Vilniaus ir Karalienės Mary Londono universitetų mokslininkai dar kartą patvirtino seniai žinomą tiesą, kad per milijonus metų trukusią evoliuciją organizmai sugebėjo maksimaliai optimizuoti įvairius savo vykdomus gyvybiškai svarbius procesus. Šį kartą buvo nustatyta, kad augalai sugeba molekuliniame lygmenyje greitai prisitaikyti prie besikeičiančių aplinkos sąlygų ir vykdyti fotosintezę vienodai efektyviai tiek ryškioje šviesoje, tiek prieblandoje.

Atliktų tyrimų rezultatai liepos 11 d. buvo paskelbti žurnale „Nature Communications“, tarptautinę tyrėjų komandą sudarė VU Fizikos fakulteto Teorinės fizikos katedros darbuotojai Jevgenijus Chmeliovas ir Leonas Valkūnas bei kolegos iš Karalienės Mary Londono universiteto Erica Belgio, Ekaterina Kapitonova, Christopher D. P. Duffy, Petra Ungerer ir Alexander V. Ruban.

Visi žinome, kad šiuolaikinis pasaulis yra toks, kokį jį kasdien matome, tik todėl, jog prieš kelis milijardus metų atsirado fotosintezė. Šiandien augalai ir kai kurios bakterijos dėl fotosintezės ne tik aprūpina mūsų planetą deguonimi, bet ir pagamina neapsakomai daug biomasės, kurią galime kūrenti krosnyje, šerti gyvuliams ir valgyti patys. Visa tai įmanoma tik dėl puikiai veikiančios fotosintetinės sistemos, galinčios greitai prisiderinti prie bet kokių aplinkos sąlygų.

„Augalų fotosintetinį aparatą galime įsivaizduoti kaip molekulinį energijos piltuvėlį, – pasakoja VU ir FTMC profesorius Leonas Valkūnas. – Šio piltuvėlio sienelės, dar dažnai vadinamos šviesos surinkimo antena, yra dideliame plote išsidėsčiusios įvairios šviesą sugeriančios molekulės, kurios perduoda sugertų šviesos kvantų energiją pačiame piltuvėlio centre esančiam reakcijų centrui – molekuliniam mikrofabrikui, gaminančiam deguonį.“

Įprastomis apšvietimo sąlygomis (rytais, vakarais ar debesuotą dieną) šis mikrofabrikas spėja sunaudoti iki 99 proc. visos sugertos šviesos energijos, tačiau labai ryškioje šviesoje šis piltuvėlis gali persipildyti ir sudegti. Kad to išvengtų, augalai išvystė kelis molekuliniu lygmeniu veikiančius fotoapsaugos mechanizmus – to piltuvėlio sienelėse tarsi padaromos kelios skylutės, pro kurias visa perteklinė energija yra pašalinama ir išspinduliuojama šilumos pavidalu. Ilgą laiką buvo manoma, kad, siekiant apsaugoti reakcijų centrą, yra paaukojamas jo našumas daliai fotosintetinės antenos su atsiradusia stipria energijos gaudykle erdviškai nuo jo atsiskiriant. Tačiau atlikto tyrimo rezultatai parodė, kad taip nėra.

Jungtinėje Karalystėje atlikti eksperimentai ir juos paaiškinantys VU mokslininkų padaryti teoriniai skaičiavimai atskleidė, kad, priešingai, padidėjus apšvitai per kelias minutes išauga ir piltuvėlio dydis. Maža to, pasirodė, kad už fotoapsaugą atsakingos perteklinės energijos gaudyklės yra sąlyginai silpnos, o jų bendras našumas gali būti reguliuojamas keičiantis jų koncentracijai.

„Tai leidžia vienu šūviu pagauti du zuikius, – teigia L. Valkūnas. – Visų pirma, dinamiškai reguliuojamas silpnų energijos gaudyklių kiekis leidžia augalui optimaliai parinkti tokią jų koncentraciją, kad būtų užtikrinta apsauga nuo visų galimų fotopažeidimų. Antra, dėl to nė kiek nenukenčia reakcijų centrai, o tai leidžia jiems atlikti savo darbą vienodai efektyviai tiek debesuotą, tiek saulėtą sieną.“

Fotosisteminę šviesos surinkimo anteną galimą įsivaizduoti kaip molekulinį energijos piltuvėlį, kurio sienelės – chlorofilo molekulės – sugeria šviesos kvantus ir perduoda jų energiją pačiame centre esančiam reakcijų centrui, atliekančiam krūvių atskyrimą ir gaminančiam deguonį. Saulėtą dieną, kai sugeriama per daug šviesos, antenoje atsiranda papildomų gesimo centrų, kurie visą perteklinę energija paverčia šiluma. J. Chmeliovo iliustracija

Šviesos surinkimo antenoje vykstančių dinaminių pokyčių svarba buvo pademonstruota ir kitame VU mokslininkų atliktame darbe, prieš du mėnesius paskelbtame žurnale „Journal of the American Chemical Society“. Tyrimas irgi buvo atliktas VU Fizikos fakulteto Teorinės fizikos katedros darbuotojams Jevgenijui Chmeliovui, Gediminui Trinkūnui bei Leonui Valkūnui bendradarbiaujant su Vageningeno universiteto (Olandija) mokslininku Herbertu van Amerongenu.

Iki šiol aprašant sužadinimo energijos pernašą fotosintetinėse sistemose tekdavo postuluoti galimybę energijos kvantui pasprukti iš reakcijų centro ir grįžti į anteną. „Toks elgesys atitinka situaciją, kai pro piltuvėlį nutekėjęs vanduo kažkokiu būdu sugrįžta į jį atgal“, – mikroskopinius vyksmus su kasdieniu gyvenimu lygina L. Valkūnas. Tačiau be tokios keistos prielaidos nebuvo įmanoma paaiškinti visų eksperimentuose stebimų reiškinių. Priešingai, atliktame teoriniame darbe buvo parodyta, kad šių reiškinių prigimtis gali būti ne reakcijų centras, o jį supanti šviesos surinkimo antena, tik reikia įskaityti joje vykstančius dinaminius pokyčius.

„Molekulės nuolat virpa, fliuktuoja apie savo pusiausvyros padėtį. Atitinkamai fliuktuoja ir pigmentų bei baltymų kompleksai, iš kurių sudaryta šviesos surinkimo antena. Dėl to laikui bėgant keičiasi ir antenoje dominuojantys energijos pernašos keliai, kuriais energija teka į reakcijų centrą, – teigia VU ir FTMC mokslininkas G. Trinkūnas. – Atsižvelgus į šias dinamines savybes, pavyko tinkamai aprašyti reiškinius, kurie iki šiol atrodė ne visai suprantami.“

Tikimasi, jog perpratus natūralioje biologinėje aplinkoje vykstančius šviesos energijos itin našius sugerties bei pernašos mechanizmus vieną dieną pavyks atkartoti gamtą ir išmokti valdyti šiuos procesus kuriant tokiu pačiu našumu pasižyminčias dirbtines Saulės gamyklas.

Atlikti tyrimai paskelbti publikacijose „Economic photoprotection in photosystem II that retains a complete light-harvesting system with slow energy traps“ ir „Light harvesting in a fluctuating antenna“. Tyrimus finansavo Lietuvos mokslo taryba ir Jungtinės Karalystės karališkoji draugija bei Leverhulme Trust fondas.