PROJEKTZÁRÓ KONFERENCIA

Átírás

1 Az ELTE Természettudományi Kar és a Társadalomtudományi Kar együttműködése: Nagy rendszerek a természettudományokban és számítógépes szimulációjuk" Európai Léptékkel a Tudásért, ELTE kutatóegyetemi projekt 1. számú alprojekt PROJEKTZÁRÓ KONFERENCIA KONFERENCIAKIADVÁNY június Dobogókő

2 2

3 Köszöntő Tisztelt Olvasó! Büszkén tekinthetünk az elmúlt két évben végzett tudományos munkánkra, amit ez a kiadvány is reprezentál. A kutatóegyetemi TÁMOP-projekt keretében számos kiemelkedő felfedezés született, amelyek jelentős mértékben gazdagították tudásunkat, és közülük néhánynak közvetlen gazdasági hasznosítása is elkezdődött vagy ilyen szempontból is reménykeltő. Mindazonáltal a 18 kutatócsoportban zajló projekt elsődleges célja az volt, hogy megismertesse egymással a különböző területeken kutató munkatársak kiválóságát. Célunk volt, hogy létrejöjjön egy olyan platform, amelyen bemutathatjuk felfedezéseinket, kutatási koncepcióinkat, tudományos munkásságunkat. Ezen túlmenően igen fontos, hogy személyesen megismerjük egymást, és a legmagasabb szinten, közvetlenül a kiváló kollégáktól kapjunk ismereteket a legfrissebb tudományos eredményekről a különböző tudományágakban. Az újonnan kialakult kapcsolatok már a projekt ideje alatt is számos interdiszciplináris kutatást iníciáltak. Bízom benne, hogy ezek a folyamatok az egyetem életében hosszútávon is fennmaradnak, ami azért is fontos, mert egymás kiválóságának megismerése erősíti bennünk a közösséghez való tartozás érzését. Végezetül gratulálok kollégáimnak a projekt keretében elért tudományos eredményekhez, és további sikereket kívánok. Málnási-Csizmadia András az alprojekt vezetője 3

4 Társadalomtudományi Kar Empirikus Tanulmányok Intézete, Statisztika Tanszék Statisztikai módszerek fejlesztése szakpolitikai döntésekhez Témavezető: Rudas Tamás A kutatócsoport tagjai olyan statisztikai módszerek fejlesztésén és implementálásán dolgoztak a projekt keretein belül, amelyek alkalmasnak ígérkeztek a különböző szakpolitikai döntések megalapozására. A kutatócsoport tagjai egymást részben átfedő alcsoportokban dolgoztak, amely alcsoportok főbb célkitűzései a következők voltak: - Szakpolitikai döntések megalapozására alkalmas, kategoriális adatokon definiált statisztikai hatásvizsgálati módszerek fejlesztése, az eredmények publikálásra való előkészítése és publikálása (Rudas Tamás Németh Renáta) - Térbeli statisztika módszerek társadalomtudományi alkalmazásainak kutatása, becslési és szimulációs statisztikai programok elkészítése (Kabos Sándor Tóth Gergely Németh Renáta - Kmetty Zoltán) - Hálózatokon alapuló mintavételi eljárások módszereinek tanulmányozása, fejlesztése, alkalmazása, az eredmények publikálása (Simon Dávid Kmetty Zoltán Tóth Gergely) A projekt időtartama alatt az alcsoportok a publikációk és a konferencia-előadások kapcsán is külső partnerekkel való együttműködésre törekedtek, amelyek közül kiemelkedett a Rudas Tamás által vezetett alcsoport, amely számos nemzetközi konferencián is megjelent, valamint nemzetközi kutatói csoportokhoz is kapcsolódott (így többek között egyesült államokbeli, angliai, hollandiai, olaszországi, szlovén és osztrák kutatókkal folyt együttműködés). A projekt eredeti célkitűzéseihez híven a résztvevők kiemelten fontosnak tartották a fiatal nemzedékek doktoranduszok, MA hallgatók bevonását a szakmai munkába, amelynek eredményeként a projekt több szakdolgozat, illetve disszertáció elkészültéhez is hozzájárult. A projekt lehetőséget teremtett több mint harminc fiatal számára, hogy nemzetközi kutatói kapcsolatok építését kezdhessék meg nemzetközi konferenciákon való részvétel, előadások tartása révén (így többek között Szlovéniába, Ausztriába, Hollandiába is eljutottak). A Kabos Sándor által vezetett, a térbeli statisztikai módszerek fejlesztését kitűző csoport a közvetlen szakpolitikai döntéshozókkal sikeres szakmai együttműködést épített ki. A GYEMSZI-vel (Gyógyszerészeti és Egészségügyi Minőség- és Szervezetfejlesztési Intézet) együttműködve az egészségügyi adatok elemzését lehetővé tevő adatbázisrendszer kialakítását érte el, illetve az adatokra alapozva az egészségügyi döntéshozatal számára akár közvetlenül is releváns elemzési módszerfejlesztést végzett. 4

5 A Simon Dávid vezetésével működő alcsoport, a jelenleg dinamikusan fejlődő hálózati szemléletet középpontba helyező tudományos paradigmához kapcsolódóan végezte a kutatómunkáját, amennyiben a projekt keretein belül egyrészt valós társadalmi hálózatok elemzésével foglalkozott, ugyanakkor hálózati szimulációs modellek kifejlesztésében is komoly erőfeszítéseket tett, amelyek a jövőbeni mintavételezési technikák, és az azokon alapuló becslések pontosságát hivatottak szolgálni. Számos nemzetközi és magyar publikáció jöhetett létre a projekt támogatásával, amelyek közül legjelentősebbek talán a következőek: Klimova, A., Rudas, T., Dobra, A. (2012) Relational models for contingency tables. Journal of Multivariate Analysis, 104, Klimova, A., Rudas, T. (2012) Coordinate free analysis of trends in British social mobility. Journal of Applied Statistics. (megjelenés alatt) Németh Renáta (2011) A lakosság közvetlen gyógyszerkiadásai az ELEF2009 alapján. EGÉSZSÉGÜGYI GAZDASÁGI SZEMLE 49:(6) pp (2011) Rudas, T., Verdes, E. (2012) Model based analysis of incomplete data using the mixture index of fit. In: G. R. Hancock and G. B. Macready (Eds.), Advances in latent class analysis: A Festschrift in Honor of C. Mitchell Dayton. Charlotte, NC: Information Age Publishing, Inc. (megjelenés alatt) Tóth, G.- Kabos, S. - Surján, Gy. (2012): Joint Modeling of Disease Pairs. Applied Medical Informatics, Vol. 30, No. 1. pp: Bozsonyi K., Horváth Zs., Kmetty Z. (2012) The Power grid: The Social Network of the Hungarian Elite in the Socialist Era Based on Hunting Habits. ÖSTERREICHISCHE ZEITSCHRIFT FÜR GESCHICHTSWISSENSCHAFTEN 23:(1) pp Kmetty Zoltán, Tóth Gergely (2011) A politikai részvétel három szintje In: Tardos Róbert, Enyedi Zsolt, Szabó Andrea (szerk.) Részvétel, képviselet, politikai változás Budapest: DKMKA-Corvinus, pp Simon Dávid (2012) A legfrissebb nemzetközi irodalom összefoglalása és a hazai tapasztalatok. Statisztikai Szemle (megjelenés alatt) Külön megtiszteltetés volt a kutatócsoport számára, hogy vezetője, Dr. Rudas Tamás eddigi munkájának elismeréseképpen a projekt időtartalma alatt kapott Akadémiai Díjat. 5

6 Társadalomtudományi Kar Társadalmi Kapcsolatok Intézete, Kisebbségszociológia Tanszék A határ, mint komplex rendszer Témavezető: Sik Endre A határ elválaszt, s ezzel egyidejűleg teremt korlátot és lehetőséget. A határon átjutni költséges, lassú, sok esetben a folyamat hátrányos következményekkel jár a határon átnyúló tranzakcióban résztvevők számára. Ugyanakkor a határ esélyeket teremt, profitszerzési alkalmat jelent, innovatív megoldásokkal kecsegtet. Kutatásunk két olyan határszakaszt (magyar-szlovák és magyar-ukrán) választott az összehasonlító elemzés tárgyául, amelyek földrajzilag közel vannak egymáshoz és a közelmúltban sok szempontból változtak. A kutatás tárgya a térség társadalmi folyamatainak megismerése volt (s a határ feltételezett szerepe ezekben). Ennek során a szereplők és intézmények több nagy tematikus csoportját különböztettük meg: gazdaság (vállalkozás, munkaerőpiac), politika-igazgatás (állami szervezetek, pártok, nem kormányzati szervezetek), oktatás, civil szervezetek, kultúra, egyház. Az elemzések során vizsgáltuk e csoportokon belül a szereplők A kutatás áttekintő térképe (határátlépési idő nélkül, közúton, egy közös pontból kiindulva) működését (céljaikat, értékrendjüket, stratégiájukat és a közöttük kialakuló kooperáció és konfliktus sajátosságait, s mindezekben a határ, mint korlát és lehetőség hatását (vagy annak hiányát). A kutatás során a térség sajátosságai miatt az informális gazdaság és az etnikai tagoltság (a társadalmi rétegződés, mint soha ki nem hagyható metszet mellett) minden elemzés során megjelenik. A kutatás főként a térségben élő kulcsszereplőkkel és szakértőkkel készült interjúkra, valamint lakossági kérdőív adataira támaszkodott. Az adatgyűjtés periodikus terepmunka és megfigyelés alapján történt, melyekre március, június, november valamint március, április, május hónapjaiban került sor. A kutatás köztes eredményeinek megvitatására két tematikus szakértői műhelybeszélgetést szerveztünk április 1 4. között Miskolcon, illetve Nyíregyházán. 6

7 A kutatás eredményei: Esettanulmányok: Bognár Ákos, Sütő Tímea: Civil szervezetek határon átnyúló kapcsolatai, különös tekintettel a Magyar Református Egyházra Hegedűs Dániel: Politikai szervezetek határon átnyúló kapcsolatai Kopasz Marianna: Coopetition határon átnyúló szervezetközi kapcsolatok Kopasz Marianna: Vállalatok határon átnyúló kapcsolatai Örkény Antal Székelyi Mária: Tudástranszfer Sík Dorka-Szécsi Judit: Iskolák a határon Survey elemzések: Sik Endre: Diszkriminációs tapasztalat és határon átnyúló kapcsolatok Sik Endre: Migrációs potenciál és határon átnyúló kapcsolatok Koltai Júlia-Sik Endre: Munkaerő-piaci határon átnyúló kapcsolatok Örkény Antal Székelyi Mária: A határ mentén élők identitása Örkény Antal Székelyi Mária: A határ, mint elválasztó, illetve integráló tényező Örkény Antal Székelyi Mária: A határmentiség szerepének megítélése Örkény Antal Székelyi Mária: Az identitás a határ(ok)on Koltai Júlia: Nemzeti identitás a különböző földrajzi-nemzetiségi alcsoportok között Koltai Júlia Sik Endre: Elérhetőség és határon átnyúló kapcsolatok Speciális kvantitatív elemzések: Szalkai Gábor: Elérhetőség és határon átnyúló kapcsolatok Szalkai Gábor: Elérhetőség és gazdasági fejlődés Fokasz Nikosz: Határon átnyúló kapcsolatok a helyi médiában Gerő Márton Micsinai István: Határon átnyúló kapcsolatok A kutatás eredményeit tematikus blokkokban a Tér és Társadalom és Pro Minoritate folyóiratokban kívánjuk megjelentetni. 7

8 Természettudományi Kar - Biológiai Intézet, Biokémiai Tanszék Kommunikációs útvonalak DNS-kötő fehérjékben Témavezető: Kovács Mihály A projekt célkitűzése A nukleinsavakat (DNS-t ill. RNS-t) kötő és módosító enzimfehérjék működése képezi számos alapvető életfolyamat (például DNS-másolás, génkifejeződés, génszabályozás, hibajavítás) alapját. E fehérjék nukleinsav-kötőhelye minden esetben kommunikációs kapcsolatban áll egy másik, a fehérje eltérő régiójában lévő kötőhellyel, amelyhez a nukleinsav módosításhoz szükséges kismolekula reagens, vagy a jeltovábbítás effektora kapcsolódik. A kötőhelyek közötti kommunikációs útvonalak azonban legnagyobbrészt felderítetlenek. E kapcsolatok felderítésével kívánjuk elősegíteni ipari és terápiás szempontból kulcsfontosságú nukleinsav-kötő fehérjék tervezett befolyásolását, szabályozását. Háttér Csoportunkban számos különböző élettani funkciót betöltő és eltérő nukleinsav-kötési és módosítási mechanizmust alkalmazó fehérje (egyszálú DNS-kötő fehérjék, rekombinázok, topoizomerázok és helikázok) vizsgálatát végeztük el. Ezek közül a helikáz enzimek, ezeken belül főleg a DNS-hibajavításban központi szerepet játszó RecQ-családbeli DNS-helikázok vizsgálatának szenteltünk kiemelt figyelmet. A RecQ család tagjai minden élő szervezetben megtalálhatók, és központi szerepet töltenek be a DNSkárosodások homológ rekombináción (HR) alapuló hibamentes javításában 1. Az emberi RecQ helikázok DNS-hibajavításban betöltött központi szerepét tükrözi, hogy az öt paralóg enzim közül háromnak a mutációihoz súlyos klinikai tünetegyüttesek társíthatók. E betegségek jellegzetes tünetei között szerepel a felgyorsult öregedés és a különböző ráktípusokra való fokozott hajlam. DNS-hibajavító működésüket a RecQ helikázok sokrétű molekuláris aktivitásaik révén fejtik ki. A RecQ helikázok hasonlóan számos más helikázhoz az ATP-hidrolízisből származó szabadentalpiát a kettősszálú nukleinsav-szakaszok szálainak önmagában energetikailag kedvezőtlen szétválasztására hasznosítják. A sokrétű aktivitások végrehajtása komplex fehérje-architektúrát igényel, amelyben az egyes szerkezeti régiókhoz különböző funkciók köthetők. A koordinált enzimatikus működéshez nélkülözhetetlen a fehérje különböző szerkezeti elemei, pl. a DNS- és ATP-kötő régiók közötti kommunikáció. Laborunk a kutatóegyetemi TÁMOP-pályázat kereteiben céljául tűzte ki a RecQ helikáz család működési mechanizmusának feltérképezését a bakteriális (E. coli) RecQ és humán BLM helikázok vizsgálatán keresztül. 8

