Fényes élet: fényből élet életből fény

Átírás

1 Maróti Péter egyetemi tanár, Szegedi Tudományegyetem Orvosi Fizikai Intézet Fényes élet: fényből élet életből fény fotoszintézis Széchenyi István Gimnázium és Általános Iskola Szolnok, február 12. biolumineszcencia

2 Az élet és a színek teszik a Földet különlegessé. A Föld a színét elsősorban a víznek (kék) és a bioszférának (zöld növényvilágnak) köszönheti

3 Mikor alakult ki? Az 5 milliárd év számlapú óra: a földi evolúció szárazföldi élet fotoszintézis 4 4,6 Jövő Oxigén légkör és Ózon réteg Fotoszintézis 0 1 kémiai evolúció erjedés anaerob baktériumok 3 H 2 O hasítás 2 Big Bang az evolúcióban

4 Mintavétel az Antarktisz jegéből (Nature 2008): mélység = 3190,53 m, időfelbontás = 380 év Hőmérséklet ( o C) Széndioxid Metán Idő (ezer év) Mostani értékek CO 2 = 380 ppm CH 4 = 1800 ppb

5 Biológiai élet-ciklus 1) (majdnem) egyedüli (> 99%) szabadenergia-forrás 2) Nemes energia Nemes energia fény G = H-T S szabad összes kötött Termikus energia; alacsony hőmérséklet Termikus energia; magas hőmérséklet Vannak melegvíz kürtők a tengerfenéken, ahol zöld kénbaktériumok élhetnek

6 A földi élet kialakulásának alapfeltételei: Napfény O 2 és CO 2 a gázcseréhez O 3, ózon az UV elleni védelemhez Légkör (folyékony) Víz (0 0 C feletti hőmérséklet)

7 A napfény spektruma a Föld felszínén UV látható infravörös IR O 3 Feketetest sugárzás spektrális energiasűrűség, H 2 O H 2 O H 2 O, CO 2 H 2 O, CO 2 hullámhossz, μm T = 5762 K Isteni szerencse (gondviselés): a látható fény energia-kvantuma abba a nagyságrendbe esik, mint a fundamentális fotokémiai (-fizikai) reakciók energiaigénye (~1 ev)

8 Élettevékenységhez kötött fényelnyelés és -kibocsátás Fényből élet Életből fény A növény fejlődéséhez fény kell. FOTOSZINTÉZI S A világító szentjánosbogár az élettevékenysége során fényt bocsát ki. BIOLUMINESZCENCI A

9 A földi élet motorja: a fotoszintézis Napfény Fényreakció A víz hasítása 2H 2 O O 2 + 2H 2 Oxigén felszabadítás Szerves anyag termelés 2H 2 + CO 2 (CH 2 O) Szerves molekula Sötétreakció Széndioxid megkötés

10 Ultragyors folyamatok a fény begyűjtésében és -hasznosításában Az elektron- gerjesztési energia vándorlása az antennarendszerben LH1-RC 35 ps B850-B fs Periplasm Membrane edge Töltésszétválasztás és elektron transzfer a reakciócentrumban Car B Side BChl a BChl a 2 (P865) +. A Side 3.5 ps BChl a B800-B ps BPh a 0.9 ps BPh a LH2-LH1 3-5 ps B800-B fs Membrane edge Cytoplasm Q B 200 µs ps Q A A membrán síkja A membrán keresztmetszete

11 A víz hasítása, az oxigén molekula felszabadítása A művész egyszerű elképzelése A bonyolult molekuláris valóság

12 Biomasszának napfényből való termelésének hatékonysága Energetikai célú hasznosíthatóság (mesterséges falevél) Cukornád: 2% (az elméleti határ ~ 4%)

13 Veszteségek a fotoszintetikus energia-hasznosítás során 100% napfényenergia CO 2 leadás fénylégzés A zöld mezőgazdasági növények fotoszintézisének globális hatásfoka sokkal kisebb, mint 1%. A fotoszintetizáló mikroorganizmusok hatékonyabbak, hatásfokuk ~ 4%. ~ 1% raktározott energia ( pl. termés formájában)

