Биодвигатели

Природа отвела емкостным электромеханическим преобразователям самое почетное место — они являются основными преобразователями энергии в живых организмах.

За прошедшие два века электробиология сделала поразительные успехи, но только всего несколько десятилетий назад биологи доказали, что движение бактерий может осуществляться, минуя превращение энергии пищи в АТФ (адснозинитрифосфорную кислоту). За счет мембранного потенциала, образующегося в результате разделения зарядов, в биологических двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую. При этом АТФ является лишь накопителем и переносчиком зарядов.

Биопотенциалы возникают в клеточных мембранах, которые могут пропускать положительные ионы, по не пропускают анионы. Вначале отрицательные и положительные заряды, которые появляются в клетке за счет переваривания питательных веществ, компенсируют друг друга. Затем часть ионов проникает через полупроницаемую мембрану и снаружи положительных ионов становится больше, чем внутри. На мембране возникает нернстовский потенциал. В. Нернст опубликовал свою диссертацию, в которой излагалась теория мембранного потенциала, в 1889 г. Наиболее полно мембранная теория возникновения электричества в живых организмах изложена в книге Ю. Бернштейна «Элсктробиология», вышедшей в свет в 1912 г.

Одиночная клетка обладает потенциалом покоя 60 мВ, при возбуждении потенциал увеличивается вдвое. Клетки могут соединяться и последовательно, и параллельно. У электрического угря последовательно соединяется более 6000 клеток, и он может создавать напряжение 80(Н900 В.

Для морских электрических рыб важно получать нс только высокое напряжение, но и большой ток. Электрический скат дает напряжение 50 В и ток 50 А. У него смешанное соединение клеток (400 соединены последовательно и 500 — параллельно). Электрический скат или электрический угорь при разрядах генерируют значительную мощность — до 6 кВт в импульсе продолжительностью 2—3 мс [7].

Разделенные в генераторах заряды АТФ передвигаются к биодвигателям. Линиями электропередачи могут быть кровеносные сосуды, а в простейших организмах — межклеточная жидкость.

Схема одного из биодвигателей — патрий-калиевого насоса — дана на рис. 8.6, а. Этот биологический двигатель состоит из ротора — белка с активными центрами 7, который захватывает из наружной среды 2 ион калия, а из внутренней (цитоплазмы клетки 3) — ион натрия. Ротор (белковая молекула) вращается в мембране 4 и освобождает захваченные ионы. При этом натрий выходит наружу, а калий попадает внутрь клетки (см. рис. 8.6, а).

На роторе укреплена ворсинка, которая, как корабельный винт, преобразует вращательное движение в поступательное. Бактерия может иметь более десятка ворсинок, которые обеспечивают перемещение в трехмерном пространстве. Бактерии — первые электромеханические преобразователи на Земле. У них есть генераторы (клеточные мембраны), двигатели и линии передачи электроэнергии. Генераторы и двигатели управляются из одного центра. Как и на современной электростанции топливо, сгорая, отдает тепловую и механическую энергии электрическим генераторам, так

Биодвигатели

Рис. 8.6. Биодвигатели:

а — натрий-калиевый насос; б — линейные

и энергия пищи в биогеиераторах преобразуется в электрическую энергию. В биодвигателях электрическая энергия преобразуется в механическую энергию и тепло.

В биологических организмах широко распространено поступательное движение. На рис. 8.6, б представлена схема линейного двигателя цианобактерии, состоящего из множества (1, 2, 3,..., п) колонок, которые под действием зарядов могут сжиматься и расширяться. За счет периодических гармонических деформаций колонок бактерия ползет, при этом электрическая энергия преобразуется в механическую. Нетрудно вспомнить гусениц, которые имеют присоски на множестве колонок, и огромных змей. В процессе эволюции из присосок образовались конечности, и появились сороконожки и другие насекомые.

Далее, в результате эволюции за миллиарды лет появилось бесчисленное множество разнообразных живых организмов, вершиной которых стал человек — высшее достижение природы, умеющее думать и создавать как произведения искусства, так и сложнейшие технические устройства.

Рассмотренные принципы электромеханического преобразования энергии имеют место как в растениях, так и в других живых организмах. Растения получают пищу за счет перемещения относительно них среды обитания (воды или воздуха), а животные в поисках пищи вынуждены сами перемещаться в среде обитания [7].

Как следует из истории развития электромеханики и биологии, па первых этапах ими занимались одни и те же ученые. За двухсотлетнюю историю электромеханиками и электробиологами были сделаны фундаментальные открытия и достигнуты выдающиеся результаты научных исследований. Однако за это время ученые-электротехники и биологи так далеко разошлись, что сегодня нет специалистов, хорошо разбирающихся как в электробиологии, так и в электромеханике. Прогресс в развитии электробиологии в ближайшее время будет определяться внедрением в биологию достижений электромеханики, и снова потребуются профессионалы в обоих направлениях

Электромеханические преобразователи природа использует в живой и неживой природе. Если представить шкалу единичных мощностей электромеханических преобразователей от пуля до бесконечности и на ней выделить предпочтительные области, которые занимают индуктивные, емкостные и индуктивно-емкостные электромеханические преобразователи, то емкостные будут занимать область от пуля до нескольких ватт, а индуктивные господствуют в области больших мощностей — от долей ватт до 1021 Вт и выше. Индуктивно-емкостные электромеханические преобразователи занимают среднее положение между индуктивными и емкостными преобразователями (см. рис. 1.14).

Безграничные просторы космоса, занятые огромными массами вещества, принадлежат магнитным нолям и токам, где господствуют индуктивные электромеханические преобразователи [6, 5].

Многие считают, что в области теории и практики электромашиностроения все или почти все сделано. Однако электромеханика не пережила еще и начального своего этапа, а изучение целых двух классов электрических машин только начинается, и па этом пути молодых электромехаников ждут удивительные свершения.

Электромеханики только подошли к изучению и созданию на базе биологических двигателей электромеханических преобразователей, а геоэлектромеханика только приоткрывает возможности дня создания космических наземных энергетических установок.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >