Электростанция живой клетки

Электростанция живой клетки

Электростанция живой клетки

Система, преобразующая световую энергию в электричество, ни у кого не вызывает удивления. Что может быть банальнее фотоэлемента. Но есть особенный фотоэлемент. Создала его природа так, как преобразуют энергию частички бактерий, именуемые родопсином. Так сказать, электростанция живой природы.

Это просто наглядная демонстрация того, что природа гораздо раньше человека поняла все возможности, которые таит в себе применение электрической энергии, и воспользовалась ими для преобразования энергии в клетках живых существ и растений. А это процесс, слывший некогда одним из самых таинственных и непонятных…

Биохимический детектив

Одна из самых непонятных доселе линий связи — энергоснабжение клетки. Известно уже давно, что клетка поглощает поступающие извне питательные вещества — субстраты — и окисляет их. При этом выделяется энергия.

Затем следуют еще какие-то преобразования, конечный результат которых — появление молекул АТФ—аденозинфосфата.

АТФ — универсальная валюта клетки, унифицированная энергия, которую клетка запасает впрок и потом расходует по своему усмотрению.

Все энергетические процедуры происходят во внутренних мембранах особых клеточных образований — митохондрий. Этот факт был давно известен биохимикам. Но как происходит трансформация энергии, какие процессы ей сопутствуют, какими путями и средствами пользуется природа — на эти вопросы ученые ответить не могли.

Предполагалось сначала, что переносчиком энергии служит особое вещество, нечто вроде пресловутого теплорода физики XVIII века. Биохимики построили множество моделей этого гипотетического процесса, схем изящных и красивых, разумных, с точки зрения науки, но не имевших никакого намека на экспериментальные подтверждения.

Таким образом, в биоэнергетике возник своеобразный тупик, который, как утверждал в свое время знаменитый физик Нильс Бор, представляет прекрасную почву для сумасшедших идей.

И одна из них не замедлила появиться.

Английский биохимик Питер Митчел предположил, что в результате окисления «клеточной пищи» мембрана митохондрий заряжается электрически, а ферменты-окислители, таким образом, работают как топливные элементы. Затем полученное и накопленное клеткой электричество расходуется на синтез молекул АТФ.

Единственным основанием этой смелой гипотезы были диэлектрические свойства мембраны, которая обладает большим электрическим сопротивлением и емкостью, являя собой идеальный электрический конденсатор.

Конечно, если исходить из целесообразности конструкций природы, это можно считать доказательством.

Но, увы, ученые на подобные аргументы никак не прореагировали, сочтя диэлектрические свойства мембран митохондрий совпадением.

Так что идея Митчела при всей своей внешней привлекательности повисла в воздухе и, может быть, разделила бы судьбу своих многочисленных предшественниц, если бы не эксперименты ученых — В. Скулачева и Е. Либермана, который, как и В.

Скулачев, сразу же после появления «электрической теории» стал ее ярым защитником, притом не платоническим, а весьма активным. Более того, именно в лабораториях этих ученых проявились неизвестные до той поры черты биоэнергетики клеток.

На первый взгляд эксперименты выглядели очевидными. На самом деле, не надо быть Фарадеем, чтобы придумать контрольный опыт на живой клетке. Сначала предложите ей питание, чтобы произошло окисление.

Определите разность потенциалов, появившуюся на мембране. Затем, подав на другую, лишенную питания мембрану, аналогичное электрическое поле, надо ждать — будет ли она синтезировать молекулы АТФ.

Ответ будет однозначным!

Но, увы, подобные опыты невозможны. Внутрь естественной мембраны не проникнешь — слишком она тонка.

Пришлось искать окольные пути.

Прежде всего В. Окулачев и Е. Либерман доказали, что давно известные вещества, препятствующие образованию молекул АТФ, в то же время действуют электрически, снижая сопротивление мембран. Тем самым конденсатор теряет свои замечательные свойства накапливать электрическую энергию, и синтез молекул АТФ подавляется в самом зародыше.

Совпадение?

— Да, — ответили противники, — простое совпадение.

Опыты продолжались. Е. Либерман и В. Скулачев в своих лабораториях испытали около 40 химических соединений самой разнообразной структуры, способных снижать сопротивление искусственных мембран, созданных ими. Исходя из этого, ученые научились точно предсказывать, как эти вещества будут влиять на работу живых митохондрий.

Как известно, ценность научной теории определяется не только тем, как она объясняет известные до ее появления процессы, но и способностью предсказывать явления новые. В данном случае совпадение было просто идеальным. Но скептики опять отказывались верить.

