/nginx/o/2023/03/21/15211200t1hf833.jpg)
- Fotosünteesi tähtsust biosfääris on võimatu ülehinnata.
- Päikesepaneel kui tehisleht vajaks ka taimelikku kunsthingamist.
- Taimede kütuseelement töötab suuremate soojuskadudeta.
Selleks et Päikeselt tulev energia suuremate soojuskadudeta elektriks muundada, ei piisa fotosünteesi kohmakast matkimisest, vaid tuleks matkida ka taimedes toimuvat hingamist, kirjutab taimefüsioloog ja akadeemik Agu Laisk.
Hiljuti jalutasin läbi oma koduaia väikese kasesalu, tallates möödunudsuviseid lehti. Nemad on oma töö teinud. Juba varsti puhkevad pungad ja ümbrus on jällegi roheline. See on ilus ja roheluse pärast me armastame Eestit. Meile ei meeldi tuulikute vehklevad tiivad, veelgi koledamad on päikesepaneelide mustad read.
Ma ei usu, et must värv on koledam kui roheline. Viga on pigem selles, et rohelised lehed on looduses loomulikud, paneelid aga inimese poolt sinna sokutatud. Tegelikult nii ränipooljuhist paneel kui ka klorofüll-roheline taimeleht mõlemad püüavad päikese energiat ja muundavad seda meile kasutatavasse olekusse.
Agu Laisk (84)
/nginx/o/2023/03/22/15212694t1h0d27.jpg)
Õppis Hugo Treffneri gümnaasiumis (siis Tartu I keskkool), lõpetas Tartu Riikliku Ülikooli füüsikuna. Töötas Tõravere Observatooriumi juures (Eesti Teaduste Akadeemia Füüsika ja Astronoomia Instituut, hiljem Astrofüüsika ja Atmosfäärifüüsika instituut), alates 1992. aastast Tartu Ülikoolis taimefüsioloogia õppetooli juhataja; emeriteerus 2003. aastal.
Teadustöö algas taimkatte produktsiooniteooria alal, hiljem keskendus taimelehtede fotosünteesi uurimisele. Külalisena töötanud mitmes välisülikoolis. Avaldanud 120 teaduslikku artiklit ja kaks monograafiat. Eesti Teaduste Akadeemia akadeemik (1994); Ameerika taimefüsioloogide seltsi valitud kirjavahetajaliige (1992).
Energia ning muud energiad
Energia saabumine või lahkumine väljendub kehade (asjade) liikumise muutumises: muutub liikumise kiirus ja suund, kehade omavahelise tiirlemise või võnkumise ulatus. Aine keemiline energia seisneb peamiselt elektronide liikumises aatomi või molekuli sees: energia on seda suurem, mida kaugemale tuumast elektroni võnked ulatuvad. Elektrivoolu energia on paljude end tuumadest lahti rebinud elektronide liikumise energia metalltraadis. Soojuse energia on tervete aatomite ja molekulide juhuslik liikumine, mistõttu omavahel põrkudes nende liikumise suund pidevalt muutub.
Mittetuuma-energeetika on kunagi päikesekiirguse toimel ergastunud elektronide energia vabastamine inimesele kasulikul viisil.
Päikese tulikuumas plasmakeskkonnas on elektronid ja prootonid lahus; pluss- ja miinuslaengu juhuslikul põrkumisel toimub elektrivälja kiire muutumine, mis footoni kujul kandub maailmaruumi valguskiirguse energiana. Kui footon juhtub tabama mõnd aatomit või molekuli Maal, siis tema energia kandub üle siinsele elektronile, mistõttu viimane «ergastub», hakates võnkuma tuumast kaugemale.
