Varomosios gyvybės jėgos

Gyvybė yra triukšmo ir chaoso rezultatas. Pasinaudodamos tuo, molekulės kuria sudėtingas biologines struktūras, tikslingai veikiančias ląsteles ir bakterijas. Nuolatinis atomų ir molekulių judėjimas ir virpėjimas – tai didžiojo sprogimo aidas. Jis tebepurto mūsų ląstelių atomus, padėdamas susiformuoti gyvybei. Kambario temperatūroje judančios oro molekulės pasiekia reaktyvinio lėktuvo greitį. Gamtoje siaučia nuolatinė molekulinė audra. Molekulių pasaulį valdo kvantiniai mechaniniai efektai, tampa svarbios entropijos jėgos ir šiluminis triukšmas. Gyvybės aktyvumo esminės paslaptys atrandamos nanopasaulyje. Tačiau tam reikia sudėtingų instrumentų ir metodų. Medžiagotyros specialistai siekia vis geriau suprasti gyvų ir dirbtinių struktūrų struktūras, jų veikimo principus, kad galėtų jas keisti. Taisyti sugedusias arba kurti naujas medžiagas, pasižyminčias unikaliomis savybėmis.

Fizikas, prof. Darius Abramavičius sako: prieš 50 metų įdomiausios medžiagos buvo puslaidininkiai. Dabar „ant bangos” yra molekulinės medžiagos. Mane konkrečiai domina šviesai jautrios medžiagos. Apšvietus saulės šviesa arba elektros lempute, tokioje medžiagoje kažkas nutinka. Ji sureaguoja. Norime suprasti, kaip panaudoti tai, ką jos sugeba veikti apšvietus.

Tokias medžiagas ir jų atsaką į šviesą tyrinėja šių metų Lietuvos mokslo premijos laureatas prof. Darius Abramavičius. Jo darbo tema skamba gan egzotiškai – „Dvimatės koherentinės spektroskopijos teorija – kelias į kvantinės dinaminės tomografijos pažinimą“. Jis su kolegomis tobulina lazerinės analizės metodą, padedantį stebėti šviesai jautrių sudėtingų molekulių elgesį ir savybes. Lietuvos fizikus domina dvi tyrimų kryptys.

D. A.: viena iš jų – analizė molekulių iš bakterijų ir augalų, dalyvaujančių fotosintezėje. Kita kryptis – organiniai saulės elementai. Chemijos pramonė sintetina dideles molekules, kurios yra funkciškai aktyvios. Tos dvi kryptys viena kitą papildo.

Pagrindinis šio tyrimo tikslas – suprasti kaip vyksta fotosintezė, kodėl saulės šviesa taip efektyviai verčiama elektra. Molekuliniai procesai, kuriuos sukelia šviesa augalų ląstelių membranose – tai atvirų sistemų kvantinė mechanika. Norint imituoti gamtą, būtina žinoti, kokią įtaką fotosintezei turi molekulių virpesiai, vienų molekulių kitoms perduodama energija ir sužadinimo migracijos.

D. A.: ji vyksta labai gerai, kvantinis efektyvumas siekia 100%. Tai reiškia, jog iš vieno fotono gauname vieną elektroną naudos. Augaluose fotosintezė vyksta labai efektyviai. Deja, sintetinėse medžiagose kol kas nepasiekiame tokio efektyvumo. Todėl bandom suprasti, kodėl taip gerai tai veikia augaluose.

Norint įminti gamtos paslaptis, tenka atlikti sudėtingus eksperimentus ir skaičiavimus. Kadangi molekulės nėra elektros laidininkai, kaip metalai ar puslaidininkiai, neįmanoma jų prijungti prie baterijos ir išmatuoti elektros srovę. Todėl mokslininkai naudoja spektroskopinius optinius matavimus.

D. A.: mes žinome, kad tos molekulės sugeria šviesą. Todėl mes ir paleidžiame į jas šviesą, o už jų pastatome detektorių. Detektorius kaip veidrodis mums pasako, kokių bangų ilgius tos molekulės sugėrė, o kas atsispindėjo. Mes jas žadiname keliais  nuosekliais lazerio impulsais. Tada galima netgi pamatyti, kas atsitinka tose molekulėse, kai jas sužadiname.

Naudojant labai trumpus, femtosekundžių trukmės lazerinius impulsus jau įmanoma išmatuoti, kas vyksta augaluose po tokio sužadinimo.

