Over fotosynthese - Wolter Bos (maart 2017)

... waar komt al die materie vandaan?

1. Waarnemen van twee bladeren.

A)Vormverschillen benoemen  

B) Het blad als een beweging opvatten.

C) indrukken, belevingen verwoorden.

2. Fotosynthese.

In de meest verschillend gevormde planten tref je steeds weer dezelfde stoffen aan: glucose, zetmeel, cellulose, hout. En het proces waaruit deze stoffen voortkomen is door het hele plantenrijk heen hetzelfde, nl. de fotosynthese. Het is een onopvallend, "stil" proces.  Je kunt bij een meidoornstruik staan, overal botten ze nu uit, en je realiseren: het is volop gaande, dit meest fundamentele levensproces, en ik merk er niets van. Fotosynthese blijft voor onszelf en voor de leerlingen heel gemakkelijk iets abstracts. Om er dichter bij te komen moeten we toch uitgaan van stoffen die al uit het proces gevallen zijn. Zetmeel is zo’n stof die even niet meedoet, maar wel weer snel in het leven kan worden opgenomen. Dat laatste is niet meer mogelijk bij de stoffen die echt de dragers van de plantenvormen zijn, cellulose en hout.

3. Waar haalt een plant zijn bouwstoffen vandaan?

Je kunt in een 11e klas een aardig onderwijskundig experimentje doen. Schets voor de leerlingen wat een enorme houtmassa’s een boom van een jaar of honderd te dragen heeft. Als je in de winter bij een boomstam staat en omhoog kijkt, sta je versteld. Een boom met een stamomvang van een meter weegt 6500 kg. Waar komt al die materie vandaan? Laat de leerlingen deze vraag schriftelijk en individueel beantwoorden. – Een heel aantal leerlingen, die allemaal in klas 8 en 9 over de fotosynthese hebben geleerd, zullen opschrijven: dat komt uit de grond. Het is leuk om deze gedachte ad absurdum te voerden door op de transportproblemen in te gaan. Je kunt dan vertellen over het wilgje van Van Helmont, dat 5 pond woog en na 15 jaar 169 pond. En toch was  de aarde in de pot van het wilgje  in die tijd maar 50 gram lichter  geworden, en niet 42 pond. Van Helmont (1580-1644) speculeerde over de vraag of de plantenmassa, die kennelijk niet aan de bodem ontleend wordt, dan gemaakt kan zijn uit het toegevoegde water. Hij kwam er niet uit, er kon nog niet met gassen worden geëxperimenteerd.

4. Practicum: water bij meel en bij zetmeel

A. Enkele theelepels bloem (meel) in schaaltje, druppelsgewijs water erbij en roeren. Observeer verbrokkelen en samenhang, droog en nat.  Op een gegeven moment verder kneden met de vingers. Het bolletje, dat niet meer mag kleven, even met waterdruppels besprenkelen om te zien dat er wit (en geen crèmekleurig) poeder met het afstromende water meegaat.

B. Voeg bij enkele theelepels zetmeel druppelsgewijs water, precies zo als bij het maken van het bolletje uit bloem. Wat valt op bij weinig water, en dan bij iets meer en bij duidelijk meer water? Er ontstaat een stadium waarin je de substantie kunt gieten, maar eigenlijk niet kunt roeren. In dit stadium kun je het spul op de hand nemen en heen en weer bewegen. Wat gebeurt er bij rust?

C Met microscoop kijken naar maiszetmeel. Door met de microschroef te hanteren kun je wel iets zien van de ruimtelijke vorm van een zetmeelkorrel

5. Nabespreking van de waarnemingen

- A. Er ontstaan klontertjes bij het roeren, en al gauw een beslag. Dan ben je te ver gegaan,veel meel is nodig om terugwerkend toch tot een deegbolletje te komen. Het is een aparte sensatie als de massa geen draden meer trekt en een gladde buitenkant gaat vertonen. De deegbol sluit zich in zekere zin af, maar niet radicaal, je kunt hem toch kneden. Als je hem onder de druppelende kraan houdt, gaat er een zeer fijn poeder mee, dat wit is en niet gelig, zoals de deegbal. Je kunt op deze maniet al het zetmeel uitspoelen en houdt kleverig eiwit over.

- B. Meel is gelig, zetmeel is spierwit, korrelig, amorf. Het doet een tikje mineraal aan. Met wat water ontstaat een massa die je wel kunt gieten, maar die weerstand biedt aan krachtig roeren: de massa gedraagt zich dilatant (het tegengestelde, dat een massa juist vloeibaar wordt bij krachtsuitoefening, heet thixotroop gedrag). Je kunt van zetmeel geen deegbolletje van maken en als je er veel water bij doet, zakt het naar de bodem, dan zet het zich. Een zekere affiniteit tot water is er desondanks wel, want bij verwarming ontstaat een glazige massa.    

