Maróti Péter egyetemi tanár, Szegedi Tudományegyetem Orvosi Fizikai Intézet Fényes élet: fényből élet életből fény fotoszintézis Széchenyi István Gimnázium és Általános Iskola Szolnok, 2014. február 12. biolumineszcencia www.meetthescientist.hu 1 26
Az élet és a színek teszik a Földet különlegessé. A Föld a színét elsősorban a víznek (kék) és a bioszférának (zöld növényvilágnak) köszönheti. www.meetthescientist.hu 2 26
Mikor alakult ki? Az 5 milliárd év számlapú óra: a földi evolúció szárazföldi élet fotoszintézis 4 4,6 Jövő Oxigén légkör és Ózon réteg Fotoszintézis 0 1 kémiai evolúció erjedés anaerob baktériumok 3 H 2 O hasítás 2 Big Bang az evolúcióban www.meetthescientist.hu 3 26
Mintavétel az Antarktisz jegéből (Nature 2008): mélység = 3190,53 m, időfelbontás = 380 év Hőmérséklet ( o C) Széndioxid Metán Idő (ezer év) Mostani értékek CO 2 = 380 ppm CH 4 = 1800 ppb www.meetthescientist.hu 4 26
Biológiai élet-ciklus 1) (majdnem) egyedüli (> 99%) szabadenergia-forrás 2) Nemes energia Nemes energia fény G = H-T S szabad összes kötött Termikus energia; alacsony hőmérséklet Termikus energia; magas hőmérséklet Vannak melegvíz kürtők a tengerfenéken, ahol zöld kénbaktériumok élhetnek. www.meetthescientist.hu 5 26
A földi élet kialakulásának alapfeltételei: Napfény O 2 és CO 2 a gázcseréhez O 3, ózon az UV elleni védelemhez Légkör (folyékony) Víz (0 0 C feletti hőmérséklet) www.meetthescientist.hu 6 26
A napfény spektruma a Föld felszínén UV látható infravörös IR O 3 Feketetest sugárzás spektrális energiasűrűség, H 2 O H 2 O H 2 O, CO 2 H 2 O, CO 2 hullámhossz, μm T = 5762 K Isteni szerencse (gondviselés): a látható fény energia-kvantuma abba a nagyságrendbe esik, mint a fundamentális fotokémiai (-fizikai) reakciók energiaigénye (~1 ev). www.meetthescientist.hu 7 26
Élettevékenységhez kötött fényelnyelés és -kibocsátás Fényből élet Életből fény A növény fejlődéséhez fény kell. FOTOSZINTÉZI S A világító szentjánosbogár az élettevékenysége során fényt bocsát ki. BIOLUMINESZCENCI A www.meetthescientist.hu 8 26
A földi élet motorja: a fotoszintézis Napfény Fényreakció A víz hasítása 2H 2 O O 2 + 2H 2 Oxigén felszabadítás Szerves anyag termelés 2H 2 + CO 2 (CH 2 O) Szerves molekula Sötétreakció Széndioxid megkötés www.meetthescientist.hu 9 26
Ultragyors folyamatok a fény begyűjtésében és -hasznosításában Az elektron- gerjesztési energia vándorlása az antennarendszerben LH1-RC 35 ps B850-B850 100-200 fs Periplasm Membrane edge Töltésszétválasztás és elektron transzfer a reakciócentrumban Car B Side BChl a BChl a 2 (P865) +. A Side 3.5 ps BChl a B800-B850 1.2 ps BPh a 0.9 ps BPh a LH2-LH1 3-5 ps B800-B800 500 fs Membrane edge Cytoplasm Q B 200 µs -. 200 ps Q A A membrán síkja A membrán keresztmetszete www.meetthescientist.hu 10 26
A víz hasítása, az oxigén molekula felszabadítása A művész egyszerű elképzelése A bonyolult molekuláris valóság www.meetthescientist.hu 11 26
Biomasszának napfényből való termelésének hatékonysága Energetikai célú hasznosíthatóság (mesterséges falevél) Cukornád: 2% (az elméleti határ ~ 4%) www.meetthescientist.hu 12 26
Veszteségek a fotoszintetikus energia-hasznosítás során 100% napfényenergia CO 2 leadás fénylégzés A zöld mezőgazdasági növények fotoszintézisének globális hatásfoka sokkal kisebb, mint 1%. A fotoszintetizáló mikroorganizmusok hatékonyabbak, hatásfokuk ~ 4%. ~ 1% raktározott energia ( pl. termés formájában) www.meetthescientist.hu 13 26
A fotoszintézis hatásfoka A növények általában nem érdekeltek a magas hatásfok értékben, mert bőven áll rendelkezésükre napfény, sőt, sokszor az erős fény ellen védekezniük kell. Fotofizika 20 kloroplasztisz hatásfok (%) 15 10 05 Biokémia Élettan C4 növény C3 Mezőgazdaság 00-6 -4-2 0 2 4 6 8 log (idő/s) www.meetthescientist.hu 14 26
