Dabar nieko nebestebina tokios dirbtinės fotosintetinės sistemos kaip saulės baterijos, tačiau mokslas eina toliau ir jau galvojama apie organinius junginius, kai, pavyzdžiui, nudažome sieną vienais, po to kitais dažais, prijungiame laidus - ir viskas veikia!
„Būtų idealu, bet dar reikia daug ką suprasti apie gyvybę ir mokėti gamtos analogijas pritaikyti“, - LŽ sakė Vilniaus universiteto (VU) Teorinės fizikos katedros vedėjas ir Fizikos instituto Molekulinių darinių fizikos laboratorijos vedėjas prof. habil. dr. Leonas Valkūnas.
Už 2001-2007 metais atliktų darbų ciklą „Elektringų ir neutralių sužadinimų dinamika gamtiniuose bei dirbtiniuose nanodariniuose“ Fizikos instituto mokslininkai Vidmantas Gulbinas, Gediminas Trinkūnas ir L.Valkūnas pristatyti 2008 metų Lietuvos mokslo premijai.
Vietoj naftos
„Fotosintezė yra energijos pagrindas. Iš jos - ir nafta, ir visa kita, - kalbėjo fizikas teoretikas L.Valkūnas. - Ir šiais laikais tie, kurie tyrinėja fotosintezę, jau suka dirbtinio saugaus kuro link. Elektrą gali pagaminti, bet, pavyzdžiui, lėktuvai skraido ne elektros varomi - jiems reikia kuro. Iš viso 70 proc. reikia kuro - ne elektros. Iš esmės tas kuras yra nafta, ir reikėtų ką nors daryti vietoj jos. Šioje srityje dabar įgyvendinami didžiuliai projektai.“
2004 metais L.Valkūnas, gavęs Fulbrighto stipendiją, išvažiavo į Kalifornijos universitetą Berklyje pas garsų mokslininką ir seną pažįstamą profesorių Grahamą R.Flemingą. Viena iš sričių, kurioje abu dirba, kaip tik ir yra fotosintezės plačiąja prasme nagrinėjimas.
Tuo metu prof. G.R.Flemingas tapo ir Lawrence‘o Berkeley nacionalinės laboratorijos direktoriaus pavaduotoju energetikos reikalams.
„Amerikiečiai šiai programai pradėjo skirti po 4 mlrd. dolerių per metus, - prisiminė mokslininkas. - Europa taip pat pradėjo judėti, tačiau dar neskiria pinigų, ir tai yra didžiulė problema. Fotosintezės tyrimai turi labai daug atspalvių. Vienas dalykas, tai yra biologija, kaip gamta sutvarkyta, tačiau kokios tos struktūros, tie membraniniai kompleksai, kur yra chlorofilas, kaip jis „supakuotas“, koks baltymo vaidmuo, kas ten vyksta?!“
Kai deguonis - nuodai
Kaip žinoma, fotosintezė yra įvairių organinių medžiagų gamyba organizmuose iš neorganinių medžiagų naudojant saulės energiją per šviesą sugeriantį pigmentą chlorofilą. Per šią sudėtingą fotocheminę reakciją iš ore esančio anglies dioksido ir absorbuoto vandens sintetinami angliavandeniai, leidžiantys augalams augti, o kaip šalutinis produktas išsiskiria deguonis.
Fotosintezė tyrinėjama jau du šimtmečius. 1961 metais Nobelio premija už fotosintezės tyrimus chemijos srityje buvo apdovanotas ir emigranto iš Lietuvos sūnus amerikiečių mokslininkas Melvinas Calvinas. Kalifornijos universitete biochemikas tyrė, kaip augalai fiksuoja anglies dvideginį ir kokios tuo metu vyksta biocheminės reakcijos. Jos mokslininko garbei pavadintos Kalvino ciklu.
Pasak L.Valkūno, didžiuliai pokyčiai fotosintezės tyrimų srityje prasidėjo nuo 1984 metų, kai buvo iššifruota reakcijų centro struktūra. Vėliau, 1995 metais, buvo atlikti šviesą sugeriančių antenų kompleksų tyrimai. Tų kompleksų yra įvairių, sistemos labai sudėtingos, ir mokslininkų atradimai vertinami Nobelio premijomis.