В. Скулачев и Е. Либерман решили доказать, что при питании митохондрий действительно рождается электрическое поле. Опять-таки на бумаге схема опыта выглядела чрезвычайно тривиально, и опять-таки природа, ревниво оберегающая свои тайны, не захотела пойти навстречу экспериментаторам.

Идея была ясна. Нужно взять раствор заряженных электрически частичек атомов и молекул — ионов и засылать туда порошок из митохондрий. Если теперь «подкормить» их веществом, к которому митохондрии «привыкли», появится электрическое поле. Поле втянет внутрь мембран часть ионов. Это можно зарегистрировать.

Но действительность оказалась суровой и не расположенной к экспериментаторам.

Дело в том, что мембраны митохондрий капризны и не любят посторонних ионов. Правда, для некоторых из них мембраны не преграда. Но пропуском служат не электрические, а химические свойства. Сигнал «милости просим» раздается, когда мембрана осознает химическую особенность желанных для нее веществ. А ионов, которые обладали бы подобными свойствами, в природе не оказалось.

За их изготовление взялся Е. Либерман. Вскоре в его лаборатории появились синтетические, искусственно и искусно созданные, способные проникать сквозь перегородки мембран итохонррии.

К тому времени сотрудники В. Скулачева научились изготовлять искусственные мембраны, всего лишь в несколько раз толще природных.

Теперь все было готово для решительного опыта. И он состоялся. Ученые доказали, что митохондрии, приняв предложенную им пищу, немедленно зарядились электрически и начали вытягивать из раствора ионы. Для полной убедительности ту же процедуру проделали с так называемыми субмитохондриальными частичками (СМЧ), появившимися из митохондрий, разбитых мощным ударом ультразвука.

Опыт был своего рода контрольным, поскольку было известно, что в этих частицах мембраны вывернуты наизнанку. И действительно, оказалось, что частицы СМЧ втягивают ионы другого знака по сравнению с целыми, нерасчлененными митохондриями.

Таким образом, было доказано, что мембранный потенциал образуется в самых разнообразных мембранах живых клеток. Нужно лишь одно: чтобы там происходило окисление.

Как будто теперь все стало очевидным. Но сами ученые, предвосхитив скептиков, сказали: нет! Нужны еще более убедительные доказательства. Необходимо измерить электрическое поле непосредственно на самой мембране, измерить прямым путем.

Материализация духов

В истории науки существуют классические образцы опытов, простота и наглядность которых рассеивала все сомнения скептиков и маловеров, полностью проявляя физический смысл явлений. Измерительная аппаратура элементарна до удивления.

Но в том и состоит элегантность эксперимента, его наглядность.

Однако, чтобы провести столь убедительные опыты, биохимикам пришлось пройти тяжелый путь кропотливейшей работы, которой они заслуженно гордятся, так как сумели нашпиговать ферментами искусственные мембраны, приближающиеся по своему качеству к природным.

Одна из них занимает центральное место в экспериментальной установке, как полагают биохимики, однозначно решившей вопрос о путях преобразования энергии в клетках живых существ и растений.

Тончайшая пленка, она и есть мембрана, разделяет на два отсека стеклянный сосуд. В каждом — раствор электролита, в каждом — электрод, соединенный с клеммой вольтметра. Задача электродов — дать сигнал, что мембрана стала заряженным конденсатором, а химическая энергия окисления превратилась в электрическую.

Ферменты ждут своего часа. Мембрана плоская, они расположились с двух ее сторон. Условия существования одинаковые. Миниатюрные электрические батареи, то там, то тут вкрапленные в мембрану, разобщены. И стрелка прибора мирно покоится на нуле.

Из равновесия схему выводит «пища», поступающая на одну из сторон мембраны через раствор электролита. Ферменты, расположенные там, начинают жадно поглощать предложенную им аскорбиновую кислоту — витамин С и тут же приступают к своей основной работе. Они вырабатывают электрическую энергию. Теперь-то это стало очевидным для всех, для любого наблюдателя, даже если он заядлый скептик.

Стрелка прибора сейчас же фиксирует начало энергетического процесса, до той поры бывшего загадкой биохимии. Щедрая рука экспериментатора с помощью пипетки добавляет витамин С. Пища тут же поглощается ферментами, растет запас электричества, который хорошо сохраняет добротный природный конденсатор — мембрана митохондрий.

И уверенно движется стрелка вольтметра, показывающая, как растет мембранный потенциал.

Тогда на сцену появляется другая пипетка. Первая несла ферментам пищу, вторая содержит смертельный для них яд — раствор пресловутого цианистого калия.

Он выбран экспериментаторами не по аналогии с мелодрамой, а лишь из-за его способности мгновенно подавлять деятельность ферментов. И ферменты, до той поры исправно вырабатывавшие электричество, прекращают свою деятельность.

