Ответ Никельшпарг Эвелины Ильиничнына задачу "Микроэнергогенераторы" секции "Школьники-биология"
1)Для начала хотелось бы предложить некоторые известные или опробованные варианты:
Британские учёные предложили новую систему, которая позволит вырабатывать энергию для нанороботов. Она имитирует механизм получения сперматозоидами энергии для передвижения. Подобный источник энергии понадобится наномашинам для того, чтобы выполнять в организме человека определённые задачи, например, впрыскивание лекарственного препарата. Энергия к хвосту сперматозоида млекопитающего доставляется благодаря преобразованию ферментов глюкозы. Присоединяясь к хвосту, они преобразуют сахар в аденозинтрифосфорную кислоту, которая и служит её источником. Тинацу Мукай, Алекс Тревис и их коллеги из Института здоровья животных им. Бейкера при Корнельском университете предположили возможность отделения ферментов от этой структуры и прикрепления их к неорганической замене - никель-нитрилотриацетатной микросхеме. Исследователи изменили гексокиназу, первый фермент гликолиза, на маркер, ориентированный на привязывание к специальной золотой поверхности. Несмотря на это, фермент продолжал действовать. Затем они привязали к этой же поверхности глюкоза-6-фосфат изомеразы. Он также продолжал функционировать. Когда они оба были привязаны к определённой поверхности, результат реакции первого фермента служил субстратом для реакции второго. В качестве основных источников энергии многие ученые предполагают использовать локальные запасы глюкозы и аминокислот в теле человека (т.е. именно те вещества, из которых и мы получаем энергию).
a) энергия химических связей (расщепление ненужных жиров – суперпохудение)
В нашем организме каждую минуту происходят многочисленные химические реакции. Мы едим, движемся, выделяем разные запахи за счет химических реакций. Что если, какие-то из них приспособить в качестве источника энергии. Например, в наших клетках содержаться вещества «в запасе». Это могут быть углеводы, жиры, иногда даже аминокислоты. Их можно использовать в качестве энергии. Расщепление жиров в жировых клетках – прекрасное решение с источником энергии и одновременно средство для похудания. Если устанавливать «энергетическую станцию» в жировые клетки, то она может постепенно расщеплять жиры, получать энергию для дальнейших расщеплений.
b) энергия солнечного света (при загаре нанороботы работают)
Многие любят позагорать. Во время процесса, когда мы получаем массу лучей прямо на кожу, происходят многочисленные химические процессы. Некоторые из них неблагополучные. Биомолекулы поглощают кванты света и переходят в возбужденное состояние. Этот процесс можно проиллюстрировать диаграммой, предложенной в 1935 году польским физиком Александром Яблонским: (см. рис. слева). В возбужденных состояниях молекулы живут очень недолго (ничтожные доли секунды), они становятся очень реакционноспособными. У такой молекулы есть три возможных судьбы. Первая – вернуться в основное состояние; при этом избыток энергии, принесенный квантом света, перейдет в тепловую энергию, которая передастся другим молекулам и рассеется в окружающее пространство. Вторая – испустить квант света (если молекула перед этим была в синглетном состоянии, излучение называется флуоресценцией, а если в триплетном – фосфоресценцией). Наконец, возбужденная молекула может вступить в ту или иную химическую реакцию: изомеризации, ионизации, диссоциации или в реакцию с другими молекулами. Для нашей кожи опасен третий путь – химические реакции возбужденных молекул. Он может вызывать мутации, а это может стать причиной перерождения клетки в раковую. Чтобы не допустить этого мы используем крема от загара и т.д. Но ведь можно вводить «энергостанции» прямо в кожу. Они будут преобразовывать (для собственных нужд в том числе) энергию, полученную при УФ излучении и тем самым, предотвращать клетки от различных нежелательных реакций! Здесь тут же встанет вопрос, как быть с желательными реакциями. Так как УФ действует не сразу, только при определенных дозах начинаются вредные процессы, то и станции могут включаться после определенной дозы УФ.
c) разность давлений (например, в капиллярах и артериях)
Можно энергетические станции превратить в нГЭС. Установить микроэнергогенератор прямо на стенках сосудов и вырабатывать энергию от тока крови. Давление в сосудах очень велико, поэтому мощность таких установок будет тоже значительной.
d) энергия движения (перемещаясь по течению крови, они запасаются энергией от перемещения). Постоянный ток человеческой крови – это энергетический потенциал. Если бы у станций была возможность запасаться энергией от этого тока, было бы очень выгодно. Только в отличии от наногидроэлектростанций такие «плавающие» генераторы могут вырабатывать энергию за счет перемещения по сосудам.
e) Тепловая энергия.