9 Az E. coli RecQ és humán BLM helikázok transzlokációja egyszálú DNS-en A RecQ helikázok szálszétválasztási aktivitásunk során a kettősszálú DNS egyik szálán, azt sínként használva, 3-5 irányultságú haladásra képesek, melynek hatására a DNS két szála szétválik. Az egyirányú haladás ATP-hidrolízishez kötött. A helikázok egyszálú DNS-en történő haladását (transzlokáció) makroszkopikus transzlokációs paraméterekkel jellemezhetjük. Laborunk kifejlesztett egy olyan gyorskinetikai és steady-state technikákra alapuló módszeregyüttest és a hozzá tartozó elméleti hátteret, mellyel a helikázok makroszkopikus transzlokációs paraméterei meghatározhatók. Vizsgálataink kimutatták, hogy mind a BLM mind a RecQ helikáz processzivitása (várható futáshossza) alacsony. A BLM helikáz várható átlagos futási hossza 50 nukleotid, míg a RecQ helikáz nukleotidot tesz meg átlagosan a sínről való leválás előtt. A RecQ és BLM helikázok méréseink alapján egy ATP-hidrolízis eseményhez kapcsolva egy nukleotidot haladnak a DNS-szálon. E kapcsoltsági érték a helikázok araszoló transzlokációs mechanizmusára utal. Kommunikáció az ATP- és DNS-kötőhelyek között A DNS jelenléte mind a RecQ, mind a humán BLM helikáz esetében az ATP-hidrolízis sebességét százszorosára gyorsította. A BLM helikázzal végzett vizsgálataink rámutattak, hogy az enzim ATPáz ciklusának sebesség-meghatározó lépése mely feltehetőleg egy, az ADP hidrolízistermék felszabadulását megelőző szerkezeti átalakulás DNS-kötés hatására felgyorsul. A humán BLM helikáz esetében sikerült azonosítani azt a legkisebb fehérjeegységet, mely megőrizte az ATP-hidrolízis, a transzlokáció és a szálszétválasztás képességét is. A RecQ helikázok szerkezete és a szerkezeti dinamikája A RecQ helikáz család tagjai közül az E. coli RecQ és humán RecQ1 fehérjék motor-fragmentumainak kristályszerkezete ismert. E szerkezeteket alapul véve elkészítettük a BLM helikáz magi régiójának homológia-modelljét. Az elérhető szerkezeti különbségek felvetik a lehetőséget, hogy működésük során a RecQ helikázok doménjei egymáshoz képest elmozdulnak. E kérdést vizsgálva a BLM és RecQ fehérjék különböző régióiba helyezett fluoreszcens szenzorok segítségével nyertünk információt az enzimek korábban ismeretlen konformációs mozgásairól. Kitekintés Eredményeinket nemzetközi szakcikkekben és konferenciákon volt lehetőségünk ismertetni. Reményeink szerint eredményeink új nézőpontokkal gazdagítják mind a genomkarbantartó folyamatok, mind a fehérjenukleinsav kölcsönhatások megértését. Referált nemzetközi szakcikkek 1. Gyimesi, M., Sarlós, K., Derenyi, I., Kovács, M. (2010): Streamlined determination of processive run length and mechanochemical coupling of nucleic acid motor activities. Nucleic Acids Res. 38: e Gyimesi, M., Sarlós, K., Kovács, M. (2010): Processive translocation mechanism of the human Bloom s syndrome helicase along single-stranded DNA. Nucleic Acids Res. 38:

10 3. Gyimesi, M., Harami, G. M., Sarlós, K., Hazai, E., Bikádi, Z., Kovács, M. (2012): Complex activities of the human Bloom's syndrome helicase are encoded in a core region comprising the RecA and Zn-binding domains. Nucleic Acids Res Jan 16 [Epub ahead of print] 4. Sarlós, K., Gyimesi, M., Kovács, M. (2012): RecQ helicase translocates along single-stranded DNA with a moderate processivity and tight mechanochemical coupling. Proc. Natl. Acad. Sci. USA Jun 4. [Epub ahead of print] Médiamegjelenések 1. A motorenzimek szerepe a rákkutatásban. MTA-honlap, júl Mozgató enzimek. Figyelő, 55/ aug m1 Delta, okt Hibák a DNS-ben. ELTE-honlap, feb m1 Delta, ápr. 14. Konferencia-kivonatok 1. Gyimesi, M. Sarlós, K., Harami, G., Kocsis, Z., Kovács, M. (2010): Deciphering the mechanochemistry of RecQ-family DNA helicases. EMBO DNA Repair Meeting, Brno, Czech Republic 2. Gyimesi, M., Pires, R. H., Sarlós, K., Módos, K., Kellermayer, M. S., Kovács, M. (2010): The role of substrate induced oligomerization in the working mechanism of the human Bloom s syndrome DNA helicase (BLM). Annual Meeting of the Hungarian Biochemical Society, Budapest, Hungary 3. Gyimesi, M., Sarlós, K., Kovács, M. (2011): Two RecA domains comprise a minimal functional unit of the human BLM helicase. 55th Annual Meeting of the Biophysical Society, Baltimore, MD, USA 4. Sarlós, K., Gyimesi, M., Neuman, K.C., Kovács, M. (2011): Mechanochemistry of DNA helicases. HFSP Meeting, Montreal, Canada 5. Sarlós, K., Gyimesi, M., Neuman, K.C., Kovács, M. (2011): Temperature-dependent switch in the mechanochemical activity of RecQ helicases. Central European Meeting on Genome Stability and Dynamics, Bratislava, Slovakia 6. Gyimesi, M., Harami, G., Sarlós, K., Kovács, M. (2011): Basic homologous recombination activities can be performed by the minimal core of Bloom's syndrome helicase. Central European Meeting on Genome Stability and Dynamics, Bratislava, Slovakia 7. Kocsis, Z. S., Pintér, L., Haracska, L., Kovács, M. (2011): Non-canonical helicase in DNA repair. TÁMOP Meeting, Dobogókő, Hungary 8. Sarlós, K., Gyimesi, M., Kovács, M. (2011): Harnessing of chemical energy for mechanical work in DNA-restructuring enzymes. TÁMOP Meeting, Dobogókő, Hungary 9. Gyimesi, M., Sarlós, K., Harami, G., Kocsis, Z. S., Pires, R. H., Módos, K., Derényi, I., Kellermayer, M., Kovács, M. (2011): Stability and variability: genome-maintaining activities of DNArestructuring motor enzymes. TÁMOP Meeting, Dobogókő, Hungary 10. Harami, G., Gyimesi, M., Sarlós, K., Kovács, M. (2011): Functional anatomy of the human Bloom s syndrome helicase. FASEB Helicase Meeting, Steamboat Springs, CO, USA 11. Sarlós, K., Gyimesi, M., Pires, R. H., Módos, K., Kellermayer, M. S. Z., Kovács, M. (2011): Dynamic switch between assembly states of the human Bloom s syndrome helicase during homologous recombination. FASEB Helicase Meeting, Steamboat Springs, CO, USA 12. Kocsis, Z. S., Pintér, L., Haracska, L., Kovács, M. (2011): ATPase properties of a non-canonical helicase. FASEB Helicase Meeting, Steamboat Springs, CO, USA 13. Gyimesi, M., Harami, G., Sarlós, K., Roy, D., Kovács, M. (2011): Bloom s syndrome helicase: functional anatomy of a DNA-restructuring motor protein. Annual Meeting of the Hungarian Biochemical Society, Pécs, Hungary 10

11 14. Kocsis, Z. S., Pintér, L., Haracska, L., Kovács, M. (2011): ATPase properties of a non-canonical helicase. Annual Meeting of the Hungarian Biochemical Society, Pécs, Hungary 15. Harami, G., Gyimesi, M., Sarlós, K., Kovács, M. (2011): Enzymatic processes in DNA repair: Genome maintaining activities of RecQ helicases. 4th European Conference on Chemistry for Life Sciences, Budapest, Hungary 16. Kocsis, Z. S., Pintér, L., Haracska, L., Kovács, M. (2012): Mechanochemistry of the Rad5 doublestranded DNA translocase. 56th Annual Meeting of the Biophysical Society, San Diego, CA, USA 17. Harami, G., Gyimesi, M., Kovács, M. (2012): Mechanism of D-loop disruption by the human Bloom s syndrome helicase. 56th Annual Meeting of the Biophysical Society, San Diego, CA, USA 18. Gyimesi, M., Pires, R. H., Sarlós, K., Nagy, N. T., Módos, K., Kellermayer, M. S. Z., Kovács, M. (2012): Dynamic switch between assembly states of the human Bloom s syndrome helicase during homologous recombination. 56th Annual Meeting of the Biophysical Society, San Diego, CA, USA 19. Gyimesi, M., Harami, G., Pires, R. H., Sarlós, K., Hegyi, G., Módos, K., Kellermayer, M. S., Kovács, M. (2012): Mechanism of regulation of homologous recombination by the human Bloom s syndrome helicase. FEBS3+ Meeting, Opatija, Croatia 20. Kocsis, Z. S., Pintér, L., Haracska, L., Kovács, M. (2012): Mechanochemistry of the Rad5 doublestranded DNA translocase. FEBS3+ Meeting, Opatija, Croatia 11

12 Természettudományi Kar - Biológiai Intézet, Növényrendszertani, Ökológiai és Elméleti Biológiai Tanszék Anyagcsere hálózatok kialakulása Témavezető: Kun Ádám Az együttműködő, nagy specificitású enzimekből szerveződő összetett anyagcsere kialakulása egy, az élet keletkezésének megoldatlan rejtélyei közül. Feltételezve, hogy mindez az RNS világ időszakában történt tehát RNS molekulák az enzimek (ribozimek) és az információtárolók egyaránt az nukleotid hosszú ribozimekről, a kísérletes eredmények fényében elmondhatjuk, hogy gyorsak, specifikusak és a reakciók széles skáláját képesek katalizálni. Az anyagcsere kialakulásának nincs biokémiai akadálya. Ellenben a tárolt információt másolni és generációról generációra továbbörökíteni szükséges, amely folyamatok már több problémát vetnek fel. A korai RNS-t másoló rendszerek pontossága nem lehetett túl nagy, így a fenntartható információ mennyiségét a másolási pontosság határozza meg. Ismeretes, hogy bizonyos mutációs ráta felett másolási pontosság alatt az információ elveszik, ezt a határt nevezzük hibaküszöbnek. Jelenlegi ismereteink szerint legfeljebb körülbelül 700 nukleotid másolható egyben, a korai 95%-99%-os másolási pontosság mellett. Egy minimális, enzimből álló, anyagcsere kódolására ez a 700 nukleotid nem elegendő, ehhez legalább egy nagyságrenddel hosszabb RNS molekulára lenne szükség. In vitro szelekcióval létrehozott ribozimek elemzésével megmutattuk, hogy a katalitikus aktivitással rendelkező szerkezetek ellenállóbbak a mutációval szemben, mint a gyakori véletlen szerkezetek. Rövid szekvenciákra analitikusan megmutattuk, hogy a hibaküszöbbel legjobban a semleges egyszeres mutánsok aránya korrelál, ami lehetővé teszi a hibaküszöb egyszerű becslését hosszabb szekvenciákra is, amely esetekben az analitikus megközelítés technikailag nem megvalósítható. Az irodalomból ismert ribozimokra ez alapján megbecsültök a hibaküszöböt. A szekvenciák igen nagy százaléka stabilan másolható 95%-os pontosság mellett, s mindegyik fenntartható 99%-os másolási pontosságnál. Ez utóbbi a pontossága a legígéretesebb RNS függő, RNS polimeráz ribozimnak. Kijelenthetjük, hogy az egyes ribozimok különkülön másolását nem teszi lehetetlenné a hibakatasztrófa. A sejtes rendszer korai fejlődése szempontjából érdekesség, hogy akár 8 szekvencia is stabilan együtt élhet, mindenféle egyéb mechanizmus nélkül egy chemotonban (a sejtes élet legegyszerűbb modellje). Az RNS-eket felépítő négy bázis, mint négy különböző forrás szerepel, amelyeken az ökológiai együttélés szabályai alapján négy különböző "faj", Koegzisztencia Chemoton-modellben. itt gén élhet együtt. Viszont az RNS másolás egyik sajátossága, hogy a másolás eredménye a komplementer szál. Megmutattuk, hogy a paraméterek igen széles tartományában nem 4 egyedi RNS szál, hanem 4 RNS 12

