Так
вже склалася історія техніки, що зараз більшу частину споживаної
людством енергії отримують, спалюючи вугілля, нафту і газ в
малоефективних теплових машинах. В
силу "невблаганних" фізичних законів основний спосіб підвищення
коефіцієнта корисної дії (ККД) таких машин - це збільшення температури. А
щоб температура згоряння була високою, потрібні калорійні види палива -
такі, до складу яких входять лише окислюються елементи - вуглець і
водень, а баласту - кисню, азоту та інших негорючих елементів - має бути
якомога менше. З цієї причини дешеві і, головне, поновлювані види палива - дрова і торф-знаходять мало застосування.
Можна радикально підвищити ККД процесу окислення, якщо відмовитися від теплових машин і перейти до паливних елементів, які безпосередньо перетворюють хімічну енергію органічних сполук в електричну.
Формально живі організми вирішують ту ж задачу, що і паливні елементи, - окислюють органічні сполуки (тобто їжу), а звільнилася енергія перетворюється в механічну (рух) або електричну (нервовий імпульс). Цікаво, що в процесі обміну речовин з їжі виходять більш цінні в енергетичному відношенні продукти (відбувається збагачення біологічного "палива"), і енергетична фабрика клітини отримує пристосований до її потреб висококалорійний продукт.
Постараємося розібратися, чи дійсно можна провести аналогію між біологічним окисленням і подібними процесами в паливних елементах, і якщо ця аналогія існує, то чи може велика енергетика чогось навчитися у маленької клітки?
При цьому зауважимо, що з позицій енергетика ККД м'язової роботи зовсім непоганий - близько 30 відсотків, отже, вчитися є чому. І врахуємо, що у всіх клітинах головні біохімічні реакції, в тому числі біологічного окислення, дуже схожі. Це пояснюється тим, що вони склалися дуже давно - ще на зорі еволюції, понад мільярд років тому, і добре відшліфовані часом.
Крім того, проводячи паралель між біологічним окисленням і окислення водню в паливному елементі, ми будемо мати на увазі елемент Гров. Це найбільш розроблений вид паливного елемента, можна сказати, класичний. У ньому на одному з електродів газоподібний водень перетворюється в іони водню і переходить в розчин, а електрони залишаються на електроді, повідомляючи йому негативний заряд. На іншому електроді в розчин переходить газоподібний кисень, при цьому він реагує з водою і перетворюється в іони гідроксилу, а електрод набуває позитивний заряд. В цілому йде хімічна реакція між киснем і воднем з утворенням води, при цьому від одного електрода до іншого тече електричний струм.
Отже, і жива клітина і паливний елемент можуть працювати, тільки якщо ззовні надходять два речовини: окислювач (як правило, газоподібний кисень) і речовини, що окислюють (паливо, біохіміки його зазвичай називають субстратом окислення
або просто субстратом). Зрозуміло, для того, щоб їжа стала субстратом, зазвичай потрібні проміжні етапи, які в сумі складають проміжний обмін речовин, в тому числі процес травлення.
Окислення субстрату киснем повітря в клітці це не одноетапний процес, а кілька послідовних хімічних реакцій. Всі разом їх часто називають дихальної ланцюгом. У "її, як у будь-якої ланцюга, два кінця-один називається кисневим, інший субстратним. Це дозволяє зіставити процеси на кисневому електроді паливного елемента з кисневим кінцем ланцюга, а події на водневому електроді - з субстратним кінцем дихального ланцюга.
Познайомимося з пристроєм кисневого кінця дихального ланцюга. Як в живій клітині, так і в паливному елементі все хімічні реакції відбуваються або в водній фазі, або "а кордоні рідкої і твердої фаз, тому брати участь в реакції може тільки кисень, розчинений у воді. Але як і всі гази, кисень погано розчиняється, тому виникають "транспортні труднощі", а значить, і численні способи їх подолання. найпростіше транспортний засіб - це система тонких трубочок-трахей, за якими газ надходить безпосередньо в зону реакції. Для цього в кисневих електродах влаштовують два типи пір: одні змочується ( гідрофільні) - по ним проникає водний розчин, інші несмачіваемих (гідрофобні) - по ним всередину електрода проникає газ.