„Dabar tos struktūros žinomos ir tampa jau kaip fizikiniais objektais, - pasakojo mokslininkas. - Mes, fizikai, nagrinėjame, kas ten vyksta, ir, atrodo, žinome, kad galima pritaikyti puslaidininkiuose, bet, pasirodo, nėra taip paprasta. Viskas vyksta galbūt kitaip, gal dar kažkas, todėl atsirado tokia kryptis kaip kompleksinių sistemų nagrinėjimas.“
Augaluose yra dvi fotosistemos, sudarytos iš reakcijų centrų, kuriuose vyksta fotocheminės reakcijos, ir antenų kompleksų, turinčių chlorofilų, karotenoidų ir kitų papildomų pigmentų. Fotosistema II yra atsakinga už vandens skaldymą ir deguonį. Paprastai tariant, mums gyvybiškai svarbus deguonis fotosintezei nereikalingas, yra kaip atliekos. Pasak fiziko, išburbuliuoja, ir gerai. Bet toms sistemoms deguonis yra baisūs nuodai. Labai stiprus oksidatorius ardo jas, todėl reikia apsisaugoti. Kuo daugiau šviesos, tuo stipresnis fotosintezės vyksmas ir tuo daugiau išskiriama deguonies. O fotosintezė turi vykti visą laiką - tiek šešėlyje, tiek labai apšviestoje aplinkoje. Jei šešėlyje ji nevyktų, niekas neaugtų, bet kai per daug saulės, pasirodo, šiose sistemose įsijungia kažkoks apsauginis mechanizmas, mažinantis deguonies gamybos kiekį ir jo išsiskyrimą.
Pirmieji
Toks apsauginis savireguliacijos mechanizmas, pradedantis veikti esant šviesai, buvo pastebėtas prieš kelis dešimtmečius. Vis dėlto gana ilgai nebuvo ištirta, kaip viskas vyksta, kas atsakingas už tą papildomą sužadinimų gesinimo mechanizmą, nes pati fotosintezę atliekanti sistemos struktūra yra labai sudėtinga.
„2000 metais Krishna K.Niyogi iš Kalifornijos universiteto Berklyje parodė, kad yra specifinis baltymas, įveltas į tą reikalą. Jis tiesiogiai susijęs su fotosintezės savireguliacija - nebūtų jo, nebūtų ir tos apsaugos, - pasakojo L.Valkūnas. - G.R.Flemingas su kitais mokslininkais iškėlė hipotezę, kad gali būti kažkokie chlorofilų ir karotenoidų kompleksai - jie yra atsakingi.“
Kas tie karotenoidai, gerai matyti rudenį. Kai chlorofilai žūsta ir lieka karotenoidai, medžių lapai nusidažo geltonai ir raudonai. Žodžiu, yra daug chlorofilų, karotenoidų ir sistemoje kažkas vyksta.
K.K.Niyogi, kaip ir jo mokinys Xiao-Ping Li, - biologinės pakraipos mokslininkai. Jie, pasak L.Valkūno, mokėjo daryti augalus - su tuo specifiniu baltymu ir be jo. Prigamino daugybę mutantų variantų ir su šiomis sistemomis buvo atliekami sudėtingi spektroskopiniai eksperimentai. Matavimus atliko tuo metu pas G.R.Flemingą dirbęs iš Švedijos Lundo universiteto atvykęs kitas lietuvis dr. Donatas Zigmantas. L.Valkūnas, nors buvo atvažiavęs dėl kitų projektų, taip pat įsitraukė į tą darbą, nes reikėjo teoretiko, kuris galėtų suprasti ir lygtimis paaiškinti, kas ten matuojama. Kitaip tariant, norint iki galo suprasti eksperimentinių duomenų visumą, reikėjo suformuluoti dinaminius modelius ir atlikti reikiamus modelinius skaičiavimus.
„Buvau ir 2000 metais Berklyje, todėl žinojau, kad jie tas problemas nagrinėja. Be to, pats dirbęs toje srityje ir straipsnių parašęs, todėl nebuvo sudėtinga įsitraukti į tą darbą, - prisiminė profesorius. - Mes parodėme, kad ta hipotezė yra tikra - fotosintezės savireguliacija išties yra tiesiogiai susijusi su chlorofilų ir karotenoidų kompleksu, būtent juo gesinami sužadinimai. Bet ar ji yra vienintelė, negalime pasakyti.“
Nancy E.Holt, D.Zigmanto, L.Valkūno, X.P.Li, K.K.Niyogi ir G.R.Flemingo straipsnis „Carotenoid Cation Formation ant the Regulation of Photosynthetic Light Harvesting“ buvo publikuotas 2005 sausio mėnesio „Science“ žurnale. L.Valkūnas ir D.Zigmantas - pirmieji ir kol kas vieninteliai Lietuvos mokslininkai, kurių darbas buvo paskelbtas šiame prestižiniame mokslo leidinyje. Straipsnis ir dabar dažnai cituojamas, vyksta didžiulės diskusijos, nes problema, pasak L.Valkūno, yra labai aktuali. Tai rodo ir kiti straipsniai, publikuojami „Science“ ar „Nature“ žurnaluose. Be to, gautas rezultatas atskleidžia plačias perspektyvas plėtojant tyrimus, susijusius su dirbtinės fotosintezės programa.
