A „sokszínű” fény a földi élet alapja

A napsugárzás intenzitása igen nagy: négyzetméterenként 1,4 kW a Földet elérő teljesítmény. Ez a teljes Földön egy évben 1,6-szor 1018 kilowattóra energiát jelent, ami csaknem húszezerszerese az emberiség teljes energiafelhasználásának. Nem tudjuk, pontosan mik a feltételei az életnek, de valószínűleg igen szerencsések vagyunk, mert a két szomszédos bolygón, a Vénuszon és a Marson, annak ellenére, hogy az oda jutó sugárzás jellemzői nem nagyon mások, a jelek szerint nincs élet.

A Föld kérge 3,8 milliárd éves, ekkortól volt lehetőség az élet megjelenésére. Ausztráliában talált 3,5 milliárd éves üledékes kőzetekben, úgynevezett sztromatolitekben baktériumok lenyomatát fedezték fel. A korai baktériumok természetesen a fény energiáját használták, egyszerű fotoszintézist folytattak. Később megjelentek víz bontására képes élőlények is. A vízbontás eredményeként oxigén szabadult fel, s körülbelül 2 milliárd évvel ezelőtt kialakult a ma is jellemző oxigénlégkör. Ezzel pedig megteremtődött az állatok kialakulásának a feltétele. Az életfolyamatainkhoz szükséges energiát mi emberek is a más élőlényekből származó szerves anyagok (azaz a táplálék) elégetésével nyerjük, tehát a napenergiát közvetve hasznosítjuk.

A FÉNY MINT ENERGIAFORRÁS

A fényenergia közvetlen biológiai átalakításának legfejlettebb módja a zöld növények leveleiben zajló fotoszintézis. E folyamat eredményeként az elnyelt fény energiájával a növény a vizet elbontja hidrogénre és oxigénre, valamint nagy energiatartalmú cukrot készít. Az oxigén gáz formájában felszabadul, a hidrogént pedig a légkörből felvett szén-dioxid molekulával megfelelő arányban összerakva készíti a növény a cukrot, a szénhidrátot. Az átalakítások eredményeként az elnyelt fény energiájának jelentős része, 30 százaléka hasznosul, e 30%-os hatásfok nagyon jó érték – a legmodernebb napelemek sem képesek hatásosabb működésre.

A fotoszintézis bonyolult folyamat, mely sok elemi lépésben zajlik. Az egyes lépéseket erre a feladatra szakosodott biológiai molekulák, fehérjék végzik. Az egész rendszer membránokban, igen vékony hártyákban helyezkedik el, az összetett feladatnak megfelelően bonyolult elrendeződésben. A fényt zöld színű klorofillmolekulák nyelik el, ők veszik fel első lépésben az energiát. A felvett energiát használja azután a gépezet különböző egységeiben a kémiai átalakításokra. A zöld növények fotoszintézisénél jóval egyszerűbb biológiai fényenergia-átalakító rendszert is megismertünk az utolsó évtizedekben.

A FÉNNYEL HAJTOTT MOLEKULAGÉP

A Halobacterium salinarum nevű baktérium nagy sókoncentrációjú tengervízben él, például tengermelléki sólepárló telepeken. Kiderült, hogy a baktérium sejtmembránjában a szemben található rodopszin nevű látóanyaghoz nagyon hasonló fehérje található, melyet így bakteriorodopszinnak neveztek el. E baktérium életében, energetikájában a bakteriorodopszinnak kulcsszerepe van: a fény energiáját hasznosítja a baktérium számára.

A baktérium a környezetétől a sejtmembrán által elválasztott, elszigetelt térfogat. Anyag e membránon csak erősen szabályozva, megfelelő fehérjéken keresztül juthat át. A membrán két oldala közti koncentrációkülönbségeknek általában nagy jelentőségük van az életfolyamatokban. Az ionok közül kiemelendően fontos a hidrogén ion, a proton.

Fény hatására a bakteriorodopszin fehérje protont pumpál a sejtmembránon keresztül, ennek eredményeként a protonok koncentrációja kívül és belül nem lesz ugyanaz. A koncentrációk különbsége természetesen energiát hordoz – a protonok vissza akarnak jutni. A membránban más fehérjék is elhelyezkednek, olyanok, amelyek a protonkoncentráció-különbséget képesek felhasználni. Ilyen például a sejtet mozgató motor: ez hosszú szálakat, flagellákat forgat egy tengelyen, és ezek propellerként hajtják a sejtet. A forgatáshoz szükséges energiát a protonkoncentráció-különbségből szerzi be a motor. Vagyis a különböző energiatermelő és -felhasználó rendszerek közötti energetikai kapcsolatokat a membránon keresztüli ion- (elsősorban proton-) koncentrációkülönbség közvetíti – így adódik át az energia egyik helyről a másikra.

