarya,som inte hade minst en samarbetspartner inomBacteria, blev utkonkurrerade och dog. Kanske dogalla ensamma Eukaryavarelser ut vid denna tid. Detberodde dels på att bakterierna var bättre änEukarya på att utnyttja syre för cellandning, dels påatt vissa, cyanobakterierna, kunde utföra den syre-utvecklande fotosyntesen.

De framgångsrika samarbetena innebar attEukaryacellerna svalde eller tog upp bakterier avolika slag som de kunde ha nytta av, utan att dödadem. Alternativt var det bakterierna som infekteradeoch invaderade Eukaryacellerna.

De nya cellerna med cellandning blev så med ti-den till svampar, maneter, daggmaskar, trollsländoroch människor. De upptagna bakterierna blev till såkallade mitokondrier, som än i dag sköter vår cell-andning. Andra celler tog upp både bakterier medcellandning och cyanobakterier, och dessa utveckla-des till grönalger. Så småningom utvecklades en delav grönalgerna till växter. De upptagna cyano-bakterierna utvecklades till så kallade kloroplaster,som fortfarande sköter om fotosyntesen hos algeroch växter.

Även i växter och delar av växter som inte ärgröna finns före detta cyanobakterier. De ger tillexempel moroten dess färg och potatisen dessstärkelseinnehåll.

Tecken på symbioshistoria

Hos en del alger uppstod samarbete mellan ännufler organismer, och det finns än i dag alger som ärsammansatta av flera olika organismer. Hos grön-alger och växter avgränsas kloroplasterna av tvåmembraner. Det inre av dessa anses motsvara den

Växterna bygger livets rum144

med otrevligheter som syfilis och den fästingburnasjukdomen borrelios.

De en gång självständiga organismer som bildatväxternas mitokondrier och kloroplaster har behål-lit en del av sina arvsanlag (gener), men många an-lag har försvunnit. Det beror på att anlagen intelängre behövs, eftersom en del livsfunktioner skötsav ”värden”. Andra gener har vandrat över till värd-cellens cellkärna. Orsaken är att mitokondrier ochkloroplaster genom sin något äventyrliga hanteringav syre och radikaler utgör en ohälsosam miljö förDNA (arvsmassa). Organismer som flyttat övergenerna har därför fått ett övertag. Växterna har,förutom fotosyntesen, ärvt ytterligare något fråncyanobakterierna: förmågan att bygga cellväggar avcellulosa. En sådan förmåga finns visserligen också

invaderande cyanobakteriens yttermembran, medandet yttre anses ha uppstått genom inbuktning avvärdcellens yttermembran. Hos pansaralger finns tremembraner runt kloroplasterna, och hos flera andraalggrupper finns fyra. Det tyder på en mer inveck-lad symbioshistoria, som vi ännu inte helt lyckatsklarlägga.

Möjligen består också vi människor av fler än tvåslags varelser. Enligt en teori av den amerikanskabiologen Lynn Margulis har våra ursprungligaEukaryaceller, förutom de bakterier som omvandlatstill mitokondrier, också tagit upp en annan sortsbakterier, så kallade spiroketer. Dessa tros i sin turha givit upphov till den del av cellskelettet som kal-las mikrotubuli – men också till exempelvis ”svan-sarna” på spermier. Spiroketerna förknippas annars

Bild 2. Några steg i landväxternas evolution. Längst t.v. finns encelliga grönalger.

Nästa steg är kolonibildande alger, såsom rullklotet (Volvox), där cellerna hänger

ihop men i övrigt är enskilda organismer. De första växterna som växer upp över

vattenytan är i många avseenden fortfarande alglika och beroende av lättillgängligt vatten. Först med

Asteroxylon (längst t.h.) borrar sig de första verkliga rötterna långt ned i marken i sökandet efter vatten

och näring. Psilotum (infälld) är en nu levande ormbunke som till det yttre liknar de första landväxterna.

Illu

stra

tio

n:

An

ette

Hed

ber

g.

Växterna bygger livets rum 145

Foto: © Elsevier Renske Landeweert et al. Källa: Trends in Ecology & Evolution, 2001, 16.

