CC BY
15ЭЛЕКТРОХИМИЯ РАСТЕНИЙ ДЛЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Коломиец1 А.А. школьник, Винокуров2 С.А., Цебрук2И.С., Классен2Н.В.
1- Средняя школа №45, Ямкино, 2- Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, klassen@issp. ac. ru
DOI: 10.24411/9999-004A-2019-10054
Нами обнаружены несколько экспериментальных фактов, выявляющих активные электрохимические процессы, которые происходят в зеленых и древесных частях растений при механическом деформировании, световом облучении, электрическом воздействии. Сейчас на основе этих явлений мы разрабатываем устройства для получения от растений электроэнергии, а также методики использования их в информационных технологиях. Во-первых, обнаружено, что при деформировании и ветвей, и листьев деревьев в них генерируются электрические потенциалы порядка вольта. Такая генерация имеет несколько особенностей: при последовательном деформировании циклами нагрузка - разгрузка величины возникающих при этом потенциалов монотонно возрастают от цикла к циклу, пока не достигают определенного уровня насыщения. Например, при сгибаниях-разгибаниях ветвей клена первый импульс потенциала составляет около 50 милливольт, а к шестому амплитуда доходит до 700 милливольт. Если такую ветку срезать и подержать неделю в сухом месте, амплитуда потенциала при таком же сгибании-разгибании достигнет всего 5 милливольт. Но после часовой выдержки в воде деформационный потенциал в значительной мере восстанавливается, доходя до 400 милливольт. Это показывает, что деформационная генерация в данном случае связана не с хорошо известным явлением пьезоэлектричества волокон целлюлозы (которое не должно так сильно различаться для свежих и слегка подсушенных веток), а с перемещениями электрических зарядов в водных растворах, заполняющих питательные микрокапилляры веток. Возрастание амплитуды от цикла к циклу можно объяснить защитной реакцией растения: так как повторяющаяся деформация грозит разрушением древесной ткани, в микрокапилляры впрыскиваются дополнительные заряды из окружающих их стенок, которые перемещаются в наиболее напряженные зоны растения и упрочняют их посредством обратного пьезоэлектрического воздействия. Растение, тем самым, демонстрирует способность к самообучению, модифицируя свое поведение применительно к внешним условиям. Увеличение количества свободных зарядов в биорастворах растения подтверждается
измерениями электросопротивления ветвей и листьев в процессе деформирования: от цикла к циклу сопротивление уменьшается.
Следующее подтверждение «интеллектуальных» способностей растений
- действия по сбережению магния. Мы облучали зеленые листья разных растений сфокусированными синим или красным лазерами с плотностью светового потока порядка 1 вт/см2. После приблизительно минуты такого облучения облучаемая область чернела, т.е. обугливалась. Это напоминает известный процесс пиролиза древесины (получения древесного угля), когда при нагревании ее в безкислородной среде улетучиваются все химические элементы, кроме углерода. Но в данном случае на границе между обугленной и зеленой зонами возникла кольцевидная каемка белого цвета. Анализ показал, что белый цвет дает окись магния. Это означает, что ткань листа разрушается так, что магний, являющийся ключевым элементом хлорофилла, который отвечает за фотосинтез, не улетучивается при лазерном облучении (хотя атомы магния достаточно легки), а переводится растением в неповрежденные области. Магний
- один из наиболее дефицитных микроэлементов, который растение добывает корнями из почвы. Без него в принципе невозможно формирование новых и древесной, и зеленой масс. Поэтому растения научились не только добывать магний, но и сберегать его. Еще одно подтверждение такой способности -реакция горшечной фасоли на описанное выше лазерное облучение. Листок одного из побегов кустика фасоли был прожжен лазером. Через неделю оказалось, что весь этот побег пожелтел, т.е. весь его хлорофилл саморазрушился и, вероятно, освободившийся магний был переведен растением либо в корни, либо в другие побеги (хотя площадь поврежденной лазером зоны была не больше 3 % от общей площади этого пожелтевшего впоследствии побега).
Еще один пример «псевдосознательного» поведения растений - скачки электросопротивления листьев при их освещении солнечным или лазерным светом. Эти скачки происходят с интервалами в 10 - 20 секунд и отношение амплитуд сопротивления в максимуме и минимуме составляет десятки или даже сотни раз. С одной стороны, известно, что хлоропласты, в которых при освещении идут реакции фотосинтеза, как бы специально размещены природой в полужидкой среде (строме) для того, чтобы время от времени переворачиваться на 180 градусов по отношению к световому потоку. Это делается для того, чтобы освещаемая сторона хлоропластов не «переутомлялась» и имела возможность «отдохнуть» в тени. Но для этого не требуется одновременного переворота всех хлоропластов сразу (именно такой синхронизованный переворот дает всплеск тока, приводящий в резкому падению электросопротивления). Они могут отдыхать, переворачиваясь и поодиночке. Но всплеск тока и вызванный им импульс электропотенциала создает импульс деформации на входах микрокапилляров, идущих от листьев к растущим фрагментам растения. Эти импульсы запускают в микрокапиллярах (благодаря пьезоэлектричеству их стенок) электромеханические волны, которые и переносят движением своих
электрических полей образуемые при фотосинтезе питательные вещества в нужные места.
Представленные факты показывают, что, хотя у растений и нет мозга, по некоторым аспектам поведения они напоминают энергичные сознательные существа. На их основе мы сейчас планируем использовать растения в качестве электрогенераторов и формированию на их базе новых типов компьютеров. Для получения электроэнергии используются два явления: генерация электропотенциалов при деформировании ветвей деревьев (например, ветром) и разделение электрических зарядов со скачками электрического тока в зеленой массе растений при фотосинтезе. Деформация способна создать в отдельных ветках потенциалы в десятки вольт. Если эти ветки соединить параллельно, набросив на крону электропроводящую сеть из тонких нитей и понизить за счет параллельного соединения сопротивление между кроной и стволом до сотни Ом, одно растение станет электрогенератором с выходной мощность в несколько десятков ватт. Автомобильный аккумулятор от такого растения можно будет зарядить за время порядка десяти-двадцати часов (точное время будет, естественно, зависеть от силы ветра, размера дерева и т.д.).
Создание солнечных электрогенераторов на растениях планируется двумя путями. Первый - использование скачков электрического тока в листьях живых растений, возникающих при фотосинтезе. Если окружить группу листьев, в которых эти скачки происходят синхронно, электрическим контуром, в нем будет возбуждаться электрический ток. Для реального осуществления такого генератора необходимо детально исследовать степень синхронизации скачков тока в разных листьях, амплитуды возникающих при этом переменных электромагнитных полей и возможную эффективность передачи во внешнюю цепь индукционным путем (без прямого контакта с растением). Второй путь -использование тилакоидов зеленой массы растений, изготовив из них ориентированные стопки тилакоидных мембран, в которых при освещении происходит разделение электрических зарядов. Макетный вариант методики образования таких стопок совместным воздействием лазерного облучения и электрического поля нами уже апробирован.
Разработка схем биокомпьютеров на основе растений планируется по двум путям. Первый - использование в традиционных схемах цифровых компьютеров тех компонентов растений, которые в наших экспериментах проявили характеристики, похожие на параметры используемых сейчас полупроводниковых элементов. Второй путь - использование логических схем, по которым происходит описанное выше самобучение растений, для разработки биокомпьютинга с параллельным проведением логических операций по типу работы человеческого мозга.
