Αν ζητήσει κάποιος από έναν βιολόγο και από έναν ερευνητή στα θέματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας να ιεραρχήσουν τις πιο σημαντικές χημικές αντιδράσεις που συμβαίνουν στη φύση, είναι πολύ πιθανόν οι λίστες που θα λάβει να παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές. Είναι βέβαιο όμως ότι πολύ ψηλά και στους δύο αυτούς καταλόγους θα βρίσκεται μια αντίδραση που αφορά τη διάσπαση των μορίων του νερού με τη βοήθεια του φωτός σε οξυγόνο, καθώς και σε ιόντα υδρογόνου. Με λίγα λόγια τη φωτοσύνθεση, τη διαδικασία με την οποία τα φυτά, τα φύκη και τα κυανοβακτήρια "συλλαμβάνουν" την ηλιακή ενέργεια και με τη βοήθειά της δημιουργούν σάκχαρα, το "καύσιμο" που χρησιμοποιούν όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί. Και οι δύο ερωτηθέντες ερευνητές θα έχουν να παρουσιάσουν έναν καλό λόγο για την επιλογή τους: ο βιολόγος θα υποστηρίξει ότι η αντίδραση αυτή υποστηρίζει την ύπαρξη κάθε πολύπλοκης μορφής ζωής στον πλανήτη, τροφοδοτώντας την με ενέργεια και οξυγόνο. Ο ειδικός σε θέματα ενέργειας θα πει ότι η φωτοσύνθεση ίσως αποτελεί το κλειδί που οδηγεί στη λύση των ενεργειακών προβλημάτων της Γης.

Η φωτοσύνθεση αποτελεί τον πιο επιτυχημένο μηχανισμό μετατροπήs τns nλιακήs ενέργειαs στη Γη. Και από τη στιγμή που η ίδια n φύση "εφηύρε" ένα τόσο επιτυχημένο σύστημα, θα ήταν ανόητο να αγvoήσoυμε τη δυναμική που θα μπορούσε να έχει ως πηγή ανανεώσιμηs ενέργειαs, αναφέρει ο Στένμπχορν Στάιρινγκ, καθηγητής Βιοxnμείαs στο Πανεπιστήμιο Λουντ τns Σουηδίαs. Η τεxvητή φωτοσύνθεση θα επιτρέψει την "εκμετάλλευση" του ηλιακού φωτόs για την παραγωγή απεριόριστων ποσοτήτων υδρογόνου ή άλλων "καυσίμων" από το νερό. Θα δώσει, δηλαδή, τη δυνατότητα παραγωγής καθαρής και φθηνήs ενέργειαs. Το μεγάλο βέβαια πρόβλημα για τους ερευνητέs είναι ότι η ακριβήs διεργασία η οποία συντελείται από τα φυτά για τη διάσπαση των μορίων του νερού παραμένει ακόμη μυστήριο. Σύμφωνα με την ηλεκτροχημική θεωρία, η ενέργεια που απαιτείται για τη διάσπαση του νερού είναι περισσότερο από αρκετή για να καταστρέψει οποιοδήποτε βιολογικό μόριο. Ωστόσο τα φυτά κάνουν τη συγκεκριμένη διεργασία κάθε ημέρα, όλη την ημέρα, χωρίς προβλήματα. Ώσπου λοιπόν να εννοήσουμε με κάθε λεπτομέρεια πώs το καταφέρνουν αυτό, δεν θα μπορέσουμε να επιτύχουμε το πείραμα στο εργαστήριο.

Καύσιμα από τον ήλιο και το νερό

Η φωτοσύνθεση αποτέλεσε μία από τις ζωτικές διεργασίες για τη δημιουργία της ζωής στη Γη. Τώρα, 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια αργότερα, ο άνθρωπος προσπαθεί να μιμηθεί τις πανάρχαιες διεργασίες της φύσης.

Οι προσπάθειες για να μάθουμε περισσότερα σχετικά με τον θαυμαστό κόσμο των φυrών συνεχίζονται πυρετωδώς από πολλούς ερευνητές. Και τώρα μια ομάδα από το Imperial College του Λονδίνου, με επικεφαλής τους Τζιμ Mπάρμnερ και Σο loυάτα, οδήγησε την έρευνα του τομέα ένα βήμα πιο πέρα.

Οι ερευνητές κατάφεραν να αποτυπώσουν την ακριβή διάταξη που έχουν τα μεταλλικά ιόντα, τα άτομα του οξυγόνου και τα μόρια του νερού, μέσα στον καταλυτικό πυρήνα, στον πυρήνα του μηχανισμού φωτοσύνθεσης των φυτών, όπου γίνεται η διάσπαση των μορίων του νερού. Το εύρημα αυτό θεωρείται άκρως σημαντικό, καθώς με την αποτύπωση αυτής της δομής ανοίγει ο δρόμος για την πλήρη κατανόηση του μηχανισμού της διάσπασης των μορίων του νερού και στη συνέχεια για την τεχνητή φωτοσύνθεση.