/nginx/o/2018/12/13/11653129t1h4c6a.jpg)
Pluss- ja miinuslaengute kokkulangemine Päikesel teiseneb miinus- ja plusslaengute kaugenemiseks Maal. Mõne aja pärast – see võib ulatuda pikosekunditest kuni miljonite aastateni – footonite ergastatud elektronid kukuvad oma endisesse olekusse, kusjuures nende ergastuse energia muundub soojuseks või mõneks teiseks meile kasulikuks energiaks. Mittetuuma-energeetika on kunagi päikesekiirguse toimel ergastunud elektronide energia vabastamine inimesele kasulikul viisil. Kui need elektronid on oma kõrgema energia seisundis püsinud juba väga kaua, siis nimetame seda fossiilseks energiaks.
Piko- ja nanosekundi määrav erinevus
Tahketes ainetes ja vedelikes on aatomid ja/või molekulid tihedasti üksteise kõrval, mistõttu elektroni ergastumine ühes aatomis kustutatakse kiiresti, jaotades energia aatomite liikumiseks, teisisõnu: üldiselt tahked kehad lihtsalt soojenevad päikese käes. Elu tekkimine tähendas oskust paigutada valkainetes molekulid väga kindlatesse asukohtadesse – see väljendub näiteks laste ja vanemate, samuti kaksikute sarnasuses.
Fotosünteesi pigmendis klorofüllis püsib ergastuse energia tuhat korda kauem kui mõnes maalrivärvis.
Tekkisid ka esimesed päikeseenergia salvestajad – fotosünteesivad eluvormid, kes õppisid valgust neelavaid pigmente paigutama valkkeskkonnas parasjagu just nii tihedalt, et ergastunud elektron ei kukuks tagasi mitte pikosekundi (10-12 s), vaid alles mõne nanosekundi (10-9 s) pärast: fotosünteesi pigmendis klorofüllis püsib ergastuse energia tuhat korda kauem kui mõnes maalrivärvis. Tähtis ei ole seejuures mitte klorofülli molekuli eriline ehitus, vaid nende paras tihedus ja õige asend valk-keskkonnas. Terve nanosekundi ergastunud elektron omab aga võimalusi kanduda üle naabermolekulile, mis fotosünteesivas organismis «juhtub» olema niisugune, et seal ei saa elektron enam madalasse algasendisse tagasi kukkuda. Sellega on klorofülli ergastuse energia muundatud aktseptormolekuli (kinooni PQH2) keemiliseks energiaks.
Fotosünteesis suudab vett põletada iga footon
Taimelehes genereeritakse elektripotentsiaal bioloogilisel lipiid-membraanil: siis kui ergastunud elektron kandub klorofüllilt läbi membraani kinoonile. Päikesepaneelides on valguse neelajaks ränikristall, mis lisandite abil on muudetud kas elektronjuhtivaks n- või aukjuhtivaks p-tüüpi pooljuhiks.
Ränikristallis tekib elektripotentsiaal p- ja n-tüüpi juhtivusega alade vahelisel pn-siirdel, siis kui piisava energiaga footon ergastab siirde läheduses räniaatomi, nii et eralduv elektron läbib keelutsooni ja täidab ühe augu p-poolel, elektronist järele jääv auk aga haarab asemele elektroni n-poolel. Tööolukorras tekib pn-siirdel potentsiaalivahe umbes 0,4 V (maksimaalselt 0,6 V), mis on madalam kui vee elektrolüüsiks minimaalselt vajalik potentsiaalivahe 1,23 V. See tähendab, et järjestikku tuleb ühendada vähemalt kolm paneelielementi, et valgusenergiat kasutada vee lagundamiseks.
Kui fotosünteesis on veelt elektroni võimeline eemaldama iga footon, siis räni-paneelis kulub selleks 3–4 footonit – üks igas järjestikuses elemendis. Sobivam pooljuht on indium-gallium nitrit InGaN, mille keelutsooni laiust saab reguleerida kuni maksimaalse 3,4 elektronvoldini, kuid esialgu on sellel teisi puudusi, mis kvantsaagist piiravad.