D. A.: tada mes pamatome, kaip saulės šviesa sugeriama, kaip sugerta būsena pavirsta į naują molekulinę būseną, kaip ji keliauja augaluose ir kaip sužadinta būsena virsta į elektrą.

Pirmiausia ši metodika buvo pritaikyta dvimačiame branduoliniame magnetiniame rezonanse. Nuo radijo bangų buvo pereita į infraraudonąją sritį. Molekulių branduolių virpesius šioje spektro srityje pradėta registruoti 1995 metais. Apie 2005 metus, tobulėjant lazeriams, pradėti pirmieji eksperimentai matomoje spektro srityje. Tai tęsinys anksčiau naudotos žadinimo zondavimo spektroskopijos.

D. A.: žadinimo-zondavimo spektroskopija – tai du nekoherentiniai impulsai. Pirmasis impulsas sužadina medžiagą. Antrasis impulsas užregistruoja reakciją. Dabar dvimatėje spektroskopijoje žengiama toliau. Vietoj dviejų naudojami keturi lazerio impulsai, jie vienas su kitu tiksliai susiejami. Ne tik impulsų vėlinimo trukmės tiksliai valdomos, bet ir tų visų keturių impulsų fazės suderintos.

Tokiu būdu tyrėjai gauna dviejų rūšių signalą. Vieną absorbcinį, o kitą – dispersinį. Pirmasis iš jų minėtą žadinimą-zondavimą praplečia į du matmenis.

D. A.: dispersinis yra nauja informacija apie sklaidą, ko iki šiol nebuvo. Kadangi naudojami keturi labai trumpi impulsai, jau galima matuoti itin trumpus procesus, trunkančius kelias ar keliolika pikosekundžių.

Stebint reiškinius tokiuose laiko intervaluose, jau galima užčiuopti kvantinius reiškinius. Pamatyti kaip molekulių elektroniniai debesėliai sąveikauja su molekulių virpesiais, kaip jie keičiasi energija. Vienas iš svarbiausių atradimų fotosintezėje, naudojant dvimatę spektroskopiją – užregistruota, kad visi virpesiai veikia suderintai, taip padėdami energijos pernašai.

D. A.: labai aiškiai buvo išmatuota, kad tos elektroninės būsenos sąveikauja su virpesiais, jos keičiasi energija, informacija nuo pat sužadinimo pradžios.

Kokią praktinę naudą gali atnešti tokie sudėtingi eksperimentai? Mokslininkus ypač domina įvairių baltymų sandaros pokyčiai, nes baltymai yra pagrindinė statybinė ląstelių medžiaga. O jų struktūros defektai sukelia daugumą sunkių ligų. Naudojant infraraudonųjų bangų srities spinduliuotę, galima iššaukti baltymų molekulių virpesius. Baltymai turi specifinius virpesinius dažnius, kurių spektrų padėtis ir forma priklauso nuo baltymo konfigūracijos.

D. A.: dalyvavome projektuose su JAV kolegomis, norėdami patikrinti hipotezę, kad Alzhaimerio liga susijusi su baltymų konfigūracijos pasikeitimu, vykstančiu žmogaus organizme. Naudojant dvimatę spektroskopiją, tą baltymų konfigūraciją galima tiksliai matyti. Modeliavimas patvirtino, kad įvyko konfigūracijų pasikeitimas. Ir dabar šios žinios gali būti perkeltos į gydymo įstaigas, kur su šviesolaidžiais įmanoma atlikti tokį eksperimentą gyvame kūne ir taip įvertinti ligos progresavimą.

Mūsų ląstelėse susintetinti baltymai dar turi atrasti savo erdvinę formą, kad taptų biologiškai aktyvūs. Čia irgi padeda molekulių audra, kai spiečius mažų molekulių iš visų pusių daužo baltymą, kol jis susilanksto į optimalią formą, reikalaujančią mažiausiai energijos. Kaip teigia medžiagotyrininkas Pyteris Hofmanas, gyvybę galima apibūdinti kaip tikimybinį žaidimą, žaidžiamą ant erdvėlaikio šachmatų lentos pagal matematikos ir fizikos pasiūlytas taisykles. Fizikos dėsniai, atsitiktinumas ir informacija padeda sukurti sudėtingas biologines struktūras, kurias mūsų sveikatos ir pažangos labui tiria mokslininkai.

Rolandas Maskoliūnas