13 szál pár él együtt. A szekvenciális megkötés (komplementaritás) ellenére akár 8 különböző szerkezet is jelen lehet, így lehetővé téve egy, a másolást és még pár kulcs reakció katalízisét lehetővé tevő protoanyagcsere létezését. Egymástól függetlenül, membránba zártan replikálva több enzim is fenntartható. A független replikáció következtében azonban a gyorsabban replikálódó (például rövidebb) gének kiszoríthatják a lassabbakat, így az információ elveszhet. A sejtek osztódásának és a gének leánysejtekbe való szegregációjának pontos szabályozása híján ugyancsak elveszhet információ. A belső kompetícióból és a szegregációs egyenletlenségből fakadó információvesztést neveztük el második hibaküszöbnek. Elsőként megállapítottuk, hogy akár 100 különböző, függetlenül replikálódó gén is fenntartható egy sejtben, amennyiben replikációs rátájuk nem különbözik, s minden génből átlagosan legalább száz másolat van a sejtben (osztódás előtt). Ez a 100 gén már elegendő egy minimális anyagcsere fenntartásához. Bár darabra elég különböző fajta enzim létezhetett az élet keletkezésének ezen szakaszában is, a speciális enzimek kialakulásához szükséges a kromoszóma megléte. Az enzimek (A) Függetlenül replikálódó gének esetén információvesztés lehet, amit (B) kevésbé kezdetben szükségképpen generalisták voltak. Az enzim - hatékony generalista enzimekkel lehet szubsztrát kapcsolat egy egyszerű modelljét alkalmazva kivédeni, vagy (C) a gének kromoszómába rendezésével. vizsgáltuk az enzim specializáció evolúcióját függetlenül replikálódó és kromoszómába szerveződő gének esetében. Modellünkben a teljes specializáció elvileg könnyen elérhető volt. Ennek ellenére a függetlenül replikálódó génekből már három sem tudott teljesen specializálttá válni. Az információvesztés lehetőségét egy ilyen rendszer a generalista enzimek fenntartásával kerüli el. A kromoszómába rendeződés mindkét hibaküszöb megoldását jelenti, s egyben lehetővé teszi a specializált enzimek megjelenését. Közel 30 Eubaktérium, Archaea és Eukarióta genom alapú anyagcsere-hálózata alapján kimutattuk, hogy az anyagcsere egyes részei replikátorként viselkednek. Univerzálisan jelen van minden élőlényben legalább egy ATP-t előállító autokatalitikus ciklus, így minden bizonnyal ez volt a legelső anyagcsere ciklus, amely kialakult. Ezen kívül csak koenzimek és fotoszintetikus élőlényekben a cukrok előállítása lehet autokatalitikus. Kutatásaink nagyban hozzájárultak az összetett anyagcsere kialakulásához vezető evolúció út megértéséhez. A kutatócsoport tagjai: Szilágyi András, Szendrei Dóra, Hubai András és Kun Ádám Publikációk és konferenciák Zachar I, Kun Á, Fernando, C. és Szathmáry E. Replicators - From molecules to organisms in Kernbach, S (ed.): Handbook of Collective Robotics: fundamentals and challenges. Pan Stanford Publishing, 2012 (nyomtatásban) Kun Á Az RNS világ. Természet Világa 142 (10): Kun Á., Szilágyi, A. Szathmáry E.: RNA structures and the error threshold. ISSOL and Bioastronomy Joint International Conference, Montpelier, Franciaország, július

14 Szilágyi, A., Kun Á. és Szathmáry E.: RNA structures and the error threshold. COST CM0703 Systems Chemistry Meeting, Crete, Greece, október Szilágyi, A., Kun Á. és Szathmáry E.: Evolution of complex metabolism. COST-ESF Systems Chemistry III, Crete, Greece, október Szilágyi A., Kun Á. és Szathmáry E. Early evolution of efficient enzymes and genome organization (benyújtva) Szilágyi, A., Kun Á. és Szathmáry E. RNA structures and the error threshold (benyújtva) Szilágyi A., Zachar I. és Szathmáry E. Numerical and analytical investigation of simple chemotons (előkészületben) Szendrei D. és Kun Á. The metabolic replicator (előkészületben) Hubai A., Zintzaras, E., Santos, M., Szathmáry E. és Kun Á. Maximal gene number maintainable by stochastic correction (előkészületben) 14

15 Természettudományi Kar - Biológiai Intézet, Biokémiai Tanszék Molekuláris kölcsönhatási ujjlenyomatok Témavezető: Málnási-Csizmadia András A gyógyszermolekulák a szervezetben számos fehérjével lépnek kölcsönhatásba, köztük nem kívánt mellékhatásokat kiváltó ún. antitarget fehérjékkel is. Az általunk fejlesztett Molecular Interaction Fingerprint (MIF, molekuláris kölcsönhatási ujjlenyomat) nevű eljárás képes az ideális targetprofillal rendelkező, az antitarget fehérjékhez kis affinitást mutató jelöltek szisztematikus szűrésére. A módszer a gyógyszerjelölt kismolekulák komplex interakciós ujjlenyomatát vizsgálja, ez alapján tesz predikciókat azok várható targetprofiljára az emberi szervezetben. A MIF módszer alapkoncepciója, hogy egy olyan komplex tulajdonság leírására, mint amilyen a hatásprofil vagy a targetprofil, hasonlóan komplex mintázatból kell kiindulni. Ennek érdekében a gyógyszereket, illetve gyógyszerjelölteket in silico profilozásnak vetjük alá: egy 150 elemű fehérjekészlet minden tagjához dokkolva a molekulát, előállítjuk annak interakciós ujjlenyomatát. A dokkolások nem célfehérjékre történnek; a használt fehérjék célja, hogy diszkriminátorfelületként funkcionálva a segítségükkel előállíthassuk a molekulák komplex viselkedési mintázatát. Kiindulási hipotézisünk szerint ezen in silico interakciós ujjlenyomatok hasonlósága a hatásprofilok/targetprofilok hasonlóságával jár együtt. A két mintázat korrelációját többdimenziós statisztikai módszerekkel vizsgáltuk, és bebizonyítottuk, hogy az in silico mintázat elégséges információt hordoz az ismert gyógyszermolekulák hatásprofiljának előrejelzéséhez. Eredményeinket bemutató közleményünk a Journal of Chemical Information and Modeling (JCIM) című folyóirat, a kémiai informatika és a molekulamodellezés tudományterületén a világ második legtöbbet hivatkozott periodika évi első számának címlapjára került (ábra, JCIM 2012, 52, ). A MIF módszer segítségével számos új hatást jósoltunk meg az ismert gyógyszerekhez, melyek drug repositioning keretében hasznosíthatók. In vitro robotizált tesztekben kísérletesen vizsgáltuk az előre jelzett hatásokat: az angiotenzin konvertáló enzim (ACE) és a ciklooxigenáz enzim (COX) gátlók esetében a jelöltek 60 ill. 47%-a mutatta a jósolt hatást, az előrejelzett dopeminerg hatást a jelöltek 84%-nál sikerült kimutatni. A kísérletek mellett számos predikciót szakirodalmi adatbányászattal is igazolni tudtunk. Kimutattuk továbbá, hogy a módszerünk teljesítménye jelentősen felülmúlja a konvencionális 2D és 3D deszkriptorokon alapuló predikciós eljárásokat (JCIM 2012, publikálásra elfogadva). A MIF módszer az eddigi empirikus összehasonlítások alapján, egyedülálló módon alkalmas a molekulák teljes hatásprofiljának, illetve targetprofiljának szisztematikus módon történő predikciójára. 15

16 Az in vitro tesztekkel párhuzamosan az általunk a közelmúltban kifejlesztett in vivo humanizált transzgénikus Caenorhabditis elegans tesztrendszerben is validáljuk predikcióinkat. A rendszer előnye, hogy a fonalférgeket a sejtvonalas tesztekkel közel megegyező módon és elemszámmal (high throughput) vizsgálhatjuk, ugyanakkor az állatkísérletekhez hasonlóan egy teljes organizmusban, adott esetben pl. intraszinaptikus receptorokon mérhetünk ki hatást (Nature Structural & Molecular Biology 2012, 19, ). 16

17 Természettudományi Kar - Biológiai Intézet, Biokémiai Tanszék Molekuláris felismerés lineáris motívumokkal: szerkezeti, termodinamikai és kinetikai alapelvek Témavezető: Nyitray László Az életfolyamatok molekuláris szintjén fehérje-fehérje kölcsönhatások (FFK) játsszák a főszerepet. A normális, vagy patológiás fehérjeműködések megértéséhez ismernünk kell azon alapelveket, amelyek meghatározzák egy-egy FFK erősségét és fajlagosságát. Egy ilyen megértés egyben olyan működésalapú gyógyszermolekulák fejlesztésének lehetőségét is ígéri, melyekkel célzottan beavatkozhatunk egyes életfolyamatokba. Vizsgálatainkban irányított evolúciós, bioanalitikai, fluoreszcens spektroszkópiai, klasszikus és gyorskinetikai, termodinamikai, szerkezeti biológiai (röntgenkrisztallográfia és NMR spektroszkópia), valamint bioinformatikai megközelítéseket ötvözünk. A kutatóegyetemi pályázatban kétféle motorfehérje-kapcsolt központi hub fehérje LPM-kötését tanulmányozzuk. A kiindulási modellek az LC8/DYLL fehérjék kölcsönhatási hálózata (amelyet eredetileg a dinein és a miozin-v motorfehérjék alegységeként írtak le) és az S100A4 (más néven metasztatin) fehérje, amely kötődik az ún. nem-konvencionális miozin-ii (NMIIA) motorfehérjéhez. Legfontosabb eredmények: A protein-ligandum kölcsönhatások kvantitatív jellemzésére alkalmas fluoreszcencia anizótrópia mérések adatfeldolgozására továbbfejlesztett módszert és programot dolgoztunk ki, amelyet több projekt esetében is alkalmazni tudunk a Biokémiai Tanszéken. Az LC8 dinein könnyű lánc (DYNLL) egy rendkívül konzervált eukarióta csomóponti ( hub ) fehérje, melynek számos kötőpartnere és funkciója ismert. Vizsgáltuk négy, különböző szekvenciával jellemezhető partner DYNLL2-höz történő kötődését. A komplexképződés általában entrópikusan és entalpikusan is kedvező. A legtipikusabb kötőmotívum ez alól kivétel: a reakció csak entalpikusan kedvező, ráadásul kinetikai méréseink szerint a komplex disszociációja ebben az esetben nagyságrendekkel lassabb. Vizsgáltuk bivalens ligandumok kötődését is. Ezek összehasonlítva a megfelelő monomerekkel két-három nagyságrenddel erősebb kötődést, azaz jelentős aviditást mutattak. A kinetikai mérések felfedték továbbá a partnerek kötődési mechanizmusának részleteit is, melyet az ún. konformációs szelekció modell segítségével lehet a legjobban leírni. Végül a DYNLL foszforilációs módosításának hatásait is vizsgáltuk a kötődésre; a foszforiláció a látszólagos affinitást két nagyságrenddel csökkentette. Új in silico módszert dolgoztunk ki in vitro evolúciós módszerrel (fág-bemutatás) előállított lineáris peptidmotívumok felhasználására kötőfehérje jóslás céljából, amelyet sikerrel alkalmaztunk a DYNLL csomóponti fehérje interakciós hálózatának a feltárásában. 17

18 Elvégeztük a DYNLL kötőmotívum első kvantitatív, a kötéspreferenciát feltáró vizsgálatát az említett irányított evolúciós módszerrel. Sikerült az eddig ismert legerősebb kötőpartnerrel összevetve több mint 20- szor erősebb peptidszekvenciát szelektálnunk. A kötéserősödés szerkezeti okát is feltártuk röntgenkrisztallográfia segítségével. Az S100A4 fehérje és a miozin IIa motorfehérje kölcsönhatásáról alapvetően új információkat tártunk fel. Kiderítettük, hogy a fehérjecsaládban eddig nem ismert módon egy S100A4 dimerhez csak egyetlen miozin peptid kötődik, ezáltal aszimmetrikussá téve a teljesen szimmetrikus dimert. A komplex atomi felbontású szerkezetét röntgenkrisztallográfiával határoztuk meg. További spektroszkópiai és kalorimetriás kísérleteink alapján modellt állítottunk fel, hogy az S100A4 kötődése milyen mechanizmussal vezet a miozin filamentumok széteséséhez. Az utóbbi folyamat végső soron a miozin gátlásához és az érintett sejtekben a sejtmigráció fokozódásához vezet. Mivel ez utóbbi folyamat számos humán patológiás esetben megtörténik az S100A4 túlműködése során, a részleteiben megismert fehérje-fehérje kölcsönhatás ismeretében a jövőben lehetőség nyílhat ennek gátlásával terápiás célú molekulafejlesztésre is (az ilyen jellegű kutatásokat a jelen projekt folytatásaként meg is kezdtük). A kutatócsoport tagjai: Radnai László tanársegéd, Süveges Dániel PhD, Rapali Péter predoktor, Kiss Bence predoktor, Bakos Andrea MSc-hallgató, Biri Beáta MSc-hallgató, Nyitray László Kiemelt publikációk: Radnai et al. (2010) J.Biol.Chem., 285: Rapali et al. (2010) PLoS One, 18;6(4):e18818 Rapali et al. (2011 FEBS J, 278(17): Rapali et al. (2012) Biochem. Biophys. Res. Comm., 414(3):493-8 Kiss et al. (2012) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109(16): Doktori diszertációk: Süveges Dániel, 2011 Hódi Zsuzsa, 2012 (eljárás folyamatban) Radnai László, 2012 (eljárás folyamatban) Rapali Péter, 2012 (eljárás folyamatban) Kiss Bence, 2012 (eljárás folyamatban) 18

