Vilniaus ir Mičigano universitetų mokslininkai įrodė, kad specifiniai molekulių virpesiai paspartina pirminius fotosintezės vyksmus augaluose ir bakterijose, ir pateikė prielaidas naujam supratimui, kaip pati gamta konstruoja itin efektyvius natūralius organinius Saulės elementus.

Tyrimo rezultatai liepos 13 d. buvo paskelbti žurnale  „Nature Chemistry“. Publikacijos autoriai – VU Fizikos fakulteto Teorinės fizikos katedros darbuotojai Andrius Gelžinis, Vytautas Butkus, Leonas Valkūnas, Darius Abramavičius ir bendradarbiai iš Mičigano universiteto Franklin D. Fuller, Jie Pan, S. Seckin Senlik, Daniel E. Wilcox, Charles F. Yocum ir Jennifer P. Ogilvie.

Fotosintezė augaluose ir tam tikrose bakterijose ne tik verčia Saulės energiją, vandenį ir anglies dvideginį į deguonį, bet ir gamina baltymus, reikalingus paties procesą atliekančio organizmo augimui. Be jokios abejonės, žmonijai tai – pats svarbiausias biocheminis procesas, kurio produktais mes ir kvėpuojame, ir maitinamės.

Pirmuosius fotosintezės žingsnius po Saulės fotono sugerties ląstelėje atlieka vadinamieji anteniniai kompleksai, kurie surenka šviesos energiją, ir reakcijų centrai, kuriuose ši energija paverčiama erdvėje atskirta teigiamo ir neigiamo elektros krūvių pora. Vienas iš teorinius skaičiavimus atlikusios grupės vadovų, VU ir FTMC profesorius L. Valkūnas teigia: „Pirminiai procesai fotosintezėje veikia panašiai kaip Saulės elementuose, kuriuose šviesos energija yra paverčiama elektros energija. Būtent nuo tokios elektringos atskirtų krūvių būsenos startuoja kiti fotosintezės mechanizmai, iš Saulės energijos pagaminantys augalui ar bakterijai naudingų produktų – baltyminių statybinių medžiagų.“

Saulė apšviečia antrosios fotosistemos reakcijų centrą ir pradeda itin sparčius pirminius fotosintezės vyksmus. Fone – kanadinio cersio (Cercis canadensis), augančio Ann Arbor mieste Mičigano valstijoje, kur buvo atlikti dvimatės elektroninės spektroskopijos eksperimentai, leidę nustatyti, jog molekulių virpesiai spartina krūvių atskyrimą fotosintezėje, lapas. Pirmame plane – eksperimente išmatuota priklausomybė, leidžianti identifikuoti spartinimą lemiančius virpesius molekulėse. V. Butkaus ir J. Ogilvie iliustracija

VU profesorius Darius Abramavičius palygino: „Saulės energijos konvertavimas yra kaip vandens sėmimas rėčiu ir pernešimas iš vieno indo į kitą. Toks veiksmas privalo būti atliekamas akimirksniu, kad būtų išvengta nuostolių. Todėl greitis – didžiausia vertybė fotosintezėje.“

Palyginimui – žmogaus akies mirksnis trunka apie trečdalį sekundės, o atskirtų krūvių būsenos susidarymas fotosintezėje yra maždaug šimtą milijardų kartų trumpesnis. Tokių sparčių fotosintezės proceso etapų našumas yra beveik 100 proc. Suprasti, kas lemia tokias dideles vyksmų spartas ir aukštą cheminių procesų efektyvumą, yra vienas didžiausių cheminės fizikos mokslo uždavinių.

Itin sparčius vyksmus fotosintezėje galima ištirti tik atlikus eksperimentus su dar trumpesniais lazerio šviesos impulsais – tą ir padarė J. Ogilvie grupė iš Mičigano universiteto.

Gauti medžiagų bandymams buvo nesunku, užteko iš artimiausios parduotuvės nusipirkti maišą špinatų. „Mes pašalinome jų stiebus ir gyslas, sumetėme į trintuvą ir atlikome keletą procedūrų, leidusių iš ląstelių atsargiai išimti baltymų kompleksus jų nepažeidžiant, – pasakojo J. Ogilvie. – Eksperimente mes galime atidžiai sekti vyksmus: kaip perduodama energija ir kur įvyksta krūvių poros susidarymas.“

Derindami eksperimento rezultatus su skaičiavimais, tyrimo dalyviai parodė, kad krūvių poros susidarymą reakcijų centruose itin paspartina molekulių virpesiai, jei jų dažnis atitinka reakcijų centro energijas, t. y. jei įvyksta elektroninis-virpesinis rezonansas.
Pavienių molekulių virpesiai šiandien mokslininkų yra gerai suprasti, juos iš esmės nulemia konkrečios molekulės struktūra ir cheminiai ryšiai. Tačiau didelių molekulinių sistemų, tokių kaip reakcijų centras, elektroninės energijos savybes formuoja daugiau veiksnių, pavyzdžiui, baltymų aplinka ar atstumai tarp molekulių bei jų tarpusavio orientacija.

Nors buvo parodyta, kad vyksmus fotosintezėje spartina, atrodytų, netyčia susiklosčiusios rezonanso sąlygos, tačiau, pasak L. Valkūno, „tokios sąlygos nėra atsitiktinės. Vykstant evoliucijai, gamta augalų lapuose ir bakterijose esančias molekules bei jas apgaubiančius baltymus erdvėje taip kruopščiai surikiavo, kad būtų optimaliai išpildyta rezonanso su molekulių virpesiais sąlyga.“

Atliktas tyrimas pateikia naują požiūrį į molekulinių struktūrų dizainą. Iš jo plaukia ir tam tikras atvirkštinės inžinerijos principas: kuriant dirbtines struktūras, tokias kaip organiniai Saulės elementai, reikia stengtis sudėlioti ir pozicionuoti molekules taip, kad, atsižvelgiant į jų virpesines ir elektronines savybes, būtų užtikrintos rezonanso sąlygos ir gautas didžiausias energijos konvertavimo našumas. Kitaip tariant, Saulės energiją naudojančius organinius darinius reikia projektuoti pagal gamtos ištobulintą molekulinės architektūros stilių.

Tyrimo rezultatai buvo paskelbti publikacijoje „Vibronic coherence in oxygenic photosynthesis“. Tyrimą finansavo Lietuvos mokslo taryba, Jungtinių Amerikos Valstijų energijos departamentas ir Nacionalinis mokslo fondas.