Наше тело при нормальных условиях в нормальном состоянии имеет температуру 36,6º. Если использовать тепловое движение молекул нашего тела, то можно получить неплохие результаты. Только как это отразиться на нашем самочувствие непонятно. Другой вопрос, если понижать температуру тела намеренно. Если станции будут рассчитаны на кратковременное использование, то можно отправить их в место воспаления, чтобы они подзаряжались от высокой температуры, а в это время выработанную энергию тратили на лечение, например, нанороботы, то убьем сразу двух зайцев. Когда температура восстановиться, станции вместе с нанороботами могут перестать функционировать и выйти из организма.
f) поедание отмерших частиц (работа лизосом)
Это, конечно, работа лизосом, но если у энергостанции будут в качестве помощников другие наномеханизмы, например, нанороботы, то они смогут поедать отмершие участки клетки или сосуда (в качестве «пищи» могут быть и холестериновые бляшки). Использование такого метода позволяет вылечить или обновить организм, при этом не затрачивая энергию из вне. Нужно только изобрести механизм, способный преобразовывать энергию связей в электрическую или механическую.
g) разность зарядов на мембране
С помощью разности зарядов во внешней среде и внутриклеточном пространстве все живое существует (в т.ч. появляются импульсы). Если дозировано использовать подобную энергию (а это возможно, если устанавливать механизм через мембрану или использовать каналы), то получим чем-то схожее с батарейкой устройство. Но это сделать проблематично, чтобы не повредить клетку. К тому же довольно рискованно.
h) энергия человеческого движения (Человек бежит – мышцы работают – энергостанции заряжаются).
Движение человеческого скелета обеспечивается мышцами, а именно белками. Ответственный за движение белок – актин. Если попробовать использовать (только на время лечения) энергию передвижения этого белка с помощью встроенных в него энергостанций, то можно обеспечить энергией некоторые механизмы, которые будут лечить человека. Несколько абсурдные на данный момент идеи:
i) использование роста волос (и не только)
Процесс роста волос, деления клеток в основном, можно приспособить в качестве источника энергии. Главная идея в том, что можно использовать АТФ (универсальный источник энергии в организме), переработанный энергогенераторами в собственную энергию. Это можно сделать во многих процессах организма, но именно от роста волос вред будет наименьший (если, конечно, еще останется, что терять)
j) работа челюстей
чисто механическая работа передвижения челюстей может послужить таким же источником энергии. Конечно, альтернатив множество: сжимание пальцев на руке, моргание и т.д., но именно жевание (которое происходит в полости рта, т.е. в самом организме) мне кажется наиболее подходящим. Если сам процесс жевания не устроит, то можно использовать глотание (перистальтику в том числе) и многое другое. Это в чем-то похоже на энергию от кровеносных сосудов, зато энергия движения слюны может быть получена при встраивании станций в пищевод.
k) мозговая деятельность
Пожалуй, самая абсурдная идея. Мозговая деятельность, или интенсивный ионный обмен, наиболее мощный источник энергии в организме. Но влияние на нейроны, любое, небезопасно, поэтому эта идея, возможно, в чем-то близкая к идее g, неприемлема. Хотелось бы сказать, что какими бы странными не казались идеи, все они говорят об одном – наш организм обладает огромным потенциалом, и можно найти сотни применений этому потенциалу и путей его использования. Вопрос, как мы при этом будем себя чувствовать?
2) Места посылки нанороботов:
-
в кровеносные сосуды (c, d, e)
-
в эпителий (b)
-
в мышечную ткань (h)
-
в мозг (k)
-
в жировую ткань (a)
-
в желудок/кишечник/пищевод (a, j)
-
в область воспалений (e)
3) Это зависит от места их расположения и КПД.
Например, максимальная линейная скорость течения крови по артериям не превышает 0,3—0,5 м/с, а скорость распространений пульсовой волны у людей молодого и среднего возраста при нормальном артериальном давлении и нормальной эластичности сосудов равна в аорте 5,5—8,0 м/с, а в периферических артериях — 6,0—9,5 м/с. Но и этого достаточно. Самодельная гидроэлектростанция при скорости течения реки в месте испытания 0,4 м/с, высоте подъема воды
4) При длительной эксплуатации подобных устройств, как ни обидно, почти наверняка могут возникнуть проблемы. Например, артерии, отягощенные такими устройствами, могут терять эластичность, а клетки, с постоянно меняющимся энергопотенциалом, могут совсем сбиться с курса и перестать подавать сигналы. Чужеродные элементы могут вызвать подозрение у иммунной системы. Они могут быть повреждены собственным соком в организме. Они могут быть окислены. При встраивании в пищевод или мышцы могут вызывать неудобства или даже раздражение. При термической выработки энергии способны понизить температуру тела. Их использование должно технически отлажено и недолговременно. Потому что организм как система с самозащитой может за себя постоять и не пустить чужеродных агентов, даже если они несут пользу.
Ведь выработанную энергию надо ещё будет куда-то сбросить. В общем, в режиме похудения человек будет вынужден носиться как электровеник на зависть всем "зайцам-Energizerам".