19 Természettudományi Kar - Fizikai Intézet, Atomfizikai Tanszék Extragalaktikus asztrofizika Témavezető: Frei Zsolt Tényleges háromdimenziós térkép csak az 1980-as években készült először az Univerzum nagyléptékű szerkezetéről, a galaxisok térbeli elhelyezkedéséről. Az ún.,,cfa slice'' volt az első olyan felmérés, ahol nemcsak a galaxisok éggömbre vetített pozícióját, hanem távolságát is megmérték. A Hubble-törvényen - technikailag a vöröseltolódás spektroszkópiai úton történő mérésén - alapuló távolságmeghatározást akkor még csak 1100 galaxison lehetett elvégezni. Hasonló technológiával az ún.,,,pencil beam survey'' már távolabbi galaxisok távolságát is mérte, de mindössze egyetlen szűk (1 négyzetfokos) irányban. Az igazi, az éggömb egynegyedét lefedő háromdimenziós térképre 2005-ig kellett várni. A Sloan Digital Sky Survey (SDSS) ekkor fejezte be az öt éven át tartó adatgyűjtést, és az adatfeldolgozás elvégzése után a térkép a közelmúltban vált publikussá. A kutatóegyetemi TÁMOP-projekt keretében csatlakoztunk a Pan-STARRS galaxistérképező együttműködéshez, amely az SDSS galaxistérkép megalkotásában elért kiemelkedő sikerű részvételünk (Csabai István és munkatársai) szerves folytatása. A Pan-STARRS kamerája 1.4 gigapixeles, a távcső látómezeje 3 fokos. Az első olyan természettudományos kísérlet lesz, amely valóban petabyte-nyi adatot szolgáltat! Az amerikai légierő azért finanszírozta a távcső kifejlesztését (ezt a munkát Nick Kaiser vezette a Hawaii Egyetemről), hogy rendszeresen fel lehessen mérni a teljes égboltot, és időbeli változásokat meg lehessen figyelni. Fontos feladata a távcsőnek a Földet potenciálisan veszélyeztető aszteroidák megtalálása. Emellett az asztrofizika szinte minden területén hasznosíthatók lesznek az adatai (ez fotometria, spektroszkópja nincs). A lehetséges területeket jól mutatja a Pan-STARRS 12 ún. Key Project -je, amelyek sora a belső Naprendszertől indul, és az Univerzum nagyléptékű szerkezetéig tart. 1. ábra: balra a PS1 kompozit anyagból készült kupolája a villámhárítókkal Mauin, jobbra az 1.4 gigapixeles kamera kiolvasó számítógépei a távcsövön. (Frei Zsolt felvételei) Konkrétumok: mivel a PS1 távcsöve nem rendelkezik spektroszkópiai észlelésre alkalmas műszerrel, csak szélessávú fotometriai mérésekre és régebbi spektroszkópiai égfelmérések adataira hagyatkozhatunk. Korábban már dolgoztunk az ún. photo-z eljáráson. Ennek lényege, hogy a pontos szélessávú fotometriai mérések lehetővé teszik, hogy a megfigyelt objektumok vöröseltolódását elméleti vagy empirikus modell 19

20 galaxisok spektrális energia-eloszlásainak illesztésével becsüljük meg. Ugyanez a módszer alkalmazható a vöröseltolódáson túl más fizikai paraméterek meghatározására is. Terveink szerint a Sloan Digital Sky Survey spektroszkópiai adataiból olyan empirikus kompozit spektrum atlaszt készítünk, ami lefedi a közeli és közepesen távoli univerzumban megfigyelhető galaxisokat. A jövőben ezen atlasz segítségével fogjuk a PS1 által megfigyelt galaxisok vöröseltolódását és egyéb paramétereit megbecsülni. A projekt keretében összeállítottunk egy galaxisok kompozit spektrumaiból álló atlaszt. Az atlasz az SDSS égtérképezés keretében megfigyelt spektrumokat veszi alapul, és 34, előre definiált galaxisosztályra tartalmaz robusztusan átlagolt kompozitokat. Olyan égtérképek esetében, mint például a Pan-STARRS, amely nem készít spektrumokat, az atlasz hasznosítható lesz a fotometrikus vöröseltolódás-becslési eljárások során. A spektrumatlaszt rangos asztofizikai folyóiratban publikáltuk [L. Dobos, I. Csabai, C-W. Yip, T. Budavári, V. Wild, A. Szalay: A high-resolution atlas of composite Sloan Digital Sky Survey galaxy spectra, 2012 MNRAS 420 pp ] Az atlasz spektrumai a címen szabadon elérhetőek. A nagy asztrofizikai égtérképek által összegyűjtött adatmennyiség feldolgozása komoly számítástechnikai kihívást is jelent. Több hullámhossz-tartománybeli mérések együttesen használó tanulmányokhoz szükség van a megfelelő csillagászati katalógusokban szereplő objektumok összepárosítására. Az összepárosítást a mért égi koordináták alapján végezzük, ami tekintve a pozíciómérés bizonytalanságát nem triviális probléma. Relációs adatbázis-kezelőkre építve valósítottuk meg az új generációs elosztott SkyQuery rendszert, ami egy publikus szolgáltatásként lehetőséget a biztosít a csillagász közösség számára, hogy részben a Virtuális Obszervatórium eszközeit felhasználva minden kutató önmaga végezhesse el a katalógusok keresztazonosítását. A SkyQuery rendszere több adatbázis-szerver egyidejű alkalmazásával éri el a feladat párhuzamosítását; ez a technológiai az informatika területén is a fontos kutatási témának számít. A SkyQuery-ről a természettudományok és az informatika határterületével foglalkozó SSDBM konferenciára küldtünk be publikációt, mely elfogadásra került. [L. Dobos, T. Budavári, N. Li, A. Szalay, I. Csabai: SkyQuery: An Implementation of a Parallel Probabilistic Join Engine for Cross-Identication of Multiple Astronomical Databases, th SSDBM conference, Crete, Greece] Kovács András doktorandusznak sikerült bekapcsolódnia a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzással kapcsolatos kutatómunkába. A projekt elsődleges célja az volt, hogy a háttérsugárzás mérései alapján a korai Univerzumban uralkodó egyenletességet teszteljük. Előzetes eredményeinkből TDK dolgozat született, mely 1. díjban részesült a kari tudományos diákköri konferencián, majd 3. helyezést ért a XXX. OTDK-n 2011 áprilisában. A munka folytatásaként a szakdolgozatában további statisztikai teszteket végzett el, ezáltal sikerült jobban megérteni a háttérsugárzás adatainak kezelését. A munkát nagyban előrelendítette egy a program által támogatott három hetes külföldi tanulmányút a University of Hawaii asztrofizikai kutatóintézetében, melynek során a szakdolgozatban is vizsgált, általunk kifejlesztett új adatfeldolgozási módszert sikerült pontosítani, illetve tesztelni is az adatokon (kapocsolódó cikk: Kovács, A. és társai - Cosmology with Gamma-Ray Bursts Using k-correction, Acta Polytechnica Vol. 51, pp No. 2/2011. :

21 Természettudományi Kar - Fizikai Intézet, Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék Komplex rendszerek vizsgálata Témavezető: Jánosi Imre Komplex sodródási jelenségek, skálázás, lassú oszcillációk és konvekció a légkörben és az Atlanti óceánban A kutatócsoport tagjai: Haszpra Tímea, Homonnai Viktória, Jánosi Imre, Tél Tamás, Várai Anita, Vincze Miklós Az előző két év alatt elvégzett munka legnagyobb része a légkör és az óceánok áramlási jelenségeivel kapcsolatos. Címszavakban a legfontosabb eredményeink a következők: Behatóan tanulmányoztuk passzív részecskék sodródási mechanizmusát laboratóriumi kísérletek 1 illetve számítógépes szimulációk 1,6 segítségével. Ez utóbbi vizsgálatokhoz az ECMWF ERA-40, illetve ERA- Interim adatbázisokban található szélmező idősorokat használtuk fel, ezek több évtizedes időtartamot és globális lefedettséget biztosítanak számos magassági szinten. Sikerült igazolnunk, hogy a laboratóriumi modell és a valódi szélmezőben történő sodródás dinamikája lényegében azonos (kvázi geosztrofikus turbulencia) 1, illetve kimutattuk az ún. Batchelor féle pár-diszperzió jelenlétét a légkörben 6. Numerikus szimulációk segítségével leírtuk vulkáni hamurészecskék terjedését a troposzféra magasabb rétegeiben 3. A makroszkópikus szemcsék mérettől függő, véges idő alatt kiülepednek, vertikális mozgásuk nem elhanyagolható. Sikeresen modelleztük az izlandi Eyjafjallajökull 2010-es hamufelhőjének terjedését 3, illetve a fukushimai baleset során kiszabadult radioaktív szennyezés mozgását is (1. ábra). 1. ábra. Balra: Radioaktív szennyező felhő a Fukushima reaktorbaleset utáni napon (2011. március 16.) turbulens diffúzió figyelembe vételével. A színezés részecskesűrűséget kódol. Jobbra: Radioaktív szennyeződés Stockholm felett. A pontok mérési adatok, a folytonos vonalak sodródási szimulációk eredményei. (Haszpra T., Tél. T., 2012.) 21

22 A vulkáni hamu sokféle folyamat részese a légkörben. Egy kapcsolódó vizsgálat során választ kerestünk arra a kérdésre, vajon kimutatható-e fokozott villámtevékenység nagyobb részecskekoncentráció jelenlétében. Ehhez a WWLLN globális villám adatbázis idősorait használtuk fel, valamint konkrét észleléseket nagyobb mértékű hamu kilövellésekről. Nem sikerült a hipotézist igazolni, ami nem jelenti azt, hogy nem is létezik, de minden bizonnyal nem meghatározó a villámtevékenység erősségénél 4. A sodródási folyamatok nagymértékben meghatározzák a sztratoszferikus ózonkoncentráció térbeli és időbeli változását is. Egy globális kémiai klímamodell által generált és főleg műholdas méréseken alapuló empirikus idősor spektrális és korrelációs tulajdonságait hasonlítottuk össze. Ennek során detektáltuk a modell ismert hiányosságát, mely szerint az egyenlítői övben hiányzik a kvázi-kétéves oszcilláció. Emellett sikerült új anomáliákat felfedezni, például a féléves periódusú szezonális komponens földrajzilag eltolva jelentkezik a modellben, illetve a Tibeti-fennsík fölött. A globális korrelációs tulajdonságok ezektől a hibáktól eltekintve megegyeznek a mérési adatokéval (2. ábra). 2. ábra. Teljes ózon oszlop idősoraiban detektált féléves oszcillációk spektrális súlya műholdas észleléseknél (NIWA adatbázis, balra), illetve az LMDz-REPROBUS kémiai klímamodell adatainál. (Homonnai V. Jánosi I, 2012.) A Nagy Óceáni Szállítószalag nevű globális áramlás két fontos aspektusát vizsgáltuk laboratóriumi, illetve numerikus modellek segítségével. Először is elemeztük az ún. Több Évtizedes Atlanti-óceáni Oszcilláció adatsorait (az északi medence tengerfelszín hőmérsékletének átlagán alapul) és kimutattuk, hogy a látszólagos periodikus ingadozás mögött egyszerű véges méret effektus állhat 4. Az alapjelenséget sikeresen reprodukáltuk laborban. Másodszor, numerikus modell és laborkísérletek (3. ábra) segítségével igazoltuk, hogy a tengerfenéken található forró folt elősegítheti a mélységi konvekció kialakulását azokon a területeken, ahol a felszíni víztömegek leszálló mozgást végeznek

23 3. ábra. Balra: A Nagy Óceáni Szállítószalag sematikus vázlata. Jobbra: konvekciós kísérlet felszíni hőmérsékleti gradiens és lokalizált also hőforrás esetén. (Jánosi I., Várai A., Vincze M., 2010.) 1 I. M. Jánosi, P. Kiss, V. Homonnai, M. Pattantyús-Ábrahám, B. Gyüre, and T. Tél: Dynamics of passive tracers in the atmosphere: laboratory experiments and numerical tests with reanalysis wind fields. Physical Review E, 82, (2010). 2 M. Vincze, and I. M. Jánosi: Is the Atlantic Multidecadal Oscillation (AMO) a statistical phantom? Nonlinear Processes in Geophysics, 18, (2011). 3 T. Haszpra, and T. Tél: Volcanic ash in the free atmosphere: A dynamical systems approach. IOP Journal of Physics: Conference Series, 333, (2011). 4 A. Várai, M. Vincze, J. Lichtenberger and I. M. Jánosi: Search for possible relationship between volcanic ash particles and thunderstorm lightning activity. IOP Journal of Physics: Conference Series, 333, (2011). 5 M. Vincze, A. Várai, E. Barsy, and I. M. Jánosi: The effect of a localized geothermal heat source on deep water formation. Nonlinear Processes in Geophysics, 18, (2011). 6 T. Haszpra, P. Kiss, T, Tél, and I. M. Jánosi: Pair dispersion in the atmosphere: Batchelor scaling. International Journal of Bifurcation and Chaos, accepted for publication (2012). 23

24 Természettudományi Kar - Fizikai Intézet, Biológiai Fizika Tanszék Nagy adatbázisokon alapuló hálózatok statisztikus fizikai modellezése, klaszterezése és dinamikája Témavezető: Vicsek Tamás A kutatóegyetemi TÁMOP-projekt Nagy rendszerek a természettudományokban és számítógépes szimulációjuk alprojektjében dolgozó csoport Vicsek Tamás akadémikus, egyetemi tanár vezetésével dolgozott. A csoporton belül több kutatási téma futott párhuzamosan, amelyek mind egy általános problémakör különböző aspektusok szerinti megközelítései. A pályázat során született eredményeinket több konferencia-előadáson, poszteren és publikációban ismertettük. Az alábbiakban a legkiemelkedőbb eredményekből ismertetünk néhányat. 1. Hálózatok irányíthatósága Nepusz T., Vicsek T.: Controlling edge dynamics in complex networks. Nature Physics 2012 doi: /nphys2327 A természetben előforduló és az ember alkotta összetett rendszerek vizsgálata során gyakran találkozunk azzal a megközelítéssel, hogy a rendszert sok, egymáshoz hasonló elem hálózataként fogjuk fel. Ilyen megközelítéssel vizsgálható például az élő szervezetek sejtjeiben a fehérjék és a köztük fellépő páronkénti kölcsönhatások rendszere, a társadalom egyénei közötti társas kapcsolatok hálózata, vagy éppen az Internetre csatlakoztatott számítógépek közötti kommunikáció mechanizmusa. Kutatásunk során azt vizsgáltuk, hogy az ily módon alkotott hálózatok mennyire könnyen vagy nehezen irányíthatóak, azaz a hálózat mekkora hányada felett kell "átvenni az irányítást" ahhoz, hogy a hálózat éleit tetszőleges állapotból tetszőleges másik állapotba vezérelhessük. A vizsgálatok azt mutatták, hogy a legtöbb, valós életben előforduló hálózat könnyebben irányítható, mint a hasonló méretű, de teljesen véletlenszerűen összekötött hálózatok - erre a leglátványosabb példát a különféle organizmusok (például kólibaktérium és élesztőgomba) génregulációs hálózatai szolgáltatják, amelyek abszolút értelemben is könnyen irányíthatóak. Ez utóbbi nem meglepő, hiszen ezen hálózatok célja ténylegesen valamilyen folyamat irányítása. Szimulációk segítségével azt is megmutattuk, hogy egy hálózat könnyebben irányíthatóvá válik, ha a hálózat csomópontjai szétválaszthatóak irányító jellegű (sok kimenő és kevés bejövő kapcsolattal rendelkező) és befogadó jellegű (sok bejövő és kevés kimenő kapcsolattal rendelkező) csomópontokra. 24