Kuidas taimed vett põletavad
Fotosünteesi reaktsioonitsenter on näide sellest, kuidas valkstruktuur hoiab eluprotsessides tähtsaid aatomeid ja molekule, nii et need soojusliikumise tõttu ei eemalduks oma biokeemilistest partneritest. Fotokeemiliselt aktiivne doonor-klorofüll asetseb ühel pool bioloogilist membraani, vähem kui kahe nanomeetri kaugusel aktseptor-kinoonist teisel pool membraani.
Valgus ergastab klorofülli elektroni, mis tänu molekuli soodsale asendile ja väiksemale energiakaole (molekul soojeneb vähem) ei kuku põhiseisundisse, vaid suure tõenäosusega kandub klorofüllilt kinoonile. Üle kandudes läheb kaduma küll rohkem kui kolmandik elektroni 1,8 eV suurusest ergastusenergiast, kuid kinooni põhiseisundis jääb see ikkagi ühe elektronvoldi võrra kõrgemale kui oli doonorklorofülli põhiseisundis. See 1 eV ongi fotosünteesi reaktsioonitsentris salvestatud keemilise energia väärtus. Elektroni kaotanud doonorklorofülli eripära on tema väga positiivne (energeetiliselt madal) redokspotentsiaal, mis võimaldab tal haarata elektroni veelt – seega oksüdeerida (see on umbes sama mis põletada) vett.
Alates 21. sajandi algusest on finantseeritud mitut teadlaste rühma, kes tegelevad kunstliku fotosünteesi väljaarendamisega.
/nginx/o/2023/03/22/15212704t1hb5fc.jpg)
Membraani aktseptorpoolel kanduvad elektronid üle mitme vahendaja NADPH-nimelisele ühendile, kus liitub ka prooton – nii et siin on tegemist juba vesinikuga (prootoni ja elektroni paar ongi ju vesiniku aatom – toim). Vesinik kandub süsinikühendile, millega eelnevalt oli seondunud süsihappegaas; et vesinik asendab seal CO2-st pärit hapniku, siis on see süsiniku redutseerimise reaktsioon fotosünteesis (st oksüdeerimise pöördprotsess – toim).
Fotosünteesi tähtsust ei ole võimalik ülehinnata, sest selle kaudu on tekkinud kogu orgaaniline aine – biomass. See ajendas omal ajal ka Eesti teadlasi Juhan Rossi (1925–2002) ja Heino Toomingat (1930–2004) mõtlema võimalustele, kuidas parandada taimekultuuride saagikust muutes fotosünteesi efektiivsemaks – see seltskond vaimustas ka käesoleva loo autorit. Inimese enesekindlus on aga suur. Selle asemel, et jännata fotosünteesi tingimuste parandamisega, otsustati see järele teha ja just niisugusena nagu meile tarvis: alates 21. sajandi algusest on finantseeritud mitut teadlaste rühma, kes tegelevad kunstliku fotosünteesi väljaarendamisega.
Taimed elektrolüüsivad suure soojuskaota
Mitte asjata ei alustanud ma seda juttu kirjeldades päikesepaneele roheliste lehtede rüpes, sest mõnes mõttes võikski paneeli pidada kunstlikuks taimeleheks. Ülalkirjeldatu selgitab päikeseenergia muundumist keemiliseks energiaks kui vee lagunemist vesinikuks ja hapnikuks, mis sisuliselt on ju vee elektrolüüs.
Selles protsessis toimub kahe H2O lagundamine neljaks elektroniks, neljaks prootoniks ja kaheks hapnikuaatomiks ning nende ümbersidumine O2-ks ning kaheks H2 molekuliks. See on keerukas, vahepealseid kõrge energiatasemega ioonseisundeid läbiv protsess. Vältides energiakadu, mis soojendab elektrolüüsitavat vett, oskavad seda läbi viia taimed. Nemad kasutavad mangaani aatomeid oksüdatsioonilaengu akumulaatorina erilises Mn4O5Ca kompleksis fotosüsteemi teises koosseisus.