Η επόμενη μεγάλη φάση αφορά το να αποκαλυφθούν οι ακριβείς χημικές διεργασίες της φωτοσύνθεσης. Στη φύση η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα εξαιτίας του "συγχρωτισμού" των μεταλλικών ιόντων και των μορίων χλωροφύλλης, τα οποία βρίσκονται μέσα στον χλωροπλάστη, στη φωτοσυνθετική "συσκευή" του φυτoύ. Οι χημικοί που προσπαθούν να δημιουργήσουν τεχvητά συστήματα διάσπασης των μορίων του νερού ενδιαφέρονται κυρίως για τη διάταξη των μορίων που αποκαλείται "φωτoσύστημα ΙΙ" (έλαβε αυτό το όνομα διότι ανακαλύφθηκε δεύτερο).

Όταν ένα φωτόνιο "χτυπά" το φωτοσύστημα ΙΙ οδηγείται σε ένα εξειδικευμένο μόριο χλωροψύλλης, το οποίο αποκαλείται Ρ680. Από αυτή τη διαδικασία εκλύεται ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ενεργειακής στάθμης, που διαγράφει μια κυκλική τροχιά προτού χρησιμοποιηθεί για να μετατρέψει το διοξείδιο του άνθρακα σε σάκχαρο. Τότε το μόριο Ρ68Ο επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση, αναμένοντας το επόμενο ψωτόνιο. Προτού όμως γίνει αυτό πρέπει να αναπληρώσει το χαμένο ηλεκτρόνιο, το οποίο και λαμβάνει από τα μόρια του νερού που είναι διασκορπισμένα μέσα στον καταλυτικό πυρήνα. Όταν αυτή η διεργασία έχει συντελεστεί τέσσερις φορές, από τον πυρήνα εκλύονται ένα μόριο οξυγόνου και τέσσερα μόρια υδρογόνου και η διαδικασία ξεκινά και πάλι. Δηλαδή το φως μετατρέπει μέσω της φωτοσύνθεσης δύο μόρια νερού σε ένα μόριο οξυγόνου, τέσσερα ηλεκτρόνια και τέσσερα ιόντα υδρογόνου.

Η δημιουργία ενός τεχνητού συστήματος που θα λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο συναντά τρεις σημαντικούς "σκoπέλoυς", εξηγεί ο Στάιρινγκ. Τους δύο εξ αυτών οι ερευνητές έχουν καταφέρει να προσπεράσουν. Έχουν βρει τον τρόπο να "συλλαμβάνουv" την ηλιακή ενέργεια αλλά και να τη μεταφέρουν με τη μορφή ηλεκτρονίων σε ένα αντιδραστήριο, προκειμένου να παραχθεί υδρογόνο. Εκείνο όμως που δεν έχουν καταφέρει ακόμη είναι να ολοκληρώσουν τον κύκλο και να μπορούν να αναπληρώσουν τα ηλεκτρόνια, τα οποία χάνονται κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης. Αν δεν γίνει αυτό, η όλη διαδικασία πέφτει σε "τέλμα" και δεν ολοκληρώνεται ποτέ.

Στα φυτά η αναπλήρωση των χαμένων ηλεκτρονίων γίνεται μέσα από την αντίδραση της διάσπασης των μορίων του νερού. Αν οι ερευνητές καταφέρουν να μιμηθούν αυτό το κρίσιμο τμήμα της διεργασίας, θα ανοίξουν το δρόμο για την "εκμετάλλευση" της ηλιακής ενέργειας με τον ίδιο τρόπο που ακολουθούν τα φυτά. "Αυτό θα προσφέρει μια αστείρευτη, φιλική προς το περιβάλλον μορφή εvέρyειας" λέει ο Στάιρινγκ και προσθέτει ότι το νέο επίτευγμα των ειδικών του Imperial College δίνει σημαντική ώθηση προς αυτή την κατεύθυνση, αν και, όπως εκτιμά, θα χρειαστούν περί τα 10 χρόνια προτού ο φυσικός αυτός μηχανισμός "μεταφερθεί" με επιτυχία σε ένα τεxνητό σύστημα.

Οι ερευνητές που ασχολούνται με τη φωτοσύνθεση γνώριζαν εδώ και καιρό ότι το μυστικό της διάσπασης των μορίων του νερού συνδέεται άμεσα με τον καταλυτικό πυρήνα. Αν και μεταξύ των ειδών παρουσιάζονται διαφορές στα συστατικά του φωτοσυστήματος ΙΙ, ο καταλυτικός πυρήνας φαίνεται να είναι ο ίδιος σε όλα τα φυτά, τα φύκη και τα κυανοβακτήρια. Αυτό μαρτυρεί ότι η διάταξη των ατόμων στον πυρήνα της φωτοσύνθεσης πρέπει να είναι πολύ συγκεκριμένη για να λειτουργήσει το όλο σύστημα. Ως φαίνεται αν κάποιος την αλλάξει στο παραμικρό, η όλη διεργασία δεν μπορεί να ολοκληρωθεί. Για τον λόγο αυτόν και ο καταλυτικός πυρήνας αποτελεί μείζονα στόχο πολλών ερευνητικών ομάδων. Και οι μελέτες τους έχουν δώσει το τελευταίο διάστημα κάποια αξιόλογα αποτελέσματα.