25 1.ábra: Egy hálózat könnyebben irányítható, ha jelentősen eltérő ki- és befokszámú csúcsokra bontható 2. Ontológiák és címke-statisztikák kapcsolata G. Tibély, P. Pollner, T. Vicsek and G. Palla: New Journal of Physics 14, (2012). Egyre növekvő népszerűségnek örvendenek azok az internetes alkalmazások, ahol a felhasználók szabadon írhatnak néhány szavas megjegyzést, véleményt, téma-besorolást egy-egy képhez, szöveghez vagy weboldalhoz. A legtöbb ilyen rendszerben a címkék egyszerű halmazként vannak kapcsolva az adott objektumhoz, nincs semmiféle reláció (általános, speciális, függő, független, stb.) nyilvántartva a leíráshoz használt szavak között. A nagy adatbázisokon dolgozó keresési vagy klaszterezési eljárások hatékonyságát jelentősen javítani lehetne, ha a rendezetlen, egymás közti függőségi kapcsolatokat nem tartalmazó adatokból össze lehetne állítani egy ontológiát, amely a címkék viszonyait jól leírja. Kutatásunk során olyan rendszereket vizsgáltunk, ahol nagy mennyiségű címkézett objektumról állnak rendelkezésre részletes adatok, illetve a címkék egymásközti hierarchikus relációi is ismertek. Célunk az volt, hogy a címkék előfordulási statisztikája és az ontológiában elfoglalt pozíció közti kapcsolatot számszerűsíthetően jellemezzük. Eredményünk szerint a címkék együttes előfordulását sokkal inkább az ontológiában elfoglalt relatív pozícióik határozzák meg, mint az ontológiában elfoglalt abszolút pozíciók. 25

26 2.ábra: A címke együttes előfordulások eloszlása az ontológiában elfoglalt relatív pozíciójuk szerint: az egyik címkétől eljutunk a másik címkéig, ha az y koordinátának megfelelő lépést teszünk meg az ontológiában felfelé a legközelebbi közös kiinduló-pontig, majd az x koordinátának megfelelőt lefelé. Az a) ábrasorozat a valós adatsoron mért statisztikát, a b) és c) egy-egy véletlenszerűsített modellen mért statisztikát mutatnak, a d) ábrasorozat az eltéréseket mutatják az a) és b) sorozat között. 3. Proteinek és jelátviteli útvonalak kapcsolatainak elemzéséhez online alkalmazás Farkas I J, Szántó-Várnagy Á, Korcsmáros T: PLoS ONE 7, e36202 (2012) Orvosbiológiai kísérletekben gyakran vizsgálják a fehérjefunkciók módosulásait. Ezek a módosulások a jelátviteli útvonalakat is jelentősen befolyásolhatják, amelyek a sejtszintű folyamatokban váratlan változásokhoz vezethetnek. Ezeknek a változásoknak a jóslásához, a kísérletekben tervezett módosítások várható hatásainak figyelembe vételéhez készítettünk egy online alkalmazást, amely a weboldalon érhető el. Az alkalmazás több adatbázis összeillesztésével és statisztikai szignifikancia-tesztek automatikus számításával segíti az érdeklődő kutatók munkáját. 26

27 Természettudományi Kar - Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék Regionális éghajlatszimulációk ENSEMBLE típusú klímamodellegyüttesekkel Témavezető: Bartholy Judit A globális éghajlati modellekkel készített klímabecslések pontossága regionális térskálán nem megfelelő. Ezért a finomabb skálájú légköri folyamatokat leíró korlátos tartományú beágyazott modellek szimulációi a globális modellek eredményeit bemenő paraméterként használják fel. Az Európai Unió támogatásával 2004 és 2009 között megvalósult ENSEMBLES projekt 25 km horizontális felbontást alkalmazó regionális klímamodellek közötti szimulációit készítette el a teljes európai térségre. A szimulációs futtatásokhoz a regionális klímamodellek számára szükséges meghajtó kezdeti- és peremfeltételeket három különböző globális modell szolgáltatta: (1) a brit Hadley Központ által kifejlesztett HadCM, (2) a német Max-Planck Intézet által fejlesztett ECHAM és (3) a francia Météo-France modellje, az ARPEGE. A modellfuttatások mind a közepesnek tekinthető A1B szcenáriót alkalmazták, mely a légköri szén-dioxid koncentráció-szintjének valamelyest lassuló ütemű növekedését vetíti előre, s 2100-ra már meghaladhatja a 700 ppm-et (ez a 280 ppm-es preindusztriális szint több mint kétszerese). Munkacsoportunk vizsgálatai során a Kárpát-medence térségére elemeztük a hőmérsékleti és csapadékviszonyok éves, évszakos és havi skálán várható változását a XXI. századra a finom térbeli felbontású regionális modell-outputok felhasználásával. Az eredmények (ld.:ábra) mind a négy évszakban egyértelmű melegedést valószínűsítenek, melynek mértéke a hazai rácspontok átlagát tekintve a század végére elérheti a 4-6 C-ot. A legnagyobb mértékű melegedésre nyáron számíthatunk. A hazai csapadékviszonyokra vonatkozóan a modellszimulációk becslései nagyobb bizonytalanságot tartalmaznak. A legnagyobb valószínűséggel a időszakra várható nyári szárazodás és téli csapadéknövekedés becsülhető, mely az éven belüli eloszlás módosulásához vezet. Mind a magasabb hőmérsékletekkel, mind a csapadékkal kapcsolatban az extrém éghajlati események XXI. századi gyakoriságnövekedésére számíthatunk, mely a társadalom egésze és a gazdaság számos ágazata számára komoly alkalmazkodást, s a tervezési stratégiák átgondolását igényli. 27

28 DJF 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% -40% Várható hőmérsékletváltozás ( C) % JJA 20% 10% 0% -10% -20% -30% -40% Várható csapadékváltozás Várható csapadékváltozás 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% -40% 10% 0% -10% -20% -30% -40% MAM Várható hőmérsékletváltozás ( C) % SON 20% (A grafikonokon látható körök az egyes modellszimulációk által a időszakra becsült változásokat jelzik, a háromszögek pedig a időszakra várható változásokat. Referencia időszak: ) A munkacsoport elemzéseit tartalmazó legfontosabb publikációk: Bartholy J., Bozó L., Haszpra L., szerk. (2011): KLÍMAVÁLTOZÁS Klímaszcenáriók a Kárpátmedence térségére. MTA és ELTE Meteorológiai Tanszék, Budapest. 281p. Bartholy J., Pongrácz R., Pieczka I., Torma Cs. (2011): Dynamical downscaling of projected 21st century climate for the Carpathian Basin (chapter 1). In: Climate Change Research and Technology for Adaptation and Mitigation. (eds: Blanco, J., Kheradmand, H.) InTech, Rijeka, Slovenia. pp Pieczka, I., Pongrácz, R., Bartholy, J. (2011): Comparison of simulated trends of regional climate change in the Carpathian Basin for the 21st century using three different emission scenarios. Acta Silvatica et Lignaria Hungarica, 7, pp Pongrácz R., Bartholy J., Miklós E. (2011): Analysis of projected climate change for Hungary using ENSEMBLES simulations. Applied Ecology and Environmental Research, 9 (No.4), pp

29 Természettudományi Kar - Földrajz- és Földtudományi Intézet, Csillagászati Tanszék Kozmikus struktúrák térbeli és időbeli felbontása és modellezése űrcsillagászati mérések felhasználásával Témavezető: Petrovay Kristóf A földi laboratóriumainkban megszokott léptékekhez képest az égitestek vizsgálata során egészen más mérettartományban dolgozunk. Ez lehetőséget kínál tudományos ismereteink kiterjesztésére olyan tartományokba, melyek földi vizsgálatok számára nem hozzáférhetőek. Az Univerzum megfigyelhető, sugárzó anyaga zömmel többé vagy kevésbé ionizált gáz, azaz plazma halmazállapotú. Az ilyen gázban zajló áramlások mágneses tereket keltenek, melyek viszont visszahatnak az áramlásokra: az áramlások ezt figyelembe vevő leírása a magnetohidrodinamika (MHD) tárgya. A hatalmas méretek folytán továbbá a kozmikus áramlások rendszerint erősen turbulensek, vagyis bennük számos különböző léptékű mozgás van egyidejűleg jelen, melyek mérete sok nagyságrendet átfog. A magnetohidrodinamikai turbulencia tehát az Univerzumnak a gravitáció mellett egyik legfontosabb szervezőelve, struktúraképző folyamata. Kutatócsoportunk célja a kozmikus objektumokban zajló turbulens struktúraképződési folyamatok vizsgálata numerikus szimulációk és, főként műholdas észlelési adatok elemzésével. A turbulens mozgások óriási szabadsági foka azaz a bennük egyidejűleg zajló, erősen csatolt, különböző léptékű mozgásformák nagy száma az ilyen vizsgálatokat mind elméleti, mind megfigyelés és adatfeldolgozási oldalról rendkívül számításigényessé teszi. A témában a projekt első évében többek között az alábbi vizsgálatokat végeztük: A Nap és a csillagok belsejében zajló kompresszibilis magnetokonvekció numerikus szimulációja A magnetohidrodinamikai egyenleteket ennek során masszívan parallelizált Boltzmann-rácskóddal oldjuk meg. Eredményeink szerint kellően erős mágneses tér esetén a granuláris szerkezetű konvekció helyett kisléptékű konvekció lép fel keskeny, elszigetelt oszlopokban, míg egy átmeneti térerő-tartományban mindkét fajta konvekció fellép a fluidum különböző tartományaiban (fluxusszeparáció). Az alábbi ábra a magneto-konvektív réteg függőleges metszetén mutatja a sebesség- (bal) és a mágneses térerősségvektorok (jobb) eloszlását a szimuláció egy pillanatában, felülről lefelé haladva növekvő általános térerősség mellett. A korábbi vizsgálatokhoz képest újdonság, hogy azonosítottunk egy olyan további átmeneti térerőtartományt, ahol a kisléptékű konvektív elemek és a granuláris konvekciót mutató foltok között szerves átmenet, oda-vissza irányú fejlődés figyelhető meg. 29

30 Rámutattunk, hogy a napfoltok umbrájában uralkodó viszonyok éppen ezen átmeneti tartománynak felelnek meg, ami megmagyarázhatja az umbrákban nagyfelbontású földi és űrtávcsövekkel megfigyelt finomszerkezet egyes vonásait. A Nap nyugodt fotoszférájában megfigyelt mágneses tér léptékfüggésének vizsgálata A mért mágneses fluxussűrűség megfigyelt felbontásfüggése az ún. kioltási függvény. Analitikusan megmutattuk, hogy bizonyos egyszerű feltevések (önhasonló, fraktális térszerkezet és kellően lapos mágneses energiaspektrum) teljesülése esetén egyszerű, direkt összefüggés van a mágneses energiaspektrum illetve a kioltási függvény kitevői között. Az összefüggés aszimptotikus érvényességét egyszerű, de igen számításigényes Monte-Carlo szimulációk keretében megerősítettük, s az összefüggést numerikusan az általánosabb esetre is megnéztük. Megvizsgáltuk továbbá a véletlenszerű zaj hatását és a fázisviszonyokat is, valamint optimalizáltuk a számítási igényeket. Eredményeinket nemzetközi napfizikai konferencián mutattuk be poszteren. Az eredmények kapcsolatát különféle MHD turbulenciamodellekkel is vizsgáltuk, valamint összevetettük a témában megjelent szakirodalommal. A csillagközi anyag struktúráinak vizsgálata A csillagközi felhők a csillagkeletkezés színterei, ezért az ilyen kutatásoknak ünmagukon túlmutató jelentősége van. Az ESA Planck-Herscel űrprogramjában a Galactic cold cores key project (Galaktikus hideg felhőmagok kulcsprojekt) keretében vizsgáltuk az ESA Planck űrtávcsöve által felfedezett hideg, kompakt objektumokat (C3PO). Ezek eloszlásában nagyobb skálán a galaktikus hurkok helyzetével korreláló egyenetlenségeket mutattunk ki, míg kisebb skálán csoportokat találtunk a legkisebb kifeszítő fa (MST) módszer segítségével. A közeg fraktál tulajdonságait is megadtuk. Infravörös fotometriai adataik alapján több tízezer fiatal csillagjelöltet azonosítottunk. A Taurus-Auriga-Perseus-Orion égi területen több mint 100 fiatal csillagot sikeresen modelleztünk, fizikai paramétereiket megfelelő pontossággal meg tudtuk határozni felfedve ezzel a C3PO objektumok csillagkeletkezési aktivitását. 30

31 A képen a C3PO objektumok felületi sűrűsége (narancsos) a galaktikus hurkokon többletet mutat a Taurus- Perseus-Auriga-Orion égi területen. Egy tipikus hideg C3PO felhőcsomó Herschel SPIRE kompozit képén összetett filamentáris szerkezetetet látunk, a legsűrűbb felhőmagoknál az asszociált fiatal csillagokkal (piros keresztek). Az eredményeket tíz nemzetközi konferencián előadásokban és posztereken, valamint több referált publikációban mutattuk be, két konferenciát magunk szerveztünk. Hat hallgatót, három doktori hallgatót kapcsoltunk be a mérésekbe és modellezésbe. 31