Põhimõte on selles, et ühekaupa juhuslikult saabuvad footonid oksüdeerivad otseselt mitte vett, vaid mangaani. Kõigepealt seotakse üks H2O, mille osaliselt oksüdeeritud vahevorm hoitakse kompleksis. Siis seotakse teine H2O ja hapniku molekul moodustub pärast seda, kui neli footonit igaüks on viinud ühe elektroni ära. Meie laboris mõõdetud kasutegur oli 0,65 elektroni ülekannet fotosüsteemis neeldunud footoni kohta, kuid selles on sees ka kaod ergastuse ülekandel fotosüsteemi kuuluvate paljude klorofüllide vahel. Nii et vee fotosünteetilise elektrolüüsi kasutegur on siiski arvatavasti üle 0,8.
Protsessi teine pool – kahe H2 molekuli moodustumine – fotosünteesis ei toimugi. Küll aga moodustuvad kaks hüdriidiooni H- seotuna adeniindinukleotiidiga, mida tähistatakse NADPH. Süsinikahela taandamise käigus asendab H- karboksüülrühma OH-, taandades orgaanilise happe selle anhüdriidiks. Niimoodi siis muundub footoni energia süsivesiku -HCOH- keemiliseks energiaks, mis fossiilsel kujul võib säilida aastamiljoneid, olles taandunud nafta süsivesinikeks või puhtaks kivisöeks.
Saatan tavatseb peituda detailides
Niisiis on rohelised taimelehed oma funktsioonilt teatud määral sarnased päikesepaneelidega: mõlemas elektron eraldub valgust neelavalt ainelt. Paneelides juhitakse elektronid metalltraati, mille kaudu need läbivad elektrivõrgu ja jõuavad positiivse klemmi kaudu tagasi partneraatomile, millest footon need lahti lõi. Elektronid voolavad aga ainult valgel ajal, öiseks kasutamiseks tuleb energiat salvestada.
Üks viise selleks on vee elektrolüüs, mille käigus vesi lagundatakse hapnikuks ja vesinikuks. Päeval kogutud vesiniku saab kütuse-elemendi kaudu uuesti muundada veeks, kasutades hapnikule voolavaid elektrone akumuleeritud elektrivooluna. Kahjuks nõuab see tehnoloogia palju ruumi päikest püüdvatele paneelidele ja tohututes kogustes haruldasi metalle. Gaasilise vesiniku hoidmine on aga tülikas.
/nginx/o/2022/10/22/14914416t1hf39a.jpg)
Meie kodumaal on suviti kogu loodus roheline. Ka klorofüllist eraldub elektron valguse toimel, kuid lehel ei ole ühendustraate, vaid elektron suundub keemiliste kandurite ahelasse. Ühel neist ühinevad kaks elektroni prootoniga vesiniku iooniks H- ja siis viimane seotakse süsinikühendiga. Elektronita jäänud klorofüll tõmbab teise asemele veelt, toimetades sellega vee elektrolüüsi, milles eraldub hapnik.
Taimelehtede fotosüntees on seega «tehnoloogia», milles vesi elektrolüüsitakse kõrge kasuteguriga. Vesinik aga ei eraldu gaasina, vaid seondub süsinikühenditesse, nagu seda on näiteks kõrred, roog, puit. Sellega on päikese-energia salvestatud. Me oskame seda energiat vabastada biomassi põletades, kuid pelletikütusel elektrijaamade kasutegur on siiski madal. Kahjuks kaasaegne tehnoloogia ei suuda veel oksüdeerida biomassi kütuse-elementides. Nii et taimed teevad küll vee elektrolüüsi ära, kuid vesiniku salvestavad ühendites, millest seda on raske efektiivselt kätte saada.
