Физики объяснили электрические свойства бактерий

Международная группа учёных под руководством Константина Мотовилова и Бориса Горшунова из МФТИ по-новому взглянула на электрические свойства материалов биологического происхождения. Учёные исследовали механизм проводимости составляющих бактерии вида Shewanella oneidensis MR-1. Колонии этих микробов используются в биологических топливных элементах. Статья с результатами исследования опубликована в журнале Scientific Reports.

Как электрический ток протекает в веществе и как возникает электрическое сопротивление? Ответ, вообще говоря, зависит от вида вещества. Поэтому у физиков есть несколько разных теорий проводимости.

Здесь стоит оговориться, что физики понимают слово "теория" не так, как широкая публика. Теория – это не предположение, которое нужно доказать и которое может оказаться верным или не верным. Это модель или своего рода схема, задача которой предсказывать результаты экспериментов. Теория хороша, если она успешно справляется с этой задачей.

Например, представление о том, что Земля плоская, и формулы для движения тел, которые из этого следуют, можно с некоторой натяжкой назвать примером простейшей теории. Она успешно работает там, где учитывать шарообразность Земли нет никакого смысла, например, в задаче о движении подброшенного камня или городского автобуса. Даже зная, что Земля – шар, мы каждый день пользуемся этой "плоской" теорией, потому что её хватает для решения повседневных задач.

Поэтому фразу о том, что у физиков много теорий проводимости, не следует понимать так, что они ещё не разобрались, что происходит на самом деле. Просто они выбирают по возможности простые схемы, которые работают в некоторых рамках.

Так, электрическую проводимость металлов хорошо объясняет теория Друде, в которой электроны не взаимодействуют друг с другом, зато сталкиваются с атомами кристаллической решётки. В этом случае сопротивление вещества переменному току довольно слабо зависит от его частоты (пока она меньше частоты столкновений электронов с кристаллической решёткой).

Однако существует ещё одна большая группа проводящих материалов, свойства которых в эту теорию не укладываются. К таким материалам относятся стёкла, ионные проводники (там носителями заряда выступают ионы) и аморфные (не имеющие упорядоченной кристаллической решётки) полупроводники.

Теорию электрических свойств подобных материалов предложил почти сорок лет назад английский физик Анджей Джоншер (Andrzej Karol Jonscher). Согласно этой теории, при комнатной температуре и низкой частоте переменного тока (до нескольких мегагерц) можно применить теорию Друде с её незначительно зависящим от частоты сопротивлением. Однако при повышении частоты тока этот подход перестаёт работать. Проводимость (величина, обратная сопротивлению) начинает расти прямо пропорционально степени частоты несколько меньшей единицы. То же самое происходит, если оставлять частоту постоянной, но постепенно охлаждать материал.

При этом оказывается, что свойства различных материалов очень похожи. Более того, если переписать зависимости в приведённых величинах (например, говорить не о проводимости, а об отношении проводимостей при переменном и постоянном токе), для всех веществ они будут выглядеть одинаковыми. Это довольно интересное явление, его в своё время хорошо исследовали на примере стёкол и других аморфных материалов, и оно помогло лучше понять их строение и свойства.

В данной работе учёные показали, что теория Джоншера также хорошо описывает электрические свойства ещё трёх материалов, на этот раз органических. Два из них – белки бычий сывороточный альбумин и цитохром C из сердца быка – являются известными стандартными белками. Структурные, физические и химические свойства этих веществ хорошо исследованы, и учёные использовали их в качестве образца.

Кроме того, они изучили внеклеточный матрикс бактерии вида Shewanella oneidensis MR-1, которая может производить электрический ток в масштабах, пригодных для практического использования. Эта бактерия используется во многих исследованиях, посвящённых альтернативным источникам энергии, и поэтому её свойства представляют особенный интерес.

Например, в 2010 году группа учёных из США и Канады показала, что некоторые внеклеточные нитеобразные структуры этой бактерии ведут себя очень похоже на полупроводники p-типа. Однако электрические свойства Shewanella oneidensis MR-1 до сих пор были изучены не очень хорошо. В данной статье учёные постарались устранить этот пробел.

Сначала исследователи измерили проводимость указанных материалов. Измерялись также потери энергии. Измерения проводились в диапазоне частот от 1 герца до 100 триллионов герц и температур от −260 до 40 градусов Цельсия.

Кроме того, учёные измерили проводимость матрикса бактерии при постоянном токе и температурах от нуля до сорока градусов Цельсия и зависимость теплоёмкости этого материала от температуры. Также исследователи оценили содержание воды и металлических ионов во всех трёх образцах.

Чтобы выполнить эти измерения, учёные сначала спрессовали вещества в таблетки. Затем они подсоединили к плоским сторонам таблеток электроды и пропустили через них переменный ток, чтобы измерить электрическую проводимость и диэлектрическую проницаемость на частотах от 1 герца до 300 миллионов герц. Для более высоких частот такой подход не работает, поэтому в диапазоне от 300 миллионов до 30 миллиардов герц измерения не проводились. А вот на частотах 30–1500 гигагерц учёные применили другой метод: они облучали таблетки электромагнитными волнами соответствующей частоты и измеряли характеристики излучения, прошедшего через вещество.

В результате оказалось, что при комнатной температуре проводимость бактериального матрикса практически постоянна, а при увеличении частоты выше нескольких мегагерц становится пропорциональна некоторой её степени, близкой к единице, как в теории Джоншера. У цитохрома C такая зависимость наблюдается только при относительно низких частотах и высоких температурах, у альбумина не наблюдается вовсе.

Это значит, что механизмы проводимости в этих веществах существенно различаются. Скорее всего, в бактериальном матриксе при комнатной температуре есть почти свободные заряды, в альбумине их нет, а цитохром C занимает промежуточное положение.

Эту зависимость можно объяснить, исходя из структуры каждого вещества. И цитохром C, и альбумин являются обычными белками. Свободных зарядов в них не очень много (хотя они есть), и теорию Друде к ним применить нельзя. С другой стороны, в молекулах бактериального матрикса образование свободных зарядов происходит легче, поэтому его проводимость больше похожа на проводимость металлов. Впрочем, ещё больше она похожа на проводимость раствора поваренной соли, в котором концентрация свободных ионов тоже велика.

Работа авторов продемонстрировала, что идеи и методы, наработанные за много десятилетий исследования электрической проводимости неорганических веществ, могут применяться и к биологическим материалам. А это значит, что впереди у нас ещё много интересных открытий.

К слову, "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о том, как исследователи вынудили S. oneidensis вырабатывать электричество. Хотя роль "промышленных электростанций" у них вполне могут отнять цианобактерии. Также S. oneidensis могут использоваться для очистки сточных вод.