1598005406-c7dd8660448dd542c8c2f5c17a2e095d (Топливные элементы. Э. Юсти, А. Винзель, 1964u), страница 84

1961. 2. ) о э 1 $ Е., Г««1 и э е $ А««Н$8$5-Вга(о Нудгопепиапоэ(оп Е1ес1гобеэ Орегаппк а1 Лпэыео1 Тешрега1оге апд Ьош Ргеээнге», Акаб. УУ(ээ. ЬИ„ )а!1гнапн 1(Х59, 5(е~ое~ Чсг(ан, %(еэьабеп, 1959. 3 н э 1! Е,, Те ! и я е( А., «Тпе $)5К 5уэ1еш о! Гне! Сен Е!ес1годеэ», Е(ес!госпеш$са$5ос(е1у 5рг(па Мееппа. 1об(ковра(~э. 1961.

3. 5!а1сорон(оэ Р„уеаяег Е., Но«огха Г., А Е(«с(го«аеас 5ог., 98, 68 (1951). 4. С а Ь а и В. В„йоеисЬ$ Р., А Е(ее!го«лет, 5ос., 166, 543 ($959), 5. $$ н е 1 э с Ь ! Р., пат. США 3020327, 1962. Сходство и различие между топливными элементами и живыми существами Во вступлении к предлагаемой монографии мы исходили из того, что прямое превращение одного вида энергии в другой представляет собой особо важную задачу, наиболее неотложной частью которой является непосредственное преврашеине химической энергии в электрическую посредством гоплив. ных элементов.

!е >ке задачи превращения энергии возникают в живых организмах и преодолеваются различными органами животных и растений. Таблица 10.! Превращение энергии в живых организмах (по и. А. Кребсу (!)) Мышцы, сердце, жгутнкн, бактеркй, миграция белых кровяных шариков Секреция желез, всасыванне в кншечнкке, поглощение н выделенне веществ против градиента концентрацнн (почкн) Нервные клетки, влектрнческнс органы рыб ', Синтез структурных элементов клетки, гормонов, ферментов Светляки, свстящпеся бактерия Из табл. 10.! видно, что большинство биологических механизмов генерирует любую форму энергии из химической, безусловно уклоняясь от обходного пути превра!ценна через Глава Х тепловую энергию '), как это еше происходит в современных неорганических системах, например в тепловых двигателях и лампах накаливания. В век кардиограмм и энцефалограмм общеизвестно, что электрические токи, возникающие в сердечной мышце человека, имеют напряжение от 1 до 2 мв, в то время как человеческий мозг с его 10ш нервными клетками дает не более 0,02 — 0,1 лтв.

В количественном отношении более внушительно выглядят электрические мощности семи семейств электрических рыб, из которых скат (Тогрейо пойгйапа) Северной Атлантики дает разряды до 50 а при 50 — 60 в (3 квт), достаточные, чтобы убить крупное животное. Африканский электрический сом (Ма1ар1егцгцз е1ес!г(снз) при меньшей импульсной мощности дает напряжение 350 в, а грозный южно-американский электрический угорь (Оугппо(цз е1ес1П- сцз) — даже более 500 в. Другие рыбы посылают импульсы порядка 1 вг, однако еше более удивляет их «техника», с помощью которой они образуют, синхронизируют, посылают, улавливают и используют для ориентировки импульсы определенной формы и частоты (до !500 гц).

При современном техническом уровне развития топливных элементов мы здесь ограничимся обсуждением собственно элементов. При этом вспомним, что к открытию элемента Вольта, послужившего прототипом топливных элементов, привело известное исследование действия тока электрического ската. Гальвани в 1791 г, постулировал тесную связь между электрическими явлениями у электрических скатов, с одной стороны, и оонаружснным им «животным электричеством» в мышцах и нервах — с другой. Вольта, напротив утверждал, будто Гальвани демонстрировал не «животное», а «металлическое» электричество, которое, по его мнению, получалось при соприкосновении двух неод~тттаковых металлов.

Он был, безусловно, прав в том, что лягушачья лапка в историческом опыте Гальвани играет роль чувствительного детектора, но в отрицании «животного электричества» Вольта ошибся, хотя это ошибочное заключение и повело к созданию элсктрохимического элемента, получившего название «гальванический». Сложив несколько элементов, Вольта получил те самые столбы Вольта, которые послужили основой наших современных батарей, как, например, батарей Бэкона (см. фиг, !52), фирмы «Аллис — Чалмерс» (см. фиг. 162 — 165) и компании «Юнион карбайд» (см.

фиг. 4в и !49о). ') Если бы, например, мышца достигала набвтодаемого к.п.д. около 40«!в путем промежуточного образования тепла, то, согласно Карно, в ней должно было бы происходить падение температуры по меныпеп мере на »00'. Сравнение топливных элементов г живы.ии гутчгствшии 463 Несмотря на то что электрические органы разных по своему систематическому положению рыб довольно разнообразны, мы ограничимся здесь рассмотрением только одного представителя — уже упомянутого ската. Как видно из фиг, 178, скат имеет по обеим сторонам головной части симметрично расположенные почковндные электрические органы. Через микроскоп видно, что каждый нз них состоит из тонких вафлеобразных электрических пластин с сильно различающимися по своей анатомии поверхностями. Обычно одна сторона иннервируется густой сетью нервттых окончаний, тогда как противоположная, свободная от нервов сторона, имеет глубокие складки и извилины, посредством которых верхняя поверхность может быть значительно увеличена (фиг.