Bild 3. Ett jordprov med en fältspatkristall, i vilken kanaler

etsats av svamphyfer i deras jakt på mineralnäring.

Färgerna i bilden beror på att ett polarisationsmikroskop

använts vid avbildningen för att göra detaljerna tydligare.

Växterna bygger livets rum146

hos några speciella svampar, men växterna fick för-modligen sitt system då cyanobakterierna inlemma-des i växtcellerna. Men växterna har också förloraten av cyanobakteriernas färdigheter – förmågan attbinda molekylärt kväve.

Växterna förbereder för djuren

Nästan nio tiondelar av livets historia har utspelatsunder vatten. Men ändå spelade det en stor roll förvår planets och för biosfärens utveckling att växternatill slut kunde erövra fastlandet. Det gäller även omvi försöker bortse från vårt eget människoperspektiv.

Det är sannolikt att lavar hörde till de första or-ganismer som uppträdde på land. Ännu i dag klararde sig i de mest osannolika miljöer, som i Antarktistorra dalar där det sällan snöar och aldrig regnar.Där finns de inuti stenarna, skyddade från denogästvänliga miljön utanför.

De första riktiga landväxterna uppträdde för un-gefär miljoner år sedan (bild ), men de var fort-farande inskränkta till fuktiga ställen och höll signära marken. För ungefär miljoner år sedan,under silurperioden, började de söka sig uppåt him-len. Men de saknade fortfarande rötter, och hadeännu inte riktigt kommit på hur man ska fortplantasig utan en vattenrik miljö. För miljoner år se-dan började de sända ned rötter i marken, och där-efter gick utvecklingen snabbt. De kom också attpåverka andra organismers utveckling.

Fosfor ofta bristvara

I det globala perspektivet har det ofta varit under-skott framför allt på grundämnet fosfor. Detta kanha bidragit till att det tog så lång tid att fylla på luf-ten med syrgas, eftersom bristen hindrade tillväxtenav fotosyntetiserande organismer. Utvecklingen avlandväxter har i någon mån ändrat på detta förhål-lande. Med sina rötter har landväxterna förmått attgöra mer fosfat tillgängligt för biosfären. Det har

inte bara gynnat växterna själva, utan har också va-rit en förutsättning för vår egen gren på livets träd– de landlevande ryggradsdjuren. Vi behöver näm-ligen stora mängder fosfat för att bygga upp våraskelett.

Högre utvecklade växter får berggrunden att vitt-ra tio gånger snabbare än lavar och mossor förmår.Just fosfat frigörs huvudsakligen genom vittring avmineralet apatit, en sorts kalciumfosfat. När väx-terna känner att de får för lite fosfor reagerar de ge-nom att satsa mer energi på rötter än på att skjutanya skott. De utsöndrar också större mängder orga-niska syror, till exempel oxalsyra, som bidrar till attlösa upp kalciumfosfatet.

Men inte nog med detta. Växterna tar ocksåhjälp av så kallade mykorrhizasvampar, som har va-rit med och hjälpt växterna att erövra fast land re-dan från början. Svamparnas fina trådar, de så kal-lade hyferna, kan tränga in nästan överallt ochhjälpa till att vittra sönder berget. När växterna kän-ner att de behöver mer fosfor, utsöndrar de särskildasockerarter som gör att de speciella svamparna ut-vecklas och hjälper till med upplösningen av stenen(bild ).

Landväxternas uppkomst innebar en stor ökningav fotosyntesen, som i sin tur medförde att atmo-sfärens syrehalt steg till nuvarande nivå. Under vissaperioder av jordens utveckling har atmosfären för-modligen innehållit ännu mera syre. För närvarandeär havets och landytans fotosyntes ungefär lika stora.Uppkomsten av landvegetation har stimulerat ävenhavets fotosyntes genom att frigöra fosfat och stimu-lera algernas tillväxt.