32 Természettudományi Kar - Földrajz- és Földtudományi Intézet, Geofizikai és Űrtudományi Tanszék Geofizikai áramlási és hullámterjedési modellek Témavezető: Timár Gábor Csoportunk a projekt keretében a címben jelzett két kutatási irányban dolgozott. Ennek során a következő kutatási területeken értünk el eredményeket. Geofizikai paraméterbecslés Madarakon rögzített hely- és irány meghatározó műszerek adatainak kiegyenlítése a repülési út nagypontosságú meghatározására A projekt biofizikai csoportjának kutatási programjában szerepelt galambcsoportok repülési dinamikájának vizsgálata annak megállapítására, hogy vannak-e domináns, a többiek repülési pályáját saját röptükkel meghatározó egyedek a közösen repülő csoportban, és ha igen, akkor milyen számban. Ennek során egész madárcsoportot láttak el helymeghatározó (GPS) és irány meghatározó (giroszkóp) műszerekkel. A helymérések eredményéből az irányadatok elvileg származtathatók, az alkalmazott GPS műszer relatíve nagyobb mérési hibája és mintavételi időköze miatt azonban a gyakorlatban a két mérési adat közös feldolgozásra szükséges: a giroszkóp adatainak felhasználásával nemcsak a pozícióadatok interpolációja, de kismértékű korrekciója is lehetővé válik. A módszer nemcsak madarak, de kisméretű, jellemzően ember nélküli, távvezérlésű repülőszerkezetek esetében is alkalmazandó, ez ma kurrens kutatási területnek számít, a partner kutatócsoport tevékenységét pedig érdemben segítette. A geofizikai inverzió (paraméterbecslés) geometriai háttere matematikai modelljének pontosítása A geofizikai inverzió során a Föld megismerni kívánt háromdimenziós darabjára vonatkozó mérési eredményeinket egy általunk felállított geometriai-fizikai modellel vetjük össze, amelynek a valóság végtelen összetettségéhez képest csak néhány, a mérési adatokból megbecsülhető geometriai és fizikai paramétere (például vízszintesnek feltételezett homogén rétegek vastagsága és fajlagos ellenállása) van. Ezek megbecslése során a felállított egyszerűsítő modell válaszát számítjuk különféle paraméter-kombinációk esetén, és minimumkeresési eljárásokkal próbáljuk kiválasztani azt a paraméter-együttest, amely a valós mérési eredményeinket a legjobban közelíti. Csoportunk e folyamatban a modellválaszok geometriai terének metrikáit finomította mélyfúrásokban végzett mérések feldolgozására azzal a gyakorlati céllal, hogy az eredményekből kimutatható kőzetporozitás és víztelítettség adatait mintegy 10%-kal pontosítani lehessen. Ez a pontosságnövekedés a szénhidrogén-telepek potenciális méretének meghatározásakor jelentős, a kitermelés lehetőségét és gazdaságosságát érdemben befolyásoló eredmény (Balázs, 2012). 32

33 A műholdas termésbecslési eljárás pontosítása A műholdak a növényzet állapotát folyamatosan képesek követni, a felszíni felbontásuk és a leképezett terület kiterjedése függvényében akár naponta is. Adataik feldolgozásában legfontosabb jellemzőik a térbeli és spektrális felbontás, vagyis az, hogy a műholdfelvételen mekkora a képpontok felszíni métere és hogy ezen képek hány, egymástól független hullámhossz-tartományban készülnek el. A projekt keretében a kutatócsoport megkezdte és a kukorica esetében el is készítette a korábban megalkotott, a NOAA-AVHRR műholdakra (1 kilométer felszíni felbontás, 5 független hullámhossz-tartományban észlelés) kidolgozott eljárásunk átkalibrálását és adaptálását az ELTE műholdvevő állomásán szintén vett MODIS-felvételekre (a legjobb felbontású csatornákon 250 méter, a legtöbb hullámsávon 1 kilométer felszíni felbontás, 36 független hullámhossz-tartományú észlelés). Földi, statisztikai adatokkal történő összehasonlítás során bebizonyosodott, hogy a módszer növeli a termésátlag-becslés pontosságát, legutóbbi eredményeink pedig azt mutatják, hogy a tisztán MODIS-alapú becslési modell nemcsak az AVHRR-alapúnál, de a két műholdrendszer adatait kombináló modellnél is pontosabb eredményeket szolgáltat (Bognár et al., 2011). Folyadékáramlási modellek A földköpenyben zajló termo-kémiai konvekciós folyamatok modellezése A földköpeny (Földünk néhány tíz kilométerestől mintegy 2900 kilométeres mélységig terjedő gömbhéja) közvetíti az alatta elhelyezkedő mag többlet-hőenergiáját a felette található földkéreg, és így a felszín irányába. Régóta ismert, hogy a viszkózus köpenyben a hőközvetítés konvekcióval történik; a kialakult áramlási rendszer hajtja a felső köpenyre és a kéregre kiterjedő lemeztektonikai folyamatokat, ismertebb nevén a kontinensvándorlást. A köpenykonvekció kutatásának alapvető eszköze a jellemzően nagy számításigényű két- vagy háromdimenziós numerikusmodellezés. Csoportunk a projekt keretében olyan modellek futtatását végezte el, amelyek a földköpeny hőmérséklete mellett a kémiai összetételre vonatkozó információkat is tartalmaznak, kimutatva a földköpeny és a földmag határán kialakuló átmeneti réteg stabil és instabil állapotát befolyásoló fizikai környezeteket és az így kialakuló konvekciónak a köpeny tetejét elérő hőáramképét. A Pannon-medence meanderező vízfolyásainak kanyarfejlettségének kapcsolata az aktív geológiai szerkezetekkel A vízfolyások morfometriai jellemzői információt szolgáltatnak a folyásirányukba eső terület geológiai viszonyaira, konkrétan a függőleges kéregmozgások jellegére. Az aktívan emelkedő és süllyedő területeket érintő folyók alakja reagál e változásokra: a kanyargó (meanderező) vízfolyások kanyarfejlettsége kimutathatóan módosul. Kutatásunk során egyrészt szisztematikusan összevetettük térségünk meanderező folyóinak (a folyószabályozás előtti állapotra érvényes) érdemi térbeli kanyarfejlettség-módosulásait és ezek egybeesését ismert geológiai szerkezetekkel, hogy összegyűjtsük e szerkezetek jelenkori aktivitásának indikációit. Emellett megalkottunk egy skálafüggetlen, a vízfolyások vízhozama által lényegében nem befolyásolt jellemzőt a kanyarfejlettség helyről helyre történő leírására (Petrovszki et al., under review). 33

34 Publikációk Balázs, L. (2012): The geometrical background of inversion. Acta Geodaetica et Geophysica Hungarica 47(2): Bognár, P., Ferencz, Cs., Pásztor, Sz., Molnár, G., Timár, G., Hamar, D:, Lichtenberger, J., Székely, B., Steinbach, P., Ferencz, O. E. (2011): Yield forecasting for wheat and corn in Hungary by satellite remote sensing. International Journal of Remote Sensing 32: Petrovszki, J., Székely, B., Timár, G. (in review): A systematic overview of the coincidences of river sinuosity changes and tectonically active structures in the Pannonian Basin. Global and Planetary Change. 34

35 Természettudományi Kar - Földrajz- és Földtudományi Intézet, Meteorológiai Tanszék Skálafüggő időjárási és szennyezőanyag-terjedési folyamatok modellezése Témavezető: Weidinger Tamás Weidinger Tamás 1, Ács Ferenc 1, André Karolin 1, Balogh Miklós 2, Bordás Árpád 1, Breuer Hajnalka 1, Décsei Anna 1, Grosz Balázs 1, Gyöngyösi András Zénó 1, Gyuró György 1, Kolozsi-Komjáthy Eszter 1, Kugler Szilvia 1, Horányi András 3,4, Lagzi István 1,5, Laza Borbála 1, Leelőssy Ádám 1, Mészáros Róbert 1, Pinto Joseph 6 és Tasnádi Péter 1 1 ELTE Meteorológiai Tanszék, 2 BMGE Áramlástani Tanszék, 3 Országos Meteorológiai Szolgálat, 4 ECMWF, Reading UK, 5 BMGE Fizika Intézet, 6 US EPA, Research Triangle Park, North Carolina, USA Kutatócsoportunk öt, egymással szorosan kapcsolódó tématerületen dolgozik: i) különböző skálájú időjárás előrejelző, illetve ii) szennyezőanyag-terjedési modellek fejlesztése és adaptálása, iii) csatolt modellszimulációk és iv) érzékenység-vizsgálatok, v) turbulens kicserélődés és határréteg mérések, teszt adatbázisok építése. Lehetővé vált a Kárpát-medencére vonatkozó WRF időjárás előrejelző modell napi rendszeres futtatása mind az ELTE Meteorológiai Tanszék számítógépes rendszerén, mind az ELTE Atlasz szuperszámítógépén. A naponta kétszer frissülő analízis- és előrejelzési térképek, diagramok ( hasznos információkat tartalmaznak a vitorlázórepülők számára is. Naponta készülnek Mosonmagyaróvár térségére szélenergia termelési előrejelzések. Az Enercon E40-es és a E70-es szélgenerátor (600 KW-os és 2 MW-os Vestas turbina) üzemeltetője felhasználja az előrejelzéseket, cserébe rendelkezésre állnak a szélturbinák mérései. Az Országos Meteorológiai Szolgálat szakembereivel együttműködve adaptáltuk az ottani előrejelző modell oktatási változatát (ALADIN/CHAPEAU) és kifejlesztettünk egy egységes modellfuttatási és megjelenítő rendszert. A modellproduktumokat felhasználjuk i) a kihullható víztartalom számítására, a hazai GNSS mérőhálózatból származtatott adatok verifikálására (OTKA-pályázat), illetve a csatolt meteorológiai ökológiai (WRF-DNDC) modell futtatására. Ez utóbbi esetében a cél a talaj nitrogén háztartásának a modellezése volt (FP6-NitroEurope program). Új kutatási irányt jelent a CMAQ regionális terjedési modell (nyomanyagok, aeroszol részecskék) adaptálása, amihez a meteorológiai adatmezőket a WRF, míg a háttér levegőkörnyezeti mezőket a GEOS-Chem modell szolgáltatja. A modellezéshez szükséges referenciaadatok részben meteorológiai adatbázisokból, részben saját nyomanyag árammérésekből származnak. 35

36 A felszíni energiamérleg komponensek mérése és modellezése, a talajfolyamatok parametrizálása a konvekció erősségén keresztül hatással van a csapadék mennyiségre és a planetáris határréteg fejlődésére. E tématerületet az általunk fejlesztett 1 dimenziós modellel, illetve a WRF modellkísérletekkel elemezzük. A számításokat az OMSZ korszerű határréteg méréseivel (rádiószonda, windprofiler, radiométer) vetjük össze. Kutatási és mérési tapasztalatainkra támaszkodva az elmúlt években Mészáros Róbert és Lagzi István vezetésével kifejlesztésre került a szennyezőanyagok légköri terjedésének és az általuk okozott környezeti terhelés szimulálására alkalmas TREX (TRansport-EXchange) modellcsalád. Különböző szimulációkat végeztünk lokális, regionális és kontinentális skálán. Ez alapvetően kétfajta vizsgálatot jelent: egyrészt eseti (baleseti) kibocsátások során a légkörbe jutó szennyeződések diszperziójának becslését, másrészt a folyamatos környezeti terhelés számítását. Az egyes kutatási irányok kapcsolatrendszerét az 1839-ben felfedezett ózon példáján szemléltetjük. Foglalkozunk i) a történeti (XIX. századi) mérések feldolgozásával, az ii) alapterhelés meghatározásával. Modellfuttatásokat végzünk iii) a regionális ózon-koncentráció és ülepedés becslésére, az iv) FP7 ECLAIRE program keretében mérjük az ózonfluxust, s v) az éghajlati modelladatok és a TREX modellrendszerre támaszkodva becslést adunk a várható változásokra. a) b) c) d) 1. ábra. a) A WRF modellel készült időjárás előrejelzés meteogramja, b) ózon ülepedési sebesség várható változása között, a nyári évszakban, éghajlati modell adatok alapján. c) Az MM5 modellel szimulált napi csapadékintenzitás érzékenységi vizsgálata különböző felszíni paraméterek és fizikai parametrizációk szerint én. d) Az OpenFOAM modellel készített szélmező nyugat-keleti irányú metszete 4 m/s erejű keleti szél esetén a Paksi Atomerőmű területén. 36

37 Fontosnak tartjuk a kutatási eredmények hasznosulását i.) a fiatal kutatók nevelésében (egy megvédett és egy beadott PhD-dolgozat, három sikeres doktori szigorlat), ii.) az egyetemi oktatásban (2 beadott habilitációs pályázat, numerikus modellezési speciális kollégium, TDK Nyári Iskola (2010 és 2012), 30 feletti elkészült diplomamunka, 18 TDK dolgozat) és iii.) a gyakorlati feladatokban (napi szélenergia termelési és vitorlázórepülők számára készülő előrejelzések, határréteg magasság számítás, szennyezőanyag terjedési szimulációk pl. Paks, Fukushima) is. Részt veszünk hazai és külföldi konferenciákon, közreműködünk oktatási ( és nemzetközi tudományos konferenciák szervezésében ( Hangsúlyt fektetünk referált cikkek (14, If.: 18,2), könyvfejezetek (2) írására. Kutatásainkat hazai (3 OTKA, 2 TÁMOP) és nemzetközi pályázatok (EU7 ECLAIRE) segítik. Közreműködünk a GLOBE nemzetközi környezeti nevelési programban. A kutatócsoport tagjainak a munkáját számos díjjal, (OTDK és OFKD I. díjak és helyezések, Katasztrófavédelmi Tudományos Tanács pályázata II. díj, Élet és Tudomány, OTKA cikkpályázat III. Díj) és kitüntetéssel (Környezetvédelmi Műszaki Felsőoktatásért, Pro Meteorologia, Steiner Lajos Emlékérem, MMT Szakirodalmi Nívódíj) ismerték el. A Leelőssy Ádám, Mészáros Róbert és Lagzi István által jegyzett Short and long term dispersion patterns of radionuclides in the atmosphere around the Fukushima Nuclear Power Plant című cikk a elmúlt negyed évben a Journal of Environmental Radioactivity folyóirat (If.: 1,48) húsz legtöbbet letöltött cikke között szerepelt. 37