Madingieji vamzdeliai
Elektringų ir neutralių sužadinimų dinamika yra susijusi ne tik su gamtiniais, bet ir su dirbtiniais nanodariniais. Tokie būtų ir anglies nanovamzdeliai - kita įdomi ir gana sėkminga L.Valkūno tyrimų sritis.
„Anglies nanovamzdeliai dabar labai madingi, - sakė mokslininkas. -Visas pasaulis juos tyrinėja. Kodėl? Paimkime vieną grafito plokštelę, susukime į tūbelę, ir yra anglies nanovamzdelis. Pasirodo, kaip susuksi anglies atomų lakštą, ta ar kita kryptimi, - bus metalas ar puslaidininkis. O tai, aišku, yra labai gerai nanotechnologijoms. Turi nanovamzdelį ir gali konstruoti.“
Manoma, kad nanovamzdeliai dėl savo išskirtinių savybių sukels naują technologijos revoliuciją. Nobelio premija buvo įvertintas ir kitas atradimas, leidęs atsirasti naujai mokslo ir technologijos sričiai, - metalinei organikai. Buvo pastebėta, kad konjuguotieji polimerai, pavyzdžiui, floro, bromo ar jodo aplinkoje staiga taip pat darosi metalai arba puslaidininkiai. Skirtingai nuo metalų (vario, aliuminio, sidabro ir kt.) ir puslaidininkių (silicio, germano seleno ir kt.), kurie natūraliai egzistuoja gamtoje, laidūs polimerai yra sintetinami.
Pasak L.Valkūno, tiek anglies nanovamzdeliai, tiek konjuguotieji polimerai yra fotoaktyvūs daiktai. Veikiant šviesai organinėse sistemose, gamtinėse ir negamtinėse, nuo neutralių sužadinimų ir krūvininkų saviveikos jau einama tokios pakraipos kaip organinė elektronika link. Organinių junginių, palyginti su neorganika, yra turbūt daugiau nei 90 proc., todėl būtų labai gerai pasinaudoti ta didžiule įvairove. Ir naujas iššūkis dabar - organiniai šviesą emituojantys diodai.
„Taikymas - jau ne vien mokslininkų reikalas. Reikia ir praktikos, ir inžinerijos. Labai sudėtinga ką nors padaryti. Mes viena koja žengėme ta kryptimi - laboratorijoje įkūrėme skyrių, pasikvietėme žmonių, - pasakojo Molekulinių darinių fizikos laboratorijos vedėjas. - Dr. Ramūnas Valiokas parvyko iš Švedijos ir ėmėsi nanolitografijos. Dabar jis dirba savarankiškai. Gyvenimas parodys, ar eisime kartu, ar, galimas daiktas, išsišakosime. Norime savo įdirbį jungti su jo galimybėmis. Kai kas jungiasi, kai kas - ne taip paprasta. Ieškome, ką naujo pasakyti.“
Žinoma, išlieka ir ankstesnės tyrimų kryptys, tačiau jau Mokslo premijai pristatytų darbų cikle atsispindi labai ryškus pokytis - taikyti spektrinius, optinius metodus nanosistemoms, kai matmenys yra gerokai mažesni nei bangos ilgis.
„Kitas dalykas, esu teoretikas - reikia modeliuoti. Nanosistemas galima suskaičiuoti. Katedroje turime galingus kompiuterius ir plėtojame tą skaičiavimo metodiką“, - sakė VU Teorinės fizikos katedros vedėjas.
Bendraamžiai
Prof. L.Valkūno įsitikinimu, yra du mokslo varikliai. Pirmas, jei turi idėjų ir tau patinka tai, ką darai. Antras - pinigai. Aišku, finansavimui gauti taip pat reikia turėti idėjų. Per tarptautinius projektus vilniečiai fizikai bendradarbiauja su daugelio šalių mokslininkais. Glaudus bendradarbiavimas užsimezgė net su Taivanu. Kaip pasakojo profesorius, kuo didesnio tarptautinio pripažinimo siekianti šalis kažkodėl nutarė remti bendrus projektus su lietuviais ir latviais. L.Valkūnas su pažįstamu taivaniečiu profesoriumi, trisdešimt metų dirbusiu Arizonos universitete ir grįžusiu į tėvynę, ėmėsi iniciatyvos ir kartu su latviais įgyvendina jau ne pirmą tokį projektą.
Olandijos laisvajame universitete dirba L.Valkūno, taip pat ir G. R.Flemingo draugas Rinkas van Grondelle. Visi gimę 1949 metais. Pasak fiziko, toje mokslo srityje, kurioje jis dirba, yra labai daug iškilių žmonių bendraamžių, todėl labai patogu bendrauti. Pavyzdžiui, R.van Grondelle 1984 metais dalyvavo konferencijoje Vilniuje ir jiedu iš karto rado bendrą kalbą, o 1991 metais olandas kolega pasikvietė L.Valkūną į Amsterdamą.
„Pusmetį ten dirbau ir nuo to laiko vis kartu sukame projektus. Pasidarėme tiesiog draugai, - pasakojo mokslininkas. - R. van Grondelle yra iškili figūra, valdo didžiulius pinigus ir projektus. Pas jį važiuoja lietuviai doktorantai, studentai, kartu su jais abu dirbame. Kartais aš turiu kokį olandą doktorantą pas jį. Abipusė nauda.“
Prof. L.Valkūnas yra gerai žinomas specialistas, jau kelis dešimtmečius savo vadovaujamose mokslinėse grupėse VU ir Fizikos institute nagrinėjantis fotosintezės pirminius (fizikinius) vyksmus, tokius kaip šviesos sugertis, energijos pernaša, krūvininkų atskyrimas fotosintetinėse struktūrose. Jo monografija, parašyta kartu su dviem olandų kolegomis ir atspausdinta 2000 metais, yra visuotinai pripažinta ir naudojama šios srities mokslininkų.
Nedelsiant ir neatsiliekant
Profesorius pripažino, kad visada yra šiokio tokio atsitiktinumo ir kažkokios traukos. Kai mokėsi VU, 1969 metais buvo iškomandiruotas į Kijevą. Ten buvo gera organinių kristalų mokykla. Po trejų metų grįžo į Vilnių, domėjosi puslaidininkiais, bet vis tiek traukė organika.
„Pajutome, kad yra įdomi fotosintezė - tokia kylanti sritis fizikinių tyrimų požiūriu. Pasukome į ją. Vėliau pradėjome daryti labiau biologinės pakraipos tyrimus, - prisiminė L.Valkūnas. - Dabar jau truputį grįžtame į tokią organiką kaip polimerai, konjuguotieji polimerai. Taip atsidūriau fizikos ir chemijos sandūroje. Maždaug 1979 metais pradėjome sukti ta kryptimi. Jutau, kad Vilniuje ši sritis kaip ir neišplėtota, yra gerų perspektyvų, gerų galimybių“. Mokslininkas pasakojo, kad pradžioje trūko pinigų. Dabar ateina europinės lėšos, todėl buvo galima įsigyti ir modernios aparatūros. Vis dėlto pats mokslo organizavimas pas mus nėra dar tobulas. Vis yra trukdžių.
Kitas dalykas - turi iššokti į tarptautinį lygį. Tos grupės, kurios nėra tarptautiniuose vandenyse, labai greitai pradeda atsilikti. Nors metams iškrenti iš žaidimo - pasivyti darosi labai sunku. Kai jau iššoki į tą tarptautinį lygį, esi įdomus, tave visur kviečia. Prof. L.Valkūnas šiemet kovo mėnesį kviečiamas skaityti pranešimo į konferenciją Pitsburge, JAV. Kitas kviestinis pranešimas - Bairoite, Vokietijoje.
„Nors truputį uždelsk, niekas nebekvies. Jei dalyvauji, esi žinomas, matomas. Visiems įdomu, ką dabar darai, kokia tavo nuomonė, kartu padiskutuoti, pasvarstyti. Kai važinėji, lygiai taip pat girdi ir matai kitus, - kalbėjo mokslininkas. - Šiais laikais nei Harvardas, nei Berklis nėra pajėgūs visko turėti. Finansiškai jie daug pajėgūs, tačiau trūksta, pavyzdžiui, žmonių ar ko nors kito, užtat tyrimai darosi labai tarptautiniai. Mokslas tampa tarptautiškas.“
Milda Kniežaitė