Får inte bli för mycket

Vegetationen hindrar syrehalten från att bli myckethögre, vilket vi ska vara tacksamma för. Ju högre sy-rehalt, desto lättare tar vegetationen eld och för-brukar syre. Skogs- och gräsbränder är en naturligföreteelse – de tidigaste bränder som forskarna har

Växterna bygger livets rum 147

kunnat belägga ägde rum redan under devontidenför ungefär miljoner år sedan.

Det finns också en annan mekanism som gör attväxternas syreproduktion inte kan få atmosfärenssyrehalt att stiga långt över den nuvarande. Orsakenär de egendomliga egenskaperna hos det ämne som

binder koldioxid för att omvandla den till organiskaföreningar. Ämnet är ett så kallat enzym som heterrubisco. Rubisco binder också syre och ger upphovtill något som kallas för fotorespiration.

Fotorespirationen verkar i motsatt riktning motfotosyntesen, och respirationens hastighet ökar medsyrehalten. Det innebär att ju mer syre det finns iatmosfären, desto snabbare binder växterna syre.Denna bindning hjälper till att hålla syrehalten påen lagom nivå. Syre i alltför hög koncentration ärgiftigt för växter, liksom för människor.

Livets rum

Växterna har alltså gett oss luften vi andas. De harockså gett oss jorden vi går på – golvet i livets rum.De har hållit ned koldioxidhalten i atmosfären ochförhindrat en alltför stark växthuseffekt. Därmedhar de reglerat temperaturen på jorden.

Människosläktet utvecklades först i skogen, blandde andra högre aporna. Sedan tog vi oss ut på denafrikanska savannen. Från tidernas gryning har vivarit omgivna av växter, och till och med den mo-derna människan vill omge sig med trädgårdar,krukväxter och växter i vaser. Växterna ger oss väg-garna i livets rum.

Växterna har också gett oss taket – det som skyd-dar oss från den farliga ultravioletta strålningen frånsolen. Den syrgas som växterna har tillfört atmosfä-ren ombildas högre upp i den så kallade stratosfärendelvis till ozon. Ozon har tre syreatomer i moleky-len i stället för två, som molekylen syrgas har. Ozonär det enda ämne av betydelse i atmosfären som harförmågan att absorbera den ultraviolett-B-strålningsom på kort tid skulle döda oss om den med oför-minskad styrka nådde ned till jordytan.

Väggar, tak, golv och luft – det är inte lite vi harväxterna att tacka för! Låt oss hoppas att framtidagenerationer, trots vår generations misstag, ska fåtillfälle att vårda och bevara det livsrum som väx-terna givit oss.

Bild 4. Även den moderna människan vill omge sig

med trädgårdar och växter.Fo

to: A

ce/Meg

apix.

Växterna bygger livets rum148

Lars Olof Björn är professor emeritus

i botanik vid Lunds universitet.

Lästips från författaren

Björn, L.O., Gehrke, C. och Johanson, U.: Växterklarar solbränna olika bra. Forskning och Framsteg,,, sid. ‒.

Gold, Thomas: The Deep Hot Biosphere.Copernicus Books, .

Hayes, John M.: A lowdown on oxygen.Nature, , , sid. -.

Margulis, Lynn och Dolan, Michael F.:Early Life. . ed. Jones & Bartlett, .

Landeweert, R., Hoffland, E., Finlay, R.D.,Kuypere, T. W. och van Breemen, N.: Linkingplants to rocks: ectomycorrhizal fungi mobilizenutrients from minerals. Trends in Ecology &Evolution, , , sid. ‒.

Lenton, T.M.: The role of land plants, phosphorusweathering and fire in the rise and regulation ofatmospheric oxygen. Global Change Biology, , ,

sid. ‒.

Rozema, J., van Geel, Björn, L.O. och Madronich,S.: Toward solving the UV puzzle. Science, ,

, sid. ‒.

http://www.uni-muenster.de/GeoPalaeontologie/Palaeo/Palbot/ewald.html

http://www.nrm.se/psv/fyra.pdf

http://www-vaxten.slu.se/vaxten/fotosyntes/fotosynt.htm

http://www.life.uiuc.edu/govindjee/PSed_index.htm