У деяких живих організмів, наприклад, метеликів і павуків, існує аналогічна система дихальних трубочок-трахей, за якими кисень надходить безпосередньо до органів дихання. Якби на нашій планеті атмосфера складалася з чистого кисню, то дихальні трубочки-трахеї могли б задовольнити потреби і більших організмів (у міру витрачання кисню в трахеї надходили б його нові порції). Однак кисень займає лише п'яту частину повітря нашої планети, а решта припадає на азот. З цієї причини, якщо дихання інтенсивне, а трубка довга, весь кисень витрачається, і трахея виявляється заповненою азотом. Потрібен якийсь більш ефективний механізм. У більш високоорганізованих тварин кисень надходить до тканин з гемоглобіном, це в десятки разів збільшує транспортні можливості рідини. Наприклад, в крові людини з гемоглобіном пов'язано приблизно в 100 разів більше кисню, ніж розчинено в самій рідини. Незважаючи на це, можливості гемоглобіну як транспортного засобу більшості техніків повинні здатися дуже скромними. Так, 1 молекула гемоглобіну при найсприятливіших обставинах може перенести 4 молекули кисню, але оскільки гемоглобін - це білок з молекулярною масою 64000 даль-тон, а молекулярна маса кисню всього 32 Дальтона, то виявляється, що корисне навантаження становить всього одну п'ятисоту. Ситуація приблизно така ж, як якщо б людина, що важить 80 кілограмів, поїхав в гості на сорокатонного паровозі! Зазвичай же ситуація ще гірше - в реальних умовах корисне навантаження становить одну тисячну або ще менше. Виручає лише швидка оборотність - в організмі людини еритроцит в середньому за одну хвилину встигає тричі завантажитися киснем в легенях і віддати його тканинам.
Гемоглобін, як відомо, не просто розчинений в крові, до знаходиться в червоних кров'яних тільцях - еритроцитах. Для цього є певні підстави. Справа в тому, що кров містить 14-16 відсотків гемоглобіну, і якби це був звичайний розчин, то утворилася б густа в'язка маса, яку дуже важко було б проштовхнути по кровоносних судинах. Завдяки ж червоним кров'яним кулькам, кожен з яких представляє собою як би краплю згущеного гемоглобіну, кров зберігає і достатню рухливість і високу здатність зв'язувати кисень.
Кровоносні капіляри утворюють дуже густу мережу, таку, що відстань між ними в найбільш активних зонах дихання вимірюється всього десятками мікрометрів. Проте між капілярами і тими частинами клітин, які безпосередньо споживають кисень, завжди залишається певна ділянка, який молекули газу долають шляхом дифузії, чия швидкість, в загальному, пропорційна розчинності, яка, як ми вже відзначали, у кисню дуже мала. У тканинах є спеціальні речовини, здатні оборотно зв'язувати кисень, збільшуючи тим самим його розчинність і прискорюючи дифузію. Ці речовини за своєю природою близькі до гемоглобіну.
Таким чином, безпосередня доставка кисню клітинам через дихальні трубочки-трахеї виявилася не дуже ефективною і в процесі еволюції була витіснена системою з двох переносників кисню - один рухається з потоком крові, інший полегшує проникнення кисню з крові в клітини. Оскільки відомі не тільки природні, але і штучні речовини, оборотно зв'язують кисень (його синтетичні переносники), можна думати, що деякі з них можуть бути використані в кисневих електродах паливних елементів для полегшення транспорту газу.
Різноманіття біохімічних реакцій, які йдуть на субстратном кінці дихального ланцюга, робить його пристрій значно складнішим порівняно з кисневим. По суті, це комплекс хімічних процесів, за допомогою якого досягається всеїдність клітин - їх здатність спалювати найрізноманітніші харчові речовини і утилізувати виділяється при цьому енергію.