38 Természettudományi Kar - Kémiai Intézet, Fizikai Kémiai Tanszék A kvantumkémia negyedik és ötödik korszaka Témavezető: Császár Attila A kutatóegyetemi TÁMOP-pályázat támogatásának feltüntetésével összesen 18 angol nyelvű közleményt 1-18 közölt a csoport 2011-ben illetve 2012-ben hatástényezővel rendelkező nemzetközi folyóiratokban, és továbbiak vannak megjelenés alatt, illetve előkészületben. Elért eredményeinkről emellett számos nemzetközi és hazai konferencián előadások és poszterek formájában is beszámoltunk. Az alábbiakban a legfontosabb eredmények rövid összefoglalása következik. A csoport tagjai: Dr. Czakó Gábor, Fábri Csaba, Dr. Furtenbacher Tibor, Dr. Mátyus Edit, Szidarovszky Tamás A csoport tevékenységének egyik legfontosabb eredménye a Phys. Chem. Chem. Phys. folyóirat szerkesztőinek kérésére írott összefoglaló közlemény, mely The Fourth Age of Quantum Chemistry: Molecules in Motion címmel 2012 januárjában jelent meg 7 és a kutatócsoport utóbbi időkben végzett tevékenységét foglalja össze. A közlemény 2011 decemberében a folyóirat második legtöbbet letöltött cikke volt, az eltelt rövid időszakban a közleményre már öt hivatkozás (ebből három független) érkezett. A közlemény definiálja a szakirodalom számára is a kvantumkémia negyedik korszakának fogalmát, mely elfogadásra talált a kutatók körében. A MARVEL (measured active rotational-vibrational energy levels) algoritmus újragondolásával, egy nagyságrendekkel gyorsabban dolgozó programrendszert hoztunk létre, 16 mely lehetővé teszi a legnagyobb méretű spektroszkópiai adatbázisok valós idejű kezelését. Ehhez kapcsolódóan több közleményben 4,9 bevezettük a spektroszkópiai hálózat (SN) fogalmát, mely véleményünk szerint jelentősen meg fogja változtatni a spektroszkópiai mérési eredmények kezelésének technikáját. Az SN-ek és a MARVEL program segítségével remény nyílt arra, hogy a spektroszkópiai adatbázisok tartalmát validálni és bővíteni lehessen a lehető legegyszerűbb módon. Eredményeink hozzájárultak a legfontosabb üvegházhatású molekula, a H 1 2 6O spektroszkópiai adatainak eddig nem ismert teljességű és pontosságú meghatározására. 38

39 Kiemelt jelentőségű publikációt közöltünk 8 a Phys. Rev. Lett. folyóiratban a csillagközi tér kémiáját meghatározó H + 3 molekulaion spektroszkópiája kapcsán, mely az eddig valaha több-atomos molekulára előállított legpontosabb potenciális energia felületen (PES) alapul. Tevékenységünk fontos részét képezte a kvantumkémia magmozgásokkal foglalkozó ága eszköztárának továbbfejlesztése. Megoldottuk molekulák rezgő és forgó mozgásának hatékony együttes kezelését, 1,10 mely megteremtette az alapokat az egzotikusnak számító kvázikötött (rezonancia) állapotok pontos kvantumkémiai számításához. 2 Teljes-dimenziós ab initio PES-t fejlesztettünk ki az O( 3 P) + metán reakcióra, mely pontos dinamikai számításokat tesz lehetővé és tovább fejlesztheti alapvető ismereteinket a reakciók mód-specifikus dinamikájáról. Az elméleti eredmények igazolták a korábbi kísérleti spekulációt, miszerint a CH nyújtási rezgés gerjesztése az O( 3 P) + CHD 3 = OH + CD 3 reakcióban megnöveli a reaktív ütközési paraméter tartományt, ezáltal növelve a reakció sebességét. Az eredményeket a világ egyik vezető tudományos folyóirata közölte. 18 A projekt futamideje alatt két PhD dolgozat született, az egyiket Fábri Csaba, a másikat Szidarovszky Tamás adta be az ELTE Kémiai Doktori Iskolájába 2012 májusában ben Dr. Czakó Gábor elnyerte az ifjúsági Polányi-díjat. 1. C. Fábri, E. Mátyus, and A. G. Császár, Rotating Full- and Reduced-Dimensional Quantum Chemical Models of Molecules, J. Chem. Phys. 2011, 134, N. F. Zobov, S. V. Shirin, L. Lodi, B. C. Silva, J. Tennyson, A. G. Császár, and O. L. Polyansky, First- Principles Rotation-Vibration Spectrum of Water Above Dissociation, Chem. Phys. Lett. 2011, 507, J. Sarka, A. G. Császár, and P. R. Schreiner, Do the Mercaptocarbene (H-C-S-H) and Selenocarbene (H- C-Se-H) Congeners of Hydroxycarbene (H-C-O-H) Undergo 1,2-H-Tunneling?, Coll. Czech Chem. Comm. 2011, 76(6), A. G. Császár and T. Furtenbacher, Spectroscopic Networks, J. Mol. Spectrosc. 2011, 266, C. Fábri, E. Mátyus, T. Furtenbacher, B. Mihály, T. Zoltáni, L. Nemes, and A. G. Császár, Variational Quantum Mechanical and Active Database Approaches to the Rotational-Vibrational Spectroscopy of Ketene, J. Chem. Phys. 2011, 135, J. Demaison, A. G. Császár, L. D. Margulès, and H. D. Rudolph, Equilibrium Structures of Heterocyclic Molecules with Large Principal Axis Rotations upon Isotopic Substitution, J. Phys. Chem. A 2011, 115, A. G. Császár, C. Fábri, T. Szidarovszky, E. Mátyus, T. Furtenbacher, and G. Czakó, Fourth Age of Quantum Chemistry: Molecules in Motion, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14(3), M. Pavanello, L. Adamowicz, A. Alijah, N. F. Zobov, I. I. Mizus, O. L. Polyansky, J. Tennyson, T. Szidarovszky, A. G. Császár, M. Berg, A. Petrignani, A. Wolf, Precision Measurements and Computations of Transition Energies in Rotationally Cold Triatomic Hydrogen Ions up to the Mid-Visible Spectral Range, Phys. Rev. Lett. 2012, 108, T. Furtenbacher and A. G. Császár, The role of intensities in determining characteristics of spectroscopic networks, J. Mol. Struct. (Boris Galabov Special Issue) 2012, 1009, V. Szalay, T. Szidarovszky, G. Czakó, and A. G. Császár, A Paradox of Grid-Based Representation Techniques: Accurate Eigenvalues from Inaccurate Matrix Elements, J. Math. Chem. 2012, 50, D. Barna, B. Nagy, J. Csontos, A. G. Császár, and G. Tasi, Benchmarking Experimental and Computational Thermochemical Data: A Case Study of the Butane Conformers, J. Chem. Theory Comp. 2012, 8,

40 12. A. G. Császár, Anharmonic Molecular Force Fields, WIREs Comput. Mol. Sci. 2012, 2, I. Szabó, C. Fábri, G. Czakó, E. Mátyus, and A. G. Császár, Temperature-Dependent, Effective Structures of the 14 NH 3 and 14 ND 3 Molecules, J. Phys. Chem. A 2012, 116(17), T. Szidarovszky, C. Fábri, and A. G. Császár, The Role of Axis Embedding on Rigid Rotor Decomposition (RRD) Analysis of Variational Rovibrational Wave Functions, J. Chem. Phys. 2012, 136, O. L. Polyansky, N. F. Zobov, I. I. Mizus, L. Lodi, S. N. Yurchenko, J. Tennyson, A. G. Császár, and O. V. Boyarkin, Global Spectroscopy of the Water Monomer, Phil. Trans. R. Soc. A 2012, 370, T. Furtenbacher and A. G. Császár, MARVEL: Measured Active Rotational-Vibrational Energy Levels. II. Algorithmic Improvements, J. Quant. Spectr. Rad. Transfer (Flaud, Camy-Peyret, Barbe Special Issue) 2012, 113, M. Pavanello, L. Adamowicz, A. Alijah, N. F. Zobov, I. I. Mizus, O. L. Polyansky, J. Tennyson, T. + Szidarovszky, A. G. Császár, Calibration-quality adiabatic potential energy surfaces for H 3 and isotopologues, J. Chem. Phys. 2012, 136, G. Czakó and J. M. Bowman, Dynamics of the O( 3 P) + CHD 3 (v(ch)=0,1) reactions on an accurate ab initio potential energy surface, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109,

41 Természettudományi Kar - Kémiai Intézet, Fizikai Kémiai Tanszék Molekulák elektronszerkezetének megértése Témavezető: Szalay Péter A kvantumkémia Magyarországon hagyományosan magas színvonalon művelt kutatási terület. A molekuláris szintű hazai elméleti kutatások kezdeti lépéseit többek között Pulay Péter, Török Ferenc, Kapuy Ede, Gáspár Rezső nevéhez köthetjük. Az Elméleti Kémiai Laboratórium mai munkatársai (Szabados Ágnes, Fogarasi Géza, Surján Péter és Szalay Péter) a nagy elődök vetette alapokon folytatnak aktív kutatásokat mind az egyre pontosabb közelítő módszerek kidolgozásában, mind érdekes kémiai problémák elméleti módszerekkel történő vizsgálatában. A Nagy rendszerek a természettudományokban és számítógépes szimulációjuk" alprojekt keretében a Laboratórium munkatársai a "Molekulák elektronszerkezetének megértése" témacím alatt számos eredményt értek el, melyekről referált nemzetközi folyóiratokban megjelent 13 közleményben számoltak be és további 4-5 munka van előkészületben, illetve referálás alatt. Terjedelmi korlátok miatt a jelen kivonatban két munkát mutatunk be részletesen. DNS és RNS építőkövek gerjesztett állapotai A gerjesztett állapotok leírásához először a hidratált citozin komplexek alapállapotú egyensúlyi szerkezeteit határoztuk meg. A citozin körül fokozatosan, egytől hatig növeljük a vízmolekulák számát. Az MP2 szinten, aug-cc-pvdz bázissal kapott optimális szerkezetek azt mutatják, hogy a citozin lényegében három pozíción tud vízmolekulát kötni, a három pozíció közül kettő jóval hatékonyabb a harmadiknál. Az A pozíción egy N1-H donor és egy C2=O akceptor funkció szerepel, míg a B pozíció N3 akceptor, NH2 donor karakterrel rendelkezik. A több vízmolekulát tartalmazó komplexeket a kötőhelyek A, B, C megjelölése alapján osztályozhatjuk. A dihidrátok között találunk AA, AB és AB szerkezetűeket, a trihidrátok AAA, AAB vagy ABB típusba sorolhatók. A több, 4, 5, 6 vizet tartalmazó hidrátoknál már csak egyegy optimális geometriát határoztunk meg, amelyek a fenti tapasztalatok alapján valószínűleg a legelőnyösebb elrendezést jelentik. Míg a tetrahidrát szerkezete AABB típusú, a pentahidrátnál a C kötőhely is szerepet kap: itt AABBC helyet foglalnak el a vízmolekulák. Az optimális szerkezetben a hatodik vízmolekula is közvetlen kötést alakít A citozin AABBC szerkezetű pentahidrátja. ki a citozinnal, további vízmolekulák beépítése már valószínűleg csak a második koordinációs szférába lehetséges. Az energetikára vonatkozó vizsgálat szerint a vízmolekulák kötődési energiája jó közelítéssel a molekulák számával skáláz, feltéve, hogy a vízmolekulák között fellépő kölcsönhatást is figyelembe vesszük. 41

