Παρατηρώντας πώς τα φυτά διασπούν το νερό θα μπορέσουμε να λύσουμε το ενεργειακό μας πρόβλημα

Από σελίδα τ ου Imperial College και το NewScientist , Μάιος 2004

Η πιθανότητα να γίνει το νερό, μία από τις πιο άφθονες ενώσεις στη γη, μια φτηνή πηγή υδρογόνου είναι πολύ κοντά χάρις σε ερευνητές από το Αυτοκρατορικό Κολέγιο στο Λονδίνο. Η μέθοδος αυτή μιμείται τον τρόπο που τα φυτά διασπούν τα μόρια του νερού κατά την φωτοσύνθεση. Και οι ερευνητές ισχυρίζονται  ότι μπορεί στο μέλλον να αποδειχθεί ένας ιδιαίτερα ενεργειακός αποδοτικός τρόπος για να προμηθευτούμε φτηνά καύσιμα υδρογόνου.

Πριν λίγο καρό, δημοσίευσαν οι ερευνητές στο περιοδικό Science τις λεπτομέρειες του πρωτεϊνικού συμπλέγματος που οδηγεί στη φωτοσύνθεση - τη γνωστή διαδικασία που μετατρέπει το ατμοσφαιρικό διοξείδιο του άνθρακα σε οργανικές ουσίες και οξυγόνο, παράλληλα με τη διάσπαση του νερού, με τη βοήθεια του ηλιακού φωτός.

Χρησιμοποιώντας κρυσταλλογραφία ακτίνων-X, οι ερευνητές περιγράφουν για πρώτη φορά το μηχανισμό που υποστηρίζει τη φωτοσυνθετική αντίδραση της διάσπασης του νερού. Αναλύοντας αυτά τα συμπεράσματα οι ερευνητές θεωρούν ότι ίσως είναι δυνατό στο μέλλον να μάθουμε πώς να επαναλάβουμε τη διαδικασία αυτή σε μια βιομηχανική κλίμακα, για να φτιάξουμε σε μεγάλες κλίμακες υδρογόνο ως καύσιμο.

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.

Ο καθηγητής Jim Barber του Αυτοκρατορικού Τμήματος Βιολογικών Επιστημών εξηγεί:

"Χωρίς φωτοσύνθεση δεν θα υπήρχε ζωή στη γη όπως την ξέρουμε. Το οξυγόνο, που προέρχεται από αυτήν την διαδικασία, είναι μέρος του αέρα που αναπνέουμε αλλά και του στρώματος του όζοντος που είναι τελείως απαραίτητο για να μας προστατεύει από την UV ακτινοβολία. Το υδρογόνο, που βρίσκεται επίσης στο νερό, θα μπορούσε να αποτελέσει μια από τις πιο ελπιδοφόρες οικολογικές πηγές ενέργειας στο μέλλον. Αντίθετα από τα ορυκτά καύσιμα το υδρογόνο είναι ιδιαίτερα αποδοτικό, με χαμηλή ρύπανση και συγχρόνως μετακινείται εύκολα. Έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ηλεκτρική παραγωγή στις μακρινές περιοχές, όπου είναι δύσκολο να προσεγγιστεί η ηλεκτρική ενέργεια.

"Αλλά το πρόβλημα είναι ότι το υδρογόνο δεν υπάρχει στη Γη ελεύθερο. Όμως ενώνεται με άλλα στοιχεία, όπως είναι το οξυγόνο για να σχηματίσει το νερό, ή με τον άνθρακα για να σχηματίσει το μεθάνιο, οργανικές ενώσεις και το πετρέλαιο. Εντούτοις, το νερό είναι πολύ σταθερό και για αυτόν τον λόγο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα ως καύσιμο. Οι ερευνητές, έχουν κάνει έρευνες χρησιμοποιώντας την ηλεκτρόλυση για να διασπάσουν το νερό σε οξυγόνο και υδρογόνο, αλλά σήμερα αυτή η μέθοδος κοστίζει δέκα φορές περισσότερο απ' όσο κοστίζει το φυσικό αέριο, και είναι τρεις φορές περισσότερο απ' όσο η βενζίνη.

Ακόμα η φύση ανακάλυψε τον τρόπο πώς να διασπάσει το νερό χρησιμοποιώντας το φως του ήλιου, με έναν ιδιαίτερα ενεργειακό αποδοτικό τρόπο πριν 2,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Με την αποκάλυψη της δομής της μεθόδου διάσπασης του νερού στα φυτά, μπορούμε να βρούμε πώς να επαναλάβουμε τη μέθοδο αυτή σε βιομηχανική κλίμακα κατά αποδοτικό ενεργειακό τρόπο".

Στο κέντρο της χημικής διαδικασίας

Η φωτοσύνθεση εμφανίζεται στα φυτά, σε κυανοβακτηρίδια και άλγη (φύκια) και περιλαμβάνει δύο πρωτεϊνικά συμπλέγματα, το φωτοσύστημα Ι (PSI), και το φωτοσύστημα ΙΙ (PSII) - που περιέχει το κέντρο της διάσπασης του νερού.