Які б речовини не поступали з їжею, спосіб їх біологічного окислення (тобто функціонування дихального ланцюга) однаковий, це можливо завдяки попереднього етапу, на якому утворюються ті сполуки, які можуть бути окислені.
У будь-якій клітині, як і в паливному елементі, основним субстратом служить водень. Однак в клітці він знаходиться не у вільному, газоподібному стані, а пов'язаний з переносником (газоподібний водень, що виділяється в атмосферу, утворюють лише деякі види бактерій). Переносники водню - ціла група хімічних сполук, серед яких найбільше значення має нікотінамідаде-ніндінуклеотід (НАД). Це складне з'єднання з молекулярною масою 633 Дальтона здатне переносити всього два атома водню із загальною масою дорівнює двом. Ефективність майже така ж низька, як у гемоглобіну, проте фактично НАД працює значно ефективніше, так як оборотність у нього дуже висока - до декількох тисяч в хвилину. Адже це внутрішньоклітинний переносник, і відстані, на які він транспортує водень, вимірюються мікрометрами або їх частками.
Закономірним є питання: а чи потрібен переносник на такі мікроскопічні відстані? Транспортувати водень так само, як гемоглобін переносить кисень, дійсно немає необхідності, оскільки він утворюється відразу в клітці, але справа в тому, що НАД переносник зовсім в іншому сенсі. Адже гемоглобін транспортує молекулярний кисень, що надходить з повітря, і в такій самій формі віддає його тканинам. Молекулярного ж водню в клітинах немає, тому НАД - це ті кліщі або щипці, які "видирають" атоми водню з окислюваних молекул пиши. За кожний захід молекула НАД забирає по два атома водню, одночасно сприяючи тому, щоб один з них розпався на дві заряджені частинки - протон і електрон, причому негативний електрон залишається приєднаним до молекули переносника, а позитивний протон (іон водню) переходить в розчин. В подальшому русі по дихальної ланцюга розпадається і інший атом водню. У процесі руху електронів по дихальної ланцюга відбувається накопичення енергії в формі речовин, які називаються макроергів. Далі організм використовує їх у міру потреби для задоволення конкретних потреб - м'язового скорочення, накопичення іонів в клітинах і т. Д.
Отже, між паливним елементом і дихальної ланцюгом, як ми бачимо, існує певна аналогія-і там і тут електрони передаються від водню до кисню, при цьому виділяється енергія в такій формі, яка може бути використана споживачем. Однак ця аналогія не надто глибока: в елементі Гров водень газоподібний - в клітці він приєднаний до переносники, в паливному елементі генерується електричний струм - в клітці синтезуються макроергів, але чи є в ній щось аналогічне електричному струму, точно невідомо.
Інша зіставлення, правда, зовнішнє, підкреслює цікаву і важливу закономірність. Єдиний паливний елемент, який знайшов реальне застосування в техніці, використовує в якості окисляемого речовини водень. У клітинах за мільйони років еволюції міцно зміцнився біохімічний механізм, в якому безпосереднім субстратом (паливом) служить також водень, але приєднаний до НАД. Він по фізичним і хімічним властивостям помітно відрізняється від газоподібного водню, зокрема поступається за теплотворною здатністю, але все ж це дві форми одного і того ж речовини, що є найбагатшим в природі концентратом енергії. Очевидно, тому водень виявився найкращим паливом і для клітин і для паливних елементів. Проблема (для техніки) полягає в тому, де взяти його в достатній кількості і як транспортувати.