A FÉNY AZ ÉRZÉKELÉS KÖZEGE IS

Az élőlények sokfajta fizikai eredetű jelzőrendszert használnak, olyanok is vannak – bár kivételszámba mennek –, amelyek számára a fény nem is lényeges. A tájékozódás során a környezetünkről úgy szerzünk információt, hogy a szóródott (vagy éppen kibocsátott) látható fényt érzékeljük. Szinte minden élőlény „lát”, még a növények is.

A látás fontosságát, bonyolultságát mutatja, hogy az emberi fej metszetében milyen nagyok a szemek, illetve a látóidegek az agy teljes méretéhez képest. A szem kifinomult eszköz, optikai elemeinek feladata az, hogy a külvilágot jó minőségben leképezzék a szemfenékre, a retinára. A retina, mint egy TV-kamera detektora, érzékeli a képet, átalakítja az idegrendszer számára érthető elektromos ingerekké, majd a kezdeti jelfeldolgozás után az agyba küldi.

A retina aktív elemei a fényérzékelő sejtek: a pálcikák, a csapok. A pálcikasejtek fényérzékeny elemei a sejt hosszú részében egymás felett elhelyezkedő korongok. E korongok membrán által elválasztott térrészeket képviselnek. A membránban található a látásért felelős molekula, a rodopszin. Neve nem véletlenül hasonló a korábban megismert bakteriorodopszinhoz: szinte ugyanolyan molekuláról van szó. Még a színe is ugyanolyan – látóbíbornak is hívják.

Először a fény részecskéit jelentő fotonok elnyelésének hatására a retinalmolekula megváltoztatja alakját. Ez a fehérjében feszültséget kelt, mire az is alakváltozást szenved. Ettől kezdve azonban a bakteriorodopszin és a szemrodopszin működése eltér. A szemrodopszin esetében maga az alakváltozás indít el egy biokémiai reakciósort, amelynek eredménye a látásinger. Az alak megváltozását egy másik fehérjemolekula veszi észre, egyszerűen úgy, hogy rendelkezik egy olyan tartománnyal, amely hozzáillik a fénygerjesztés utáni, megváltozott alakú rodopszinmolekulához. E fehérje aktiválása bonyolult reakciósort indít el – s a jel végül a sejtről ingerként elvezetődik.

E bonyolult biokémiai összefüggés garantálja a szem bámulatos érzékenységét és dinamikáját, azt a képességét, hogy nagyon gyenge fényt is meglát, de nagyon erős fényt is el tud viselni. Ez a fényintenzitást tekintve mintegy 14 nagyságrendnyi változást jelent, ami hihetetlenül nagy arányszám. Fényképezéskor például más-más fényviszonyok eltérő érzékenységű filmet igényelnek. A legjobb filmek a megvilágítás mintegy két nagyságrendnyi megváltozását képesek rögzíteni, vagyis a szem a filmhez képest 1012-szer (ez milliószor millió) nagyobb fényintenzitás tartományt fog át.

BIOLÓGIAI ÓRÁNK IS A FÉNYHEZ IGAZODIK

Életünk ritmusa követi a napszakok változását: nappal aktívak vagyunk, éjjel pihenünk, alszunk. Úgy is szoktuk mondani, hogy a Naphoz vagyunk szinkronizálva. Akik utaztak már tengerentúlra, és napokig szenvedtek attól, hogy nem tudtak gyorsan alkalmazkodni az időeltolódáshoz, tudják, hogy biológiai óránk átállítása nem egyszerű feladat. A jelenség folyamatait nem ismerjük még pontosan, de a legutóbbi időben sok mindent megtudtunk a mögöttes eseményekről.

A biológiai aktivitás ciklikus váltakozását egy önmagától járó, nagyjából 24 órás periódusú óra szabályozza. Az óra működéséről tudjuk, hogy a gének működési sebességén alapuló, oszcilláló kémiai reakcióra épül. Ha valaki napokig a világtól elzárva sötétben van, akkor is csaknem 24 órás ritmussal zajlik az élete. A sötétben is járó órát azonban szinkronizálni lehet a fénnyel, előbb-utóbb szervezetünk átveszi a fény váltakozásának ritmusát. Nem tudjuk pontosan, melyik érzékelő szervünk szolgáltatja a szinkronizációhoz szükséges fényjeleket a biológiai órának. Az érzékelő feltehetően a szemben van, de nem a retinában. Működésképtelen retinával rendelkező egyedek is szinkronizálódnak, a szem eltávolítása esetén viszont ez a funkció sérül. Azt is tudjuk, hogy az érzékelés anyaga ez esetben is retinal-fehérje komplex, tehát valószínűleg rodopszinnal rokon molekula.

Érdekes, hogy mennyire különböző szervezetekben jutnak szerephez ugyanannak a molekulának, a rodopszinnak egymáshoz hasonló változatai. Feladatot kap mint egy egyszerű baktérium energiaforrása, a látás érzékelő anyaga, és a napi ritmust szabályozó fényérzékelés eszköze. A természet gazdaságos: ha egy evolúciós termék sikeres, több helyen is alkalmazni próbálja.