179). Каждый электрический орган состоит из множества, до 1000 пластинок, собранных столбиком, причем иннервированные поверхности все одинаково ориентированы. На фиг. 178 можно также видеть, что у скатов столбики размещаются вертикально к плоскости и соединены последовательно, чем достигается увеличение напряжения до 100 в по сравнению с разностью потенциалов па отдельных пластинках 100 жв, а параллельное соединение 2000 столбиков на каждой стороне обеспечивает ток колоссальной силы.

Как осуществляется такое напряжение, в принципе верно объяснил еше в 1912 г. Бернштейн, ученик основоположника электрофизиологии Дюбуа-Реймона. По мнению Г>ернштейна, клеточная мембрана электрических пластинок, филогенетически происшедших от мышечного волокна, как и клеточные мембраны мышечной ткани, должна обладать избирательной проницаемостью для ионов К', но не для ионов г)а".

Между более высокой концентрацией К'с внутренней стороны н более низкой концентрацией ь;а' с внешней стороны пластинки возникает потенциал покоя, причем, согласно ряду напряжения, внутренняя сторона становится электроотрицательной. При раздражении, происходящем вследствие нервного импульса, изменяется проницаемость мембран и они начинают пропускать ионы, а следовательно, н ток.

Как недавно показали измерения Ходчкина с сотрудниками, поляризация при разрядке не только доходит до точки компенсации исходной э, д. с., но иннервированная мембрана претерпевает периодическую смену заряда, так что предельное напряжение достигает у ската !50 мв, вместо значения э. д.с, 80 мв. Неиннсрвированная плоская мембрана сохраняет свой отрицательный потенциал и обнаруживает низкое сопротивление. Изучение синаптической передачи возбуждения от клетки к клетке показало, что этот процесс нельзя объяснить как чисто элек- 30 э. Юсин, А, вензель Рис. 178.

Электрический скат (Тогредо повииапа), правая сторона вскрыта, виден основной электрический орган (справа вверху), вспомогательный орган (внизу слева), регуляторная нервная система (слева). Сверху показан поперечный разрез, на которолл видны справа и слева электропластины основного органа и его иннервация. Сравнение топлианмх элементоа с живыми существами 465 трическое явление. Грюндфест [2) открыл, что раздражению должна подвергнуться собственно не сама клетка,аокончание открывающегося в ней нерва, Г1осле некоторого латентного периода возникает подпороговый потенциал '), который вызыи вает коммутацию и разряд мембран.

Грюндфест с сотрудниками установили также, что эти нервы под действием электрического тока выделяют химическое вещество, подобное Ф и г. !79. Схематическое изображение электропластины, на' которой показаны сплошь иннервированная поверхность, выпуснающая заряд и инертная неинпервированная поверхность с большим количеством пальце- видных выростов (сосочков), составляющих активную поверхность электрода. Расстояние мелкду электропластинами колеблется от 100 до до 1000 мн (по Грундфзсту [2]). ацетилхолину, которое способствует появлению импульса, коммутации и разряду.

Речь идет о том же веществе, которое в классических исследованиях Леви 1922 г. влияло на сердечную деятельность таким жс образом, как на электрическое раздражение нерва. В работе Грюндфеста можно найти много других интересных деталей, как, например, получение трехфазного тока видами Сигаро, организация центрального управления в мозгу рыб, способствующего мгновенному (порядка 1 лл/сек) «отстрелу» батарей размером 1 и, причем возбуждение распространяется с) Первичный импульс потенциала (соответствующий по порядку величины значению э. д, с.), который вызывает по аналогии с триггерной схемой коммуташно н разряд электрических пластин.— Прим.

ред. Глава Х Сравнение топливных элементов с хгивьгми суи(еетвами 467 по нерву со скоростью 40 м/сек, которая является высокой не только для холоднокровных, но и для теплокровных. Не меньше геометрической формы биологических батарей нас интересует их химизм, Действительно, он совершенно замечателен по меньшей мере по двум причинам: во-первых,потому что при пяти разных видах превращения энергии, перечисленных в табл, 1О.1, в качестве исходных продуктов могут произвольно использоваться такие различные источники, как жиры, белки и углеводы; во-вторых, при всем многообразии продуктов горения образуется один-единственный носитель энергии, участвующий во всех без исключения видах биологического превращения энергии. Это универсальное и в своем роде единственное топливо в живой природе аденозинтрифосфат (АТФ) может гидролизоваться в мышце ферментом аденозинтрифосфатазой (идептичен мпозпну — сокращающемуся элементу поперечнополосатой мышечной ткани).

Если эту реакцию провести в пробирке, то потеря фосфатной группы окажется сопряженной с выделением тепла, тогда как та тке реакция в мышце приводит к сокрашению и, следовательно, к выработке механической энергии, Электрические органы рыб, упомянутые выше, морфологически в эмбриогенезе происходят от мышечных тканей, тем не менее в них отсутствует миозин.

Но имеется другой катализатор, способный превращать энергию, выделенную при гидролизе АТФ, в этектричскую. Световая энергия биолюминесцируюших организмов, например светляков (Р1юПпцз руга1(з), ведет свое происхождение от АТФ. В человеческом организме преобладающая часть работы, в частности создание осмотической энергии при всасывании глюкозы в тонких кишках против большого концентрированного градиента, также осуществляется при содействии АТФ.

Замечательно то, что по сравнению с количеством превращенной энергии в животных тканях и у человека количество АТФ очень невелико. Ясно поэтому, что для обеспечения разнообразных жизненноважных энергетггческих превращений АТФ после отдачи энергии должен быстро регенерпроваться. Как же построен этот многообразный носитель химической энергии, который в живой природе является единственным в своем роде? Чтобы избежать сложных химических формул, мы символизируем его как А — (Р) — (Р) — (Р), где А будет обозначать нуклеозид, а (Р) — фосфатный остаток (табл.