Зелёная энергетика будущего
Все науки делятся на физику и собирание марок.
Эрнест Резерфорд
Важность получения энергии — та истина, которая понятна большинству. Все построено на ней. Человечество уже в глубокой древности научилось добывать огонь. Значимость этого события велика. Одна из легенд рассказывает о Прометее, как он похитил огонь с Олимпа и передал землянам, за что был жестоко наказан.
Люди вначале использовали природный огонь, но в дальнейшем научились уже сами получать его.
Ценность огня как источника энергии в далеком прошлом была велика. Можно было приготовить еду. Термическая обработка уничтожала болезнетворные микроорганизмы, паразиты, что увеличивало продолжительность жизни. В зимние, холодные дни у огня можно было согреться. Преимущества очевидны. Даже сейчас огонь, очаг ассоциируется с чем-то уютным, удобным.
Использование угля, нефти, газа, энергии атома — это уже сегодняшний день.
Огромные плюсы дает развитие энергетической отрасли промышленности. Благодаря природным запасам жить стало намного комфортнее и легче. Каждый из нас хорошо чувствует и понимает это, когда, например, по каким-либо причинам отключают электричество. И опять слабый огонь свечи дает свет, как когда-то в былые времена.
Но есть и значительные минусы в развитии энергетики. Меняется состав атмосферы за счет выброса вредных веществ, увеличивается количество углекислого газа, который более агрессивен, чем кислород, азот, и с этим всем уже не справляются «легкие» нашей планеты: джунгли бассейна реки Амазонки, леса Сибири.
Деятельность людей приводит к резким изменениям в окружающем мире, и хорошо, что наше общество теперь понимает и бьет тревогу, но порой защита окружающей среды ограничивается только словами, яркими выступлениями, и всем этим ничего не изменить. Что же реально делается сейчас в этом направлении?
В настоящее время предложены различные виды альтернативной энергетики. Ведущие места занимают ветроэнергетика и солнечная.
Использование ветряков, солнечных батарей в некоторой степени позволяет обеспечить население так необходимой всем безопасной энергией. Но у этих «экологически чистых» видов есть и свои недостатки. Для получения достаточной энергии необходимы большие площади. Сейчас эту проблему стараются решить тем, что ветрогенераторы и солнечные панели устанавливают в прибрежных водах, но это не решает другие проблемы.
Солнечная энергетика зависит от погоды, времени суток, сезонности, необходимо периодически очищать отражающую поверхность, также высока и цена солнечных батарей.
При использовании энергии ветра происходит преобразование кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в различные удобные ее виды. Ветроэнергетика — нерегулярный источник энергии и зависит от силы ветра. Неравномерность связана также как с суточным, так и с годовым ее получением. Крупные ветроустановки сложны в ремонте, трудно заменить детали на высоте более 100 метров. Ветряные энергетические установки производят шум, вибрацию, поэтому их размещают в открытой, хорошо продуваемой местности. В зимний период, во время сильного снегопада, заморозков образуются ледяные наросты, и чтобы обратно запустить ветряки, их приходится прогревать теми же средствами, что так яростно критикуют защитники природы.
Получается, что на сегодняшний день «зеленая энергетика» все еще остается ненадежной.
Так как же быть?.. Необходимо усовершенствовать технологическую базу в существующей альтернативной энергетике, а также, самое главное, открыть и исследовать новые виды источников получения энергии, наиболее безопасные и надежные. К ним можно отнести и наноэнергетику, одним из направлений которой является бионаноэнергетика.
Наноэнергетика позволит избавиться от многих проблем, таких как: громоздкие, огромные электростанции, котельные, выбрасывающие массу вредных веществ в атмосферу, дамбы, перекрывающие потоки быстрых рек, оплетающих всю окрестность проводов, а также столбы, что удерживают их, — и это все уже окажется в прошлом. Централизованная система будет заменена на точечное электроснабжение.
Одно из ее ответвлений наноэнергетики можно назвать бионаноэнергетику.