A kibocsátott fény (lumineszcencia) felhasználása: 1) Élettevékenység (biológiai funkció) A medúza biolumineszcenciája A mélytengeri medúza vészhelyzetben biolumineszcenciával fénykereket működtet, hogy a ragadozó figyelmét lekösse, elkápráztassa. www.meetthescientist.hu 15 26
Telepes medúza 2000 m-re a tenger felszíne alatt. Csaliként alkalmazott biolumineszcencia halak befogására Vörös színű biolumineszcencia (nem fény, hanem kémiai reakciók gerjesztik). www.meetthescientist.hu 16 26
A papagáj tollazatának fluoreszcenciája a nemi érdeklődés felkeltését elősegítő jelzés Fehér fény UV megvilágítás www.meetthescientist.hu 17 26
A kibocsátott fény (lumineszcencia) felhasználása 2) Kutatás (a biológiai folyamatok megismerése és utánzása) Honnan jön a fény? kinin szulfát rodamin fluoreszcein Festékek fluoreszcenciája UV megvilágítás hatására etídium bromid Fluoreszcencia spektrum Hullámhossz (nm) www.meetthescientist.hu 18 26
Bakterioklorofill-fluorométer (egész sejteken) Gerjesztés lézerdiódával (808 nm) Fluoreszcencia (920 nm) Rhodobacter sphaeroides bíbor baktérium 0,5 μm Fluoreszcencia hatásfok Idő (ms) www.meetthescientist.hu 19 26
A fluoreszcencia relaxáció a törzseket és fiziológiás állapotukat jellemzi Fluoreszcencia hatásfok (a gerjesztés nélküli állapothoz viszonyítva) A fluoreszcencia hatásfokának lecsengése (relaxációja) 1) különböző időtartamú előzetes megvilágítás után, 2) különböző baktérium törzseknél Idő (ms) logaritmikus léptékben www.meetthescientist.hu 20 26
A fotoszintetizáló bíborbaktérium Rba. sphaeroides fotoszintetikus apparátusának szerveződése Baktérium sejt Membránbefűződés Fénybegyűjtés PufX Kibocsátott fény: veszteség antenna zárt RC RC nyitott RC www.meetthescientist.hu 21 26
Hg 2+ roncsoló hatásának kimutatása fluoreszcencia indukcióval Természetes vizek nehézfém-ion szennyezettségének gyors mérése 26 μm Hg 2+ hozzáadása baktérium kultúrához, amelyet Fluorescence (rel. units) Fluoreszcencia (tetsz. egység) 0,016 0,012 0,008 0,004 0,000 A F0 fényben 0 100 200 300 400 500 Idő (μs) time (µs) 0 h 2 h 5 h tartunk. Fmax Fluorescence (rel. units) Fluoreszcencia (tetsz. egység) 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 B F0 sötétben 0 100 200 300 400 500 time Idő (µs) (μs) Egyidejű fény- és higanyion-hatás különösen káros a sejteknek. 0 h 1 h 5 h Fmax www.meetthescientist.hu 22 26
A napfény energetikai hasznosítása Fotovoltaikus erőművek a világon USA: Prescott, Arizona (MW teljesítmény) Európa: Sanlucar, Sevilla közelében Szilárdtest napelemek: a napfény-energiát közvetlenül (hőenergia áttétel nélkül) alakítják át elektromos energiává. www.meetthescientist.hu 23 26
Mesterséges fotoszintézis: fotoszintézis-alapú fényenergia-átalakítás Hipotetikus elrendezés üzemanyag termelésére mesterséges fotoszintézissel (műlevéllel) fényelnyelés PSII RC utánzat vízhasítás Töltésszétválasztás Karboxiláz utánzat Etanol (üzemanyag) A CO 2 redukciójával etanol (üzemanyag) gyártható. www.meetthescientist.hu 24 26
Vidd haza üzenet: a biofizikus feladata és szerepe -A fizikai törvényszerűségeket és azok megvalósulását keresi élő rendszerekben és folyamatokban. -Valódi híd-(interdiszciplináris) tudomány -Térben és időben korlátlanul kis és nagy méreteket vizsgálhat a technika legmodernebb eszközeivel. -Az élő természet működését felismerve azokat utánozni, sőt fejleszteni képes saját és társadalma hasznára (bionika). www.meetthescientist.hu 25 26
Köszönöm! TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0060 Doktoranduszok: Kis Mariann Sipka Gábor Asztalos Emese www.meetthescientist.hu 26 26