Они уже не способны воспринимать аскорбиновую кислоту, они мертвы. И застывает стрелка вольтметра.

Тем временем с помощью одной капли аскорбиновой кислоты включаются в работу ферменты противоположной стороны мембраны, чтобы, в свою очередь, замереть под действием яда.

Однозначность этого удивительно неприхотливого эксперимента, повторенного для четырех разновидностей ферментов, буквально поразила ученых всего мира. Основные контуры теории определились полностью.

Живая клетка обладает двумя формами унифицированной энергии — химической в лице АТФ и физической, которую олицетворяет мембранный потенциал. В разных участках мембран митохондрий располагаются своеобразные топливные элементы — электрические генераторы, преобразующие энергию окисления в электрическую.

Все эти источники тока включены параллельно. И электроэнергия, вырабатываемая любым из них, тотчас же становится достоянием всей клетки, которая затем использует ее как ей заблагорассудится.

Клетка может совершить химическую работу, изготовив молекулы АТФ. Клетка работает механически, затягивая внутрь мембраны различные питательные вещества. Клетка способна обогреваться, превращая полученное электричество в тепло.

Когда речь заходит о преимуществах электрической энергии, всегда вспоминают, что она легко трансформируется и преобразуется в другие виды. Очевидно, природа давно об этом догадалась.

Гипотеза Митчела получила, таким образом, полное экспериментальное подтверждение, и предполагаемое стало очевидным.

Источник: http://www.alto-lab.ru/shkola/elektrostanciya-zhivoj-kletki/

Электричество из живых растений, зеленые электростанции

Электростанция живой клетки

Голландская компания Plant-e превращает энергию живых растений в электричество, которое может использоваться людьми в своих нуждах.

   Электричество из растений

В настоящее время множество исследовательских групп занимаются поисками методов получения энергии буквально «из чистого воздуха».

Один из таких методов уже удалось обнаружить специалистам голландской компании Plant-e, которые очень пристально и тщательно изучили некоторые процессы, протекающие в живой природе.

Для получения электрической энергии они используют один из побочных продуктов фотосинтеза, процесса, протекающего в растущих растениях, и этот метод может принести электричество тем людям, которые живут на значительном удалении от всех благ цивилизации.

Технология, разработанная специалистами компании Plant-e, работает на тех же самых принципах, что и старый школьный опыт, в котором в качестве источника энергии выступает клубень обыкновенного картофеля. Однако, разработанный голландцами метод не требует нанесения повреждений самому растению.

   Электричество из живых растений

Голландцы высаживают растения особого вида в специальные пластиковые контейнеры, площадь которых равна приблизительно четверти квадратного метра. Эти растения интенсивно растут и за счет процессов фотосинтеза вырабатывают некоторые виды сахаристых соединений.

Количество сахара, вырабатываемого растениями, существенно превышает потребности самого растения и его излишки «сбрасываются» через корневую систему обратно в почву.

 Сахар, выработанный растениями и попавший в почву, начинает достаточно активно реагировать с атмосферным кислородом и в ходе протекающей химической реакции получается множество свободных электронов.

Электроды, погруженные в почву, собирают эти свободные электроны, превращая их в электрический ток, а количество получаемого при этом электричества достаточно для того, чтобы обеспечить потребности светодиодных осветительных приборов, точек доступа Wi-Fi или зарядки аккумуляторных батарей мобильных электронных устройств.

Используя свою технологию, компания Plant-e в ноябре 2014 года начала реализацию программы «Starry Sky».

В рамках этой программы при помощи энергии, получаемой от растений, было запитано около 300 уличных осветительных приборов, несколько точек доступа Wi-Fi и точек зарядки мобильных телефонов, располагающихся возле офиса компании в Вагенингене и на территории военного музея, бывшего военного завода, склада и базы HAMbrug возле Амстердама.

Основатели компании Plant-e надеются, что разработанная ими биологическая технология получения электрической энергии сможет найти свое применение в некоторых бедных регионах земного шара удаленных от центров цивилизации, там, где природные условия максимально благоприятны для роста растений и где, в силу различных причин не получается использовать другие технологии получения экологически чистой энергии.

Зеленые электростанции, получаем электричество

Непосредственная трансформация световой энергии в электрическую лежит в основе работы генераторов, содержащих хлорофилл.  Хлорофилл под действием света может отдавать и присоединять электроны.  М.

Кальвин  в 1972 году выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источника электрического тока служил бы хлорофилл, способный при освещении отнимать электроны от каких-то определенных веществ и передавать их другим. Кальвин использовал в качестве проводника, контактирующего с хлорофиллом, оксид цинка.