14 A fotoszintézis hatásfoka A növények általában nem érdekeltek a magas hatásfok értékben, mert bőven áll rendelkezésükre napfény, sőt, sokszor az erős fény ellen védekezniük kell. Fotofizika 20 kloroplasztisz hatásfok (%) Biokémia Élettan C4 növény C3 Mezőgazdaság log (idő/s)

15 A kibocsátott fény (lumineszcencia) felhasználása: 1) Élettevékenység (biológiai funkció) A medúza biolumineszcenciája A mélytengeri medúza vészhelyzetben biolumineszcenciával fénykereket működtet, hogy a ragadozó figyelmét lekösse, elkápráztassa

16 Telepes medúza 2000 m-re a tenger felszíne alatt. Csaliként alkalmazott biolumineszcencia halak befogására Vörös színű biolumineszcencia (nem fény, hanem kémiai reakciók gerjesztik)

17 A papagáj tollazatának fluoreszcenciája a nemi érdeklődés felkeltését elősegítő jelzés Fehér fény UV megvilágítás

18 A kibocsátott fény (lumineszcencia) felhasználása 2) Kutatás (a biológiai folyamatok megismerése és utánzása) Honnan jön a fény? kinin szulfát rodamin fluoreszcein Festékek fluoreszcenciája UV megvilágítás hatására etídium bromid Fluoreszcencia spektrum Hullámhossz (nm)

19 Bakterioklorofill-fluorométer (egész sejteken) Gerjesztés lézerdiódával (808 nm) Fluoreszcencia (920 nm) Rhodobacter sphaeroides bíbor baktérium 0,5 μm Fluoreszcencia hatásfok Idő (ms)

20 A fluoreszcencia relaxáció a törzseket és fiziológiás állapotukat jellemzi Fluoreszcencia hatásfok (a gerjesztés nélküli állapothoz viszonyítva) A fluoreszcencia hatásfokának lecsengése (relaxációja) 1) különböző időtartamú előzetes megvilágítás után, 2) különböző baktérium törzseknél Idő (ms) logaritmikus léptékben

21 A fotoszintetizáló bíborbaktérium Rba. sphaeroides fotoszintetikus apparátusának szerveződése Baktérium sejt Membránbefűződés Fénybegyűjtés PufX Kibocsátott fény: veszteség antenna zárt RC RC nyitott RC

22 Hg 2+ roncsoló hatásának kimutatása fluoreszcencia indukcióval Természetes vizek nehézfém-ion szennyezettségének gyors mérése 26 μm Hg 2+ hozzáadása baktérium kultúrához, amelyet Fluorescence (rel. units) Fluoreszcencia (tetsz. egység) 0,016 0,012 0,008 0,004 0,000 A F0 fényben Idő (μs) time (µs) 0 h 2 h 5 h tartunk. Fmax Fluorescence (rel. units) Fluoreszcencia (tetsz. egység) 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 B F0 sötétben time Idő (µs) (μs) Egyidejű fény- és higanyion-hatás különösen káros a sejteknek. 0 h 1 h 5 h Fmax

23 A napfény energetikai hasznosítása Fotovoltaikus erőművek a világon USA: Prescott, Arizona (MW teljesítmény) Európa: Sanlucar, Sevilla közelében Szilárdtest napelemek: a napfény-energiát közvetlenül (hőenergia áttétel nélkül) alakítják át elektromos energiává

24 Mesterséges fotoszintézis: fotoszintézis-alapú fényenergia-átalakítás Hipotetikus elrendezés üzemanyag termelésére mesterséges fotoszintézissel (műlevéllel) fényelnyelés PSII RC utánzat vízhasítás Töltésszétválasztás Karboxiláz utánzat Etanol (üzemanyag) A CO 2 redukciójával etanol (üzemanyag) gyártható

25 Vidd haza üzenet: a biofizikus feladata és szerepe -A fizikai törvényszerűségeket és azok megvalósulását keresi élő rendszerekben és folyamatokban. -Valódi híd-(interdiszciplináris) tudomány -Térben és időben korlátlanul kis és nagy méreteket vizsgálhat a technika legmodernebb eszközeivel. -Az élő természet működését felismerve azokat utánozni, sőt fejleszteni képes saját és társadalma hasznára (bionika)

26 Köszönöm! TÁMOP A-11/1/KONV Doktoranduszok: Kis Mariann Sipka Gábor Asztalos Emese