Ebben a cikkben, amely a fény világnapja (2017) alkalmából elhangzott tudomány-népszerűsítő előadásomhoz kapcsolódik, röviden összefoglalom, hogy miként tette lakhatóvá bolygónkat a fotoszintézis, teremtette meg és biztosítja lényegében a bioszféra egészének energiaellátását és az oxigénben dús atmoszférát (és ezzel az ózonpajzsot is). A fosszilis energiahordozók nagymértékű felhasználásának következtében, az évmilliók alatt szekvesztrált szén-dioxid nagyon gyors ütemben visszakerül a légkörbe, amit a fotoszintézis már nem képes maradéktalanul megkötni – ez globális környezeti katasztrófához vezethet. A fotoszintézis-kutatások, amelyek természetüknél fogva multidiszciplináris jellegűek, a fényenergia-hasznosítás mechanizmusainak és globális hatásainak megismerésén túl azt célozzák, hogy a biotechnológia segítségével áttervezett folyamatokat a hatékonyabb mezőgazdasági termelés és a környezetvédelem szolgálatába állíthassuk, valamint az alapkutatás révén részletesen megismert/feltárandó fotofizikai és fotokémiai mechanizmusokra építve, hatékony mesterséges vagy hibrid fényenergia-konvertáló rendszereket hozzunk létre, kiaknázandó a szinte korlátlanul rendelkezésünkre álló, tiszta szoláris energiát.

 

 

In this paper, which is linked to my popular-science talk on the occasion of the International Day of Light (2017), I briefly overview the processes how photosynthesis has converted our globe to a habitable planet, continually providing the energy to virtually all life on Earth, and how it has built up and maintains the O2-rich atmosphere (and, indirectly, the ozone shield). The extensive use of fossil energy carriers leads to the rapid liberation of CO2, which had already been sequestered during millions of years – the excess amounts of this greenhouse gas cannot be fixed by photosynthesis. This may lead to a global environmental catastrophy. Photosynthesis research, which is multidisciplinary in its nature, aims to discover the mechanisms and global effects of the complex processes of biological light-energy conversion and elaborate their possible engineering, redesigning photosynthesis – demanded by the need of increased crop production as well as global sustainability and environmental protection. The detailed understanding of the basic mechanisms of photophysical and photochemical processes will help the construction of efficient artificial photosynthesis and/or hybrid light-energy converting systems – technologies to exploit the practically inexhaustible, clean solar energy.

 

 

 

 

 

A fény világnapján erre a kérdésre a választ a legautentikusabb forrásra hivatkozva adhatjuk meg. A fény nemzetközi éve (2015) honlapján Miért Fontos a Fény? (Why Light Matters?) első sora egyértelműen fogalmaz: „On the most fundamental level through photosynthesis, light is necessary to the existence of life itself” (http://www.light2015.org/Home.html) – azaz „A legalapvetőbb szinten, a fotoszintézis révén, fényre magához az élet létezéséhez van szükség”.

 

 

Földünk ősi atmoszférája az oxigéntermelésre képes első fotoszintetikus organizmusok – a cianobaktériumok vagy kékmoszatok – mintegy három és fél milliárd évvel ezelőtti megjelenése előtt lényegében nem tartalmazott szabad, molekuláris oxigént. Az oxigénben dús atmoszféra megteremtése és fenntartása a biológiai vízbontás „felfedezésének” köszönhető. A fotoszintézis reakcióegyenletében:

 

 

az általános elektrondonor H2A helyébe ez esetben H2O írandó. A víz sokkal nehezebben oxidálható ugyan, mint például a H2S, ami (kéndepozitokat maga után hagyó) kén-típusú bíborbaktériumok végső elektrondonora, viszont gyakorlatilag korlátlanul hozzáférhető. Ily módon tehát a cianobaktériumok, majd pedig valamennyi eukarióta fotoszintetikus organizmus (algák és növények), a szervesanyag szintézisükhöz szükséges redukáló ekvivalenseket egy lényegében korlátlanul rendelkezésre álló elektronforrás, a víz, segítségével tudják biztosítani.

