Lakóhelyünk, a Föld a Naprendszer minden bolygójától különbözik abban, hogy életet hordoz. Az életre jellemző rendezettség igen nagy energiabefektetést igényel: kialakulásában, fenntartásában meghatározó szerepe van az energiának. Az energia forrása a körülbelül 5700 Celsius-fokos felszíni hőmérsékletű Nap sugárzása. A sugárzás színképének körülbelül 400 és 700 nanométer közötti hullámhoszszúságú sugárzási tartománya a látható fény. A Nap sugárzási spektrumának csaknem felét ebben a tartományban bocsátja ki, nem véletlen, hogy a Földön olyan élet alakult ki, amely a látható fényen alapul. Közvetlenül vagy közvetve minden élőlény a fény energiáját hasznosítja.
A Nap sugárzásából négyzetméterenként 1,4 kilowattnyi teljesítmény éri el a Földet. Bolygónk teljes felszínére egy év alatt 1,6 l 1018 kilowattóra energia jut. Óriási szám ez, csaknem húszezerszer annyi, mint az emberiség teljes energiafelhasználása. Ez az energiaáram teremtette meg az élet kialakulásához szükséges körülményeket is. A Föld kérgének megszilárdulása után mindössze 300 millió év telt el az élet megjelenéséig.
Az első baktériumok a fény energiáját hasznosították, egyszerű fotoszintézist folytattak. Később megjelentek a víz bontására képes élőlények is, amelyek elemi oxigént állítottak elő. Tevékenységük eredményeképp körülbelül kétmilliárd éve kialakult a ma ismert oxigénes légkör. Ez volt a feltétele az állati szervezetek létrejöttének, a maihoz hasonló élővilág kialakulásának. Az állatok – köztük mi, emberek is – az életfolyamatokhoz szükséges energiát más élőlényekből származó szerves anyagok (táplálék) elégetésével nyerik, tehát közvetve hasznosítják a Nap energiáját.
Fotoszintézis
A fényenergia közvetlen biológiai átalakításának több módja ismert az élővilágban. A legfejlettebb a zöld növények leveleiben zajló fotoszintézis. Ennek eredményeként az elnyelt fény energiáját a növény arra fordítja, hogy a vizet hidrogénre és oxigénre bontsa, és nagy energiatartalmú cukrot készítsen. A molekuláris oxigén gáz formájában felszabadul, a hidrogénből pedig – a légkörből felvett szén-dioxiddal – cukrok és más szénhidrátok épülnek fel. Az elnyelt fény energiájának mintegy 30 százaléka hasznosul, ami meglehetősen jó hatásfoknak számít.
A növényi fotoszintézis a levelek sejtjeinek speciális szervecskéiben, a kloroplasztiszokban megy végbe. Az egyes lépéseket erre a feladatra szakosodott fehérjemolekulák végzik. A fényt zöld színű klorofillmolekulák nyelik el, a felvett energia a gépezet részegységeiben kémiai átalakulások sorában hasznosul.
A fénysugárzás anyagi hordozói a fotonok, a foton energiája határozza meg a fény színét. A látható fény egyetlen fotonjának energiája nem elegendő a fotoszintézis folyamatának táplálására: egy cukormolekula előállításához vagy egyetlen vízmolekula elbontásához több foton energiája szükséges. A fotoszintetizáló rendszer ezért több lépésben végzi munkáját, és az egyes fotonok energiáját a felhasználás pillanatáig tárolja. A jobb hatásfok elérését szolgálja az antennarendszer, amelyet a fotoszintézist végző reakciócentrumok környezetében elhelyezkedő úgynevezett antennafehérjék alkotnak. Ezekben ugyancsak klorofillmolekulák nyelik el a fotonokat, majd továbbadják a reakciócentrumoknak.
Fényhasznosító baktériumok
A zöld növények fotoszintézisénél jóval egyszerűbb biológiai fényenergia-átalakító rendszert ismertünk meg az utóbbi évtizedekben. A Halobacterium salinarum nevű baktérium életfolyamatait vizsgálva addig nem ismert energia-háztartás tárult fel a tudomány előtt. E baktérium nagy sótartalmú tengervízben él, és tömegesen szaporodik a tengermelléki sólepárló telepeken. Kiderült, hogy sejtmembránjában olyan fehérje található, amely nagyon hasonlít a szemünk rodopszinnak nevezett fényérzékeny látóanyagához. Ezért kapta a bakteriorodopszin nevet. E baktérium életében, energiahasznosító folyamataiban kulcsszerepe van a bakteriorodopszinnak: a fény energiáját hasznosítja. A baktérium energiaátalakítási folyamatai szemléletesen illusztrálják a biológiai energiaátalakítás általános törvényszerűségeit is.
Nemrég kiderült, hogy egy igen közönséges baktérium (SAR 86-nak nevezik) szintén rodopszinnal hasznosítja a napfény energiáját. E baktérium igen nagy tömegben él a tengerekben és az óceánokban, ezért a napfény energiájának hasznosításában sokkal nagyobb szerepe van a rodopszinon alapuló rendszernek, mint korábban gondoltuk.
