Maróti Péter egyetemi tanár, Szegedi Tudományegyetem Orvosi Fizikai Intézet
Fényes élet: fényből élet – életből fény fotoszintézis
– biolumineszcencia
Széchenyi István Gimnázium és Általános Iskola Szolnok, 2014. február 12.
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
0
4,6 Jövő
szárazföldi élet
kémiai evolúció
4
1 erjedés
fotoszintézis
Oxigén légkör és Ózon réteg Fotoszintézis
anaerob baktériumok H2O hasítás
Big Bang 3 www.meetthescientist.hu
2
az evolúcióban 3 | 26
Hőmérséklet (oC)
Metán
Széndioxid
Mintavétel az Antarktisz jegéből (Nature 2008): mélység = 3190,53 m, időfelbontás = 380 év
Idő (ezer év) www.meetthescientist.hu
Mostani értékek CO2 = 380 ppm CH4 = 1800 ppb 4 | 26
Biológiai élet-ciklus 1) (majdnem) egyedüli (> 99%) szabadenergia-forrás „Nemes” energia
2) „Nemes” energia
fény Termikus energia; magas hőmérséklet
www.meetthescientist.hu
kötött
összes
szabad
G = H-T·S Termikus energia; alacsony hőmérséklet
Vannak melegvíz kürtők a tengerfenéken, ahol zöld kénbaktériumok élhetnek.
5 | 26
A földi élet kialakulásának alapfeltételei:
Napfény
Légkör
(folyékony) Víz (0 0C feletti hőmérséklet)
O2 és CO2 a gázcseréhez O3, ózon az UV elleni védelemhez
www.meetthescientist.hu
6 | 26
A napfény spektruma a Föld felszínén látható UV
infravörös IR
O3
Feketetest sugárzás T = 5762 K
spektrális energiasűrűség,
H 2O H 2O H2O, CO2 H2O, CO2
„Isteni” szerencse (gondviselés): a látható fény energia-kvantuma abba a nagyságrendbe esik, mint a fundamentális fotokémiai (-fizikai) reakciók energiaigénye (~1 eV).
hullámhossz, μm www.meetthescientist.hu
7 | 26
Élettevékenységhez kötött fényelnyelés és -kibocsátás
Fényből élet
A növény fejlődéséhez fény kell.
FOTOSZINTÉZI S www.meetthescientist.hu
Életből fény
A világító szentjánosbogár az élettevékenysége során fényt bocsát ki.
BIOLUMINESZCENCI A 8 | 26
A földi élet motorja: a fotoszintézis
Napfény Fényreakció A víz hasítása
Szerves anyag termelés
2H2O
“2H2” + CO2
O2 + “2H2”
(CH2O)
Oxigén felszabadítás
Széndioxid megkötés
Szerves molekula
Sötétreakció www.meetthescientist.hu
9 | 26
Ultragyors folyamatok a fény begyűjtésében és -hasznosításában Az elektron- gerjesztési energia vándorlása az antennarendszerben
Töltésszétválasztás és elektron transzfer a reakciócentrumban Periplasm Membrane edge
B850-B850 100-200 fs
BChl a2 (P865)
B Side
A Side
+. Car
LH1-RC 35 ps
3.5 ps
BChl a
BChl a
B800-B850 1.2 ps
0.9 ps BPh a
BPh a
-. LH2-LH1 3-5 ps
B800-B800 500 fs Membrane edge
QB
200 µs
200 ps QA
Cytoplasm
A membrán síkja
www.meetthescientist.hu
A membrán keresztmetszete 10 | 26
A víz hasítása, az oxigén molekula felszabadítása
A művész egyszerű elképzelése www.meetthescientist.hu
A bonyolult molekuláris valóság 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
CO2 leadás
fénylégzés
A zöld mezőgazdasági növények fotoszintézisének globális hatásfoka sokkal kisebb, mint 1%. A fotoszintetizáló mikroorganizmusok hatékonyabbak, hatásfokuk ~ 4%. www.meetthescientist.hu
~ 1% raktározott energia ( pl. termés formájában) 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 kloroplasztisz
20
hatásfok (%)
C4 növény 15
C3
Biokémia 10
Élettan
Mezőgazdaság
05
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
www.meetthescientist.hu
UV megvilágítás
17 | 26
A kibocsátott fény (lumineszcencia) felhasználása 2) Kutatás (a biológiai folyamatok megismerése és utánzása)
Honnan jön a fény?
rodamin fluoreszcein
kinin szulfát
Festékek fluoreszcenciája UV megvilágítás hatására
Fluoreszcencia spektrum
etídium bromid
Hullámhossz (nm) www.meetthescientist.hu
18 | 26
Bakterioklorofill-fluorométer (egész sejteken)
Gerjesztés lézerdiódával (808 nm)
0,5 μm
Fluoreszcencia hatásfok
Rhodobacter sphaeroides bíbor baktérium
Fluoreszcencia (920 nm)
www.meetthescientist.hu
Idő (ms) 19 | 26
A fluoreszcencia relaxáció a törzseket és fiziológiás állapotukat jellemzi
(a gerjesztés nélküli állapothoz viszonyítva)
Fluoreszcencia hatásfok
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 Fénybegyűjtés
Baktérium sejt Membránbefűződés
PufX
antenna zárt RC
Kibocsátott fény: veszteség www.meetthescientist.hu
RC nyitott RC
21 | 26
Hg2+ roncsoló hatásának kimutatása fluoreszcencia indukcióval Természetes vizek nehézfém-ion szennyezettségének gyors mérése 26 μM Hg2+ hozzáadása baktérium kultúrához, amelyet
fényben
B 0h
Fmax
Fluorescence (rel. units) (tetsz. egység)
0,016
0,012
2h F0
5h
0,004
0h 1h
0,12
Fluoreszcencia
Fluoreszcencia
Fluorescence (rel. units) (tetsz. egység)
A
0,008
sötétben
tartunk.
Fmax
0,10
5h
0,08 0,06 0,04
F0
0,02 0,00
0,000 0
100
200
300
time (µs)(μs) Idő
400
500
0
100
200
300
400
Idő time (µs)(μs)
Egyidejű fény- és higanyion-hatás különösen káros a sejteknek. www.meetthescientist.hu
22 | 26
500
A napfény energetikai hasznosítása Fotovoltaikus erőművek a világon
Európa: Sanlucar, Sevilla közelében
USA: Prescott, Arizona (MW teljesítmény)
www.meetthescientist.hu
Szilárdtest napelemek: a napfény-energiát közvetlenül (hőenergia áttétel nélkül) alakítják át elektromos energiává.
23 | 26
Mesterséges fotoszintézis: fotoszintézis-alapú fényenergia-átalakítás
Hipotetikus elrendezés üzemanyag termelésére mesterséges fotoszintézissel (műlevéllel)
PSII RC utánzat
vízhasítás
Töltésszétválasztás
Etanol (üzemanyag)
Karboxiláz utánzat
www.meetthescientist.hu
fényelnyelés
A CO2 redukciójával etanol (üzemanyag) gyártható.
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
