Světový rekord v běhu na sto metrů drží Jamajčan Usain Bolt výkonem 9,58 sekundy. Pokud by však někdo chtěl změřit čas světového rekordmana s ještě větší přesností, mohl by teoreticky přidat za desetinnou čárku ještě mnoho dalších čísel. A stejně by definitivně neurčil, v jakém zlomku sekundy atlet protnul cílovou pásku. Proč by to také dělal? Pro určení vítězství stačí měřit čas na setiny.
Geneticky upravená embrya? Vědci se dohadují zda pokračovat ve výzkumu |
Důležité procesy v přírodě se ale na molekulární úrovni neodehrávají v setinách, nýbrž v miliontinách či biliontinách sekundy. Tedy v časových úsecích, které jsou pro lidi nepředstavitelné. Apřesto během nich dochází k zásadním biologickým a chemickým procesům, klíčovým i pro život člověka.
„Nejdůležitější část chemie se odehraje ve zcela nepatrném zlomku času. Je to úplně jiný svět, jehož pozorování znamená pro vědce fascinující dobrodružství,“ říká profesor Tomáš Polívka z Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity.
Jak zastavit čas
Příkladem může být nedávný objev způsobu, jakým rostliny přeměňují při fotosyntéze přebytky světelné energie na teplo. Vědcům Akademie věd a Jihočeské univerzity se vůbec poprvé v historii podařilo popsat mechanismus, kterým rostlina dokáže „odbourat“ sluneční energii, která je pro ni v určité chvíli přebytečná a mohla by jí naopak ublížit.
O významu tohoto objevu svědčí fakt, že práci jihočeských vědců zveřejnil prestižní časopis Nature Chemical Biology. Objev totiž posouvá hranice poznání fotosyntézy a může teoreticky přispět k tomu, že fotosyntézu bude možné jednou uměle napodobit.
Aby ale vědci dokázali celý proces popsat, musela biologii pomoci také matematika a fyzika. Reakce nutné k přeměně energie totiž probíhají na tak krátkých úsecích a v takové rychlosti, že je není možné zachytit, aniž by člověk takzvaně zastavil čas. Časové rozlišení musí být v oblasti femtosekund (10–15) až pikosekund (10–12), tedy v biliontinách sekundy. A to jsou časové úseky, pro lidské smysly jen těžko představitelné. Jakým způsobem tedy lze celý proces zachytit a popsat?
Věda postupuje podobně jako fotograf Eadweard Muybridge, který se v roce 1872 vsadil, že se kůň během cvalu dostane do pozice, při níž má všechny čtyři kopyta nad zemí. Sázku vyhrál, ale trvalo šest let, než se mu podařilo sestavit zařízení, které umožňovalo tvořit snímky pohybujícího se objektu ve velmi rychlém sledu za sebou. A na jednom z takových snímků s rychlou závěrkou (přibližně 10–3 s) skutečně prokázal, že kůň se v jisté fázi cvalu vůbec nedotýká země.
Vědci vyřešili záhadu. Tajemné signály v okolí observatoře vysílala mikrovlnka |
V molekulární biologii je ale problém v tom, že molekuly nelze vyfotit. „V jejich případě nemůžeme udělat klasický fotografický snímek, jelikož molekulu není možné spatřit ani sebelepším optickým mikroskopem. Je třeba na to jít nepřímo,“ říká profesor Polívka.
Metoda, kterou se zkoumají přechodové stavy chemických reakcí, se jmenuje femtosekundová spektroskopie. Jeden z jejích průkopníků, Egypťan Ahmed Zewail, za ni v roce 1999 získal Nobelovu cenu za chemii.
Posvítit si na molekuly
Na světě dnes fungují stovky femtosekundových laboratoří schopných zachytit ultrarychlé reakce, z toho jedna i na Přírodovědecké fakultě Jihočeské univerzity. Základním prostředkem „měření“ v těchto laboratořích není fotoaparát, ale laser produkující světelné pulzy trvající jen několik desítek femtosekund.
Pomocí těchto pulzů, kterých různé typy laserů mohou vyslat několik tisíc až milionů za sekundu, se pak měří změna vlastností sledovaného vzorku v určitém čase.
Laicky řečeno: jeden laserový svazek, takzvaný excitační, pošlou vědci k cíli kratší cestou než druhý, sondovací. „Jelikož rychlost světla je konstantní, pulzy v sondovacím svazku dorazí ke vzorku s přesně definovaným zpožděním vůči pulzům ve svazku excitačním,“ říká Tomáš Polívka. Rozdíl v čase, kdy po jednom pulzu dorazí k cíli druhý, se dnes pohybuje v řádu femtosekund.
Podstatné ale zůstává, že vědci nemohou vyfotit, jak vypadala molekula a její vazby před jednou biliontinou sekundy, a porovnat to se snímkem pořízeným o biliontinu sekundy později. „Můžeme pouze sledovat změnu jejich vlastností na základě časových změn nějakého přímo měřitelného parametru, typicky absorpce světla,“ podotýká profesor Polívka.
Touto metodou tak lze popsat chemické a biologické procesy, které se odehrávají v časech jejich rychlostí pro lidské smysly nepředstavitelných. Právě v takových rychlostech však v přírodě vznikají a zanikají chemické vazby, přenáší se energie mezi molekulami, případně se mění tvar molekul, což jsou všechno procesy nutné pro fungování fotosyntézy.
A pokud člověk touží odhalit schopnost rostlin měnit světelnou energii na jiné formy energie, případně fotosyntézu, která je nezbytnou podmínkou života na zeměkouli, i ji uměle napodobit, nezbývá mu nic jiného než se ponořit do světa, který rychlostí svého pohybu odporuje lidskému chápání.