У лабораторії питання вирішується просто: пишуть заявку у відділ постачання, і дужі молодики приносять важкий сталевий балон, до якого залишається тільки приєднати редуктор. У цеху або в живій клітині справа, звичайно, складніше. Там повинен існувати допоміжний механізм, який дозволив би отримувати водень з доступних природних продуктів (для клітини це їжа). Цей допоміжний механізм і є перший, підготовчий етап біологічного окислення. Біологічний спосіб отримання водню, доступного окисленню, - дуже важлива особливість, яка відрізняє живу клітину від паливного елемента. Дуже схоже, що саме її і не вистачає хімічних джерел струму, щоб вони могли назавжди витіснити теплові машини. Отже, в результаті яких же хімічних процесів виникають підлягають окисленню атоми водню? Адже в харчових речовинах на водень припадає всього лише половина атомів молекули і Vi5 її маси. Приблизно така ж картина і в інших біологічних з'єднаннях. Невже інші 14 / is це баласт?
Зрозуміло, немає, але все ж переважна частина тих атомів водню, які переносить НАД, відбувається не з харчових речовин, а з ... молекул води. На попередньому етапі біологічного окислення відбувається сумарна реакція:
в якій кожен окислюється атом вуглецю реагує з двома молекулами води, при цьому утворюється вуглекислий газ, а чотири звільнилися атома водню йдуть до переносникам і далі на дихальний ланцюг.
Це дуже важливий етап біологічного окислення. Тут хімічна енергія найрізноманітніших органічних сполук майже без втрат передається водоро-
ду, тобто перетворюється в таку форму, яка може утилізуватися як енергетичною системою клітини, так і паливним елементом. Якщо знання будь-яких механізмів біологічного окислення може принести користь великій енергетиці, то це відноситься перш за все до того, як всю хімічну енергію палива передати водню.
Таким чином, ми бачимо, що дихальна ланцюг клітини окисляє водень подібно паливного елементу, але у неї є ще й додатковий механізм, який видобуває водень. Питається, чи можна паливного елементу приробити аналогічну "приставку", яка також буде виробляти водень, використовуючи найрізноманітніше "місцеве" сировину?
В принципі можна, адже хіміки-технологи давно вже і різними способами отримують водень, витрачаючи енергію, накопичену в органічному паливі. Однак для цього потрібні високі температури, в той час як в клітинах та ж мета досягається досконалими каталізаторами - ферментами. Навряд чи можна розраховувати на те, що в доступному для огляду майбутньому вдасться штучно створити таку ж систему каталізаторів, яка існує в клітці. Інша річ, якби вдалося живі клітини прилаштувати до паливного елементу. Тоді в ньому можна було б спалювати найрізноманітніші органічні продукти рослинного походження - дрова, торф, сапропель і так далі. Які ж на шляху до цього виникають перешкоди, і чи можна їх подолати?
Відомо, що з клітин можна витягувати окремі ферменти і використовувати їх в технологічних процесах, це давно робиться, наприклад, у виноробстві, хлібопеченні, сироварінні ... Однак витягти комплексно кілька десятків ферментів, щоб переробляти глюкозу в водень, пов'язаний з переносником, практично неможливо . З іншого боку, також неможливо витягувати пов'язаний водень з клітин, так як клітинні оболонки для нього непроникні. Залишається одне: підібрати яку-небудь речовину, здатну проходити через клітинні оболонки і виносити разом з собою атоми водню. Подібні транспортні речовини відомі біохімікам, їх часто називають "човниками", і вони беруть участь у багатьох життєвих процесах.
Таким чином, завдання полягає в тому, щоб атоми водню, які утворюються всередині клітин, які не витрачалися (що не окислюється) там для власних потреб, а виводилися "човником" назовні для окислення в паливному елементі. Першу частину завдання виконати відносно просто - треба або помістити клітку в безкисневі (анаеробні) умови, або зруйнувати кисневий кінець дихальної ланцюга сильнодіючим засобом, наприклад, окисом вуглецю або цианистой кислотою. Підібрати підходящий "човник" значно важче. Мабуть, найкраще для цього підходить система з молочної і піровиноградної кислот, які відносно добре проникають через більшість клітинних мембран.