- C. In het microscoop zie je een beeld van versplintering. De maiskorrels verschillen in grootte. Ze zijn niet rond maar afgevlakt. Soms zie je bovenop een sterretje, dat is het punt waarop de vlakken samen komen

6. Beschouwing naar aanleiding van de proeven.

Uit het levensproces uitgescheiden. Aan zetmeel is de afstand tot het levensproces af te lezen: aan het bezinken, het zich-zetten. Meegaan met de zwaarte, dat is een tendens van het minerale. Het levende gaat tegen de zwaarte in, groeiend of zich oprichtend. De onoplosbaarheid van zetmeel maakt deze stof eveneens ongeschikt voor een andere rol in de levende plant dan die van reservestof. Ook de spierwitte kleur en het ontbreken van (zoete) smaak kunnen in dit licht worden opgevat. Meel heeft minder afstand tot het levensproces en verbindt zich daardoor sterker met water dan zetmeel.

Zetmeel versus eiwit. Het feit dat zetmeel uit aparte korrels bestaat, verwijst ook naar zijn meer minerale karakter. Uit elkaar vallen, amorf worden, dat gaat vanzelf, maar samenhang en structuur opbouwen, dat is wat we de levende organismen telkens zien doen. Daarom kun je het kleverige, samenhangende tarwe-eiwit, dat tijdens de zaadrust natuurlijk ook buiten de levensprocessen valt, als een nog dichter bij die processen staande stof beschouwen.

Toch nog verbinding met water.  Aan het merkwaardige gedrag t.o.v. water kun je zien datzetmeel nog niet definitief uit het leven verdwenen is, anders dan bijv. cellulose, dat niet omgezet kan worden in glucose. Bij uitoefening van sterke mechanische kracht op een water-zetmeelmengsel biedt het weerstand en gaat het zich gedragen als een vaste stof. Als je het mengsel rustig benadert, laat het zich gieten, dan keert het zijn vloeistofkant naar voren. Door toevoer van warmte kun je een zetmeelpapje zelfs in een enigszins stabiele, glazige en kleverige verbinding met water brengen (stijfsel).

Weer in het leven opgenomen worden. Als zetmeel weer in het leven wordt opgenomen, ontstaat in eerste instantie glucose. Daarbij moet water geïnvesteerd worden: (C5H10O5)n + n H2O → n C6H12O6 . Dat illustreert dat suiker een dichter bij het leven staande stof is dan zetmeel. Omgekeerd komt er bij de omzetting van monosachariden naar disachariden en polysachariden water vrij.

We doen op school allerlei proeven over de overgang van zetmeel naar suiker. Zetmeelwater met speeksel, evt. nog even verwarmd, kleurt al heel snel niet blauw meer met jood, maar wel rood met Fehlings. Binnen de context van het leven is de omzetting van zetmeel naar suiker gemakkelijk. Als je deze omzetting langs anorganische weg wilt realiseren, moet je een kwartier koken met geconcentreerd zwavelzuur. Om het ontstane glucose ook te kunnen proeven, moet je het zwavelzuur wegvangen met (véél) kalk en het glucosewater wat over is nog wat indampen. De vergelijking van deze twee proeven illustreert het soepele, beweeglijke, stromende van de chemische omzettingen in levensprocessen

7. Koolstof uit koolstofdioxide

- We bekijken het verbranden van Mg – poeder met zijn felwitte, langgerekte vonken. Daarna wordt een stukje Mg – band aangestoken: een verblindende lichtdruppel, terwijl een wit poeder overblijft.

- Met koolzuurgas uit een brandblusser, dat in eerste instantie als witte vlokken verschijnt, vullen we een cilinder. Een ingelaten kaarsje dooft onmiddellijk. Datzelfde is het geval als we het kleurloze en geurloze gas overgieten in een tweede cilinder.  

- De proef waar het om gaat: een stukje  Mg –band wordt aangestoken en brandend in de cilinder met koolzuurgas gebracht. Het brandt nog even door, maar nu met veel geknetter. Na uitdoven bevindt zich in de cilinder wit poeder, zoals verwacht, grijze stukjes materie en pikzwarte plekjes.  