 

 

Könnyű belátni, hogy ez a reakció teremtette meg annak a feltételét, hogy a fotoszintetikus szervezetek meghódítsák a bolygónkat. Egyúttal – bár a fotoszintézis szempontjából melléktermékként, de a magasabb rendű élet szempontjából korántsem mellékesen – molekuláris oxigént szabadítottak és szabadítanak föl. Ennek köszönhetően bolygónk légköre fokozatosan, változatos és ma sem pontosan tisztázott természetű és hatású biogeokémiai reakciók lejátszódását követően, mintegy fél milliárd évvel ezelőtt érte el, és több időszakban meg is haladta az atmoszféra oxigénkoncentrációjának jelenlegi, mintegy 21%-os szintjét (Lyons et al., 2014). Ennek a viszonylag magas oxigénkoncentrációnak a fenntartása természetesen napjainkban is a fotoszintézisnek köszönhető. A rendszer nagyfokú stabilitással rendelkezik: a légköri oxigén kicserélődési idejét (residence time) az irodalomban 3000–10 000 év közötti értékre becsülik. Mindazonáltal a fosszilis energiahordozók elégetése és az erdőterületek szűkülése kismértékű, de – az utóbbi húsz évet vizsgálva – már jól kimutatható, és a fotoszintetikus aktivitás éves periodicitásával is korreláló csökkenést okozott (Martin et al., 2017).

Azt is meg kell jegyezni, hogy a mai (közel 410 ppm-es) értéknél is alacsonyabb szint lenne kívánatos. Az 550 ppm-es értéknél alacsonyabb cél kitűzése azonban – tekintettel a világgazdaság jelenlegi berendezkedésére – rövid távon irreális lenne. Ha a széles szakértői bázisra támaszkodó Stern-jelentésben szereplő előrejelzések (akár csak részben is) beteljesülnek, az 550 ppm-es CO2-szint, illetve a hozzá rendelhető 2 °C-os globális hőmérsékletemelkedés is (amelynek a felét már „teljesítettük”) csak a sokkal súlyosabb környezeti katasztrófa elkerüléséhez tűnik elegendőnek (Stern, 2007). Ez az 550 ppm az utolsó 800 ezer év átlagértékének mintegy kétszerese, ami, figyelembe véve a rendkívül erős üvegházgáz, a metán, légköri koncentárciójának ugyanezen időszakhoz viszonyított ~300%-os növekedését, várhatólag már így is súlyos, de még jó eséllyel kezelhető következményekkel jár. Ezen feltételek mellett még „csupán” néhány tízmilló ember életfeltételei válnak szinte lehetetlenné (vízellátás, malária, tengerparti zónák víz alá kerülése) elsősorban az alacsonyabb fejlettségű régiókban; számolni kell továbbá a fajok 15–40%-ának veszélyeztetettségével (lehetséges extinkciójával) is. 3 °C-os hőmérséklet-emelkedés mellett a problémák már kezelhetetlenné válhatnak: több mint egymilliárd ember vízellátása kerülhet veszélybe, és az évente víz alá kerülő tengerpartok lakosságszáma a százmilliós nagyságrendet is elérheti; az extinkció mértéke is 20–50%-ra nőhet. Ugyanakkor – és sokan úgy tartják, hogy ez az érv esett legsúlyosabban a latba a politikai döntéshozóknál – a szénalapú gazdaság leváltása új fejlődési pályára állíthatja a világgazdaságot. Így, személyes meggyőződésem is, ma a K+F+I-szféra legfontosabb feladata, mindent megtenni ennek a problémának a megoldása érdekében. Ugyanakkor a siker csak a legszélesebb körű társadalmi és nemzetközi összefogással érhető el. Az oktatásnak, egészségügynek, társadalomtudományoknak és a politikának is megvan a felelőssége, meg kell találnia a maga feladatát, és ki kell dolgoznia a megoldásokat.

 

 

A fotoszintézis főbb mechanizmusait a Magyar Tudomány hasábjain Vass Imre (2010) ismertette. Az alábbiakban – bemutatandó a különböző diszciplínák találkozását és megkönnyítendő a nyitott kérdések és legújabb nemzetközi trendek és alkalmazási területek ismertetését – a biológiai fényenergia-hasznosítás folyamatait térben és időben kissé önkényesen csoportosítva mutatom be.

