Naudodami ultragreitus lazerius ir kvantinės fizikos žinias, mokslininkai sugeba pamatyti molekulių manevrus ląstelėse ir tikisi sukurti efektyvesnius energijos sintezės būdus.
Norint suprasti ir valdyti mikro bei nanopasauliuose vykstančius reiškinius, reikia juos pamatyti. Deja, tie procesai trunka šimtamilijardines sekundės dalis, o pačių objektų matmenys ypač maži – milijoninės milimetro dalys. Todėl fizikai teoretikai naudoja išradingus metodus, o eksperimentatoriai pasitelkia modernius prietaisus – tokius kaip femtosekundinės trukmės impulsų lazeriai, norėdami pastebėti sąveikas tarp biologinių molekulių ar tarp molekulių, esančių kituose nanodariniuose. Supratus tuos procesus, juos galima imituoti, kuriant pavyzdžiui, dirbtines fotosintezės sistemas. Vieną tokį projektą vykdo prof. Leono Valkūno grupė.
„Projekto esmė – ultraspartieji reiškiniai, vykstantys molekuliniuose dariniuose, tų molekulinių darinių savybių priklausomybė nuo aplinkos galimo poveikio, siekiant suprasti, kaip šiuose dariniuose stebimus reiškinius galime valdyti, suprasti jų prasmę bei galimą vaidmenį biologiniuose objektuose. Tai susiję su nano dariniais“, – aiškina fizikas prof. L. Valkūnas.
Deguonis gali būti pavojingas
Europos Sąjungos (ES) struktūrinių fondų finansuojamame projekte „Kvantinis sužadinimų supainiojimas ir jų dinamika baltymuose bei molekulinėse nanostruktūrose“ mokslininkai tyrinėja savireguliacijos mechanizmus baltymuose. Vienas iš svarbiausių procesų – fotosintezė. Kaip žinia, tik per jį Žemės atmosferoje per šimtus milijonų metų susikaupė visi žmonijos naudojami energijos ištekliai (akmens anglis, nafta, dujos) bei pakankamas deguonies kiekis gyvybei palaikyti. Deguonies gimimo procesas itin svarbus, bet ir labai sudėtingas. Tai itin agresyvus elementas, nuo kurio pertekliaus kai kas gali ir žūti.
„Fotosintezė skaldo vandenį, suskaldžius vandenį generuojamas deguonis, kuris nereikalingas fotosintezei. Bet deguonis pavojingas – jis gali tapti singletiniu deguonimi ir pradėti ardyti viską aplinkui. Todėl kuo daugiau šviesos, tuo daugiau deguonies generuojama. Augalas, bakterijos turi kažkaip adaptuotis. Pasirodo, įsijungia savisaugos mechanizmai. Kad jie yra, eksperimentai rodo, o kaip jie veikia? Šio projekto vienas iš tikslų – suprasti šiuos mechanizmus, veikiančius molekuliniame lygyje“, – pasakoja profesorius.
Matuodami ultrasparčiuosius reiškinius, fizikai bendradarbiauja su kolegomis iš Lundo universiteto Švedijoje, Amsterdamo Laisvojo universiteto, Londono Queen Marry ar Kalifornijos universitetų. Be minėtų ultrasparčiųjų vyksmų tyrimų, naudojami tokie nauji metodai, kaip pavienių molekulių spektroskopija.
„Jas sodina ant paviršiaus iš specialiai paruošto tirpalo, o mikroskopu stebima spinduliuotė iš pavienių tokių kompleksų, prieš tai juos sužadinus. Spinduliuotė yra labai silpna, tad registruojami pavieniai fotonai. Nauja fizika, nauji reiškiniai“, – teigia L. Valkūnas.
Molekulių tyrimų rezultatai – tarsi fotografijų rinkiniai
Tačiau ir tai – ne pabaiga. Toliau darbą perima superkompiuteriai, padedantys sukurti pastebėtų reiškinių modelius ir taip geriau suprasti, kas vyksta. Toks superkompiuteris veikia Vilniaus universitete.
„Kita metodika – labai spartūs reiškiniai. Tam naudojama vadinama koherentinė netiesinė spektroskopija. Paruoštas pavyzdys yra veikiamas trimis trumpais šviesos impulsais. Stebimas sistemos sukuriamas signalas – atsakas. Matavimui taip pat reikalingas dar ir ketvirtas impulsas. Matuojamas visų šių poveikių sukurtas signalas“, – sako fizikas.