Живая система — сложная структура. Удивляет, как эта самовосстанавливающая система способна существовать автономно и обеспечивать себя энергией. Живое состоит из клеток. Комплекс функционально разных клеток, образуя единое целое, дает жизнь каждой из них, а также всему организму.
Как живое обеспечивает себя так необходимой для него энергией — до конца еще неизвестно. Безусловно, важна роль макроэргических и других молекул в обеспечении энергией биохимических реакций. Например, дезоксирибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, ТТФ, ГТФ, ЦТФ) являются источником энергии в таком важном процессе, как репликация ДНК. Другие молекулы также выполняют сходные функции. Но это малая крупица для живой клетки, для ее существования. Тогда откуда клетка берет так необходимую для нее энергию? Возможно, существуют еще неизвестные источники. Так где же они?
Главной молекулой живой клетки является ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. Возможно, в ней и скрыто то, что мы ищем?
Об этой молекуле многое известно, и важная заслуга в этом принадлежит Френсису Крику (1916–2004) и Джеймсу Дьюи Уотсону (1928–2025), которые опубликовали в научном журнале «Nature» статью о пространственной структуре ДНК.
Схема расположения комплементарных азотистых оснований в ДНК:
Цифры указывают сумму электронов каждого азотистого основания в ДНК.
В аденине общее количество электронов — 69; в тимине — 65.
В другой паре: гуанин содержит 77 электронов, цитозин — 57.
После сложения в соответствии с расположением азотистых оснований в комплементарных парах получим следующие результаты:
А + Т = 69 + 65 = 134
Г + Ц = 77 + 57 =134
Число 134 — суммарное количество электронов в комплементарных парах азотистых оснований в молекуле ДНК.
Теперь становится понятным, почему молекула так равномерно скручена по всей своей оси. Между комплементарными парами азотистых оснований в ДНК действуют одинаковые электростатические силы.
Но где же скрыт тот неизвестный источник энергии? Если он будет найден, тогда ДНК выполняет не только всем знакомую функцию — хранение наследственной информации, но и еще одну.
Каким же образом молекула обеспечивает клетку энергией? Сначала напомним, что такое метилирование ДНК. Оно заключается в присоединении (—CH₃) к цитозину от акцептора метильной группы и катализируется ферментом. При этом ДНК сильнее скручивается в результате увеличения электростатических сил отталкивания. Метилированный цитозин в последующих реакциях окисляется другими ферментами и обратно переходит в цитозин:
Цитозин ----->5-метилцитозин ------> 5-гидроксиметилцитозин ------>
5-формилцитозин ------> 5-карбоксицитозин ----->Цитозин
Важная заслуга открытия промежуточных азотистых оснований деметилирования принадлежит группе исследователей во главе с профессором И Чжаном (Yi Zhang).
На начальных этапах ДНК равномерно скручивается по всей своей длине или только ее участок. Это связано с увеличением количества электронов, что приводит к более сильному скручиванию и напряжению в химических связях. При переходе в «чистый» цитозин ДНК раскручивается по всей своей длине или опять только ее участок, зависит от того, что деметилировано. Вот тогда и образуется та самая неизвестная энергия, которая необходима для дальнейших биохимических процессов и такого сложного, как репликация ДНК.
Молекула компактно уложена в хромосоме. Может быть, раскручивание всей ДНК хромосомы дает сигнал к началу репликации, а если затронуты области расположения генов, то и к синтезу м-РНК?
Получается, что метилирование цитозина является активатором процессов.
Таким образом, можно предположить, что ДНК выполняет еще одну важную функцию — обеспечение клетки дополнительной энергией в виде тепла, образуемого при раскручивании молекулы.
По праву ДНК называют главной молекулой живой клетки.
Гены в ДНК составляют малую часть. Остальную иногда называют то «мусорной», то «нефункциональной» и т. д.
По поводу этой части молекулы много всевозможных предположений и споров, но нам интересно само существование этих до сих пор непонятных областей.
При деметилировании ДНК по всей ее длине, именно этой ее части выпадает ведущая роль, так как при раскручивании образуется то тепло, необходимое для проведения биохимических реакций. Чем длиннее молекула, тем больше образуется тепла.