8. Beschouwing over verdichting.

Koolstaf valt in de verstarring. Welke organische stof we ook maar nemen, bij beginnende ontleding door aanbranden of schroeien komt altijd de zwarte koolstof tevoorschijn, een niet verder ontleedbare stof. Koolstof als zodanig wordt niet in het levensproces opgenomen, zelfs niet door bacteriën, maar betreedt het levenstoneel als CO2. Onze magnesiumproef laat zien dat je uit CO2 rechtstreeks C kunt verkrijgen. Brandend magnesium onttrekt zuurstof aan CO2 , koolstof blijft over. Dat is een gigantische overgang, van het transparante, beweeglijke gas naar de inerte vaste stof !

Van potentie naar actus. De proef wordt sprekend als je hem tot beeld maakt. Je stelt je de lucht voor, fijn verdeeld (0,038 %)daarin het koolzuurgas. Dat gas draagt in zich het vermogen (potentie) om een zwarte, vaste, niet ontleedbare energiedrager af te geven, koolstof. Om dit potentiële koolstof daadwerkelijk te doen verschijnen, is een tamelijk buitenissig hulpmiddel nodig: brandend Magnesium; Dat hebben we zien gebeuren, koolstof regende naar omlaag. Je kunt het een proces van verstarring noemen. Potentie en actus zijn begrippen uit de aristotelische filosofie.

De levende planten vangen C op.  Tussen atmosfeer en aarde bevindt zich de plantenwereld. Die kan, net als brandend magnesium, de in koolzuurgas aanwezige tendens tot verstarring  vrijmaken, mits de zon schijnt. Maar tot een volkomen verstarring zoals bij het ontstaan van elementaire koolstof komt het daarbij niet. In plaats daarvan verschijnen uit de fotosynthese en de vervolgprocessen daarvan meer of minder verstarde vormen in hout, in cellulose. Koolstof wordt opgevangen en gaat meedoen in het organisme. Bij zetmeel is de weg naar de verstarring, naar actuele koolstof, wel ingeslagen, maar niet ver doorgezet. We zien iets van vastheid.

Het koolstofveld. De koolstofverbindingen van de levende natuur vormen met elkaar een veld van kwaliteiten en reactiemogelijkheden dat haast eindeloos is. C als element vormt van dit veld niet het middelpunt, maar een verre uithoek. En als C eenmaal naar omlaag gevallen is, gedraagt het zich heel inert en is alleen door zuurstof weer in beweging te brengen. Vanuit die uithoek terugblikkend kun je proberen om het koolstofachtige in koolzuurgas terug te vinden.We zagen dat je koolzuurgas kunt gieten, het heeft een bepaalde zwaarte. Je kunt dit gas nochtans niet vloeibaar maken, bij -78,8 ºC wordt het direct vast. Dat zijn twee feiten die je kunt relateren aan het koolstofachtige in koolzuurgas.

De fotosynthese als deeltjesreactie. Je kunt dit proces ook zo beschrijven dat je je richt op verplaatsingen van deeltjes. De C-atomen in het CO2 –molecuul worden afgesplitst en aan H-atomen uit water gebonden. Dat ziet er zo uit:  COO + H– OH   →     H – C – OH  +   O2 Deze schrijfwijze laat, beter dan de normale reactievergelijking van de fotosynthese zien, dat in de fotosynthese zoiets als een verbinding van koolstof en water plaatsvindt, onder afsplitsing van een surplus aan zuurstof. Het vaste, de vormdrager van de planten, gaat samen met het door en door beweeglijke, zelf vormloze. Zo kun je het leven benaderen: als gedynamiseerde vorm, als gevormde beweging.

Inkoling. De verdichting vanuit vertrekpunt CO2  via de plantenstoffen naar elementaire koolstof wordt in de natuur voltooid door inkoling. Die wordt dikwijls gepresenteerd als een continu proces, beginnend met hout (C-gehalte 50 %) via turf, bruinkool (70 % ), steenkool (85 %), antraciet (92 %) en eventueel zelfs naar grafiet met bijna 100 % C. Uit een meter verse turf ontstaan door ontwatering 5 cm bruinkool en daaruit 2 cm steenkool. Dat gegeven roept overigens wel nieuwe vragen op, want het dikste bruinkoolpakket heeft 320 meter, hetgeen 6400 meter turf impliceert. De dikste steenkoollaag is 200 meter, dat impliceert 10 km turf, hetgeen ook bij voortdurende daling en miljoenen jaren tijd toch moeilijk voorstelbaar is. Hoe dan ook, je moet de ontstaansomstandigheden méédenken als je over steenkool praat: afsterven, zuurstofloos milieu, druk door bovenliggend sediment, en heel veel tijd; factoren die de gang in de zwaarte voelbaar maken. Koolstof is een uit de kosmos verdwenen, of tenminste een van de kosmische processen geïsoleerde stof.