Ormos Pál a továbbiakban a baktériumsejt rodopszinjának működéséről beszélt. Megtudtuk, hogy a baktériumsejtet a környezetétől elválasztó membránon csak szabályozott módon, megfelelő fehérjéken keresztül juthat át bármilyen anyag. Ennek következtében különböző a hártya külső és belső oldalán az egyes anyagok, oldott ionok töménysége. Az ionok közül kiemelkedő szerepe van a hidrogénionnak, a protonnak.
A bakteriorodopszin-fehérje fény hatására protont pumpál át a sejtmembránon, ennek következtében a protonok koncentrációja a hártya két oldalán nem azonos. A koncentrációkülönbség energiát hordoz: a protonok vissza akarnak jutni, valahogy úgy, ahogy a csővel összekötött két tartályban is igyekszik kiegyenlítődni a víz szintje: a magasabb (nagyobb energiájú) helyről az alacsonyabb (kisebb energiájú) hely felé áramlik. Ezt az energiakülönbséget kihasználhatjuk: ha az edényeket összekötő csőbe turbinát helyezünk, azt az átfolyó víz forgatja.
Ezen az elven használja fel a sejt a bakteriorodopszin által létrehozott protonkoncentráció-különbség energiáját. A membránban vannak olyan fehérjék is, amelyek képesek hasznosítani a protonkoncentráció különbségét. Ilyen például a baktériumsejt mozgató motorja, a propellerként működő csilló vagy ostor. A forgatáshoz szükséges energia a protonkoncentráció különbségéből származik. Fontos energiaátalakító fehérje az úgynevezett adenozin-trifoszfatáz- (ATPáz) enzim, amely az élő rendszerekben általánosan használt energiatároló molekula, az adenozin-trifoszfát (ATP) felépítését és lebontását katalizálja. Az ATP felépítéséhez energiára van szükség, lebontásakor energia szabadul fel. A felépítéséhez szükséges energiát a sejtek a protonkoncentráció-különbség energiájából nyerik. A baktérium tehát úgy alakítja át a fény energiáját ATP-ben, vagyis kémiai kötésben tárolt energiává, hogy előbb pumpaként működő bakteriorodopszin-protonokat pumpál át a membránon.
E folyamat révén általános energetikai szabályokat ismertünk meg: azt, hogy az élővilágban kulcsszerepük van az egymástól membránokkal elválasztott térrészeknek. Továbbá, hogy a sejtek különböző energiatermelő és -felhasználó rendszereinek energetikai kapcsolataiban az ionkoncentráció- (elsősorban protonkoncentráció-) különbség a közvetítő. E szabály, a Mitchell-féle kemiozmotikus hipotézis általános elfogadásában nagy szerepe volt a bakteriorodopszin modellrendszerének.
De hogyan működik ez a sajátos fehérje? – tette fel a kérdést Ormos professzor.
A bakteriorodopszin azért nagyon alkalmas arra, hogy rajta tanulmányozzuk a fényenergia átalakításának alapvető fizikai folyamatait, mert ez a fehérjemolekula egyedül végzi el a feladatát. Kétszázötven aminosavból álló láncával a kisebb fehérjék közé tartozik, bíbor színét egy hozzá kapcsolódó festékmolekula, a retinál adja. Ez alapszerkezetében azonos azzal a retinállal, amely például a répa sárga színét adja. Amikor a retinálmolekula elnyeli a fényt, megváltozik az alakja, ez a fényenergia átalakításának első lépése. Később a retinál és a rodopszin csatlakozásánál levő csoport lead egy protont, amely néhány lépésben a membránon kívülre jut. A folyamat azzal végződik, hogy a bakteriorodopszin protont vesz fel a membrán másik oldaláról, ezzel visszaáll eredeti állapota. A protonok akkor is belülről kifelé mozognak, ha a membrán külső oldalán több proton van, ezt a fehérje sajátos szerkezete teszi lehetővé. A protonpumpa a ciklus első felében a külső térrész felé, a végén a belső térrész fele nyitott, ezt a fehérje úgy éri el, hogy a kellő időben megváltoztatja az alakját. E fontos alakváltozást atomi részleteiben ismerjük, ezáltal filmszerűen látjuk a fehérje működését kísérő mozgásokat.
A bakteriorodopszint voltaképpen fénnyel hajtott molekulagépnek tekinthetjük, működésében nagy szerepük van a mechanikus elemeknek. A retinálmolekula alakjának megváltozása mechanikai feszültséget kelt a fehérjében, ebben tárolódik először a fény energiája. E feszültség lassan változtatja a fehérje alakját, emiatt egyes protonátadó csoportok egymáshoz viszonyított helyzete is változik, ez pedig elindítja a protonok rendezett mozgását, amelynek kulcsa a fehérjemolekula konstrukciója.