Схема такого пристрою показана на кольоровій вкладці. Суспензія якихось одноклітинних організмів, наприклад, дріжджів, знаходиться в рідини, що містить поживні речовини, в герметичній посудині. Само по собі перебування в анаеробних умовах різко активує обмін речовин, клітина активно поглинає їжу, перетворюючи її в вугільну кислоту і водень, приєднаний до переносники. А той, взаємодіючи з піровиноградної кислотою, передає їй два атома водню.
Можна радикально підвищити ККД процесу окислення, якщо відмовитися від теплових машин і перейти до паливних елементів, які безпосередньо перетворюють хімічну енергію органічних сполук в електричну.
Формально живі організми вирішують ту ж задачу, що і паливні елементи, - окислюють органічні сполуки (тобто їжу), а звільнилася енергія перетворюється в механічну (рух) або електричну (нервовий імпульс). Цікаво, що в процесі обміну речовин з їжі виходять більш цінні в енергетичному відношенні продукти (відбувається збагачення біологічного "палива"), і енергетична фабрика клітини отримує пристосований до її потреб висококалорійний продукт.
Постараємося розібратися, чи дійсно можна провести аналогію між біологічним окисленням і подібними процесами в паливних елементах, і якщо ця аналогія існує, то чи може велика енергетика чогось навчитися у маленької клітки?
При цьому зауважимо, що з позицій енергетика ККД м'язової роботи зовсім непоганий - близько 30 відсотків, отже, вчитися є чому. І врахуємо, що у всіх клітинах головні біохімічні реакції, в тому числі біологічного окислення, дуже схожі. Це пояснюється тим, що вони склалися дуже давно - ще на зорі еволюції, понад мільярд років тому, і добре відшліфовані часом.
Крім того, проводячи паралель між біологічним окисленням і окислення водню в паливному елементі, ми будемо мати на увазі елемент Гров. Це найбільш розроблений вид паливного елемента, можна сказати, класичний. У ньому на одному з електродів газоподібний водень перетворюється в іони водню і переходить в розчин, а електрони залишаються на електроді, повідомляючи йому негативний заряд. На іншому електроді в розчин переходить газоподібний кисень, при цьому він реагує з водою і перетворюється в іони гідроксилу, а електрод набуває позитивний заряд. В цілому йде хімічна реакція між киснем і воднем з утворенням води, при цьому від одного електрода до іншого тече електричний струм.
Отже, і жива клітина і паливний елемент можуть працювати, тільки якщо ззовні надходять два речовини: окислювач (як правило, газоподібний кисень) і речовини, що окислюють (паливо, біохіміки його зазвичай називають субстратом окислення
або просто субстратом). Зрозуміло, для того, щоб їжа стала субстратом, зазвичай потрібні проміжні етапи, які в сумі складають проміжний обмін речовин, в тому числі процес травлення.
Окислення субстрату киснем повітря в клітці це не одноетапний процес, а кілька послідовних хімічних реакцій. Всі разом їх часто називають дихальної ланцюгом. У "її, як у будь-якої ланцюга, два кінця-один називається кисневим, інший субстратним. Це дозволяє зіставити процеси на кисневому електроді паливного елемента з кисневим кінцем ланцюга, а події на водневому електроді - з субстратним кінцем дихального ланцюга.
Познайомимося з пристроєм кисневого кінця дихального ланцюга. Як в живій клітині, так і в паливному елементі все хімічні реакції відбуваються або в водній фазі, або "а кордоні рідкої і твердої фаз, тому брати участь в реакції може тільки кисень, розчинений у воді. Але як і всі гази, кисень погано розчиняється, тому виникають "транспортні труднощі", а значить, і численні способи їх подолання. найпростіше транспортний засіб - це система тонких трубочок-трахей, за якими газ надходить безпосередньо в зону реакції. Для цього в кисневих електродах влаштовують два типи пір: одні змочується ( гідрофільні) - по ним проникає водний розчин, інші несмачіваемих (гідрофобні) - по ним всередину електрода проникає газ.