Если бы ДНК в клетке была представлена одной длинной молекулой, а не поделенной на части и уложенной в хромосомах, то раскручивание по времени было бы долгим процессом, а также она спуталась бы. Такое строение хромосом необходимо для клетки.
Представим четыре веревки: две — длинные и туго скрученные, две остальные — короткие и так же туго скручены. Если отпустить один из концов у них, то становится ясным, какие быстрее раскрутятся.
Небольшие ДНК распределены по хромосомам, что дает одновременное раскручивание молекулы, чем если она была бы представлена одной длинной.
Чем больше пар Г—Ц будет в ее так называемой мусорной части, тем быстрее молекула будет раскручиваться.
Островки CpG — это области ДНК, где цитозин нуклеотид следует за гуаниновым нуклеотидом в линейной последовательности. Возможно, одна из функций — это участие в деметилировании всей ДНК с образованием энергии, так необходимой для дальнейших процессов. В молекуле ДНК нет ничего лишнего, «нефункционального».
Если в ДНК заключена неизвестная до сих пор, еще одна важная функция, связанная с получением энергии, то возможно ли использовать эту молекулу для получения «экологически чистой энергии»?
Может быть, дальнейшее изучение ДНК даст начало развитию новой отрасли промышленности — бионаноэнергетики, и наши мечты о по-настоящему чистой, зеленой энергетике сбудутся, а слова, выступления защитников природы наконец-то будут заменены практическими результатами.
Источники:
1. Tet Proteins Can Convert 5-Methylcytosine to 5-Formylcytosine and 5-Carboxylcytosine. By Shinsuke Ito, Li Shen, Qing Dai, Susan C. Wu, Leonard B. Collins, James A. Swenberg, Chuan He, Yi Zhang. Science. Vol.333.NO. 6047. 02 Sep 2011: 1300-1303
2. Уотсон, Джеймс Д. Двойная спираль: Воспоминания об открытии структуры ДНК: [Пер. с англ.: Брухнов, М.; Иорданский, А.] = Watson, James D. The Double Helix. A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA. Atheneum: New York, 1968. — М.: Мир, 1969. — 152 с.
3. Ванюшин Б.Ф. Молекулярная биология // История биологии с начала XX века до наших дней. М.: Наука. 1975. С. 454.
4. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. — 3. — Москва: Высшая школа, 2000. — 479 с.
5. Химическая энциклопедия, научное издание, «Большая Российская энциклопедия». Главный редактор: И. Л. Кнунянц, Москва, 1992.
6. Альбертc Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки в 3-х томах, М.: Мир.
7. Черкес Ф. К., Богоявленская Л. Б., Бельская Н. А. Микробиология / Под редакцией Ф.К. Черкес. Москва: Медицина, 1987.
8. Байгужина Закия. «ДНК раскрывает свою тайну». «Издательские решения» по лицензии Ридеро, 2019.
9. ChemPort.Ru Новости химической науки > седьмое и восьмое азотистые основания ДНК.
10. Википедия. Правила Чаргаффа.
11. Википедия. Чаргафф, Эрвин.
12. Википедия. Двойная спираль.
13. Википедия. Комплементарность (биология).
14. Википедия. Крик, Фрэнсис.
15. Википедия. Уотсон, Джеймс.
16. Википедия. Дезоксирибонуклеиновая кислота.
17. Википедия. S-Аденозилметионин.
18. Википедия. Промотор.
19. Википедия. ДНК-метилтрансфераза.
20. Википедия. Метилирование ДНК.
21. Википедия. Прометей.
22. Википедия. Альтернативная энергетика.
23. Википедия. Ветроэнергетика.
24. Википедия. Солнечная энергетика.
25. Википедия. Нуклеотиды.
26. Википедия. Макроэргические соединения.
27. Википедия. Репликация ДНК.
28. Википедия. Хромосома.
29. Википедия. Мусорная ДНК.
30. Википедия. 5-Гидроксиметилцитозин.
31. Wikipedia. 5-Hydroxymethylcytosine.