A látás és a biológiai óra
A szem optikai elemeinek feladata, hogy a külvilág képét a szemfenék fényérzékeny sejtjeire, a retinára vetítse. A retina érzékeli a jeleket, és az idegrendszer számára érthető elektromos ingerületekké alakítva az agyba továbbítja. A retina aktív elemei a fényérzékelő sejtek: a pálcikák és a csapok. Membránjukban található a látásért felelős molekula, a rodopszin. Ez szinte ugyanolyan, mint a bakteriorodopszin. Hasonló a fehérjerésze, a színét – amelyről látóbíbornak is nevezik – pedig ugyancsak a retinál adja.
A foton befogása után a retinálmolekula itt is megváltoztatja az alakját, feszültséget kelt a fehérjében, majd a fehérje is alakváltozást szenved. Az alakváltozást egy másik fehérjemolekula, a G-fehérje veszi át olyan egységével, amely pontosan hozzáillik a fény által gerjesztett rodopszinmolekulához. Ezzel megindul az a biokémiai reakciósor, amelynek eredménye a látási ingerület. A retinálmolekulának tehát a látásban is kulcsszerepe van.
Életünk ritmusa követi a napszakok változását. A nagyjából 24 órás periódusú biológiai óra működése a gének kifejeződésének sebességén alapuló, oszcilláló kémiai reakcióra épül. A sötétben is járó órát a fény szinkronizálja, érzékelője a szemben van, de nem a retinában. Az érzékelés anyaga a retinálfehérje-komplex.
Rodopszintechnika
A bakteriorodopszin működése során változtatja színét, végül visszanyeri eredeti állapotát. Eközben egyéb optikai tulajdonságai, például a törésmutatója is változik. E tulajdonságai lehetővé teszik, hogy filmként, optikai adathordozóként, optoelektronikai eszközök aktív elemeként használjuk. Előállítása egyszerű, és ugyanolyan tartós vegyület, mint bármely szerves festék. A bakteriorodopszin-film megvilágítás hatására kifakul, és sötétben visszaáll eredeti állapotába. Genetikai módosítással több jellemzője, így a színe, az alapállapotba való visszatérés ideje stb. változtatható. Az egyik genetikailag módosított rodopszinnak például nagyon nagy a fakulási időtartama, de ha kék fény éri, gyorsan viszszaáll az alapállapotba. E bakteriorodopszin-filmek igen nagy felbontású képek, dinamikus hologramok rögzítésére képesek. Fontos felhasználási területnek ígérkezik az optikai kapcsolók fejlesztése: az optikai kábelek kapcsolását tisztán optikai úton lehetne megoldani velük.
Fénylő lények
Vannak olyan élőlények, amelyek képesek maguktól is fényt kibocsátani. Legtöbbjük a tengerben él; a legjobban ismert szárazföldi fénykibocsátó a szentjánosbogár. A világítás mechanizmusa kétfajta: eredete lehet fluoreszcencia, illetve kémiai reakció. Az előbbi esetben az elnyelt fotonok energiáját sugározza ki az élőlény alacsonyabb energiaszinten, tehát nagyobb hullámhosszon.
A fehérjék önmagukban nem színesek, de nemrég önmagától színes, fluoreszkáló fehérjét fedeztek fel. A zöld fluoreszcens fehérje (angol nevének rövidítéséből: GFP) egy világító medúza fényének forrása. Nem tartalmaz külön festékanyagot, váratlan tulajdonságát különleges szerkezetének köszönheti; a genetikai kutatásokban máris alkalmazzák. Ha a GFP génjét hozzátoldják valamilyen gyártani kívánt fehérje génjéhez, az összetett génnel mintegy megjelölhető a kívánt fehérje. Ha ott van, világít, akár egy egérben is. Ezzel egyszerűen vizsgálható, sikeres volt-e a génsebészeti beavatkozás.
A sötétben világító állatok kémiai lumineszcenciával keltenek fényt. A tengerek seregnyi állata az evolúció során egymástól függetlenül hozta létre a saját világítórendszerét, de ezek működésének van néhány általános szabálya. A kémiai reakció nyomán fényt kibocsátó festékmolekula minden esetben a luciferin, a reakciót serkentő fehérje a luciferáz, a fény kibocsátásához pedig szükség van az energiahordozó ATP-molekulákra is. A számtalan világító élőlény között akadnak egysejtűek, amelyek akkor világítanak, ha mechanikai stressz éri őket. Ormos Pál a Karib-tengeren készült felvételekkel zárta előadását. A képeken látható, hogy az éjszakai fürdőzők nyomában zöldesen fénylik a víz, ahogy az egysejtűek a hullámzás hatására világítani kezdenek.
(A fenti szöveg a március 24-én elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata.)
Az előadás megtekinthető március 29-én (szombaton) a Duna Televízióban 13.10-től, március 30-án (vasárnap) 13 órától az MTV-n, valamint 23.15-től az M 2-n.
A Mindentudás Egyetemének következő előadása március 31-én 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a
www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