У деяких живих організмів, наприклад, метеликів і павуків, існує аналогічна система дихальних трубочок-трахей, за якими кисень надходить безпосередньо до органів дихання. Якби на нашій планеті атмосфера складалася з чистого кисню, то дихальні трубочки-трахеї могли б задовольнити потреби і більших організмів (у міру витрачання кисню в трахеї надходили б його нові порції). Однак кисень займає лише п'яту частину повітря нашої планети, а решта припадає на азот. З цієї причини, якщо дихання інтенсивне, а трубка довга, весь кисень витрачається, і трахея виявляється заповненою азотом. Потрібен якийсь більш ефективний механізм. У більш високоорганізованих тварин кисень надходить до тканин з гемоглобіном, це в десятки разів збільшує транспортні можливості рідини. Наприклад, в крові людини з гемоглобіном пов'язано приблизно в 100 разів більше кисню, ніж розчинено в самій рідини. Незважаючи на це, можливості гемоглобіну як транспортного засобу більшості техніків повинні здатися дуже скромними. Так, 1 молекула гемоглобіну при найсприятливіших обставинах може перенести 4 молекули кисню, але оскільки гемоглобін - це білок з молекулярною масою 64000 даль-тон, а молекулярна маса кисню всього 32 Дальтона, то виявляється, що корисне навантаження становить всього одну п'ятисоту. Ситуація приблизно така ж, як якщо б людина, що важить 80 кілограмів, поїхав в гості на сорокатонного паровозі! Зазвичай же ситуація ще гірше - в реальних умовах корисне навантаження становить одну тисячну або ще менше. Виручає лише швидка оборотність - в організмі людини еритроцит в середньому за одну хвилину встигає тричі завантажитися киснем в легенях і віддати його тканинам.
Гемоглобін, як відомо, не просто розчинений в крові, до знаходиться в червоних кров'яних тільцях - еритроцитах. Для цього є певні підстави. Справа в тому, що кров містить 14-16 відсотків гемоглобіну, і якби це був звичайний розчин, то утворилася б густа в'язка маса, яку дуже важко було б проштовхнути по кровоносних судинах. Завдяки ж червоним кров'яним кулькам, кожен з яких представляє собою як би краплю згущеного гемоглобіну, кров зберігає і достатню рухливість і високу здатність зв'язувати кисень.
Кровоносні капіляри утворюють дуже густу мережу, таку, що відстань між ними в найбільш активних зонах дихання вимірюється всього десятками мікрометрів. Проте між капілярами і тими частинами клітин, які безпосередньо споживають кисень, завжди залишається певна ділянка, який молекули газу долають шляхом дифузії, чия швидкість, в загальному, пропорційна розчинності, яка, як ми вже відзначали, у кисню дуже мала. У тканинах є спеціальні речовини, здатні оборотно зв'язувати кисень, збільшуючи тим самим його розчинність і прискорюючи дифузію. Ці речовини за своєю природою близькі до гемоглобіну.
Таким чином, безпосередня доставка кисню клітинам через дихальні трубочки-трахеї виявилася не дуже ефективною і в процесі еволюції була витіснена системою з двох переносників кисню - один рухається з потоком крові, інший полегшує проникнення кисню з крові в клітини. Оскільки відомі не тільки природні, але і штучні речовини, оборотно зв'язують кисень (його синтетичні переносники), можна думати, що деякі з них можуть бути використані в кисневих електродах паливних елементів для полегшення транспорту газу.
Різноманіття біохімічних реакцій, які йдуть на субстратном кінці дихального ланцюга, робить його пристрій значно складнішим порівняно з кисневим. По суті, це комплекс хімічних процесів, за допомогою якого досягається всеїдність клітин - їх здатність спалювати найрізноманітніші харчові речовини і утилізувати виділяється при цьому енергію.
Які б речовини не поступали з їжею, спосіб їх біологічного окислення (тобто функціонування дихального ланцюга) однаковий, це можливо завдяки попереднього етапу, на якому утворюються ті сполуки, які можуть бути окислені.