Στη φύση η φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα εξαιτίας του 'συγχρωτισμού' των μεταλλικών ιόντων και των μορίων χλωροφύλλης, τα οποία βρίσκονται μέσα στον χλωροπλάστη, το φωτοσυνθετικό οργανίδιο του φυτού. Οι χημικοί που προσπαθούν να δημιουργήσουν τεχνητά συστήματα διάσπασης των μορίων του νερού ενδιαφέρονται κυρίως για το φωτοσύστημα II (έλαβε αυτό το όνομα διότι ανακαλύφθηκε δεύτερο).

Όταν ένα φωτόνιο πέφτει πάνω στο φωτοσύστημα II οδηγείται σε ένα εξειδικευμένο μόριο χλωροφύλλης, 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 Ρ680 επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση, αναμένοντας το επόμενο φωτόνιο. 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.

Ο μηχανισμός της αναπλήρωσης των ηλεκτρονίων

"Η δημιουργία ενός τεχνητού συστήματος που θα λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο συναντά τρεις σημαντικές δυσκολίες", εξηγεί ένας καθηγητής της Βιοχημείας στο Πανεπιστήμιο Lunt της Σουηδίας, Στένμπχορν  Στάιρινγκ.

Τους δύο εξ αυτών οι ερευνητές έχουν καταφέρει να προσπεράσουν. Έχουν βρει τον τρόπο να συλλαμβάνουν 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 τον δρόμο για την «εκμετάλλευση» της ηλιακής ενέργειας με τον ίδιο τρόπο που ακολουθούν τα φυτά.

Το φωτοσύστημα ΙΙ

Ενώ τα προηγούμενα μοντέλα της λειτουργίας του φωτοσυστήματος ΙΙ (PSII) είχαν δώσει μια εικόνα, αλλά κατά προσέγγιση, του τρόπου οργάνωσης του κέντρου διάσπασης του νερού, η ομάδα του Imperial College αποκάλυψε τη δομή του κέντρου με μία ανάλυση 3,5 Angstroms (ή εκατό εκατομμυριοστά του ενός εκατοστού) σε ένα κυανοβακτηρίδιο, το γνωστό Thermosynechococcus elongatus. Η ομάδα περιλάμβανε μεταξύ των άλλων τον καθηγητή So Iwata ειδικό στην επίλυση πρωτεϊνικών δομών και τον καθηγητή Jim Barber ειδικό στη φωτοσυνθετική διαδικασία.

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 II, 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 σΐη Γερμανία δημοσίευσαν στην επιθεώρηση Nature την πρώτη δομή υψηλής ανάλυσης του φωτοσυστήματος II, 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.

"Αποτελέσματα από άλλες ομάδες, μεταξύ των άλλων και εκείνων που χρησιμοποίησαν χαμηλής ανάλυσης  κρυσταλλογραφία ακτίνων X, 3,7 Angstroms, έχουν δείξει ότι η διάσπαση του νερού εμφανίζεται σε ένα καταλυτικό κέντρο που αποτελείται από τέσσερα άτομα μαγγανίου (Mn)", εξηγεί ο καθηγητής So Iwata του Αυτοκρατορικού Τμήματος των Βιολογικών Επιστημών.

"Δείξαμε ότι τρία από τα άτομα του μαγγανίου, ένα άτομο ασβεστίου και τέσσερα άτομα οξυγόνου σχηματίζουν μια δομή σαν έναν κύβο, που φέρνει σταθερότητα στο καταλυτικό κέντρο. Το τέταρτο και το περισσότερο ενεργό άτομο του μαγγανίου είναι συνδεμένο με ένα από τα άτομα του οξυγόνου του κύβου. Πιστεύουμε ότι όλη μαζί αυτή η διάταξη είναι υπεύθυνη για τη χημεία της διάσπασης του νερού.

"Η δομή μας αποκαλύπτει, επίσης, τη θέση των βασικών αμινοξέων, τις δομικές μονάδες των πρωτεϊνών, οι οποίες δίνουν λεπτομέρειες για το πώς τα συνένζυμα 'στρατολογούνται' στο κέντρο της αντίδρασης."

Και ο καθηγητής Barber προσθέτει: "Το φωτοσύστημα PSII είναι αληθινά η 'μηχανή' της ζωής και είναι σημαντική πρόκληση για τη σύγχρονη επιστήμη να καταλάβει πώς λειτουργεί. Η κατασκευή του υδρογόνου από το νερό με τη χρήση της φωτοσυνθετικής μεθόδου θα ήταν πολύ αποδοτικότερη από την ηλεκτρόλυση και εάν μπορούμε να μάθουμε πώς να χρησιμοποιήσουμε ακόμη και μέρος των 2,5 δισεκατομμυρίων κυβικών χιλιομέτρων του νερού στον πλανήτη μας, θα μπορέσουμε να καλύπτουμε τις επείγουσες ανάγκες για νέες και φιλικές προς το περιβάλλον πηγές ενέργειας".

Οι επιστήμονες όμως εκτιμούν, ότι θα χρειαστούν περί τα 10 χρόνια προτού ο φυσικός αυτός μηχανισμός μεταφερθεί με επιτυχία σε ένα τεχνητό σύστημα.