При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на квадратный сантиметр.

Этот фотоэлемент функционировал сравнительно недолго, поскольку хлорофилл быстро терял способность отдавать электроны.

Для продления времени действия фотоэлемента был использован дополнительный источник электронов — гидрохинон. В новой системе зеленый пигмент отдавал не только свои, но и электроны гидрохинона.

 Расчеты показывают, что такой фотоэлемент площадью 10 квадратных метров может обладать мощностью около киловатта.

История развития

Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии использовал хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому была присоединена солнечная батарейка, успешно работал.

 Кроме того, в Японии проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую с помощью цианобактерий, выращенных в питательной среде. Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из оксида цинка и вместе с противоэлектродом погружают в буферный раствор.

Если теперь бактерии осветить, то в цепи возникнет электрический ток.

В 1973 году американцы У. Стокениус и Д. Остерхельт описали необычный белок из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в соленых озерах Калифорнийских пустынь. Его назвали бактериородопсином.

 Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах галобактерий при недостатке кислорода. Дефицит же кислорода в водоемах возникает в случае интенсивного развития галобактерий.

 С помощью бактериородопсина бактерии усваивают энергию Солнца, компенсируя тем самым возникший в результате прекращения дыхания дефицит энергии.

Бактериородопсин, что это?

Бактериородопсин можно выделить из галобактерий, поместив эти солелюбивые создания, прекрасно чувствующие себя в насыщенном растворе поваренной соли, в воду. Тотчас же они переполняются водой и лопаются, при этом их содержимое смешивается с окружающей средой.

И только мембраны, содержащие бактериородопсин, не разрушаются из-за прочной “упаковки” молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, ученые назвали их фиолетовыми бляшками).

 В них молекулы бактериородопсина объединены в триады, а триады — в правильные шестиугольники. Поскольку бляшки значительно крупнее всех других компонентов галобактерий, их нетрудно выделить путем центрифугирования. После промывки центрифугата получается пастообразная масса фиолетового цвета.

На 75 процентов она состоит из бактериородопсина и на 25 — из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами.

Фосфолипиды — это молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют, что создает благоприятные условия для экспериментирования с бактериородопсином. К тому же это сложное соединение очень устойчиво к факторам внешней среды.

Оно не утрачивает активности при нагревании до 100 °С и может храниться в холодильнике годами. Бактериородопсин устойчив к кислотам и различным окислителям.

 Причина его высокой устойчивости обусловлена тем, что эти галобактерии обитают в чрезвычайно суровых условиях — в насыщенных солевых растворах, какими, по существу, являются воды некоторых озер в зоне выжженных тропическим зноем пустынь.

В такой чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы, обладающие обычными мембранами, существовать не могут. Это обстоятельство представляет большой интерес в связи с возможностью использования бактериородопсина в качестве трансформатора световой энергии в электрическую.

Если выпавший в осадок под воздействием ионов кальция бактериородопсин осветить, то с помощью вольтметра можно обнаружить наличие электрического потенциала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом, ученые доказали, что бактериородопсин может функционировать как генератор электрического тока.

Белковые-генераторы

В лаборатории известного ученого, специалиста в области биоэнергетики В. П. Скулачева тщательно исследовались процесс встраивания бактериородопсина в плоскую мембрану и условия функционирования его в качестве светозависимого генератора электрического тока.

 Позднее в этой же лаборатории были созданы электрические элементы, в которых использовались белковые генераторы электрического тока. В этих элементах имелись мембранные фильтры, пропитанные фосфолипидами с бактериородопсином и хлорофиллом.

Ученые полагают, что подобные фильтры с белками-генераторами, соединенные последовательно, могут служить в качестве электрической батареи. Исследования по прикладному использованию белков-генераторов, выполненные в лаборатории В. П. Скулачева, привлекли к себе пристальное внимание ученых.

В Калифорнийском университете создали такую же батарею, которая при однократном использовании в течение полутора часов заставляла светиться электрическую лампочку.

Результаты экспериментов вселяют надежду, что фотоэлементы на основе бактериородопсина и хлорофилла найдут применение в качестве генераторов электрической энергии.

Проведенные опыты — первый этап в создании новых видов фотоэлектрических и топливных элементов, способных трансформировать световую энергию с большой эффективностью.

 Уже совсем скоро наступит день, когда человечество научится получать «электричество из растений».

Смотрите также по этой теме:

   Альтернативные источники энергии в наши дни.

   Электрическая энергия. Необычные способы её получения.

Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!

[wysija_form id=»1″]

Источник: https://powercoup.by/elektroenergetika-v-mire/elektrichestvo

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.