Угревое электричество: Как рыбы
Дэвид ЛаВан (David LaVan) и его коллеги уверены, что имеются все возможности для создания искусственной клетки, вырабатывающей электроэнергию по тому же принципу, по которому работают «электрические железы» угрей Electrophorus electricus. Более того, они считают, что искусственный вариант будет лучше и может использоваться для питания всевозможных медицинских имплантатов (а о том, какие они бывают, можно прочесть в статье «Тюнинг человека»).
Электрические угри способны направлять совокупную энергию, которую вырабатывают тысячи генерирующих клеток, создавая потенциал в 600 В. Механизм получения энергии схож с тем, что передает электрические сигналы в наших нейронах: химический сигнал стимулирует работу селективных «насосов» — ионных каналов в клеточной мембране, которые перекачивают одни ионы (натрия) внутрь клетки, а другие (калия) — наружу. Поток заряженных ионов создает разницу потенциалов внутри клетки и вне ее, стимулируя работу массы других каналов: начиная с определенной точки процесс становится автокаталитическим, что приводит к тому, что сигнал распространяется вдоль мембраны длинного отростка нейрона.
В целом, по словам ЛаВана, известно не менее 7 разных видов ионных каналов, каждый из которых обладает слегка отличными характеристиками и распределением на клеточной мембраны. Нервные клетки содержат больше одних, задача которых не в создании максимального напряжения, а в быстрой передаче сигнала. Генерирующие электричество клетки некоторых животных (электроциты) работают не в пример медленней, зато выдают на-гора намного больший заряд.
Чтобы понять принципы их работы, ЛаВан с коллегами разработал цифровую модель, отражающую связь градиента концентрации ионов с электрическим импульсом и протестировал ее на примере нервных клеток и электроцитов. Затем они рассмотрели различные пути оптимизации системы — использование разных типов ионных каналов — с тем, чтобы добиться максимальной производительности энергии.
Их расчеты показали, что возможны действительно существенные улучшения. Один из вариантов «искусственной клетки» способен создать импульс на 40% более мощный, чем клетки живых угрей, другой вариант — на 28%.
Теперь ученые рассматривают возможности практического создания «батарей» из таких клеток, заключенных в куб стороной около 4 мм и способных генерировать до 300 мкВт энергии, чего вполне достаточно для питания небольших медицинских имплантатов. «Топливом» для них могут служить молекулы АТФ — те же, что и в живых организмов. По мнению ЛаВана, АТФ смогут вырабатывать из имеющегося в организме сахара модифицированные бактерии или митохондрии, прицепленные к этой «батарейке». Хорошо и то, что отдельные компоненты подобных искусственных клеток ученые уже умеют получать в лаборатории — и изолирующие мембраны, и ионные каналы.
Если же вы, все-таки, предпочитаете использовать угрей по старинке — например, приготовить с ними суши — то обратите внимание на наши советы по выбору подходящих ножей — настоящих японских: «Скальпель для повара».
По публикации PhysOrg