26.04.2010

Биоэлектричество: электрический ток из клеток водорослей

Впервые ученым из Стэнфорда — сердца Силиконовой долины (США) удалось получить небольшой электрический ток из клеток водорослей. Это первый шаг к экологически чистому процессу создания биоэлектричества, не загрязняющего окружающую среду углекислым газом. Ток вырабатывался во время фотосинтеза — преобразования солнечного света в химическую энергию.

"Насколько нам известно, мы первые, кому удалось добыть электроны из живой клетки растения", — заявил ВонХенг Рю (WonHyoung Ryu), ведущий автор статьи, опубликованной в мартовском номере Nano Letters.

Рю является профессором Университета Енсей (Yonsei University) в Сеуле (Южная Корея). Но на данный момент ученый проводил эксперименты в Силиконовой долине в сотрудничестве с профессором машиностроения Фритцом Принц (Fritz Prinz).

Международная команда исследователей разработала уникальные ультраострые наноэлектроды, изготовленные из золота и спроектированные специально для размещения внутри клетки. Они аккуратно вводятся через мембрану, которая защищает клетку, при этом последняя остается живой. Электрод собирает электроны, которые были сгенерированы в клетке светом (фотосинтез), генерируя при этом небольшой электроток.

"Наш проект все еще находится на этапе научной разработки, — рассказал Рю. — Мы пока работали лишь с единичными клетками, чтобы доказать принципиальную возможность получать электроны этим способом".

Растения используют фотосинтез для конвертации энергии света в химическую энергию, которая хранится в виде сахаров, используемых флорой в качестве пищи. Этот процесс происходит в хлоропластах — клеточных электростанциях, которые производят сахара и придают листьям и водорослям зеленый цвет. В хлоропластах вода разделяется на кислород, протоны и электроны.

Солнечный свет проникает в хлоропласты и переводит электроны на более высокий энергетический уровень, после чего их захватывает протеин (белок). Электроны двигаются по протеинам, которые захватывают все больше и больше их энергии для синтеза сахаров, пока вся она не будет потрачена.

В этом эксперименте ученые перехватывали электроны в тот момент, когда они находились на самом высоком энергетическом уровне. Специалисты помещали золотые электроды в хролопласты клеток водорослей и откачивали оттуда электроны, генерируя небольшой электрический ток.

В результате ученым удалось добыть электричество экологически безопасным способом, не выделяя в атмосферу углекислого газа. Единственными побочными продуктами фотосинтеза были протоны и кислород.

"Этот метод генерации энергии может стать самым чистым ее источником, — сказал Рю, — Но главный вопрос — будет ли это экономически выгодно?".

Профессор рассказал, что им удалось добыть из одной клетки всего один пикоампер. Это настолько мизерная величина, что для того чтобы получить столько же энергии, сколько хранится в пальчиковой батарейке, понадобилось бы собирать энергию в течение часа с триллиона фотосинтезирующих клеток. К тому же, через час они погибают.

По словам Рю, клетки могут умирать из-за крошечных утечек из мембраны в месте входа электрода или из-за потери энергии, которая необходима для нормального протекания процессов жизнедеятельности. Поэтому следующим шагом будет модернизация устройства электрода с целью продления жизни клетки.

Кстати, метод добывания электронов из живых клеток эффективнее сжигания биотоплива, так как последнее содержит всего три-шесть процентов доступной солнечной энергии, рассказал ученый. Разработанный им процесс не нуждается в поддержании горения, на которое тратится часть сохраненной энергии. КПД добывания электронов в этом исследовании достигал 20 процентов. По словам Рю, этот показатель может теоретически достигнуть и 100 процентов. (К примеру, фотогальванические солнечные панели работают с КПД 20-40 процентов).

В будущем исследователи планируют использовать клетки растений с более крупными хролопластами, что увеличит площадь сбора электронов. С более живучими клетками и увеличенной накопительной способностью электрода можно будет сделать процесс более масштабным.

О том, каким образом в живом организме возможно формирование электрического поля, рассказала ассистент кафедры биофизики СПбГУ, кандидат биологических наук Анастасия Мельницкая:

"Способность животных и растений генерировать биоэлектрические потенциалы — одно из наиболее удивительных свойств биологических систем. Какую бы часть организма или клетки мы не взяли, она обязательно несет определенную электрическую полярность.

Долгое время эту способность рассматривали как интересный биологический феномен, являющийся побочным результатом основных физиолого-биохимических и биофизических процессов. Однако в последние годы становится все более очевидным, что электрическая активность живых клеток — это очень важная функция, которая играет существенную и универсальную роль в жизнедеятельности организмов.

Поскольку клетки или ткани организма имеют электрические полярности, они, соответственно, создают вокруг себя электрические поля. Они очень слабые, но их вполне можно измерить с помощью особых приемов. В настоящее время все более укрепляется представление о том, что эти биополя представляют собой своеобразную силовую матрицу, в соответствии с которой может осуществляться рост и развитие отдельных органов и тканей живых организмов.

Любопытно, что электрическое поле одного объекта способно влиять на электрическое поле другого (если они находятся рядом) и таким образом обеспечивать определенное взаимодействие их физиологических процессов. К сожалению, вопрос о роли биоэлектрических потенциалов в самоорганизации живых систем разработан в науке пока крайне слабо".

Вячеслав Локацкий

Источники:

1. ПРАВДА.Ру