Tą atlikti įmanoma, naudojant superinstrumentą – ultraspartųjį femtosekundinį titano-safyro lazerį. Tiriamos molekulės arba jų kompleksai apšviečiami labai trumpais, dešimčių femtosekundžių trukmės impulsais. Gauti rezultatai – tarsi fotografijų rinkinys.
„Tai yra netiesinė fotografija. Jeigu jūs fotografiją darysit vienu spinduliu, kitu, žiūrėsit, kas vyksta, tai čia tokia fotografija. Kažkuria prasme tai lazerinė daugiamatė fotografija. Bet mes norime ne tik vaizdą turėti, norim matyti, kaip tas vaizdas formuojasi“, – teigia L. Valkūnas.
Įsivaizduokime, kad pamatėme, kas vyksta fotosintezuojančios bakterijos arba augalo ląstelės membranoje. Tuomet kyla kitas klausimas – kaip valdyti šį procesą? Beje, tokiu būdu tiriamos ne tik baltymų, bet ir kitų nanodarinių savybės.
„Mes domimės anglies nanovamzdeliais. Nanovamzdelis – tai grafenas, susuktas į vamzdelį. Vamzdeliai, nuo to kaip jį susuksi, pasižymi labai įvairiomis savybėmis. Tai vienas iš nanodarinių, kuriam numatomos didelės taikymo perspektyvos. Nes tas nanovamzdelis yra kaip deimantas: kietas, stabilus, bet turi įvairių savybių“, – aiškina profesorius.
Nanovamzdeliai gali būti panaudoti, kuriant naujos kartos saulės baterijas – elementus, labai efektyviai kaupiančius ir atiduodančius elektros energiją.
Praėjusiais metais Teksaso universiteto Ostine mokslininkai sukūrė aktyvuotą grafeną, godžiai sugeriantį elektros krūvius. Štai kodėl ši medžiaga gali būti naudojama energijos kaupikliuose – ji labai greitai atiduoda energiją ir greitai pasikrauna. Tokie itin efektyvūs kaupikliai-superkondensatoriai praverstų elektromobiliuose. Jie panašūs į dabar naudojamas baterijas, tačiau superkondensatoriuose krūvis kaupiamas jonų forma ant elektrodų paviršiaus, o ne per chemines reakcijas, kaip tradicinėse baterijose. Tiesa, kadangi tie nanodariniai sudėtingi, jų elgesys irgi sudėtingas. Panašiai, kaip fotosintezės metu vykstantys procesai, kurių metu irgi kaupiama energija – įkraunama augalo arba mikroorganizmo baterija.
„Jeigu mes einam saulės energetikos link, tai išmokę, kaip vyksta fotosintezė, mes, ko gero, galime panaudoti savireguliacijos mechanizmus, gerinti efektyvumą. Dabar tam naudojamas silicis, bet čia kalbama apie organiką, apie kitokį panaudojimą“, – tvirtina L. Valkūnas.
Organiniuose saulės elementuose naudojami elektrai laidūs organiniai polimerai arba mažos molekulės. Jos sugeria daug šviesos, bet yra ne tokios stabilios ir ne taip efektyviai šviesą verčia elektra, kaip neorganiniai saulės elementai. Norint suprasti fotoelektros reiškinius, krūvių atskyrimą ir jų valdymą, sunku išsiversti be kvantinės fizikos žinių.
„Kvantinė fizika sudėtinga, bet be jos mes nieko nesuprantam. Taip yra. Ji egzistuoja. Štai šviesa – jūs šviečiat, bet šviesoje yra interferencija. Ne vien intensyvumas, bet ir banginės savybės. Vaivorykštė dėl interferencinių reiškinių atsiranda. Pasirodo, gamtoje, mikropasaulyje visi tie interferenciniai reiškiniai atlieka svarbų vaidmenį“, – tikina fizikas.
Eksperimentai liudija, jog biologinės sistemos sumaniai pasinaudoja kvantiniais efektais. Dar septintame dešimtmetyje Herbertas Frohlichas pastebėjo, kad biologinių membranų vibracijos elgiasi kaip Einšteino-Bose kondensatas. Šioje keistoje būsenoje kvantinės dalelės veikia tarsi viena superdalelė, įgyjanti unikalių savybių. Tokiu būdu ląstelių membranos sugeba darniau kaupti ir perduoti energiją.