У будь-якій клітині, як і в паливному елементі, основним субстратом служить водень. Однак в клітці він знаходиться не у вільному, газоподібному стані, а пов'язаний з переносником (газоподібний водень, що виділяється в атмосферу, утворюють лише деякі види бактерій). Переносники водню - ціла група хімічних сполук, серед яких найбільше значення має нікотінамідаде-ніндінуклеотід (НАД). Це складне з'єднання з молекулярною масою 633 Дальтона здатне переносити всього два атома водню із загальною масою дорівнює двом. Ефективність майже така ж низька, як у гемоглобіну, проте фактично НАД працює значно ефективніше, так як оборотність у нього дуже висока - до декількох тисяч в хвилину. Адже це внутрішньоклітинний переносник, і відстані, на які він транспортує водень, вимірюються мікрометрами або їх частками.
Закономірним є питання: а чи потрібен переносник на такі мікроскопічні відстані? Транспортувати водень так само, як гемоглобін переносить кисень, дійсно немає необхідності, оскільки він утворюється відразу в клітці, але справа в тому, що НАД переносник зовсім в іншому сенсі. Адже гемоглобін транспортує молекулярний кисень, що надходить з повітря, і в такій самій формі віддає його тканинам. Молекулярного ж водню в клітинах немає, тому НАД - це ті кліщі або щипці, які "видирають" атоми водню з окислюваних молекул пиши. За кожний захід молекула НАД забирає по два атома водню, одночасно сприяючи тому, щоб один з них розпався на дві заряджені частинки - протон і електрон, причому негативний електрон залишається приєднаним до молекули переносника, а позитивний протон (іон водню) переходить в розчин. В подальшому русі по дихальної ланцюга розпадається і інший атом водню. У процесі руху електронів по дихальної ланцюга відбувається накопичення енергії в формі речовин, які називаються макроергів. Далі організм використовує їх у міру потреби для задоволення конкретних потреб - м'язового скорочення, накопичення іонів в клітинах і т. Д.
Отже, між паливним елементом і дихальної ланцюгом, як ми бачимо, існує певна аналогія-і там і тут електрони передаються від водню до кисню, при цьому виділяється енергія в такій формі, яка може бути використана споживачем. Однак ця аналогія не надто глибока: в елементі Гров водень газоподібний - в клітці він приєднаний до переносники, в паливному елементі генерується електричний струм - в клітці синтезуються макроергів, але чи є в ній щось аналогічне електричному струму, точно невідомо.
Інша зіставлення, правда, зовнішнє, підкреслює цікаву і важливу закономірність. Єдиний паливний елемент, який знайшов реальне застосування в техніці, використовує в якості окисляемого речовини водень. У клітинах за мільйони років еволюції міцно зміцнився біохімічний механізм, в якому безпосереднім субстратом (паливом) служить також водень, але приєднаний до НАД. Він по фізичним і хімічним властивостям помітно відрізняється від газоподібного водню, зокрема поступається за теплотворною здатністю, але все ж це дві форми одного і того ж речовини, що є найбагатшим в природі концентратом енергії. Очевидно, тому водень виявився найкращим паливом і для клітин і для паливних елементів. Проблема (для техніки) полягає в тому, де взяти його в достатній кількості і як транспортувати.
У лабораторії питання вирішується просто: пишуть заявку у відділ постачання, і дужі молодики приносять важкий сталевий балон, до якого залишається тільки приєднати редуктор. У цеху або в живій клітині справа, звичайно, складніше. Там повинен існувати допоміжний механізм, який дозволив би отримувати водень з доступних природних продуктів (для клітини це їжа). Цей допоміжний механізм і є перший, підготовчий етап біологічного окислення. Біологічний спосіб отримання водню, доступного окисленню, - дуже важлива особливість, яка відрізняє живу клітину від паливного елемента. Дуже схоже, що саме її і не вистачає хімічних джерел струму, щоб вони могли назавжди витіснити теплові машини. Отже, в результаті яких же хімічних процесів виникають підлягають окисленню атоми водню? Адже в харчових речовинах на водень припадає всього лише половина атомів молекули і Vi5 її маси. Приблизно така ж картина і в інших біологічних з'єднаннях. Невже інші 14 / is це баласт?