Το πρώτο επίτευγμα ήλθε το 2001, όταν ερευνητές από το Πολυτεχνείο του Βερολίνου στη Γερμανία δημοσίευσαν στην επιθεώρηση "Nature" την πρώτη δομή υψηλής ανάλυσης του φωτοσυστήματος ΙΙ, την οποία έλαβαν μέσω κρυσταλλογραφίας. Δύο χρόνια αργότερα ερευνητές από το Ινστιτούτο Χαρίμα κοντά στο Κόμπε της Ιαπωνίας έδωσαν στη δημοσιότητα μία ακόμη πιο σαφή δομή σε υψηλότερη ανάλυση από αυτή των γερμανών συναδέλφων τους (Proceedings of the National Academy of Sciences, τεύχος 100, σελ. 98).

Και οι δύο αυτές δομές έδειχναν ότι πέρα από κάθε αμφιβολία ο καταλυτικός πυρήνας αποτελείται από τέσσερα ιόντα μαγγανίου, ένα ιόν ασβεστίου, ορισμένα άτομα οξυγόνου και τουλάχιστον δύο μόρια νερού. Ωστόσο και οι δύο έρευνες δεν αποκάλυπταν την ακριβή γεωμετρία στον χώρο των μεταλλικών ατόμων.

Αυτό ακριβώς κατάφεραν να πραγματoπoιήσoυν ο Μπάρμπερ και η ομάδα του μέσω ανάλυσης εικόνων του καταλυτικού πυρήνα του κυανοβακτηρίου Thermosynechococcus elongatus, οι οποίες ελήφθησαν με ακτίνες Χ. Και η ανακάλυψη της δομής του πυρήνα της φωτοσύνθεσης των φυτών εξέπληξε τους ερευνητές. Η επικρατούσα επί έτη άποψη ήταν ότι ο καταλυτικός πυρήνας αποτελείται από τέσσερα κεντρικά ιόντα μαγγανίου, τα οποία ακολουθεί ένα ιόν ασβεστίου. Η τελική όμως δομή που δημοσιεύθηκε τον περασμένο Μάρτιο στην επιθεώρηση "Science" είναι διαφορετική από ό,τι πιστευόταν: ο καταλυτικός πυρήνας είναι ένας κύβος που αποτελείται από τρία ιόντα μαγγανίου και ένα ιόν ασβεστίου, τα οποία αλληλοσυνδέονται με άτομα οξυγόνου. Το τέταρτο ιόν μαγγανίου βρίσκεται έξω από αυτή τη δομή με ένα μόριο νερού προσδεδεμένο επάνω του.

Οι περισσότεροι ερευνητές του χώρου συμφωνoύν με αυτή τη δομή. Άλλοι όμως σημειώνουν ότι θα μπορούσαν να είναι πιθανά και άλλα σχήματα. Όλα αυτά βέβαια θα βρουν την οριστική απάντησή τους μόνο μέσω πιο αναλυτικών εικόνων του καταλυτικού πυρήνα, οι οποίες και θα "χαρτογραφήσουν" πλήρως τη δομή του.

Ο Στάιρινγκ και άλλοι ερευνητές πιστεύουν ότι κάτι τέτοιο θα γίνει σύντομα. Και εκτιμούν ότι τότε ο άνθρωπος θα μπορέσει να φωτοσυνθέσει στο εργαστήριο, παράγοντας ουσιαστικά απεριόριστες και "δωρεάν" ποσότητες υδρογόνου, λύνοντας σε μεγάλο βαθμό το ενεργειακό πρόβλημα του πλανήτη.

Η φωτοσύνθεση αποτέλεσε μία από τις ζωτικές διεργασίες για την εξέλιξη της ζωής στη Γη, δημιουργώντας τις συνθήκες για την ύπαρξη των πολυκύτταρων οργανισμών. Τώρα, 2,5 δισ. χρόνια αργότερα, ο άνθρωπος προσπαθεί να μιμηθεί τις πανάρχαιες διεργασίες της φύσης, προκειμένου μέσα από το παρελθόν να εξασφαλίσει το μέλλον του... Γιατί, χωρίς ενέργεια, μέλλον δεν μπορεί να υπάρξει.

Εφημερίδα "ΤΟ ΒΗΜΑ" - "New Scientist"
23 Μαΐου 2004