A fotoszintézis a fény elnyelésével kezdődik, amit az ún. fénybegyűjtő antenna komplexek pigmentmolekulái végeznek. Ezek mind számosságukban, mind pedig – többnyire jól megmagyarázható, egzaktul még nem levezethető, de jól azonosítható fizikai okokra visszavezethető módon – spektrálisan is kiszélesítik a napsugárzás fotoszintetikusan hasznosítható tartományát. Az antenna alapvető funkciója pontosan ebben rejlik; ti. a napsugárzás foton fluxussűrűsége viszonylag alacsony (teljes napfény esetén mintegy 2000–2500 µmol foton m–2 s–1), és így a fotokémiai reakciócentrumok hatékony energiaellátása csak az antennarendszer révén biztosítható. (Ráadásul a legtöbb fotoszintetikus szervezet a maximális sugárzási intenzitás töredékére van optimalizálva, és így kiterjedt antennarendszer nélkül életképtelen lenne.) Az antennarendszerben a gerjesztési energia megjelenését a femto- és pikoszekundumos időskálán lejátszódó relaxációs és energiaátadási folyamatok követik. Ennek során a teljes spektrális tartományban elnyelt fotonok (zöldalgák és növények esetén 400 és 500 nm és 600 és 700 nm közötti abszorpciós sávokkal) a vörös fotonok gerjesztési energiájával eljutnak a fotokémiai reakciócentrumokba. A folyamat kvantumhatásfoka közel 100%, ami azért is figyelemre méltó, mert reakciócentrumonként átlagosan több száz – szélsőséges esetben akár több mint százezer – pigmentmolekula rendszeréről van szó. A fotofizikai törvények ezt kizárólag rendkívüli szervezettség mellett engedik meg – ennek szerkezeti és funkcionális sajátságait korszerű krisztallográfiai és femtoszekundumos spektroszkópiai módszerekkel tárhatjuk föl (Zhang et al., 2015). Ezekben a fizikai folyamatokban a kvantumbiológia elemei is egyre határozottabban felfedezhetők (Romero et al., 2017). Itt kell megjegyezni azt is, hogy az antennarendszer a természetben, a szó szoros értelmében is, sokszínű és rendkívül változatos formákat ölt – alkalmazkodva az élőhely adottságaihoz; ugyanakkor a működés fizikai alapelvei hasonlóak, és az is közös sajátságuk, hogy valamennyi rendszer képes arra, hogy az esetlegesen gyorsan változó fényviszonyokhoz igazítsa az elnyelt fényenergia hasznosításának kvantumhatásfokát. A fotoszintetikus szervezetek ilyen módon is, szabályozott disszipáció révén, képesek védekezni a túlságosan erős sugárzás károsító hatása ellen. A fotofizikai folyamatokba történő beavatkozás molekuláris hátterének tisztázása és a „felesleges” gerjesztési energia biztonságos disszipációját garantáló mechanizmusok feltárása a fotoszintézis-kutatás egyik legintenzívebben kutatott területe (Demmig-Adams et al., 2014).

 

 

A fotoszintézis-kutatások legfontosabb hajtóereje a kíváncsiság volt, és – meg­győződésem, még sokáig – az is marad. Ezekben az alapkutatásokban különösen erős a multidiszciplináris jelleg. Így a fotoszintetikus kutatások kölcsönhatása más tudományterületekkel is sokkal erősebb. Elegendő itt az ultragyors fotofizikai és fotokémiai folyamatokra utalnunk – ahol a lézertechnikát használva korábban nem ismert alapvető fotobiológiai összefüggésekre derült eddig is fény, és további fontos felfedezések várhatók a szegedi lézerközpontban, amint azt az ELI-ALPS Scientific Case anyaga alapján joggal várhatjuk (http://www.eli-hu.hu/?q=en). Több hasonló példa hozható föl. Ezek közé tartozik a membránbiológia és a bioenergetika: gazdag spektroszkópiai jellemzőik és fényindukálható működésük révén a fotoszintetikus protein komplexek segítségével nyertünk eddig is alapvető ismereteket a membránproteinek funkcionális flexibilitásáról és szerkezeti dinamikájáról.