42 A nukleotid felé történő első lépés a nukleozid, a pirimidin bázis és egy cukormolekula együttesének vizsgálata. A bázis, ill. a cukor gyűrűjének relatív helyzete alapján syn és anti konformációt szokás megkülönböztetni. Az optimális szerkezetek energiáját összevetve, az anti forma bizonyul alacsonyabbnak, a különbség 4.4 kcal/mol. Ez nagyjából egy H-kötés energiája, ami azt jelenti, hogy természetes környezetben is csak erős intermolekuláris hatás esetén várható eltérés ettől a konformációtól. Algoritmus fejlesztés az ultrahideg atomi gázok Bose-Hubbard modelljének egzakt megoldására Bár a Hubbard-modell rendkívül egyszerű, ennek segítségével pi-elektronrendszerek, például fullerének, nanocsövek elektronszerkezetének jellegzetességei megragadhatók. Megfelelő parametrizációval a kiterjesztett (extended) Hubbard modell akár kvantitatív következtetésekre is lehetőséget ad. Az ultrahideg atomi gázok modellezése is olyan terület, ahol a Hubbard-modell nagy jelentőséggel bír. A modell alkalmazásakor az atommagot és az összes körülötte keringő elektront kezeljük együtt, mint egyetlen részecskét. A kísérletekben tipikusan olyan alkálifém-atomokat vizsgálnak, melyek eredő spinje egész szám. Az elméleti megközelítésben ezért Bose-statisztikát követő, egész spinű atomokat, részecskéket tekintünk. A lézerrel hűtött, optikai rácsban csapdázott atomi rendszerekkel kapcsolatos egyik érdekes kérdés, hogy vajon könnyedén elmozdulnak az atomok a rácsban vagy sem. A két szélsőséget a szuperfolyékony illetve a Mott-szigetelő fázis valósítja meg. Megfelelő közelítések bevezetésével mindkét fázis jól leírható, anélkül, hogy a modell egzakt megoldását megadnánk. Nem ez a helyzet azonban, ha köztes állapotot vagy éppen a fázisátmenetet akarjuk vizsgálni. Ilyen Az ALPS és a saját fejlesztésű (direkt esetben szükség lehet az egzakt megoldás előállítására. Davidson)eljárás memória igénye az atomok számának függvényében A Laboratóriumban kidolgozott megoldás kiindulópontja a (N).Összehasonlításképp szerepel a teljes Hamilton-mátrix tárolásának igénye az ábrán. kvantumkémikus irodalomban az 1970-es években megjelent direkt iteratív diagonalizáció algoritmusa. Ezt a technikát adaptáltunk a bozon-algebra esetére. Az általunk végzett implementáció a rendszer Bose-Hubbard energiaszintjeit és sűrűségmátrixát állítja elő. Algoritmusunk a felhasznált memória, és a számítási idő tekintetében is hatékonyabb a szabad forrású Algorithms and Libraries for Physics Simulations (ALPS) programnál. Az egzakt megoldás ismeretében a szuperfolyékony és a Mott-szigetelő fázis közötti átmenet megbízható módon vizsgálható. A kutatás további iránya a lineáris transzformációt leíró mátrix ritkaságának kiaknázása lehet. Erre vonatkozóan Laboratóriumunkban születtek korábban eredmények, a molekuláris elektronszerkezet leírása kapcsán. 42

43 Természettudományi Kar - Kémiai Intézet, Fizikai Kémiai Tanszék Reakciókinetikai szimulációk nagyméretű reakciómechanizmusokkal gyorsan és pontosan Témavezető: Turányi Tamás A reakciókinetikai méréseket szokás közvetlen (direkt) és közvetett (indirekt) kategóriákba sorolni. A direkt mérések célja egy reakciólépés sebességi együtthatójának meghatározása az adott mérési körülményeknél (például hőmérséklet, nyomás, hígító-gáz) olyan módon, hogy a mérések eredményét csak egy vagy nagyon kevés reakciólépés sebességi együtthatója határozza meg. A mérésről beszámoló cikkek általában táblázatosan közlik a mért reakciósebességi együtthatókat. A reakciósebességi paraméterek meghatározása szempontjából indirekt mérések olyan eredményeket szolgáltatnak (például koncentrációprofilok reaktorban, lángsebesség vagy gyulladási idő), amelyek csak egy soklépéses, részletes reakciómechanizmus felhasználásával végzett szimuláció eredményével hasonlíthatók össze. A gázfázisú reakciókinetikában a részletes reakciómechanizmusokban alkalmazott sebességi paramétereket általában a direkt mérések eredménye alapján határozták meg, míg a kapott mechanizmusokat az indirekt mérések eredményével ellenőrizték. Egy másfajta megközelítésnél a direkt mérések eredményét csak a kezdeti mechanizmus felállítására használták, és a sebességi paraméterek értékét az indirekt mérések eredményei alapján, illesztéssel határozták meg. Mindkét megközelítés azzal járt, hogy egy adott reakciórendszerre a rendelkezésre álló kísérleti információnak csak egy részét használták fel. Egy új megközelítést javasoltunk, aminek az a lényege, hogy a közvetlen és közvetett mérésekből származó mérési adatokat azonos módon kezeljük. Ilyen módon egy adott reakciórendszerhez sokkal több kísérleti információt tudunk figyelembe venni. A módszer fejlesztése során kidolgoztunk egy új globális paraméterbecslési módszert, a korábbiaknál pontosabb módon számítjuk a sebességi paraméterek korrelációs mátrixát, és a paraméterek hibájára vonatkozó információt átszámítjuk a gázkinetikában hagyományosan alkalmazott f hőmérsékletfüggő bizonytalansági paraméterre is. A kifejlesztett módszereket alkalmaztuk a hidrogén égésének két kulcsreakciója (H + O 2 = OH + O és H + O 2 +N 2 = HO 2 + N 2 ), valamint a ciklohexán és 1-hexén hőbomlása néhány fontos reakciólépése sebességi paramétereinek meghatározására. Folyamatban van a módszer alkalmazása az etil-jodid hőbomlási kinetikájának vizsgálatára. Tapasztalatunk szerint az általunk meghatározott értékek sokkal pontosabbak, mint az eddig ismert irodalmi adatok. 43

44 Jelentős haladást értünk el, de még nem fejeztük be a mechanizmusoptimalizálási módszer alkalmazását további kémiai rendszerekre, így a hidrogén, a szénmonoxid és a metanol égésének leírására tág hőmérséklet, kezdeti összetétel és nyomástartományban. Ennek a munkának az eredményei új, az eddigieknél pontosabb reakciómechanizmusok lesznek ezen alapvető tüzelőanyagok égésének leírására. A kapott mechanizmusok felhasználásával hatékonyabb és kisebb környezeti terheléssel járó égetőberendezéseket és gázturbinákat lehet majd tervezni. A kifejlesztendő reakciómechanizmusokat össze kívánjuk hasonlítani mások által közölt reakciómechanizmusokkal, amihez egy új módszert és számítógépi programcsomagot kidolgoztunk ki. Ezt a módszert hidrogén- és szénmonoxid-égési mechanizmusok vizsgálatával teszteltük. Kiválasztottunk 13 hidrogénégési mechanizmust és 9 szénmonoxid-égési mechanizmus, melyek többségét az elmúlt évtizedben közölték. A mechanizmusokkal kapott szimulációs eredményeket nagyszámú (mintegy 120 irodalmi közleményből származó ~ 3000 mérési adattal) hasonlítottuk össze. A felhasznált mérési adatok tartalmaztak lángsebesség, gyulladási idő, jólkevert-reaktor (PSR) és csőreaktor méréseket. A szimulációs és mérési adatok eltérését lehet csoportosítani a mérési körülmények (hőmérséklet, nyomás és reakcióelegy összetétele) szerint és az eltéréseket minden mechanizmusnál megvizsgáltuk. A módszerrel olyan kérdések vizsgálhatók, hogy például mely reakciómechanizmusok adnak pontosabb leírást adott hőmérséklet- és nyomástartományban, valamint hogy melyek a hasonlóan viselkedő mechanizmusok. A kifejlesztett eljárás hatékony eszköz lehet reakciómechanizmusok teszteléséhez, összehasonlításához és továbbfejlesztéséhez. A kutatás résztvevői: Cserháti Mátyás, Nagy Tibor, Pálvölgyi Róbert, Sedyó Inez, Turányi Tamás, Varga Tamás, Zsély István Gyula Főbb közlemények: T. Nagy, T. Turányi Uncertainty of Arrhenius parameters Int. J. Chem. Kinet., 43, (2011) L. Varga, B. Szabó, I. Gy. Zsély, A. Zempléni, T. Turányi Numerical investigation of the uncertainty of Arrhenius parameters J. Math. Chem., 49, (2011) T. Turányi, T. Nagy, I. Gy. Zsély, M. Cserháti, T. Varga, B.T. Szabó, I. Sedyó, P. T. Kiss, A. Zempléni, H. J. Curran Determination of rate parameters based on both direct and indirect measurements Int. J. Chem. Kinet., 44, (2012) I. Gy. Zsély, T. Varga, T. Nagy, M. Cserháti, T. Turányi, S. Peukert, M. Braun-Unkhoff, C. Naumann, U. Riedel Determination of rate parameters of cyclohexane and 1-hexene decomposition reactions Energy, 43, (2012) 44

45 Természettudományi Kar - Matematikai Intézet, Alkalmazott Analízis és Számításmatematikai Tanszék; Valószínűségelméleti és Statisztika Tanszék Matematikai módszerek a nagy rendszerek vizsgálatában Témavezető: Faragó István Kutatócsoportunk három résztémában folytatott kutatásokat. Az első résztémában numerikus megoldási módszereket konstruáltunk egyes valós nemlineáris problémákat modellező parciális differenciálegyenletrendszerekre. Az egyik ilyen feladat a légszennyezés terjedését leíró, a Danish Eulerian Modelre alapuló nemlineáris parabolikus rendszer. Módszerünket implicit idődiszkretizáció, véges elemek, csillapított Newtoniteráció és belső prekondicionált konjugált gradiens-módszer segítségével konstruáltuk. A légszennyezési rendszer mellett foglalkoztunk a nemlineáris Schrödinger-egyenlet véges elemekkel diszkretizált megoldásával. A korábban valós terekben kidolgozott változó prekondicionálás módszerét adaptáltuk az idődiszkretizáció során fellépő elliptikus nemlineáris feladatokra, amelyhez megfelelő elméleti hátteret dolgoztunk ki. A futtatások mindkét feladat esetében megerősítették a módszer hatékonyságát. Vizsgáltunk továbbá nyeregpont-típusú rendszereket, ezek prekondicionált iterációval való numerikus megoldását és a megfelelő sajátértékek becslését. A kidolgozott módszert alkalmaztuk heterogén Darcy-áramlást leíró parciális differenciálegyenlet numerikus megoldására, amelyet Owe Axelsonnal és a Cseh Tudományos Akadémia Ostravai Geonikai Intézetének munkatársaival végeztük. A második résztémán belül, a hálózati folyamatokat leíró differenciálegyenletek témakörében két irányban végeztünk kutatásokat. Egyrészt speciális szerkezetű gráfokon vizsgáltuk egy fertőző betegség terjedésének folyamatát. Alapvető kérdés, hogy a jelenséget leíró Markov-láncra milyen közelítő differenciálegyenlet írható fel, ugyanis az alapegyenletek kezelhetetlen méretű rendszert adnak. Bebizonyítottunk a már ismert közelítések pontosságára egy becslést, valamint levezettünk egy, az eddigieknél pontosabb közelítő differenciálegyenletet. Kutatásaink másik iránya az ún. adaptív, vagy dinamikus hálózatok vizsgálata, amely a hálózati folyamatok utóbbi években indult és igen gyorsan fejlődő fejezete. Ebben a folyamat során maga a gráf is változik, élek megszűnhetnek, illetve újak jöhetnek létre. Olyan folyamatok modellezése volt a célunk, melyben az élek létrehozása és törlése a csúcsok állapotától függ (járványterjedés esetében például a fertőzöttekkel a többi csúcs igyekszik kapcsolatát megszüntetni és újakat létrehozni). A kutatás során olyan differenciálegyenlet-rendszerek kvalitatív vizsgálatával és bifurkációival foglalkoztunk, melyek ilyen hálózati folyamatot írnak le. 45

46 A harmadik résztémában alternatív (megújuló) energiákkal kapcsolatos matematikai, numerikus és számítógépes kutatásokat folytattunk. Ezen belül megvizsgáltuk az anyagtranszport-egyenleteket és azok numerikus modelljeit az üzemanyagcellákban, illetve a modellre számítógépes és kvalitatív analízist folytattunk. Ugyancsak vizsgálatokat folytattunk az időfüggő (és a diszkretizáció után nagy algebrai rendszerekre vezető) nem-autonóm feladatok numerikus megoldására. Ezek alkalmazása az üzemanyagcellák háromdimenziós modelljeiben is megvalósult (a számítógépes szimulációkat COMSOL, illetve Matlab programcsomagokkal végeztük). Vizsgálatokat folytattunk továbbá a numerikus analízis stabilitásának témakörében. Alapvető célunkat elértük: megmutattuk, hogy milyen fogalmak mellett marad érvényben a nemlineáris feladatosztályokon a klasszikus eredmény, amely szerint konzisztencia+stabilitás=konvergencia. Bár ezen eredményeink nagyrészt elméleti jelentőségűnek tűnnek, már sikeresen alkalmazzák azokat üzemanyagcellák numerikus szimulációja során. Témavezető: Zempléni András Kutatócsoportunk szerteágazó kutatásokat folytatott, a leglényegesebb eredményeink a következők. Sztochasztikus folyamatok témakörében sikerült megválaszolni a Marc Yor által felvetett drift elrejtési kérdést. Rang alapú együtthatós diffúziós folyamatoknál a Fernholz és Karatzas által kifejlesztett első rendű atlasz modellt vizsgáltuk 2 dimenzióban. Ennek során kiterjesztettük a perturbált Tanaka egyenletre vonatkozó eredményt korlátos és véges változású együtthatós egyenletek perturbációira. A természettudományokban fontos Brown mozgásra alkalmazott Lévy transzformációval kapcsolatosan régi megoldatlan kérdés, hogy vajon a transzformáció sorozatos alkalmazásával mit kapunk eredményül. Ebben a kérdéskörben sikerült áttörést elérni, ami reményeink szerint végül elvezethet a probléma megoldásához. Pénzügyi folyamatokkal kapcsolatosan bebizonyítottuk az árnyékár létezését hatványhasznosság mellett, tranzakciós költség esetén. A struktúrált fedezeti hitelbiztosítások (CDO) értékeléséhez sztochasztikus korrelációval származtattunk egy új nemlineáris összefüggési struktúrát az egyes vállalatok értékfolyamatai között, ami alapján meghatározható a veszteségek és a prémiumok egyensúlyát megvalósító fair ár. A modellünkből adódó ár sokkal jobban tükrözi a piacon kialakuló árak sajátosságait, mint korábbi társai. Tőzsdeindexek időbeni változását nem Gauss zajjal generált többdimenziós GARCH folyamattal modelleztük. A kapott modellparamétereket a generáló eloszlás paramétereivel együtt riasztási feladatban használtuk fel, mely a nagy volatilitású periódusokat jól jelezte. Ebben a témában sikerült eljárást kidolgoznunk a korábbi adatsorok GARCH paramétereinek analógiaként való hasznosítására is. 46