Зрозуміло, немає, але все ж переважна частина тих атомів водню, які переносить НАД, відбувається не з харчових речовин, а з ... молекул води. На попередньому етапі біологічного окислення відбувається сумарна реакція:
в якій кожен окислюється атом вуглецю реагує з двома молекулами води, при цьому утворюється вуглекислий газ, а чотири звільнилися атома водню йдуть до переносникам і далі на дихальний ланцюг.
Це дуже важливий етап біологічного окислення. Тут хімічна енергія найрізноманітніших органічних сполук майже без втрат передається водоро-
ду, тобто перетворюється в таку форму, яка може утилізуватися як енергетичною системою клітини, так і паливним елементом. Якщо знання будь-яких механізмів біологічного окислення може принести користь великій енергетиці, то це відноситься перш за все до того, як всю хімічну енергію палива передати водню.
Таким чином, ми бачимо, що дихальна ланцюг клітини окисляє водень подібно паливного елементу, але у неї є ще й додатковий механізм, який видобуває водень. Питається, чи можна паливного елементу приробити аналогічну "приставку", яка також буде виробляти водень, використовуючи найрізноманітніше "місцеве" сировину?
В принципі можна, адже хіміки-технологи давно вже і різними способами отримують водень, витрачаючи енергію, накопичену в органічному паливі. Однак для цього потрібні високі температури, в той час як в клітинах та ж мета досягається досконалими каталізаторами - ферментами. Навряд чи можна розраховувати на те, що в доступному для огляду майбутньому вдасться штучно створити таку ж систему каталізаторів, яка існує в клітці. Інша річ, якби вдалося живі клітини прилаштувати до паливного елементу. Тоді в ньому можна було б спалювати найрізноманітніші органічні продукти рослинного походження - дрова, торф, сапропель і так далі. Які ж на шляху до цього виникають перешкоди, і чи можна їх подолати?
Відомо, що з клітин можна витягувати окремі ферменти і використовувати їх в технологічних процесах, це давно робиться, наприклад, у виноробстві, хлібопеченні, сироварінні ... Однак витягти комплексно кілька десятків ферментів, щоб переробляти глюкозу в водень, пов'язаний з переносником, практично неможливо . З іншого боку, також неможливо витягувати пов'язаний водень з клітин, так як клітинні оболонки для нього непроникні. Залишається одне: підібрати яку-небудь речовину, здатну проходити через клітинні оболонки і виносити разом з собою атоми водню. Подібні транспортні речовини відомі біохімікам, їх часто називають "човниками", і вони беруть участь у багатьох життєвих процесах.
Таким чином, завдання полягає в тому, щоб атоми водню, які утворюються всередині клітин, які не витрачалися (що не окислюється) там для власних потреб, а виводилися "човником" назовні для окислення в паливному елементі. Першу частину завдання виконати відносно просто - треба або помістити клітку в безкисневі (анаеробні) умови, або зруйнувати кисневий кінець дихальної ланцюга сильнодіючим засобом, наприклад, окисом вуглецю або цианистой кислотою. Підібрати підходящий "човник" значно важче. Мабуть, найкраще для цього підходить система з молочної і піровиноградної кислот, які відносно добре проникають через більшість клітинних мембран.
Схема такого пристрою показана на кольоровій вкладці. Суспензія якихось одноклітинних організмів, наприклад, дріжджів, знаходиться в рідини, що містить поживні речовини, в герметичній посудині. Само по собі перебування в анаеробних умовах різко активує обмін речовин, клітина активно поглинає їжу, перетворюючи її в вугільну кислоту і водень, приєднаний до переносники. А той, взаємодіючи з піровиноградної кислотою, передає їй два атома водню.
