Инженеры и ученые знают, что Природа подкидывает «наиболее инновационные идеи», только нужно их вовремя рассмотреть и применить на практике. Изучение секретов, содержащихся в живых существах, займет у нанотехнологов еще не один год работы.

Так, одна из недавно открытых особенностей электрического угря, поможет ученым в понимании механизмов работы клеточных наномашин и создании новых элементов питания для медицинских имплантов.

Командой ученых из Йельского Университета (Yale University) и Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology) США, смоделированы электрические клетки морского угря, причем результаты вычислений косвенно указали на то, как можно создать «усовершенствованные версии» клеток, дающих больше электрической энергии.

Безусловно, открытие исследователей поможет в создании миниатюрных источников энергии, очень востребованных в медицинских имплантах и микрочипах.

Рис. 1. Клетки угря под микроскопом

Знаменитый электрический угорь – тоже из подотряда гимнотовидных. Уже более 340 лет, с 1729 года, европейцы знают о нем и о поражающей силе его электрических разрядов. Фарадей первым рассчитал мощность “батарей” электрического угря: она равна 15 заряженным лейденским банкам с общей рабочей поверхностью элементов – 2250 квадратных метров!

Электрический орган, студневидная ткань, разделенная соединительными перегородками, занимает большую часть тела этой удивительной рыбы: до 5/6 ее длины и 3/8 веса. Положительный полюс – у головы, отрицательный – у хвоста. Собственно, электрических органов у угря всего до полумиллиона – это миниатюрные клетки, производящие электричество, соединенные нервами последовательно.

Благодаря этому их вольтаж суммируется и достигает при разряде “свежезаряженного” трехметрового угря 650 вольт. Электрические клетки-пластинки сложены столбиками, которые соединены между собой параллельно, что увеличивает общую силу тока до двух ампер, а мощность – до киловатта!

Рис. 2. Структура ионного канала

В расчетах и исследовании электрических клеток морского угря ученым помогли современные средства математического и инженерного моделирования. Электроциты – клетки, вырабатывающие электричество. Именно они ответственны за разность потенциалов почти в 600 вольт!

Механизм возникновения электрического импульса похож на распространение нервного сигнала в нервных клетках. Химический сигнал является «ключом к запуску» высокочувствительных каналов в клеточной мембране, что приводит к накачке клетки ионами NaCl, что повышает разность потенциалов между поверхностью мембраны и внутриклеточным окружением, вызывает открытие дополнительных ионных каналов на поверхности. Таким образом, возникает сильный электрический импульс, проходящий через клетку, после чего каналы закрываются и процесс повторяется. В отличие от нервных волокон, в которых мощность сигнала невелика, а скорость его распространения достаточно высока, в электроцитах все обстоит прямо противоположно.

Установлено, что ионных каналов всего семь типов, причем каждый имеет собственные особенности. Один из исследователей, ЛаВан (LaVan), утверждает, что у электроцитов достаточно медленный цикл накачки. Более того, ЛаВан и его коллеги создали математическую модель отдельной клетки, показывающую, как ионные насосы влияют на возникновение и дальнейшее распространение электрического сигнала. При этом в модели учитывались все семь типов ионных каналов.

Рис. 3. Клетки угря и ионные каналы в модели

Как показали результаты моделирования, расположение каналов на поверхности мембраны и их выборка из семи типов может быть настроена на максимальное производство электричества. Электроциты же угря довольно далеки от совершенства, как утверждает ЛаВан.

Вычисления показали, что «искусственный электроцит» со «смесью» из разных типов ионных каналов может производить на 40% больше мощности, чем естественный. Еще одна «модель», изученная учеными дает прирост в мощности на 28%.

Теоретически, матрица искусственных электроцитов в составе куба, размерами 4х4х4 мм даст выход электроэнергии в 300 микроватт, что уже достаточно для обеспечения работы миниатюрных медицинских имплантов. Как и естественные клетки, «искусственные» могут использовать в качестве топлива молекулы АТФ, что, естественно, поможет добиться высокой автономности имплантов внутри тела человека и животных.

В дальнейших исследованиях ЛаВан и его коллеги постараются создать рабочую версию массива «электрических искусственных клеток».

Свидиненко Юрий