„Krūvio atskyrimas – pradinė fotosintezės stadija, jos labai aukštas efektyvumas. Bakterijose turbūt netoli šimto procentų. Dirbtinis efektyvumas mažesnis. Bet jeigu žiūrėsime kokia fotosintezės išeiga augaluose po biocheminių reakcijų, tai ji nedidelė – trys procentai belieka. Už viską reikia mokėti, gamta irgi moka. Pradinė stadija – atliekama labai efektyviai“, – sako profesorius.
Už deguonį turėtume būti dėkingi ypatingoms vandenynų bakterijoms
Šio projekto dalyviai tyrinėja būtent pradinę – efektyviausią – fotosintezės stadiją. Rezultatai liudija, jog gamtos ar evoliucijos sukurti procesai nėra tokie efektyvūs ir tobuli, kaip manyta anksčiau. Mokslininkai jau įsitikino, kad fotosintezės efektyvumą galima padidinti, parinkus tam tikrą šviesos spektro dalį. O tai reiškia – sukurti kur kas efektyvesnę dirbtinę fotosintezę.
„Darant kažką dirbtinio, norėtųsi kuo daugiau tos energijos panaudoti. Gamta sprendžia vienus klausimus, o mes norime spręsti kitus. Kuo daugiau energijos paimti ir panaudoti. Ta prasme mokymasis iš gamtos gali būti panaudojamas, kuriant kažką dirbtinio“, – sako L. Valkūnas.
Fotosintezė vyksta augalų ląstelių arba mikrobų membranose. Dažnai kalbama apie tai, kokie gyvybiškai svarbūs deguonies sintezei pasaulio miškai. Tai ne visai teisinga. Už deguonį labiausiai turėtume būti dėkingi ypatingoms vandenynų bakterijoms, kurios viešpatauja ir pluša Žemėje ne vieną milijardą metų.
„Taip, svarbu miškai, tačiau visą deguonį generuoja apie 80% ir daugiau ciano bakterijos, kurios yra vandenyje. Net ir iškirtus miškus būtų blogai kita prasme, bet deguonies mes turėtume“, – tikina fizikas.
Ciano bakterijos laikomos pačia sėkmingiausia mikroorganizmų grupe Žemėje. Įvairios šių bakterijų grupės puikiai jaučiasi įvairiausiose sąlygose. Jos klesti gėlame ir jūros vandenyje, netgi karštuose šaltiniuose, itin druskingoje aplinkoje. Būtent ciano bakterijos, išskiriančios į aplinką deguonį, sukūrė pirmykštės Žemės deguoninę atmosferą. Suakmenėjusių ciano bakterijų liekanos, vadinamos stromatolitais, mūsų planetoje aptinkamos jau prieš 3,5 mlrd. metų. Fotosintezė vyksta augalų arba ciano bakterijų membranose, kur pigmentai – chlorofilai bei karotinoidai – perneša energiją į reakcinius centrus.
„Didelis rezultatas, kad fotosintezės komplekso struktūros yra žinomos. Fizikams labai gerai, nes ta informacija atsirado tik paskutiniame XX amžiaus dešimtmetyje. Todėl tas mokslas šviežias. Yra kitos galimybės – mutacijos, jūs galite auginti, keisti struktūrą, ir auginti pakeistas struktūras ir nagrinėti“, – sako L. Valkūnas.
2012 metais Vokietijoje, Hamburge DESY centre pradėjo veikti beveik milijardo eurų vertės rentgeno laisvų elektronų lazeris. Panašus yra ir Japonijoje, RIKEN Harima institute netoli Kobės. Tai naujos kartos, itin galingi instrumentai. Naudojant keliasdešimties femtosekundžių trukmės sukoncentruotus labai didelės energijos elektronų debesėlius-pulsus (per tokį laiką saulės šviesa nusklinda mažiau nei vieną milimetrą) mokslininkai gali pamatyti, kaip elektronai peršoka nuo vieno atomo ant kito, kaip sąveikauja biomolekulės, iššifruoti sudėtingų baltymų ir virusų struktūras. Kuo trumpesnis impulsas – tuo greitesnius įvykius ar reiškinius tokiu lazeriu galima pamatyti. Atrodo, mūsų laukia intriguojančių atradimų amžius.
Rolandas Maskoliūnas, „Mokslo ekspresas“