Kosmoselaev Maa väljavaated
Fantaseerides kaugemat tulevikku selles võtmes mõistame, et inimkond meie planeedil on kosmonaudid laeval nimega Maa. Kosmoselaevas valitsevad aga ökonoomsuse ranged nõuded ning iga viljakas maalapp peaks olema kaetud toidu- ja energiakultuuridega. See olekski siis roheline loodus, kus saab mõnusalt vaba aega veeta.
Elektrijaamad peaks aga sarnanema tänapäevaste tuumajaamadega, aga nii, et nende reaktoris ei toimu tuumareaktsioonid, vaid mikroorganismid lagundavad biomassi. Kütuse-elemendis suunatakse vesinik NADH-lt hapnikule, genereerides elektrivoolu soojusenergia vahenduseta.
Kunstlik hingamine, mis võiks päästa inimkonna energeetika
Bioloogilise energiaringe teine pool on hingamine. Elusolendid ju oskavad biomassi oksüdeerida, muundades selle keemilise energia teisteks eluprotsessides vajalikeks vormideks – sealhulgas ka lihaste mehaaniliseks tööks.
Hingamises osalevad ensüümid katalüüsivad fotosünteesile sarnast reaktsiooniahelat vastassuunas, milles CO2 eraldub süsinikühenditest. Sellega seoses eraldub biomassist ka vesinikuioon – aga ikkagi seotuna dinukleotiidil NADH. Et see on ühend, millest vesinik kandub hapnikule hingamisel, siis võiks ju fantaseerida, et sedasama ühendit saaks ehk oksüdeerida kütuse-elemendiga. Siis saaks taimelehti kasutada kui rohelisi päikesepaneele elektrivoolu tootmiseks. Selleks tuleks aga luua mitte kunstlik fotosüntees, vaid kunstlik hingamine – see oleks biokeemiliste reaktsioonide süsteem, mis biomassi keerukamatest vormidest väljutab süsihappegaasi, muutes kättesaadavaks seda taandanud vesiniku.
Paistab aga siiski, et niisugune CO2 nullbilansiga eluviis jääb meist siiski niisama kaugele tulevikku nagu lopsakas dinosauruste-juura jääb minevikku – me ei jõudnud ju rääkida sellest, et taimed ei kasva kõrbes, kus on küll palju päikest, kuid pole vett. Pigem lahendab inimkonna energiaprobleemi termotuumaenergeetika. Minu ülikooliaastatel lubati, et see saab olema käibel 20. sajandi lõpuks. Paistab, et sajandi number jääb siiski veel lahtiseks.
Piiludes elu mõtte süvahoovustesse
Riigi teaduspreemiaga pikaajalise tulemusliku teadus- ja arendustöö eest (nn elutööpreemiaga) pärjati 2018. aastal taimefüsioloogia ekspert, Tartu Ülikooli emeriitprofessor akadeemik Agu Laisk.
Kui Eesti Teaduste Akadeemia hoone akendest kostab Pika jala poole särtsakaid saksofonihelisid, ei tule nende autorit otsima minna professionaalsete muusikute seast. Agu Laisk on kindla peale Läänemere ümbruse akadeemikute seas parim selle pilli virtuoos. Sageli on lausa kahju, et akadeemia üritustel muusika jaoks nii vähe aega jääb. Samas mine tea, kui talle oleks pikkust mõne sentimeetri võrra enam antud, võinuks temast hoopis võrkpalliinimene saada.
Peale jäi aga sügav huvi teaduse ja eriti füüsika vastu. Seda suunas keerukas konstellatsioon perekonna saatusest, suurvõimude huvidest ja ideoloogilisest survest. Algul läks noormees Tartu Ülikooli ja seejärel Tõraveresse (tollal veel mitte akadeemik) Juhan Rossi meeskonda pea nähtamatu ja kuuldamatu globaalprobleemi – fotosünteesi – uuringute juurde.