A rodopszin hologramok, optikai kapcsolók előállítására is alkalmas. A modern biotechnológia egyik lényeges irányzatában biológiai eredetű anyagok gyakorlati alkalmazhatóságát vizsgálják.

A bakteriorodopszin működése során különböző állapotaiban megváltoztatja színét. Genetikai úton számos paramétere – színe, az alapállapotba való visszatérés ideje – megváltoztatható. E tulajdonságok alapján felmerül annak a lehetősége, hogy filmként, optikai adathordozóként, optoelektronikai eszközök aktív elemeként használhassuk. A gyakorlati hasznosítást megkönnyíti, hogy előállítása igen egyszerű, az anyag pedig egyáltalán nem érzékeny, ugyanannyira tartós, mint bármely más szerves festék. E bakteriorodopszin filmek igen nagy felbontású képek, dinamikus hologramok rögzítésére képesek. Jelenleg sok területen, nagy intenzitással folynak fejlesztések, például az MTA Szegedi Biológiai Központjának Biofizikai Intézetében.

Az ilyen optikai anyagok fontos felhasználási területe az optikai kapcsolók fejlesztése. A jelenkor információs technikájában az adattovábbítás optikai kábeleken történik. A kábelek kapcsolását is tisztán optikai úton kellene megoldani: mozgó alkatrészt nem tartalmazó, fénnyel vezérelt optikai kapcsolók kifejlesztése volna a megoldás. Már készültek az ilyen kapcsolók működését demonstráló mintapéldányok. Számos szabadalom tanúsítja az alkalmazási fejlesztéseket, már a piacon is kapható bakteriorodopszint használó holografikus mérőműszer.

VILÁGĺTÓ ÉLŐLÉNYEK

Olyan élőlények is vannak, amelyek képesek maguktól is fényt kibocsátani, mintegy módosítva ezzel azt a képet, amit pusztán a szórt fény segítségével alakíthatunk ki róluk. A legtöbb világító élőlény a tengerben él, de nagyon jól ismert szárazföldi példák is vannak – ilyen a szentjánosbogár. Az ilyen világításnak számos, a túlélést segítő szerepe van: a táplálék csalogatása, a támadó elijesztése, lehet továbbá párválasztási segédeszköz is, illetve akár egyszerre több funkciót is betölthet ezek közül. A világítás mechanizmusa alapvetően kétfajta lehet. A kibocsátott fény vagy fluoreszcencia, vagy kémiai reakció eredménye.

Az első esetben az élőlény az előzőleg elnyelt foton energiáját sugározza ki. A fluoreszcencia általános szabálya szerint a kibocsátott fény energiája kisebb, hullámhossza tehát nagyobb az eredetileg elnyelt fotonénál, aminek a folyamat során lezajló veszteség az oka. A színes fehérjék adalék festékanyagot tartalmaznak, amelyet a fehérjéhez kell kapcsolni. Ilyen például a zöld növényekben a klorofill, vagy a rodopszinban a retinal. Egészen a legutóbbi ideig azt hitték a kutatók, ez alól nincs kivétel. Egy világító medúzát vizsgálva azonban kiderült, hogy fényét részben olyan fehérje adja, amely nem tartalmaz külön festékanyagot. Ezt nevezték el zöld fluoreszcens fehérjének.

Lázas vizsgálatok kezdődtek. Megállapították, hogy a váratlan tulajdonság a fehérje különleges szerkezetéből ered: ennek segítségével az elnyelt fény energiáját újra kisugározva a fehérje világítani képes. A jelenség önmagában érdekes, de jelentősége még nagyobb a rendkívül aktív genetikai, génsebészeti kutatások számára. A genetikailag módosított laboratóriumi állatok látványa egy kissé hátborzongató lehet, hiszen mint kiderült, akár a bőrüket, szemüket alkotó fehérjékhez is hozzá lehet kapcsolni a zöld fluoreszcens fehérjét.

A sötétben világító állatok ezzel szemben kémiai lumineszcenciával keltenek fényt. A tengerekben nagyon sok állat rendelkezik ezzel a képességgel, s a konkrét megvalósulások annyira különböznek, hogy az evolúció során egymástól függetlenül is kialakultak világító rendszerek. Az ilyen állatok az izzólámpákkal ellentétben hideg fényt adnak, melynek hatásfoka nagyon magas. Mifelénk a legismertebb ilyen állat a szentjánosbogár.

A tévében, magazinokban sok lenyűgöző képet láthatunk világító halakról. Vannak olyan egysejtűek, amelyek akkor világítanak, ha mechanikai stressz éri őket, és nagyon kis nyomásváltozásokra is reagálnak. A Karib-tengeren, Puerto Rico közelében egyes öblökben igen nagy számban élnek ezek az élőlények. Itt a vizet ért legkisebb zavar is kiváltja a világító reakciót, ami a csónakok közelében vagy akár az úszó ember által megkevert vízben megdöbbentő fényeffektusokat eredményez.

Készítette az M&H Communications szabad felhasználásra, a szerzői jogok korlátozása nélkül.