Väčšina živých organizmov dýcha kyslík alebo využíva iné chemické látky. Nedávny výskum však ukázal, že existujú baktérie ktoré si vystačia aj tam kde kyslík prakticky neexistuje. Namiesto klasického dýchania používajú elektródy vo svojom okolí a doslova dýchajú elektrinu. Znie to ako sci fi ale je za tým poctivá biochémia a fyzika.
Bežné dýchanie verzus dýchanie elektriny
V našich bunkách aj v bunkách väčšiny baktérií prebieha proces nazývaný buněčné dýchanie. Pri ňom sa rozkladajú živiny a uvoľňujú sa elektróny. Tieto elektróny putujú cez reťaz enzýmov a na konci skončia na kyslíku ktorý sa zmení na vodu. Vďaka tomu získa bunka energiu vo forme ATP.
Ak však kyslík nie je k dispozícii musí si organizmus nájsť iného „prijímateľa“ elektrónov. Niektoré baktérie používajú sírany alebo železo. A potom sú tu také ktoré posielajú elektróny úplne mimo svoju bunku. Tento proces sa nazýva extracelulárny prenos elektrónov alebo extracelulárna respirácia.
Čo presne objavili vedci
Tím z Rice University v Texase a University of California San Diego testoval baktérie v prostredí kde bol nedostatok kyslíka ale nachádzali sa tam vodivé materiály elektrody. Zistili že baktérie vedia prežiť tak že pri metabolizovaní potravy posielajú elektróny von z bunky priamo na tieto povrchy. Pri pokusoch bolo možné zmerať malý ale reálny elektrický prúd.
Kľúčom sú molekuly nazývané naftochinóny. Správajú sa ako maličké kuriérske autíčka ktoré vnútri bunky naberú elektróny a odnesú ich na vonkajšiu stranu kde ich odovzdajú vodiču. Takto môžu baktérie fungovať aj tam kde by iné organizmy bez kyslíka rýchlo uhynuli.
Ako baktéria dýcha elektrinu krok po kroku
- Baktéria rozkladá organickú látku napríklad jednoduchý cukor.
- Pri tomto procese vznikajú elektróny a protóny podobne ako pri bežnom dýchaní.
- Naftochinóny alebo špeciálne proteíny na povrchu bunky preberú elektróny.
- Elektróny sú prenesené na vonkajší vodivý materiál typicky elektródu.
- Po uzavretí obvodu začne tiecť slabý elektrický prúd ktorý vieme zmerať.
V podstate tak baktéria používa elektródu ako náhradný „kyslík“. Namiesto toho aby elektróny skončili na molekule kyslíka putujú do kovu alebo uhlíkového materiálu a cez neho do zvyšku elektrického obvodu.
Mikrobiálne palivové články malé elektrárne na baktérie
Myšlienka zobrať baktérie ktoré dýchajú elektrinu a vložiť ich do zariadenia ktoré využije ich elektróny nie je nová. Tomuto zariadeniu sa hovorí mikrobiálny palivový článok.
V nádrži sa nachádza zmes vody a organického odpadu napríklad komunálna alebo priemyselná odpadová voda. Na dne je elektróda kde rastie biofilm baktérií. Tieto baktérie rozkladajú organické látky a posielajú elektróny na anódu. Elektróny potom tečú cez vonkajší obvod na katódu kde sa často spájajú s kyslíkom. Výsledkom je súvislý malý elektrický prúd a zároveň čiastočne vyčistená voda.
Výhody takého systému:
- spotrebuje odpad ktorý by aj tak bolo treba čistiť,
- popri tom vyrába elektrinu,
- dokáže fungovať tam kde nie je jednoduché meniť batérie napríklad na podmorských alebo vzdialených senzoroch.
Výkony týchto zariadení sú zatiaľ nízke takže nečakajme že „baktériová elektráreň“ zvládne celú domácnosť. Na napájanie senzorov alebo malých zariadení však už dnes fungujú experimentálne aj praktické systémy.
Čo nám hovoria o živote v extrémnych podmienkach
Objav dýchania elektriny má dopad aj mimo technológií. Ukazuje ako flexibilný dokáže byť život. Ak baktérie prežijú v prostredí bez kyslíka len vďaka tomu že sa pripoja na kúsok kovu alebo horniny ktorá vedie elektrinu rozširuje to naše predstavy o tom kde všade by mohol existovať život.
Astrobiológovia uvažujú že podobné procesy by mohli fungovať v podpovrchových oceánoch ľadových mesiacov kde je málo kyslíka ale veľa minerálov. Ak by tam existoval život možno tiež dýcha cez elektródy v podobe vodivých hornín.
Obmedzenia a čo to neznamená
Pri takýchto správach sa ľahko rozšíria prehnané očakávania. Preto je dobré zhrnúť čo zatiaľ platí a čo nie:
- Baktérie naozaj dokážu pri metabolizme odovzdávať elektróny na vonkajšie vodiče a vytvárať elektrický prúd.
- Ide o veľmi malé prúdy vhodné skôr na senzory a špecializované zariadenia nie na veľké elektrárne.
- Výskum prebieha hlavne v laboratóriách kde majú vedci pod kontrolou podmienky aj zloženie baktérií.
- Neznamená to že si čoskoro zasadíme „baktériový panel“ na strechu a nahradíme ním fotovoltaiku. Skôr ide o doplnkovú technológiu s jedinečnými vlastnosťami.
Záver baktérie ako malé biologické batérie
Príbeh baktérií ktoré dýchajú elektrinu je ukážkou ako veľmi nás môže prekvapiť aj úplne obyčajný mikroorganizmus. To čo na prvý pohľad pôsobí ako fantastická schopnosť je v skutočnosti elegantné riešenie problému ako prežiť bez kyslíka.
Zároveň platí že podobné objavy posúvajú vpred aj technológie. Mikrobiálne palivové články, nové biosenzory či energeticky úsporné zariadenia pre odľahlé miesta môžu v budúcnosti stáť práve na tom že niekto v laboratóriu nechal baktérie prirásť na elektródu a pozrel sa čo sa stane.
Leave a Reply