See protsess, mille käigus elusorganismid muudavad päikeseenergia orgaaniliste molekulide keemiliste sidemete energiaks, on kogu looduse funktsioneerimise alustala. Lähteaineteks pea kõikjal leiduvad süsinikdioksiid, vesi ja mineraalained, energia tuleb otse Päikeselt, aga lõpp-produktiks hulk keerukaid orgaanilisi aineid ja kõrvalsaaduseks hapnik, ilma milleta meid siin maailmas poleks. Tol ajal ei teatud isegi seda, kui palju päikesekiirgust ja mis nurga all erinevatele lehtedele päeva jooksul langeb, ja veel vähem seda, kui palju sellest kiirgusest neelatakse, kui efektiivselt muudetakse see keemiliseks energiaks ning kui kiiresti selle tulemusena taim kasvab. Seda kõike tuli Agu Laisal mõõtma hakata ja tõlgendama õppida.
Küsimus fotosünteesi kiirusest osutus pea sama keerukaks kui universumi struktuur. Tänapäeval on mäluga, kumuleeruvad või kaugmõjuga protsessid matemaatikas ja füüsikas igapäevased asjad. Tollal mitte. Oli vaja julgust, et mitte suruda uurimisobjekti kindla koolkonna reeglite raami, vaid lasta hoopis objektil määrata enda uurimiseks vajaliku teadlase eriala. See on sügavalt vastutustundlik lähenemine. Agu Laisk püüdis vältida «valesti mõistmisi, isiksuse konflikte ja kahestumisi» ning pidi seetõttu Stephen Hawkingu stiilis kompama maailma tuuma selle jaoks sobivate vahendite ja aparatuuriga. Nõnda pole üldse imelik, et looduse saladuste kallale tormanud noorest füüsikust (1961) kasvab välja hoopis bioloogiadoktor (1975).
Kui midagi ei saa mõõta klassikaliste meetoditega, siis tuleb rakendada teistsuguseid vahendeid, on olnud Agu Laisa moto. Sisuliselt pani ta aluse fotosünteesi süvauuringutele Eestis. See tee viis ta algul oma nišši fotosünteesi mehhanismide valdkonnas, aga üsna varsti võtmeisikuks Eesti taimeteaduse rahvusvahelisele areenile toomisel. Teoorias oli tal kõva seljatagune füüsikuna pluss Tõravere seltskonna mõtteerksus tervikuna. Aga vähesed julgesid minna näppima teaduse eesliini ilma korraliku aparatuurita. Seda suutis teha ainult üks iseseisev ja uuendusmeelne mõtleja.
No ei olnud tollal võimalust riigihankega tellida innovaatilisi lahendusi. Tuli endal ehitada maailma parim, unikaalne ja originaalne aparatuur. Ülesanne oli ju lihtne: paigutada taimeleht täpselt määratud tingimustesse ja mõõta korraga ning väga kiiresti paljusid fotosünteesiga seotud parameetreid.
Hea noorem kolleeg akadeemik Ülo Niinemets nentis: «Akadeemik Agu Laisk on erakordselt väljapaistev taimede süsinikusidumise (fotosünteesi) uurija, kelle teadustööd on läbi aastate saatnud küsimus «Mis määrab fotosünteesi kiiruse?». Sellele vastamiseks on Laisa juhtimisel konstrueeritud maailma kõige kiirem fotosünteesi mõõtmissüsteem, koostatud kõige keerulisem fotosünteesimudel ja saadud hulgaliselt fotosünteesiprotsessi valgustavaid teadustulemusi, mille kohta võib öelda «maailmas esimene». Akadeemik Laisk jõudis oma töödega maailma teaduspüramiidi ühte teravaimasse tippu, mille kõrgus jääb kaasaja kolleegidele veel pikaks ajaks kättesaamatuks.» Eesti Teaduste Akadeemia
Esmailmunud ajalehes Sirp 23.02.2018
Põhjalikumalt ja detailsemalt on Maal ja eriti elusaines toimuvad energeetilised teisenemised lahti seletatud Agu Laisa äsja ilmunud raamatus «Elu energia». Tartu Ülikooli Kirjastus, 2023.